敦煌莫高窟顶尼龙网栅栏防护效应研究

野外监测和风洞模拟实验结果表明,孔隙度为20%~25%的尼龙网栅栏,其保护范围达23.5H~29.5H,栅栏前后的积沙范围主要集中在2H(栏前)~3H(栏后)。砂砾质戈壁区尼龙网栅栏直接阻止了偏西风向洞窟搬运沙量的80%以上,但其侧导能力微弱,外围栅栏对来自主风向的外侧积沙的侧导率平均达到35%;对其内侧的侧导作用,在偏东风时为57.51%,偏西风时平均为15.89%,反映了防护效益的季节变化特征。在网后1H处,20cm、50cm、100cm和150cm高处的风速分别降到网前3H的48.6%、38.6%、40.7%和66%。在NW风作用下,网后10m、2m的输沙量分别是网前10m、2m的1/29和1/43,并受栅栏设置等因素的影响。流沙区尼龙网栅栏的防沙效益亦表现出在三组不同风向上的差异。栅栏的阻沙效益与沙源供给关系密切,沙源充足时以风积为主,相反,则出现较强的风蚀作用。3~5月间,对比分析前方沙源充足(1992年)、基本控制(2002年)和较好控制(2003年)3种情况,窟前栈道不同部位洞前积沙分别减少39.4%~83.3%、75.4%~95.2%和94.0%~98.7%。尼龙网栅栏是比其他材料更优的一种防沙材料,不仅价格便宜,施工简单,而且在沙障被埋后容易移动重设,在阻止沙丘前移和防止过境风沙流具有优势。目前在网栅周围形成的局部积沙,在综合防护体系逐渐建立,前方沙源截留的前提下,利用窟顶输沙能力的季节变化特别是偏东方的反向搬运功能,局部积沙可以得到较好的输导。同时建议维护调整现有砂砾质戈壁区尼龙网栅栏防护体系。     

莫高窟窟顶戈壁防护带阻截和输导功能研究

多风信条件下, 沙砾质戈壁与鸣沙山进行着往复式的能量交换及物质运动。部分沙物质在砾石的保护下, 形成阻沙。部分沙物质在跃移沙粒的激化下形成戈壁风沙流并对洞窟产生危害。戈壁风沙流是造成沙砾质戈壁从稳定向不稳定状态演化的主要动力因素; 而上风向沙源的供给状况又是决定砾石床面阻沙和导沙的主要因素。基于此, 戈壁防护带应首先控制来自鸣沙山的沙源, 采取以阻断或减少外来沙源, 通过固定和覆盖沙砾质戈壁地表以及增加下垫面粗糙度等, 来造成一种既利于沙子堆积的条件, 又能促进形成天然戈壁输沙场, 从而为偏东风反向搬运创造一个适宜场。因此, 如何因势利导, 使窟顶流场与风沙地貌达到一种动力平衡, 是莫高窟综合防护体系成功与否的关键之一。这与以往单风向或双风向条件下所探讨的防护体系效应有着本质的区别。     

敦煌莫高窟顶几种典型床面蚀积量变化过程的初步观测

通过对莫高窟窟顶自然和人工床面的风蚀、输导及堆积沙量变化的野外监测,初步观测结果表明：在偏西风作用下,自然状况下的戈壁床面阻截了来自鸣沙山40％的沙量,其余60%的沙量进入窟区;而偏东风又可将偏西风、偏南风作用下沉积于窟顶90％的沙量吹回到鸣沙山边缘。床面阻、输性质与沙源供给状况密切相关。沙源丰富时,风沙流以较饱和形式输送,易形成输沙床面性质;沙源匮乏时,风沙流多以不饱和形式输送,形成阻沙-输沙床面性质。砾石直径较大（＞4 cm）的床面主要呈现堆积性质,对偏西的风沙流阻滞功效比较明显,每100 m阻沙率可达45％;偏东风作用下,每100 m阻沙率可达19％; 而砾石直径较小（1 cm）的床面,主要以风沙输沙功能为主,是一个非堆积搬运床面。     

敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系设计研究

风沙危害是敦煌莫高窟保护面临的主要环境问题之一,建立一个完整的防护体系是解决这一问题的有效途径。在对20世纪80年代以来建立的防沙治沙试验工程防护效应分析研究的基础上,对敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系设计进行了讨论。根据因地制宜,因害设防;以固为主,固、阻、输、导相结合;以工程和生物措施为主,兼顾化学固沙;高新技术与常规治理技术相结合;重点治理,分阶段实施与长远目标相结合的设计原则,认为根据不同地貌特征及地表组成物质,依次建立鸣沙山前缘流动沙丘和平坦沙地阻固区、窟顶戈壁防护区、洞体崖面固结区、石窟对面流动沙丘固定区、窟区防护林带建设区及天然植被封育保护区,可使危害莫高窟的风沙灾害得到有效控制,并达到莫高窟作为世界文化遗产和全国重点文物保护单位对环境质量的要求。     

敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系探讨

通过对敦煌莫高窟防沙历史的综合总结和分析,认为莫高窟作为我国乃至世界古代灿烂文化艺术的瑰宝,是甘肃对外交流的主要窗口之一,也是我国重要的旅游地之一。单纯的消极人工清沙已远远不能适应现代社会对生态环境质量的需要和旅游业作为该地区经济发展基本点的要求。那么,创造一个良好的旅游生态环境及文物保护工作环境,不仅有利于整个窟区生态环境的改善,且其示范效应将带动本地区乃至整个河西地区的荒漠化治理。根据风沙环境特征,提出了莫高窟防护体系建立的主导思想是:以防治西北、西南主害风为主,根据鸣沙山、砂(砾)质戈壁、窟顶崖面等不同地带的具体风沙运动规律,采取以固为主,固、阻、输、导相结合的防护原则,以切断或削弱鸣沙山沙源和固定流沙,并消除沙砾质戈壁面的就地起沙为目的,建立一个由工程、生物、化学措施组成的多层次、多功能的综合防护体系,从根本上消除风沙活动对莫高窟的危害。同时对莫高窟综合防护体系建设的总体布局及防护宽度、砾石铺压的基本原理作了一个初步的探讨。     

莫高窟顶戈壁偏东风作用下输沙率变化的观测研究

通过一次沙尘暴天气过程对莫高窟顶不同观测点戈壁风沙流结构和输沙率的时空变化特征进行了系统同步观测。观测表明,偏东风条件下,当风速为10 m·s-1时,水平观测方向上存在一个各点输沙率平衡的阶段,即崖顶戈壁至鸣沙山边缘戈壁各观测点的输沙率相当;当风速大于10 m·s-1时,戈壁地表以风蚀搬运作用为主,出现了戈壁向鸣沙山的长距离风沙搬运;当风速小于10 m·s-1时,戈壁沙物质的长距离搬运作用不明显。不同风况及沙源条件下,风沙流结构和输沙特征会发生显著变化。借鉴Lattau输沙率方程,运用风速和输沙率推算各观测点输沙率的时空变化,计算结果表明,在风速为10 m·s-1左右时,窟顶戈壁带的输送效率约为60%。     

敦煌莫高窟顶灌木林带防护效应研究

风洞模拟实验和野外观测结果表明,平均林带高H=1 5m,疏透度β=50%的两条灌木林带周围的气流场分为7个能量区。在贴地层,有林带前的拐角绕流阻滞减速区,林带中的灌丛阻挡湍流衰减区,林带后的回流涡旋减速及速度恢复区,林带远方的气流附体加速区。在林带上部,有林带间的阻滞减速区和林带后的涡旋减速区,在林带顶后部有集流加速区。风沙流在阻滞、涡旋回流减速区沉积,而在加速区则会产生风蚀,在林带顶上下层气流交换加强。在低速时林带阻沙能力较强,当风速为10m·s-1时,有林带的输沙量可减少一个量级,即阻滞90%的风沙流;在中高风速时(风速为15m·s-1及以上),林带对风沙流的阻滞作用明显减弱,只阻滞20%。     

莫高窟PM10浓度与气象要素的关系

采用2018年敦煌莫高窟第16窟窟内与窟区PM₁₀浓度及气象数据,分析PM₁₀时空分布特征及其影响因素。结果表明：（1）两处监测点PM₁₀浓度主要分布在50 μg·m^-3以下,受重污染天气影响较小;春、冬、秋、夏季依次降低,窟区PM₁₀浓度在春、冬季高于窟内,夏、秋季反之。（2）PM₁₀浓度3月最高,9月最低,5—9月窟内月均值高于窟区。PM₁₀污染日数窟内5月最多,而窟区3、5月较多。（3）PM₁₀浓度日变化曲线在春季和秋季呈“双峰”型,夏季和冬季呈“单峰”型。（4）在半封闭环境的洞窟内,沙尘暴发生前后,PM₁₀浓度达到极值及恢复至原来水平的时间均滞后于窟区。（5）在不同季节PM₁₀浓度与气温、风速和降水呈负相关。除秋季外,PM₁₀浓度与相对湿度、气压呈正相关。（6）窟区全年主风向为ESE,在冬春两季,此风向PM₁₀浓度最高,PM₁₀主要来自三危山前的戈壁滩、干涸的大泉河河道以及窟前裸露的地表积尘。     

敦煌莫高窟大气可吸入颗粒物的化学元素特征

利用电感耦合等离子体质谱仪测定了敦煌莫高窟洞窟内外大气可吸入颗粒物中27种元素的质量浓度。结果表明:典型地壳元素Na、Mg、Al、K、Ca、Fe占测定元素总质量浓度的96%以上。通过洞窟内外PM2.5与PM10-2.5中元素质量浓度对比发现,Li、Na、Mg、K、Ca、Co、Ni、Zn、Sr、Cs、Ba、U等元素主要存在于PM10-2.5中。沙尘天气时,洞窟外环境中的Co、Ga、As、Cs、Ba元素质量浓度降低,表明沙尘过程对这些元素有稀释作用。富集因子分析显示,洞窟内外可吸入颗粒物中B、Na、Ca、Mn、Cu、Zn、As、Sr、Tl、Pb、Bi、U的EF值均大于10,表明人类活动产生的污染物对以上元素的富集起主要作用。富含Ca、Mn、Cu、Zn、As、Pb等元素的矿物颜料在洞窟壁画制作中被大量使用,其对区域环境大气可吸入颗粒物微量元素的富集也有一定的贡献作用。游客数量与洞窟内外元素Bi浓度存在较显著的线性关系,表明环境中的Bi元素浓度变化受游客活动影响。本研究首次对莫高窟大气可吸入颗粒物中元素含量进行了监测和分析,研究成果为石窟文物及其赋存环境中可吸入颗粒物污染的治理及控制提供了科学...     

不同组合间距的尼龙阻沙网积沙形态特征对比

在塔克拉玛干沙漠腹地垄间平沙地,布设了两条尼龙阻沙网水平组合防沙实验,组合间距分别为2H、5H、10H、15H（H为阻沙网高度）,一个风季中对实验设置的地形及纵断面蚀积量进行了动态观测。结果表明：（1）各尼龙阻沙网组合形成有规律的地表蚀积空间分布格局：形成以阻沙网为核心的积沙区,其上下风侧分布有较稳定的风蚀区,两条阻沙网之间存在临时的风蚀区。（2）在阻沙网前后形成与阻沙网高度相近的积沙体,在第一条阻沙网上风侧区域,积沙厚度与水平距离呈指数函数关系,在阻沙网背风侧,积沙厚度与水平距离呈二次函数关系。（3）2H和5H积沙体纵断面呈单峰状,风季中后期形似“几”字形,而10H和15H呈双峰状,风季中后期形似“M”字形。（4）阻沙网组合间距越小,积沙分布就越集中,形体越高大,反之则越分散,风季末阻沙网积沙体地形起伏度、平均坡降、积沙体积比、积沙断面面积轮廓比大小排序均为2H>5H>10H>15H。（5）阻沙网积沙体积具有随阻沙网间距增大而降低的趋势,观测断面最大积沙体积5HH>2H>15H>10H,5H、2H、15H分别较10H大13.20%、12.34%、3.78%,可见,5H防沙效果最优。     

金字塔沙丘粒度变化及表面过程的初步研究

莫高窟顶金字塔沙丘粒径集中分布在2.44～2.94 Φ,属细砂。标准差介于0.24～0.65之间,偏度在0.03～0.31,属于正偏级。峰度在0.78～1.72,介于宽峰态至尖峰态。沙粒粒径级配是风况、地貌与沙物质相互均衡作用的结果。金字塔沙丘存在着沙臂顶部沙最细或最粗两种粒度模式。金字塔沙丘沙丘主臂(WNW—ESE)属于在双向风环境作用下,类似于横向沙丘粒度变化模式,两坡下部以风蚀为主,丘顶附近以堆积过程为主,导致沙臂两坡粒径与分选性由下而上变细与变好。频率高、风速不大的局地气流,可将大量细沙物质搬运到金字塔沙丘主臂,造成丘底到丘顶的粒度变化不大。副臂(SW)受较强NW风力作用,具有横向及纵向沙丘粒度变化模式,整个坡面处于风蚀状态,沙臂顶部风蚀最为强烈,导致从底部到顶部的粒度逐渐由细变粗。     

Experimental study on the sampling efficiency of the whirl type separation sand sampler in a wind tunnel

A performance test was conducted in a wind tunnel by changing the principal configuration parameters of a sampler such as the diameter of the container, inlet width and cone height. The results show that the average sand collection rate is from 80% to 90% when any one of the configuration parameter levels is changed. However, the variation of a parameter level results in different ef-fects on the sand collection rate for each soil sample within a certain size range of sand grains. The results show that for various sand grain sized soil sample at each wind speed, the sand collection rate decreases when the diameter of the container changes from 50 mm to 40 mm, the sand collection rate increases by about 2%-3% when the inlet width changes from 10 mm to 8 mm, and the sand collection rate increases by about 3%-4% when cone height is altered from 100 mm to 125 mm. The average sand collection rate is enhanced by 2%-4% for the soil sample of different sized sand grains when the diameter of the container is 50 mm, the inlet width is 8 mm, and cone height is 125 mm.     

雅鲁藏布江曲水-泽当段风沙活动动力条件分析与风沙灾害防治建议

雅鲁藏布江河流宽谷区是青藏高原风沙活动最为强烈地区之一.本文选择雅鲁藏布江曲水-泽当段为研究区,分析该地区1981-2010年以来的风动力条件变化特征.结果表明:1981年以来年平均风速明显降低,月平均风速2-4月最大.受河流-山地复合系统的影响,风向复杂且具有明显的空间差异性,贡嘎以西风和东风为主,泽当包括西风、南风...     

Financial appraisal of date-frond mat fence systems for wind erosion control and sand dune stabilization in the arid region of the United Arab Emirates

A discounted cash flow model was employed to assess the viability of four wind barrier systems. The systems were utilized for wind erosion control and sand dune stabilization in the Al-Ain region of the United Arab Emirates. These systems consisted of four densities of date-frond mat fences erected in the form of checker board grids between rows of two local tree species:Prosopis spicigeraandAcacia tortilis. Analysis of cost estimated was based on the annual equivalent value of costs for each system. The economic life of the systems varied as a function of the time needed for the different trees in the different systems to reach the self-support stage. Results indicated that the systems’ ranking according to the minimal costs varied among the different tree types and the number of fences; but there was a general decrease in cost with increased fence density using the same tree, and this was due mainly to the effect of the fence on reducing the cost of tree development and maintenance as a result of reducing accumulated eroded sand. The minimal cost was recorded in D-10 treatment (seven fences) usingProsopis spicigera.     

Modeling net primary productivity of the terrestrial ecosystem in China from 1961 to 2005简

Net primary productivity （NPP） is the structure and function of the ecosystem. NPP can most important index that represents the be simulated by dynamic global vegetation models （DGVM）, which are designed to represent vegetation dynamics relative to environ- mental change. This study simulated the NPP of China＇s ecosystems based on the DGVM Integrated Biosphere Simulator （IBIS） with data on climate, soil, and topography. The appli- cability of IBIS in the NPP simulation of China＇s terrestrial ecosystems was verified first. Comparison with other relevant studies indicates that the range and mean value of simula- tions are generally within the limits of observations; the overall pattern and total annual NPP are close to the simulations conducted with other models. The simulations are also close to the NPP estimations based on remote sensing. Validation proved that IBIS can be utilized in the large-scale simulation of NPP in China＇s natural ecosystem. We then simulated NPP with climate change data from 1961 to 2005, when warming was particularly striking. The following are the results of the simulation. （1） Total NPP varied from 3.61 GtC/yr to 4.24 GtC/yr in the past 45 years and exhibited minimal significant linear increase or decrease. （2） Regional differences in the increase or decrease in NPP were large but exhibited an insignificant overall linear trend. NPP declined in most parts of eastern and central China, especially in the Loess Plateau. （3） Similar to the fluctuation law of annual NPP, seasonal NPP also displayed an insignificant increase or decrease; the trend line was within the general level. （4） The re- gional differences in seasonal NPP changes were large. NPP declined in spring, summer, and autumn in the Loess Plateau but increased in most parts of the Tibetan Plateau.     

风沙流中跃移沙粒冲击速度和角度联合概率分布风洞实验

近地表跃移沙粒速度和角度概率分布是连接风沙运动宏观研究和微观研究的桥梁,对沙粒跃移轨迹和输沙率分布有很大影响。但是,目前跃移沙粒冲击速度概率分布和角度概率分布之间的关系还不明确。使用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）测量了风洞沙床面1 mm高度处的跃移沙粒速度,通过分析各冲击速度对应的冲击角度的概率分布研究了沙粒冲击速度和角度的联合概率分布。结果表明：沙粒冲击速度概率分布可用对数正态函数描述,冲击角度概率分布可用指数函数描述;各冲击速度对应的冲击角度都符合指数函数分布,且其衰减速度随冲击速度增加而加快。这表明,冲击速度概率分布和冲击角度概率分布之间具有很强的相关性。最后分别给出了沙粒冲击速度和角度的独立假设概率分布和条件联合概率分布。     

呼伦贝尔沙地沙丘砂来源的定量分析— 逐步判别分析(SDA)在粒度分析方面的应用

以呼伦贝尔沙地砂物质的粒度分析资料为基础,利用两组间的逐步判别分析(SDA) 来筛选决定不同沉积物间差异的主导因子,根据主导因子的个数、Mahalanobis距离D2、通过统计学检验的信度琢等3个因素,来定量地确定两个总体间的相似性大小。分析结果表明:呼伦贝尔沙地的风成沙丘砂主要来源于海拉尔组砂(Q3),但河流冲积砂和古土壤也有不可忽视的作用;在嵯岗镇附近及其以西的海拉尔河下游宽阔河谷中,自然条件下河流冲积砂也可以成为风成沙丘砂的主要沙源。     

Numerical simulation of aeolian dusty sand transport in a marginal desert region at the early entrainment stage

Aeolian dusty sand transport in the marginal region of a desert is described numerically from first suspension motion at the early entrainment stage to the unsteady state within a moderate range (1000 m long × 500 m high). A two-dimensional model is built for wind-blown dust flow, and the calculations are carried out using Fluent software. The simulation results describe an integrated picture of aeolian dusty sand transport including uplift, suspension, diffusion, deposition and its space–time concentration. According to the features of a sand–dust storm near the surface, a volume concentration expression of ejection grains is developed as a boundary condition in the simulation approach. The model is verified by comparing results with both experimental data from a wind tunnel and an analytic solution. Uniform dust sizes and R–R distributions are used in the simulation. Gas–solid two-phase flow patterns with these grains are obtained in the downwind space, including the turbulence intensity, gas phase stream functions and solid volume concentration distributions. The influence of wind velocities and grain sizes is analyzed. From the simulation results, spatial distributions of dust volume concentration in the early entrainment stage are described clearly. Different from coarse sands, there is a clear band of uniformly saturated dust concentration in the region directly above the surface.     

中国北方农牧交错带城市扩展过程对植被净初级生产力影响研究——以呼包鄂地区为例

评价中国北方农牧交错带城市扩展过程对植被净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）的影响是揭示区域城市扩展过程生态效应的基础。以正在经历快速城市化的呼包鄂地区为例,基于空间分辨率为30 m的土地利用/覆盖数据,评价了该地区2000-2015 年城市扩展过程对NPP的影响。研究结果表明,呼包鄂地区城市扩展导致NPP明显增加,2000-2015 年城市扩展区域NPP均值从429.67 NDVI·PAR增加到489.71 NDVI·PAR,增加了13.97%。呼包鄂地区以城市土地占用草地为主要特征的城市扩展方式是城市扩展区域NPP增加的主要原因。     

2000—2015年塔里木胡杨林国家级自然保护区NPP时空动态特征及其影响因素

以塔里木胡杨林国家级自然保护区为研究对象,基于植被NPP、气象、土地利用/覆盖、河流等数据,采用趋势分析、Mann-Kendall突变检验、地理探测器等方法,探究了塔里木胡杨林国家级自然保护区2000—2015年植被NPP时空变化特征及其影响因素。结果表明：（1） 在空间尺度上,塔里木胡杨林国家级自然保护区2000—2015年年均植被NPP为32.25 gC·m^-2·a^-1,变化范围在5.16~303.87 gC·m^-2·a^-1之间;年均NPP呈现出以塔里木河干流为带向周边波动递减的空间分布特征。（2） 在时间尺度上,16 a间保护区植被NPP呈现波动增长趋势,年均增加值为0.523 8 gC·m^-2·a^-1,在2001—2002年和2011—2012年出现突变性上升,2007—2008年出现突变性下降。（3） 影响植被NPP分异的核心因素为土地利用/覆盖、蒸散发、降水、河流缓冲区等,且由多因子协同作用造成;同时,地下水埋深对植被NPP变化有着重要影响。