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和田河流域灌丛沙堆形成动力机制风洞实验研究

孙秋梅  
【摘要】: 灌丛沙堆是干旱、半干旱地区风沙流遇到灌丛阻拦堆积形成的一种地貌形态。灌丛沙堆在我国分布范围很广,但研究程度较低。本文选择和田河流域作为研究区,通过对该区灌丛沙堆形态的野外调查、测量,沙堆表面气流的野外观测、室内实验模拟以及沙堆-丘间地沉积物采样分析,阐述了灌丛沙堆表面的动力学过程,探讨了灌丛沙堆的形态特征与分布规律、灌丛沙堆表面气流、输沙率与动力学特征、灌丛沙堆表层沉积物粒度特征等问题。初步得出以下几点结论: 1、植被条件对风速廓线影响巨大。当下垫面有植被覆盖时,由于植被对气流的阻挡和削弱作用,使近地表垂直高度上的风速减小,破坏了无植被时近地表风速随高度变化的对数规律。从不同形态灌丛沙堆对风速廓线的影响程度来看,半球形沙堆后局部风速廓线变化趋势与圆锥形沙堆基本相同,但风速廓线的变化幅度存在明显差异;表明不同形态的灌丛沙堆对风速廓线影响很大。 2、无植被状态下半球形沙堆的流场结构主要分为沙堆迎风坡前反射涡流加速区,沙堆顶部强风涡流区和沙堆背风坡弱涡流区。迎风坡前十分明显的反射涡流区是半球形沙堆前反射沙弧形成的基本流场。无植被状态下圆锥形沙堆的流场结构主要分为沙堆迎风坡气流爬坡加速区,沙堆顶部弱涡流区和沙堆背风坡强涡流区。迎风坡前气流反射干扰形成的涡流不明显,野外也未见在迎风坡前反射沙弧的发育。沙堆几何形态对气流绕流结构影响较大。比较半球形沙堆和圆锥形沙堆流场结构,半球形沙堆迎风坡前涡流较强,顶部存在强风侵蚀区,同时背风坡涡流较弱;圆锥形沙堆反之,迎风坡涡流较弱而背风坡涡流较强,顶部强风侵蚀区不明显。野外观察在沙堆植被衰败、遭受风蚀的过程中,半球形沙堆丘顶往往最先遭受风蚀形成风蚀坑,而圆锥形沙堆丘顶风蚀降低过程不明显,圆锥形沙堆更易与区域气流场达到形态动力平衡。野外考察结果印证了本次模拟实验勾画出的流场结构特点。 3、有植被半球形灌丛沙堆的流场结构可以简单划分为沙堆迎风坡前涡流加速区和沙堆背风坡强涡流区。丘顶植物的存在消除了无植物条件下半球形沙堆顶部的强风侵蚀区域,并加强了背风坡涡流强度和涡流影响范围。圆锥形灌丛沙堆的流场结构也可以划分为沙堆迎风坡气流爬坡变速区和沙堆背风坡强涡流区两个区域,丘顶植物的存在同样加强了背风坡涡流强度和涡流影响范围。通过模拟实验和野外考察可知,无论沙堆几何形态如何变化,但沙堆顶部植物改变流场结构的力学作用原理基本相同,都是通过增加沙堆表面的粗糙度,对气流阻滞消能,令气流减速进而改变各个高度气流速度和涡流影响强度范围,这必将导致输沙量随高度分布规律—风沙流结构特征的相应变化。灌丛沙堆丘顶植被引发的流场结构变化,对于阻截干扰风沙流运行、促使粉尘沉降堆积、维持和促进沙堆增长发育具有重要作用。 4、无植被半球形沙堆的表面压力分区可以划分为沙堆迎风坡正压增压区、丘顶高压区、背风坡负压区和两翼高低压相间分布区。无植被圆锥形沙堆的表面压力分区可以划分为沙堆迎风坡正压增压区、背风坡降压负压区和两翼高压区。圆锥形沙堆顶部无明显正压区和负压区,迎风坡对气流的压缩汇集作用不明显。 5、有植物半球形沙堆的表面压力可以划分为沙堆迎风坡正压增压区、丘顶高压破碎区、背风坡负压区和两翼高低压相间分布区。植物造成半球形沙堆丘顶的高压区破碎化,丘顶风蚀压力被弱化。有植物的圆锥形沙堆的表面压力分区可以划分为沙堆迎风坡正压变压区、锥顶负压区、背风坡负压区和两翼高压区。植物的影响使锥顶附近形成负压区,迎风坡风压值先均匀增加再迅速降低,同时弱化了背风坡涡流负压值。 6、沙堆几何形态对沙堆的表面压力分布特征影响较大。比较半球形沙堆和圆锥形沙堆表面压力分布特征,半球形沙堆迎风坡下半部等压线分布稀疏,易造成气流在坡前汇集,形成较强的涡流,顶部存在闭合的高压区,易遭强风侵蚀;同时背风坡负压区风压较弱,以致背风坡涡流较弱。圆锥形沙堆反之,迎风坡等压线分布由疏到密递增梯度均匀,迎风坡前涡流较弱,背风坡负压区负压值较大,致使涡流也较强,顶部不存在明显的高压区,强风侵蚀不明显。 7、有无植被时输沙率结果显示,植被的存在强烈地影响着风蚀输沙率以及输沙率的垂直分布情况。对于总风蚀输沙率,由于植被的影响使总输沙率迅速下降,其总输沙率仅为无植被时输沙率的50.34%,下降了一半。由此可见,植被能够有效地防止地表风蚀的发生。 8、半球形灌丛沙堆与圆锥形灌丛沙堆显示出相同的表面粒度特征变化模式:沉积物粒度在坡顶最细,背风坡粒度比迎风坡要细,但是半球形沙堆的平均粒径比圆锥形沙堆要粗。灌丛沙堆的粒度变化模式与表面气流结构有着良好的耦合关系。 9、在大量野外实地测量的基础上,根据灌丛沙堆的现存状态和发育程度,将灌丛沙堆的形成演化过程划分为雏形阶段、增长阶段、稳定阶段和衰退阶段。但是在灌丛沙堆的各个阶段,沙堆的形态因植物种类的不同而有所差异。


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