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篇1

灌叢沙堆是干旱地區(qū)沙漠、半干旱半濕潤沙地和沙質(zhì)海岸帶常見的一種生物風積地貌類型〔1， 2〕。多數(shù)學者認為植被蓋度、風力強度和沙子供應量三個主要因素控制著灌叢沙堆的形成演化過程〔3-10〕。Hesp等〔11〕曾經(jīng)推斷草叢沙丘附近的流場結構，朱震達等〔12， 13〕在風洞實驗中模擬了灌叢沙堆流沙模型的形態(tài)演化過程。但是限于灌叢沙堆形成因素的復雜性，迄今為止，對灌叢沙堆形成演化的動力學機制知之甚少。由于傳統(tǒng)的模擬二維流場只能反映沿氣流方向沙丘縱斷面上的氣流運行狀況，并未反映出沙堆表面風壓變化規(guī)律，如果把兩者觀測模擬結合起來可望在三維流場結構分析中深入研究氣流作用于沙丘表面的動力過程。本文基于新疆和田河流域風沙地貌野外考察資料，在完成純氣流流場風洞模擬基礎上，擬進一步通過風洞模擬實驗，查明無植物“沙堆”和有植物“沙堆”模型的表面壓力分布特征，這對深入闡明灌叢沙堆表面在風沙流作用下的風積、風蝕機制具有重要意義。

1　風洞實驗

1.1　風洞基本參數(shù)和實驗相似理論

本項風洞模擬實驗在中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室沙坡頭沙漠試驗研究站土壤風蝕風洞中進行。該風洞是一座直流閉口吹氣式低速風洞，實驗段長21 m，實驗段截面1. 2 m×1. 2 m，最大風速30 m/s。風洞整個實驗段(包括出口擴壓段)有1°的仰角。風洞底由7塊活動合金鋁板組成，可裝可拆，以便擴大模擬實驗的范圍。氣溫和當前大氣壓以鍵盤輸入計算機，實現(xiàn)風壓適時自動采集。實驗的風壓采集周期為2 s，采集時長為60 s，最終用于分析的風壓是60 s時段內(nèi)采集結果的平均值。

風洞模擬實驗的可靠性，決定于實驗條件與野外實際情況的相似程度。風沙過程模擬實驗涉及的變量較多，但是根據(jù)風沙運動實驗相似理論第一定理，表征現(xiàn)象的一切變量，在時間各對應瞬間和空間各對應點上，互成一定的比例關系，相似現(xiàn)象必然發(fā)生在幾何相似的對象里，即邊界上幾何特性相似。相似第二定理特別指出包括幾何、物理、邊界和起始條件的相似。簡言之，要使模型實驗與自然現(xiàn)象完全相似，必須滿足幾何相似、運動相似和動力相似三個基本條件〔10，14〕。本項模擬實驗盡可能遵循風沙運動實驗相似理論，模擬實驗過程中選擇沙堆模型形態(tài)、選取觀測高度、調(diào)整實驗段風速時盡可能接近野外實際狀況，最大限度地保證實驗結果直接外推到任何尺寸、任何風速下的沙堆原型，而不必經(jīng)過換算。

1.2　實驗模型基本形態(tài)選擇

本項實驗所用模型以新疆和田河流域野外測量得到的檉柳灌叢沙堆尺寸為原型，按一定比例縮小制作成模型進行風洞模擬實驗。畢業(yè)論文 從野外實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，和田河流域獨立分布的灌叢沙堆幾何形態(tài)大體可以近似地劃分為半球形沙堆和圓錐形沙堆兩類，多數(shù)沙堆迎風坡長度略小于背風坡長度。其中，半球形灌叢沙堆的平均高度為4. 74 m，底座平均直徑為12. 73 m;如果忽略迎風坡與背風坡坡長的差別，可考慮將灌叢沙堆的風洞實驗模型按40∶1的比例尺縮小制作成底座直徑(D1)為32 cm，高度(H1)為12 cm的近似半球形木制模型。同理，由于圓錐形灌叢沙堆的實際平均高度為5. 1 m，底座平均直徑為11. 95 m，忽略坡長的差別可將灌叢沙堆按照40∶1的比例尺制成底座直徑(D2)為30 cm，高(H2)為13 cm的圓錐形木制模型。

1.3　模擬實驗過程設計

從灌叢沙堆的形成演化過程來看主要分為兩個階段，即生長階段(植物生長發(fā)育)和衰亡階段(植物衰敗消亡)。因此，本項實驗分別設計無植物的半球形沙堆和圓錐形沙堆，以及有人工“植物”的半球形沙堆和圓錐形沙堆四組模型進行表面壓力的測定。實驗所用半球形沙堆模型和圓錐形沙堆模型是按照上述比例，用整塊樹樁加工而成的空心體。沙堆模型頂部的人工“植物”為高度(h)10 cm，冠幅10cm×10 cm，采用膠固定在模型的頂部，本項模擬實驗中暫時忽略“植物”高度、蓋度、疏密度等因素變化。表面壓力測點在每個模型表面分別按8個方位進行均勻布設(將模型分為A、B、C、……H八個區(qū))，每個方位5個測點，再加1個頂點，這樣每個模型上共有41個測點(圖1a-c，黑色五角星代表測點)。每個測點埋設兩根內(nèi)徑為0. 6 mm的空心細銅管，銅管一端出露模型表面另一端與數(shù)字式微壓計相連。模型固定在距實驗段入口10m處，利用精密微壓計在無供沙條件下測定。根據(jù)前人野外觀測和實驗結果，設定起始實驗風速為起沙風6 m/s，以算術級6、8、10、12、14 m/s依次增加實驗段風速進行表面壓力觀測，限于文章的篇幅本文僅刊出10m/s和12 m/s兩組風速下的表面壓力分布等值線俯視平面圖(圖2a-h)。

2　結果分析

2.1　半球形沙堆的表面壓力分布特征

從半球形沙堆各個風速下的表面壓力分布模擬結果來看(圖2a-圖2d)，半球形沙堆的表面壓力分布情況可以簡單劃分為沙堆迎風坡正壓增壓區(qū)、丘頂高壓區(qū)、背風坡降壓負壓區(qū)和兩翼高低壓相間分布區(qū)。在半球形沙堆迎風坡分布著正壓增壓區(qū)(主要在A、B兩區(qū)內(nèi))。從坡腳至1/2H1表面壓力增加緩慢，相應地等壓線也比較稀疏。這是由于半球形沙堆迎風坡下部坡度較大，氣流在迎風坡下部匯集反射形成風壓值小于10 Pa的較大低壓區(qū)域，因此這里反射渦流應當居于主導地位。野外考察發(fā)現(xiàn)，半球形沙堆迎風坡坡腳常常分布有凹槽，風沙在這里既不發(fā)生堆積，風蝕作用也較弱。從迎風坡1/2H1至丘頂，即迎風坡上部等壓線比較密集剪切力增大，表面壓力迅速增加，導致沙堆的表層氣流被加速?？梢?，從迎風坡坡腳向丘頂，表面壓力的增加并不是均勻的。野外對橫向沙丘迎風坡風速變化結果的類似觀測也證實，在迎風坡不同高度、不同測點風速都呈現(xiàn)出隨高度的增大而增大的趨勢，但增大的比率并不相同，順著迎風坡向上，風速在坡腳被放大，但風速遞增比率比較平穩(wěn)，至沙丘頂部則再一次加速放大〔15， 16〕。

在半球形沙堆的丘頂明顯地分布著一個閉合的高壓區(qū)。關于沙丘頂部高速氣流的存在已被國內(nèi)外眾多學者的野外考察所證實，高速氣流必然導致沙丘表面剪切力加大，有利于風蝕作用的發(fā)生和發(fā)展。在和田河流域野外考察中也發(fā)現(xiàn)，那些處于退化演化過程初始階段的灌叢沙堆頂部經(jīng)常存在不規(guī)則的風蝕凹坑，顯然與沙堆頂部存在的高壓剪切風蝕區(qū)域有關。當固定沙堆的植物衰敗，丘頂高速渦旋風沙流遇到植物殘根的阻截，以植物的殘根為渦旋中心，可能加劇其渦流強度，殘根周圍的沙粒不斷被吹散，風蝕坑也就不斷地被加深，沙堆的高度也隨之下降，沙堆變的不穩(wěn)定，沙丘開始活化〔17-19〕。

在半球形沙堆的背風坡分布著降壓負壓區(qū)(主要在E、F兩區(qū)內(nèi))。當氣流翻越丘頂和側翼后，氣流回旋輻散，氣流速度迅速降低。從等壓線分布圖上也可以看出，碩士論文從沙堆頂部至沙堆背風坡約2/ 3H1的一段區(qū)域內(nèi)表面壓力值迅速從最高值降到0，再往下則氣流反向，負壓值不斷升高，在約1/ 3H1高度處負壓值達到極值，反向氣流風速達到最高值。

姚正毅〔16〕研究也證實，從沙丘頂?shù)铰渖称缕履_，貼地層氣流在沙丘的落沙坡會發(fā)生分離，氣流產(chǎn)生回旋運動，成為一個壓力均勻、平均流速很小的渦旋靜風區(qū)，因此表面壓力也很小，其壓差亦為負值且基本維持不變。由于在落沙坡表面壓力降低，風速減小使沙粒在落沙坡發(fā)生沉降堆積。筆者認為沙堆背風坡降壓負壓區(qū)的存在是造成在沙堆背風坡沙塵沉降堆積，促使沙堆增長的主要原因之一。王訓明等〔16〕對沙丘背風坡氣流觀測表明，在沙丘背風坡貼近地面的一定高度氣流仍能維持一定的強度，并有相當強的輸沙能力，但其作用被局限在背風坡范圍內(nèi)，這對保持沙丘形態(tài)有重要的作用。

在半球形沙堆的兩翼分布著高壓低壓相間區(qū)(主要分布在C、D、G和H區(qū)內(nèi))。在半球形沙堆兩翼分布著2~3個高壓區(qū)，兩個高壓區(qū)之間分布著低壓區(qū)，高低壓區(qū)的延伸方向與風洞實驗段氣流方向幾乎平行分布。這種高低壓相間分布格局與野外考察看到的沙堆微地貌形態(tài)是吻合的。在自然狀態(tài)下，半球形沙堆的兩翼坡腳和腰部風蝕比較明顯，常分布有平行繞流方向的風蝕凹槽，顯然是氣流遇沙堆阻擋在兩側繞流加速、剪切力增大、風蝕加強的結果。在本次模擬實驗中也證實，在半球形沙堆模型的兩翼坡腳和腰部為明顯的高壓區(qū)，風速強勁，這是造成這些部位風蝕發(fā)生的根部原因，而在兩個高壓區(qū)之間為低壓區(qū)，風速較低不利于風蝕的發(fā)生。張偉民〔20〕在風洞實驗中也發(fā)現(xiàn)，在沙丘旁側基部兩側，氣流作用較強，產(chǎn)生旁側順向高輸沙率。

2.2　有植物半球形沙堆的表面壓力分布特征

從有植物半球形沙堆各個風速下的表面壓力分布模擬結果來看(圖2c-圖2d)，有植物半球形沙堆的表面壓力分布情況可以簡單劃分為沙堆迎風坡正壓增壓區(qū)、丘頂高壓破碎區(qū)、背風坡降壓負壓區(qū)和兩翼高低壓相間分布區(qū)。

與無植物的半球形沙堆的表面壓力分布情況相比較而言，“植物”對半球形沙堆的表面壓力的影響主要體現(xiàn)在沙堆的頂部、兩翼和背風坡，迎風坡的表面壓力分布情況二者相似。

在有植物的半球形沙堆的頂部，由于人工植物的干擾，使原丘頂高壓風蝕區(qū)破碎化。在無植物的情況下，半球形沙堆的頂部為一閉合的高壓強風區(qū)域，風速比同一高度前后實驗段給定風速高出1~2 m/s，而在有植物的情況下，在丘頂?shù)膩盹L方向和緊靠植物兩側，分布著2~3個小的相對高壓區(qū)，從數(shù)值上比較，可看出有植物的半球形沙堆的表面壓力值在相同風速下僅為無植物沙堆丘頂表面壓力的1/2。由于植物對氣流的阻截和干擾作用，使得原本無植物的沙堆的頂部相對較大較強的高壓區(qū)，分解成幾個相對較小較弱的高壓區(qū)，人工植物的存在明顯地削弱了無植物的沙堆的頂部高速高壓氣流，有利于風沙流從不飽和狀態(tài)達到過飽和狀態(tài)，導致部分碎屑物質(zhì)發(fā)生沉降堆積。有關野外觀測證實，在相同的起沙風作用下，橫向沙丘鏈、裸露沖積平原和檉柳灌叢沙堆三者之間的風速比為118∶100∶87〔21， 22〕，植物對氣流的阻滯影響十分明顯。

另外，由于人工“植物”的干擾，半球形沙堆兩翼的高低壓相間分布區(qū)面積明顯縮小，愈靠近沙堆上部植物所在部位，沙堆表面壓力的數(shù)值比相同實驗風速下的無植被的降低越多，丘頂閉合高壓區(qū)和低壓區(qū)范圍也減小。而在背風坡降壓負壓區(qū)，由于植被的干擾， 0值等壓線區(qū)域略有上移，負壓區(qū)域大部分僅為10 Pa左右，渦旋區(qū)反向氣流風速強化過程不明顯，這種渦流狀態(tài)更有利于沙塵的堆積。與無植物的半球形沙堆相比，植物的存在削弱了植物叢附近沙堆表面的壓力，降低了氣流的速度，擴大了背風坡渦流區(qū)的影響范圍，為風沙流中部分顆粒的沉降、堆積創(chuàng)造了條件。Wasson〔4， 5〕指出在植株背風側回流積沙區(qū)的風速僅及來流的20%，凌裕泉〔23〕認為植被不僅直接減弱了風沙流強度，而且因為植物的阻截作用，使部分大的顆粒發(fā)生沉降堆積。因此植被的存在更有利于沙堆的生長發(fā)育。

2.3　圓錐形沙堆的表面壓力分布特征

從圓錐形沙堆各個風速下的表面壓力分布模擬結果來看(圖2e-2h)，圓錐形沙堆的表面壓力分布情況可以簡單劃分為沙堆迎風坡正壓增壓區(qū)、背風坡降壓負壓區(qū)和兩翼高壓區(qū)。

在圓錐形沙堆迎風坡分布著正壓增壓區(qū)(主要在A、B兩區(qū)內(nèi))。從等壓線分布圖上可見，在圓錐形沙堆的迎風坡坡腳處等壓線較稀疏，順坡向上等壓線逐漸加密且分布比較均勻，系迎風坡氣流不斷爬坡增速所致，在錐頂附近表面壓力達到最大值，風速也相應地為最大值。與半球形沙堆相比，圓錐形沙堆迎風坡風壓梯度變化均勻增大。

在圓錐形沙堆的背風坡分布著降壓負壓區(qū)(主要在E、F兩區(qū)內(nèi))。當氣流翻越沙堆后，在背風坡氣流回旋，風速迅速降低，表面壓力0值等值線區(qū)域頂點接近沙堆丘頂，再往下則氣流回旋反向，醫(yī)學論文負壓值不斷升高，在約1/3H2高度處負壓值達到極值，并形成一個負壓高值區(qū)，整個負壓區(qū)俯視平面形態(tài)大致呈現(xiàn)三角形。其負壓中心區(qū)風壓值與半球形沙堆相比，要高出許多(對比圖2a、2b、2e和2f)。

在圓錐形沙堆的兩側對稱分布著高壓區(qū)(主要分布在C、D、G和H區(qū)內(nèi))。從等壓線分布圖上可見，圓錐形沙堆兩翼的高壓區(qū)是對稱分布的，但是高壓區(qū)延伸方向是從側翼坡腳一直到沙堆頂部，與風洞試驗段氣流方向垂直相交，這與半球形沙堆側翼高低壓相間分布、延伸方向與風向平行的狀態(tài)明顯不同。這與野外觀察到的圓錐形沙堆退化過程中沙堆兩側發(fā)生的連續(xù)風蝕現(xiàn)象是吻合的。

2.4　有“植物”圓錐形沙堆的表面壓力分布特征

從有植物的圓錐形沙堆各個風速下的表面壓力分布模擬結果來看(圖2f-圖2g)，有植物的圓錐形沙堆的表面壓力分布情況可以簡單劃分為沙堆迎風坡正壓變壓區(qū)、錐頂負壓區(qū)、背風坡負壓區(qū)和兩翼高壓區(qū)。

與無植被的圓錐形沙堆的表面壓力的分布情況相比較，植被對圓錐形沙堆的表面壓力的影響突出地表現(xiàn)在錐頂附近部位和背風坡負壓區(qū)。在沙堆的迎風坡錐頂附近，由于植物的干擾，迎風坡氣流在錐頂附近加速到高值后迅速降低，等壓線值表現(xiàn)為先均勻增高后迅速降低，在圓錐的頂部形成一個閉合的負壓區(qū)，背風坡仍為負壓區(qū)，負壓區(qū)的范圍明顯地比無植物影響的擴大，而且負壓區(qū)的中心負值區(qū)風壓比無植物的削弱10~40 Pa以上，并且整個背風坡負值區(qū)域在局部也擾分解成更小的負值區(qū)。

3　結　論

通過以上純氣流風洞模擬實驗，結合新疆和田河流域的野外考察分析，初步獲得了無植被覆蓋與有植被覆蓋條件下半球形沙堆和圓錐形沙堆的表面壓力分布特征。其基本結論如下:

(1)無植被半球形沙堆的表面壓力分區(qū)可以劃分為沙堆迎風坡正壓增壓區(qū)、丘頂高壓區(qū)、背風坡負壓區(qū)和兩翼高低壓相間分布區(qū)。半球形沙堆迎風坡下部坡度較陡是造成沙堆迎風坡前氣流壓縮匯集形成渦流的主要原因。

(2)有植物半球形沙堆的表面壓力分區(qū)可以劃分為沙堆迎風坡正壓增壓區(qū)、丘頂高壓破碎區(qū)、背風坡負壓區(qū)和兩翼高低壓相間分布區(qū)。植物造成半球形沙堆丘頂?shù)母邏簠^(qū)破碎化，丘頂風蝕壓力被弱化。

(3)無植被圓錐形沙堆的表面壓力分區(qū)可以劃分為沙堆迎風坡正壓增壓區(qū)、背風坡降壓負壓區(qū)和兩翼高壓區(qū)。圓錐形沙堆頂部無明顯正壓區(qū)和負壓區(qū)，迎風坡對氣流的壓縮匯集作用不明顯。

(4)有植物的圓錐形沙堆的表面壓力分區(qū)可以劃分為沙堆迎風坡正壓變壓區(qū)、錐頂負壓區(qū)、背風坡負壓區(qū)和兩翼高壓區(qū)。植物的影響使錐頂附近形成負壓區(qū)，迎風坡風壓值先均勻增加再迅速降低，同時弱化了背風坡渦流負壓值。

(5)沙堆幾何形態(tài)對沙堆的表面壓力分布特征影響較大。職稱論文比較半球形沙堆和圓錐形沙堆表面壓力分布特征，半球形沙堆迎風坡下半部等壓線分布稀疏，易造成氣流在坡前匯集，形成較強的渦流，頂部存在閉合的高壓區(qū)，易遭強風侵蝕，同時背風坡負壓區(qū)風壓較弱，以致背風坡渦流較弱;圓錐形沙堆反之，迎風坡等壓線分布由疏到密遞增梯度均勻，迎風坡前渦流較弱，背風坡負壓區(qū)負壓值較大，致使渦流也較強，頂部不存在明顯的高壓區(qū)，強風侵蝕不明顯。

(6)野外觀察在沙堆植被衰敗、遭受風蝕的過程中，半球形沙堆的丘頂往往最先遭受風蝕形成風蝕坑，兩側出現(xiàn)環(huán)繞沙堆側翼分布的風蝕凹槽，而圓錐形沙堆衰退過程中丘頂風蝕降低和側翼風蝕過程同步進行，沙堆風蝕降低過程中圓錐形形態(tài)可以維持較長時間，即圓錐形沙堆更易與區(qū)域氣流場達到形態(tài)動力平衡。野外考察中發(fā)現(xiàn)的不同形態(tài)沙堆演化特征也基本印證了本項模擬實驗勾畫出的表面壓力分布特點。

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