Scientia Geographica Sinica  2012 , 32 (11): 1370-1376 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.011.1370

Orginal Article

不同砾石覆盖度床面蚀积过程的野外风洞实验研究

张伟民1, 张克存1, 安志山1, 张国彬2, 邱飞2, 詹鸿涛2

1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所敦煌戈壁荒漠研究站, 甘肃 兰州730000
2.敦煌研究院保护研究所, 甘肃 敦煌 7362000

Field Wind Tunnel Simulation of the Process of Aeolian Erosion and Deposition of Gravel Beds with Different Coverage

ZHANG Wei-min1, TAN Li-hai1, ZHANG Ke-cun1, AN Zhi-shan1

1. Dunhuang Gobi Desert Ecology and Environment Research Station, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, Gansu 730000, China
2. The conservation Institute of Dunhuan Academy, Dunhuang, Gansu 736200, China

中图分类号:  P931.3

文献标识码:  A

文章编号:  1000-0690(2012)11-1370-07

收稿日期: 2011-12-20

修回日期:  2012-02-13

网络出版日期:  2012-11-20

版权声明:  2012 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.

基金资助:  中国科学识创新过程重要方向项目(KZCX2-EW-313)、国家自然科学基金项目(40671022)及敦煌研究院重点科研基地开放课题(200911)资助

作者简介:

作者简介:张伟民(1965-)男,江苏江都人,研究员,硕士生导师,主要从事风沙地貌与风沙工程研究。E-mail:weiminzh@lzb.ac.cn

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摘要

野外风洞实验表明,砾石床面具有捕沙和过沙的双重功能,砾石床面的输、阻性质是不同覆盖度与风动力耦合的结果。当砾石盖度小于20%时,床面基本以风蚀作用为主 ;当砾石覆盖度在30%~50%时,低风速条件下(<10 m/s),床面以强烈风积作用为主,高风速条件下(>12 m/s),床面以强烈风蚀为主,其间[(10~12) m/s]床面趋于蚀积平衡状态;当砾石覆盖度大于60%时,随着风速的增大,床面蚀积量变化不大。研究结果可应用于莫高窟顶沙砾质戈壁的风沙防治,为风沙工程增添新的思路和新技术。

关键词: 砾石床面 ; 供沙条件 ; 积沙量变化过程 ; 野外风洞实验

Abstract

Results of field wind tunnel simulation reveal that gravel beds exist three types of states: aeolian erosion, balance of aeolian erosion and deposition ,aeolian deposition. Under certain wind velocity, there is a type of gravel bed reaching the balance. At this time, sand accumulation is saturated. Processes of aeolian erosion and deposition can be fitted by a polynomial function, which can be used to predict the changing process of sand accumulation of gravel beds with different coverage. Gravel beds have dual function of sand trapping and transporting. Properties of erosion and deposition of gravel beds are the results of the coupling of gravel coverage and the impetus of wind. Gravel beds are mainly eroding when gravel coverage is below 20%; gravel beds are mainly intensively depositing under low wind velocities (<10 m/s), while under high wind speeds (>12 m/s) gravel beds change into eroding intensively. Aeolian erosion and deposition balance approximately between wind velocities with 10-12 m/s. When gravel coverage is larger than 60%, with increasing wind velocity, aeolian erosion and deposition amount of gravel beds changes little. The ratio of gravel space to height (Sp/H) and the airflow property are main factors influencing on erosion/deposition state of gravel beds. When the value of Sp/H ranges from 5 to 3, the airflow of gravel beds is isolated roughness flow, and gravel beds are eroding or intensively eroding. When the value of Sp/H ranges from 3 to 1, the airflow of gravel beds is wake coherence flow, and gravel beds are intensively depositing or intensively eroding. When the value of Sp/H is smaller than 1, the airflow of gravel beds is boating flow. Because of the wind-blocking effect the gravel beds are depositing, balance between depositing and eroding or eroding. These results can be applied to the wind-blown sand control projects at the top of Mogao Grottoes. The artificial gravel surface with a coverage of 30% is ideal both in sand trapping and depositing, thereby decreasing sand damages on the murals at utmost, which offers some new thought and techniques to the wind-blown sand control project.

Keywords: gravel beds ; sand supply ; change of quantity of erosion and deposition ; field wind tunnel experiment

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张伟民, 张克存, 安志山, 张国彬, 邱飞, 詹鸿涛. 不同砾石覆盖度床面蚀积过程的野外风洞实验研究[J]. , 2012, 32(11): 1370-1376 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.011.1370

ZHANG Wei-min, TAN Li-hai, ZHANG Ke-cun, AN Zhi-shan. Field Wind Tunnel Simulation of the Process of Aeolian Erosion and Deposition of Gravel Beds with Different Coverage[J]. Scientia Geographica Sinica, 2012, 32(11): 1370-1376 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.011.1370

风蚀、风积和平衡是戈壁地区三种基本的床面过程[1,2]。床面性质在戈壁蚀积过程中起着非常重要的作用。戈壁砾石对风沙活动的抑制作用早为人所知,砾石面对底层细沙物质具有保护作用,被称为“黑色植被”,在风沙运动过程中扮演着非常重要的角色[2,3],对抑制干旱荒漠地表风蚀、风沙运动和粉尘输送具有重要的作用,是干旱荒漠地区一种较为有效、简便的防沙措施。

受测试手段和观测仪器的限制,在野外实地戈壁进行风沙观测十分困难,故取得系统的野外观测数据非常少[4],精度也难以保证;室内风洞实验获得的结果往基于理想条件下的假设,包括砾石多用规则物体代替,将之等间距铺设,忽略砾石及戈壁下垫面的天然形状、排列方式等在抑制风蚀中所起的重要作用,使实验结果与自然戈壁的实际情况存在偏差,需要通过野外观测数据进一步予以验证。

目前对于砾石近地表蚀积过程只能定性地标识[5~7]。研究表明,砾石床面性质尤其是砾石覆盖度在其蚀积过程中起着非常重要的作用,是造成风沙流结构发生分异、风蚀风积过程转化的重要因素之一。一些学者尝试着通过土壤侵蚀率和临界摩阻速率等来量化砾石形状参数对地表风蚀的抑制作用[8~15]。当砾石地表风沙发育到一定阶段或环境因子发生突变时,将会导致床面蚀积过程相互转化。然而,砾石覆盖度如何影响床面蚀积过程的物理机制,尤其是影响床面蚀积过程转化的主控因子及相关阈值的研究迄今仍鲜见报道。

本文拟通过野外可移动式风洞,对不同风速、供沙条件下不同性质床面的蚀积变化过程进行模拟实验,旨在探讨影响床面蚀积过程转化的主控因子及相关阈值,并为敦煌莫高窟顶风沙防护工程提供科学理论依据。

1 实验设计方法

实验在野外直流闭口吹气式可移动风洞内进行(图1a),洞体总长11 m,工作段长6 m,横断面为0.6 m×0.6 m(内壁尺寸),电机功率为13 kW,洞内风速1~14 m/s连续可调。实验选择在敦煌莫高窟顶沙砾质戈壁上进行,实验床面位于工作段4~10 m处,长4.2 m,宽0.6 m。通过对下垫面风速廓线的测量,野外风洞边界层厚度可达15 cm左右(图2)。

图1   野外风洞实验布局与设置

Fig. 1   The layout of field wind tunnel experiment

图2   空洞条件下(未铺砾石)的风速廓线

Fig. 2   The wind profile of the original bed

在实验 砾石床面中央铺设2个称重传感器,面积为30 cm×30 cm作为典型测试样方,以测试床面风蚀风积量变化过程。样方与自然地面齐平,传感器采用2通道数据采集仪采集数据,每秒钟采集一个数据,精度为1 g。实验风况选择挟沙风。集沙时间随风速增大而减少,有沙源供给时实验风速为6、8、10、12和14 m/s,集沙时间分别为20、10、6、5与3 min;积沙仪观测时间与床面风蚀、堆积量测定同步。外来沙源供给是在砾石床面前端加0.6 m×0.5 m的托盘,上面铺满14 kg重的沙子作为外来沙源,沙子粒径在(2.64~3.40 Φ)间。1号积沙仪及称重传感器设置在砾石床面前沿,主要测定进入砾石床面的初始风沙流状况。2号积沙仪及称重传感器布置在6 m长砾石床面末端。途经5 m长的砾石床面,2号称重传感器床面风沙流发育充分,本实验床面蚀积量数据以2号称重传感器为主(图1)。

铺设砾石采用本区广泛分布的玉门组砾石。实验采用筛选过的砾石平均高度(H)为3 cm,长宽高为3cm×2 cm×3 cm。选用5%~ 80%16种砾石覆盖度床面(盖度间隔5%),风速为6、7、8、9、10、11、12、13和14 m/s条件下,采集不同床面净气流风速廓线144组;选用10%~70%这7种砾石覆盖度床面(盖度间隔10%)、风速为6、8、10、12和14 m/s条件下,进行供沙条件下床面蚀积、风沙流通量及携沙气流风速廓线共35组实验。测量入口风速的皮托管安置于风洞中央工作段1.8 m处,距地面30cm。风速廓线仪放置于2号传感器尾部,由不同高度(0.5、0.9、1.5、2.2、4.3、8.3、12.3、16.3、20.2、24.2 cm)的10个精细毕托管组成,在使用前每支毕托管都经标准毕托管标定。对各风速下初始以及实验结束后砾石床面的积沙状况进行照相记录。

2 实验结果

2.1 不同床面蚀积类型的界定

砾石床面积沙强度是指一定风速条件下,蚀积作用造成的单位面积床面可堆积的最大沙量,是表征床面积沙状况一个重要的指标。实验结果表明,不同风动力条件下,不同砾石覆盖度床面的积沙强度不同,并且床面积沙强度决定床面蚀积率大小。尽管有粗糙元盖度-输沙率预测公式[13,14],目前还无有效方法预测砾石随不同盖度及时间输沙量变化[1,15]

风洞实验结果表明,砾石床面风沙的风积(风蚀)量(D)变化过程较好地遵循多项式方程(图3),相关系数R达0.95以上(表1),因此,通过拟合的多项式方程可以确定砾石床面的积沙强度(Dmax)、达到平衡床面的时间(T)以及风蚀风积率 等,而平衡床面类型主要通过算术平均值来代表积沙强度。

2.2 不同床面蚀积率及积沙强度的变化过程

由于实验采用的砾石有一定高度(3 cm),当砾石间距与高度(Sp/H)达到一定比例时,加之一定的风速条件,床面积沙强度达到最大。如粒径3 cm的砾石,砾石间距2~4 cm,Sp/H为0.7~1.5时,即30%~50%砾石覆盖度,积沙容量较大,其中10 m/s下的积沙强度最大,其值为3.06~3.42 kg/m2,这与覆盖度与风动力耦合密切相关。砾石间距过大或过小,会影响积沙容量,造成其蚀积速率相对较小(图4)。

图3   不同砾石床面风蚀、风积及平衡床面类型

Fig.3   Three eroding and depositing types of gravel beds: erosion (a); deposition(b); balance (c)

表1   不同砾石床面(粒径3 cm)积沙量(D)与时间关系多项式方程 (D=a+bt+ct2+dt3)拟合

Table 1   Polynomial fitting of the relation between sand deposition amount and time of gravel beds (3cm gravel size)

砾石盖度风速(m/s)abcdR2Dmax(kg/m2)Ts
850.1250.08243.00E-05-6.00E-080.99751.2863
10%101.09稳定
1297.025-0.19780.000300.9510.64330
1454.302-0.18570.000200.97610463
8132.640.1569-1.00E-05-3.00E-070.99711.78407
20%10226.12-0.12580.000100.97122.07629
12193.86-0.36950.000600.98781.52308
1468.349-0.129-0.00091.00E-060.98760665
811.7850.3217-0.000200.99892.03809
30%10193.510.3251-0.000300.98323.06453
12281.63-0.19750.000200.97712.51494
14145.13-0.39090.000400.99140.55489
868.0210.2354-0.000100.99592.291177
40%10200.980.3533-0.000400.98643.10442
12260.35-0.06422.00E-0500.93172.32161
14122.34-0.40590.000800.98620.79254
840.2440.2258-7.00E-0500.99632.471613
50%10188.890.1543-5.00E-0500.98053.421543
122.67稳定
141.89稳定
843.5470.1925-7.00E-0500.99791.951375
60%102.65稳定
1259.38-0.1840.000300.96822.56308
141.61稳定
819.7140.0471.00E-04-9.00E-080.99411.87928
70%101.83稳定
121.67稳定
141.53稳定

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图4   不同覆盖度砾石床面积沙强度变化

Fig. 4   Sand deposition intensity of gravel beds changing with gravel coverage

图5   不同砾石覆盖度床面的蚀积率

Fig. 5   Aeolian erosion and deposition rate of gravel beds changing with gravel coverage

野外风洞实验表明,风沙流过境砾石床面,一定的砾石覆盖度与风动力相互耦合时,即可出现风积、平衡及风蚀床面。实验表明(图5),当砾石盖度小于20%时,床面基本以风蚀作用为主,风蚀速率在(-55~ -114)g/(m2·min)之间,只有当风速小于8 m/s时,床面以风积作用为主,风积速率为56 g/(m2·min);当砾石盖度在30%~50%时,床面以强烈风积或风蚀作用为主。当风速小于10 m/s,床面以强烈风积作用为主,风积速率介于(79~150) g/(m2·min)之间,此时床面积沙强度也是所有砾石床面类型中最大的。表明当砾石覆盖度与风动力相互耦合时,床面即可产生最大积沙强度。当风速为12 m/s,床面趋于平衡状态,蚀积率为-16~ -89 g/(m2·min);当风速为14 m/s时,床面以强烈风蚀为主,并在覆盖度20%~40%出现最大风蚀率,其值为-175~ -197 g/(m2·min);当砾石覆盖度大于60%时,床面蚀积速率基本在(-40~80) g/(m2·min)附近变化,表明随着风速的增大,床面蚀积量变化不大。

3 分析和讨论

研究表明,砾石床面有捕沙和过沙双重功能。

根据Ash et al的观测表明,植物及其周围的风场,有发育完整的单独粗糙流,尾流区相互联接的尾流相干流以及不同程度涡流的敷涂气流[13]。野外风洞实验表明(表2),供沙条件下,砾石间距与高度之比(Sp/H)及气流性质是影响床面蚀积的重要因素[16]。当砾石间距与高度比(Sp/h)为5~3时,气流为单独粗糙流,床面的积沙量有限。随着风速的增大,单独粗糙流形成的砾石风影区减少,床面以风蚀及强烈风蚀为主;当Sp/h为3~1.0时,气流为尾流相干流,砾石间隙气流易相互影响,砾石风影区范围相对较大,适宜沙粒的风积作用。随着风动力的增大,沙粒与砾石的弹性碰撞作用随之加强,尤其是砾石间的狭管效应造成床面风蚀作用增强,因此,床面以强烈堆积或强烈风蚀作用为主;当Sp/h<1.0时,气流为敷涂气流,由于砾石间距小于3 cm,砾石的风影区完全连成一片,其阻风效应明显,砾石周围的湍流是造成床面风蚀的主要原因,沙粒蠕移作用增强[17]表2)。

风动力是影响砾石床面蚀积的动力因素,并影响砾石间隙沙物质的启动及输移。由于不同盖度砾石床面对气流能量的重新分配,不同砾石床面的风速廓线也有一定的差异(图6)。在15 cm的边界层内,风速廓线并非遵循对数关系。当砾石覆盖度小于15%时,在2~3 cm处近地表的风速廓线出现节点现象,即风速随高度增加出现风速降低或不变的现象,节点的出现表明气流遇砾石造成抬升,气流的抬升作用明显。随风速增加,风速廓线横向位移较明显,近地面1 cm高度的风速变化在1~5 m/s之间,表明床面以强烈风蚀或堆积作用为主;当砾石覆盖度为30%时,近地表风速廓线类似流沙床面的风速廓线。随风速的增加,近地面1 cm高度的风速变化在1~3 m/s之间,风速廓线未出现节点现象。由于床面气流为尾流相干流,此类型床面以强烈风积或强烈风蚀作用为主;当砾石覆盖度大于60%时,由于砾石阻风效应,近地表1 cm高度的风速廓线出现节点。随风速的增大,近地表风速变化较小,砾石的阻风效应明显,床面以风蚀,平衡或风积作用为主。

表2   砾石覆盖度、气流性质及床面性质的对应关系

Table 2   The corresponding relationship of gravel coverage and properties of airflow and gravel beds

C(%)风速(m/s) Sp/h主要气流形式床面性质

<20
<85~3单独粗糙流风积
8~10单独粗糙流风蚀
>10单独粗糙流风蚀

20~40
<10
3~1.0
尾流相干流风积或强烈风积
10~12尾流相干流强烈风积或风蚀
>12尾流相干流风蚀或强烈风蚀

>40
<10
<1.0
敷涂气流强烈风积
10~12敷涂气流强烈风积或平衡
>12敷涂气流强烈风蚀或平衡

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图6   不同砾石床面的风速廓线变化

Fig. 6   Wind profiles of gravel beds with different gravel coverage

图7   莫高窟顶人工砾石床面

Fig.7   The artificial Gobi surface atop Mogao Grottoes

图8   莫高窟沙砾质戈壁输沙势理论计算 (2008-5~2009-4)

Fig. 8   Drift potential of sand-gravel of Gobi atop Mogao Grottoes from May 2008 to April 2009

4 实验结果的应用

如上所述,砾石床面是通过砾石人工铺压的方法建立的一种稳定床面,运用砾石增加地表粗糙度从而实现新的风沙蚀积平衡,通过在敦煌莫高窟顶沙砾质戈壁上实验性的应用,已经取得了较好的风沙防治效果(图7)。

莫高窟顶是一个多风向地区,但多年风况呈明显和稳定的偏南风、偏西北和偏东北三组风向[18]。其中,偏西北风及偏南风可将鸣沙山丰富的沙物质带到窟区,给窟区带来积沙危害;而偏东风可将堆积于戈壁地区的沙物质搬运回鸣沙山边缘的沙丘地带。由于三组风向导致沙源供给的差异,造成沙物质在窟顶的往复搬运,给防护体系设置带来诸多困难。

根据莫高窟2008年5月至2009年4月风况资料,我们进行窟顶戈壁输沙势计算。理论计算表明,沙砾质戈壁年输沙势(DP)为129VU,合成输沙势(RDP)90 VU,合成方向为258°(图8)。其中,偏西风和偏东风的输沙势分别占年输沙势的28%和57%(表3[19]

表3   不同风速段条件下偏西及偏东风的戈壁输沙势(UV矢量单位)

Table 3   Drift potentials of Gobi with westerly and easterly wind in different ranges of wind velocities

风速范围(m/s)7~99~1111~1313~16
偏西风向戈壁输沙势6.516.99.83.0
偏东风向戈壁输沙势7.131.823.112.0

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根据本区偏东风戈壁输沙势大于偏西风输沙势,且当风速大于11 m/s时,偏西风的戈壁输沙势相对较小(表3)。从阻沙及输沙双重效应来讲,30%~50%覆盖度砾石床面的阻沙效应最佳,20%~40%覆盖度砾石床面的风蚀效应最佳。从这意义来讲,30%~40%覆盖度的砾石床面是较理想的捕沙和过沙体。研究结果可运用于莫高窟顶沙砾质戈壁的风沙防治,通过建设30%左右砾石覆盖度及粒径3~4 cm的人工砾石床面,使莫高窟顶沙砾质戈壁形成新的风沙动态平衡,既能利用其阻沙功能,将威胁窟区(NW和SW风输送作用下)的风沙流阻截下来,使其成为暂时储沙场地,又能利用其输沙功能,通过更为强劲的NE风将阻截的沙子吹回鸣沙山边缘,从而达到最大程度减小风沙对莫高窟危害的目的。

5 结 论

1) 实验结果表明,砾石床面存在风蚀、平衡和风积三种床面类型。在一定风力条件下,不同砾石床面总有一个床面蚀积平衡的状况,此时的积沙量为饱和积沙量。砾石床面风蚀或风积过程较好地遵循多项式方程,可有效预测不同砾石盖度下床面积沙量变化及过程。

2) 供沙条件下,砾石覆盖度与风动力达到一定耦合时,可出现风蚀,平衡或风积床面类型。当砾石盖度小于20%时,床面基本以风蚀作用为主,风蚀速率在(-55~-114) g/(m2·min)之间;当砾石覆盖度在30%~50%时,低风速条件下(<10 m/s),床面以强烈风积作用为主,风积速率介于(79~150) g/(m2·min)之间,高风速条件下(>12 m/s),床面以强烈风蚀为主,风蚀速率达(-175~-197 ) g/(m2·min),其间(10~12 m/s)床面趋于蚀积平衡状态;当砾石覆盖度大于60%时,随着风速的增大,床面蚀积量变化不大。

3) 研究表明:采用30%左右覆盖度的砾石床面,是莫高窟顶NW、SW风沙流较理想的捕沙体和较强的NE风沙流的过沙体,可以最大程度减少对洞窟壁画的风沙危害。

致谢:感谢董光荣研究员予以论文宝贵的修改意见。

The authors have declared that no competing interests exist.


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