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风沙两相流作用下沙柳灌丛阻沙特性

风沙两相流作用下沙柳灌丛阻沙特性

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作者：庞国辉内蒙古农业大学

学位级别：硕士

毛乌素沙地环境恶劣,大风持续时间较长。生长于当地的沙柳灌丛沙堆饱受风沙的吹蚀,沙柳灌丛沙堆的内部结构性遭到破坏,导致沙柳灌丛沙堆出现衰退现象,沙柳灌丛沙堆的衰退会引发扬沙天气等类似自然现象。针对沙柳灌丛沙堆的衰退所引发的... 详细信息

毛乌素沙地环境恶劣,大风持续时间较长。生长于当地的沙柳灌丛沙堆饱受风沙的吹蚀,沙柳灌丛沙堆的内部结构性遭到破坏,导致沙柳灌丛沙堆出现衰退现象,沙柳灌丛沙堆的衰退会引发扬沙天气等类似自然现象。针对沙柳灌丛沙堆的衰退所引发的一系列生态性问题,通过制作沙柳灌丛沙堆模型进行风洞内净风和挟沙风模拟试验,利用风沙环境变量相似理论（SEMS）实现风洞模拟试验与野外试验的时间转换,以期揭示沙柳灌丛沙堆的抗风蚀能力及预测灌丛沙堆的耐久性。研究结果如下:（1）净风模拟试验下,沙柳灌丛沙堆周围风速变化及沙堆表面粗糙度计算结果与野外试验结果相吻合。野外沙柳灌丛沙堆50cm与200cm高度处风速变化趋势与灌丛沙堆模型3.3cm与13.3cm两个对应高度处风速变化趋势基本一致,风速均在沙柳灌丛背风面H（单株沙柳植株高度）处降为最低,且风速在这点处降幅最大,表明背风面H处灌丛阻风能力最强。野外与风洞内沙柳灌丛沙堆表面粗糙度在旷野与模拟旷野位置处、迎风面-H点、背风面0.5H、H、7H测点处,概率P值分别为0.713（P＞0.05）、0.067（P＞0.05）、0.970（P＞0.05）、0.397（P＞0.05）、0.407（P＞0.05）,野外与风洞内表面粗糙度差异性不显著,沙柳灌丛沙堆模型能够较好地进行模拟试验。（2）净风模拟试验下风速为6m/s、9m/s、12m/s时,输沙率随高度的增加均呈下降趋势,且输沙率主要分布在集沙仪6～12cm高度段,最大输沙率发生在0～2cm高度段;挟沙风试验3种风速6m/s、9m/s、12m/s下,输沙率高度在沙流量分别为30g/min、45g/min、60g/min时主要分布于2～24cm,输沙率高度分布范围更广,挟沙风对灌丛沙堆的冲击力度更大。风速为6m/s与9m/s时,挟沙风与净风下输沙率差异不显著,风速与沙流量都不足以引起输沙率的显著变化;当风速为12m/s时,挟沙风与净风输沙率差异显著,输沙率发生变化的临界风速为9m/s。（3）净风模拟试验风速6m/s、9m/s、12m/s下,灌丛沙堆的质量损失率随着风速的增加而增加,6m/s风速下3个沙堆的质量损失率分别为1.49%、1.71%、1.32%;9m/s风速下3个沙堆的质量损失率分别为4%、4.02%、3.24%;12m/s风速下沙堆的质量损失率最大,分别为 8.30%、8.86%、7.07%。30g/min、45g/min、60g/min 沙流量下的挟沙风模拟试验中,各个灌丛沙堆的质量损失率随着风速与沙流量的增加整体上呈现上升趋势。6m/s风速下风速较低,沙流量是影响各个沙堆质量损失率大小的主要因素。9m/s和12m/s风速下,可能由于沙堆的形态参数对质量损失率产生了影响,从而使不同沙堆间对应沙流量下的质量损失率相差较大。同一风速下沙堆（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）的质量损失率在不同沙流量下差异显著,沙流量对沙堆的质量损失率产生了较大的影响。（4）利用SEMS得出野外实际时间与风洞内时间的比例关系,对野外实际沙尘环境下灌丛沙堆所受吹蚀时间进行推算。风洞试验为5min时,沙流量为30g/min和60g/min下,推算得出6m/s、9m/s、12m/s风速下灌丛沙堆实际所受吹蚀时间在沙流量为 30g/min 时最少,所受时间分别为 1.76×104d、1.18×104d、8.81×103d。60g/min沙流量下所受时间吹蚀最长,分别为3.53×104d、2.35×104d、1.76×104d。

关键词：毛乌素沙地沙柳沙堆相似理论净风模拟灌丛沙堆模型

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