风沙流通量廓线方程及其参数定义

Aeolian flux density profiles have received extensive interests from researchers of earth science, physics and mechanics. Current aims point towards developing quantitative functions to describe the profiles. Overly empirical nature of previous studies resulted in various or even controversial functions. A key problem is how to define the parameters contained in functions on sound physical basis. Newly developed and and accurately calibrated high-resolution samplers will be used in field observation, and particle image velocimetry (PIV) be used in wind tunnel tests to clarify the three key factors influencing aeolian flux density profiles: wind, sediment and surface properties. Flux density profiles will be developed based on statistically significant field observed and experimental data with respect to the variation of aeolian flux with height. Non-linear regression method will be used to develop the flux density profiles so that the profile functions have parameters that can be clearly defined to reflect the influence of wind, sediment and surface properties on flux density profiles. The results will help to more accurately estimate aeolian transport and serve as the basis for blown sand control.

风沙流通量廓线是地学、力学、物理学和工程科学研究者广泛关注的问题，定量表达风沙流通量廓线，即建立廓线方程是研究者们努力的方向。以往侧重于经验研究得出的风沙流通量廓线方程充斥着分歧甚至矛盾，主要原因在于方程中参数的物理意义不能明确定义。本项申请围绕影响风沙运动的三个主要因素：气流、颗粒及下垫面特征，利用经过严格集沙效率标定的高分辨率积沙仪和基于现代激光技术的粒子图像测速系统，通过野外观测和风洞模拟试验，获取具有统计学意义的风沙流通量随高度变化及其关键影响因素数据。利用逐步非线性回归分析法，建立具有明确参数物理意义，能够反映气流、地表和颗粒特征的风沙流通量廓线方程，为准确估算输沙率及风沙两相流研究提供科学积累，为防沙工程设计提供理论依据。

风沙流通量廓线是地学、力学、物理学和工程科学研究者广泛关注的问题，定量表达风沙流通量廓线，即建立廓线方程是研究者们努力的方向。研究者们以往主要针对不同区域分别开展研究，忽略了下垫面特性对风沙流通量廓线特征的影响。本项目在中国科学院风沙科学观测场推平一块面积为200m×115m 的区域，通过人工设置，野外模拟三种典型地表（流沙地表、草方格地表、砾石覆盖地表），用相同规格的 LDDSEG 集沙仪同步观测三种地表1m 高度内的输沙量，探究不同地表属性的风沙流特性。主要得出以下结论：（1）三种地表在相同环境条件下风沙流通量廓线均满足指数递减规律，相关系数在 0.99 左右，砾石覆盖地表在风速＞8m/s 时，风沙流通量廓线呈现“象鼻”特征，风沙流通量最大值出现在距离地表约 4cm 处。（2）风沙流通量廓线参数 a 与单宽输沙率满足线性关系，参数 b 代表风沙流通量随高度的递减速率。他们大小显著受地表性质影响。草方格地表参数 a 随单宽输沙率增加的最快，流沙地表和砾石覆盖地表参数 a 随单宽输沙率增加的速度相似；砾石覆盖地表参数 b 最大，风沙流通量随高度递减速率最慢，草方格地表参数 b 最小，风沙流通量随高度递减速率最快。（3）砾石覆盖地表平均跃移高度最大，流沙地表次之，草方格地表最小。沙粒平均跃移高度随着风速的增大而上升。（4）随着风速增大，三种地表输沙率累积百分数随高度变化的差异越明显。该项目研究为准确估算输沙率及风沙两相流研究提供科学积累，为防沙工程设计提供理论依据。