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【期刊论文】 • 胡菲 ^1,2张克存 ¹

安志山 ^1,2鱼燕萍 ^1,2 • 《中国沙漠》 • 2020年第4期 113 - 119，共7页

机构： [1] 中国科学院西北生态环境资源研究院敦煌戈壁荒漠生态与环境研究站[2] 中国科学院大学

摘要：基于敦煌沙漠、绿洲和戈壁典型地表的20 m高同步梯度气象观测资料,对比分析其风动力环境特征参数,为敦煌绿洲生态治理和外围风沙综合防治提供理论依据和技术支撑。结果表明:3种典型地表的年输沙势存在明显差异,戈壁输沙势(DP)为754.2 VU,合成输沙势(RDP)为582.99 VU,合成输沙方向(RDD)为220.88°;绿洲DP为21.95 VU,RDP为7.67 VU,RDD为259.53°;沙漠输沙势介于二者之间,为92.49 VU,RDP为19.29 VU,RDD为16.79°。3种地表的季节输沙势均为春季最大,戈壁为268.2 VU,绿洲为10.97 VU,沙漠为44.08 VU。戈壁主导风向为东北方向,沙漠主导风向为偏东、偏南和偏西方向,绿洲主导风向为东和偏西方向。结合区域沙源分布情况,在绿洲南缘和鸣沙山北侧交界处应加强风沙防治,阻止鸣沙山向绿洲推进。

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关键词: 敦煌绿洲 ；起沙风；输沙势；风速廓线；摩阻速度

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【期刊论文】 • 李振洋 ^1,2张宏伟 ³尚思汝 ⁴张同攀 ³ +6位作者 • 《中国沙漠》 • 2025年第2期 17 - 28，共12页

机构： [1] 中国科学院西北生态环境资源研究院干旱区生态安全与可持续发展重点实验室/敦煌戈壁荒漠生态与环境研究站[2] 中国科学院大学[3] 敦煌首航节能光热发电有限公司 +3个机构

摘要：风沙灾害是戈壁地区大型光热电站面临的最主要环境问题,为了探明戈壁光热电站内风沙运动规律,在敦煌西戈壁塔式光热电站内开展了高频风沙输移过程及风动力环境观测研究。结果表明:(1)大型光热电站的建设使近地表风速明显降低,距地表0.5 m和2 m高度处风速分别降低了39.67%和37.35%,电站内年输沙势较电站外降低93.62%,光热设备起到了很好的防风固沙作用。(2)地表积沙导致电站内起沙风速降低,近地层输沙率增大。电站内2 m高度起沙风速u_(t)为7.36 m·s^(-1),比一般戈壁地表降低36.52%~63.2%。观测期内电站内0.05 m高度范围内输沙量是电站外的3.64倍。(3)电站内风沙输移表现为间歇性特征,但在强沙尘时段出现近连续性输移,跃移间歇性参数γ_(ρ)高达99%。(4)电站内、外输沙率均随高度增加呈指数递减,电站内沙粒平均跃移层高度z_(q)为0.1~0.35 m,平均值为0.15 m,比一般戈壁地表约低20%。

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关键词: 光热电站；戈壁；起沙风速；输沙通量；跃移间歇性

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【期刊论文】 • 张克存安志山蔡迪文郭紫晨 +1位作者 • 《干旱区地理》 • 2016年第5期 1004 - 1010，共7页

机构： [1] 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所敦煌戈壁荒漠生态与环境研究站

摘要：以地处鸣沙山边缘的敦煌绿洲为例,沿沙漠至绿洲方向设置监测断面,利用沙漠、绿洲和过渡带三点定位气象数据,结合移动式多路梯度风况资料,选取晴天、浮尘、扬沙和沙尘暴4个典型天气环境,分析探讨了不同天气背景下,沙漠绿洲过渡带局地风况、近地表风速廓线、摩阻速度和输沙势等风动力环境的空间变化特征。由于受沙漠绿洲过渡带的影响,沿沙漠至绿洲方向,平均风速、起沙风频次和输沙势均逐渐减小,主导风向也发生偏转。其中沙尘天气环境下,沙漠、过渡带和绿洲起沙风频次分别为96,48和7,过渡带和绿洲边缘平均风速较沙漠区减小约22.2%和50.2%。研究结果有助于解决绿洲风沙危害,确保沙漠绿洲的生态安全,更能为干旱区绿洲风沙防护体系建设提供理论依据。

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关键词: 天气背景；沙漠绿洲过渡带；起沙风；摩阻速度；输沙势

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【学位/硕士】 • 张余 • 中国科学院大学 • 导师：张克存 • 2019年

摘要：在西北干旱区，受沙漠和绿洲景观格局的双重影响，沙漠—绿洲过渡带频繁进行着物质交换和能量转换，其脆弱又敏感的生态环境直接影响着绿洲的生态安全。本文以敦煌沙漠—绿洲过渡带为研究对象，基于气象仪器的长期定位监测、野外调查取样，系统对比了沙漠—绿洲过渡带的风动力环境、沙物质粒度特征、风沙流结构以及输沙通量等方面的时空差异性;利用数理统计学和时空数据建模等方法综合分析了风速与其他气象要素以及输沙量与各环境因子的相关关系。同时使用地理探测器模型定量评估了各风险因子对NDVI空间异质性的解释程度。研究结果有助于深入了解敦煌绿洲边缘的风沙活动规律和机制，掌握时空尺度上风沙活动的影响要素，为防护体系的布设及选址问题提供准确的量化数据，对防止土地沙化、维护绿洲生态稳定具有重要意义。研究结果表明:　　(1)随着植被盖度的增加，风力携沙能力逐渐下降，土壤表层含水量由1.92％增加至19.06％，水的粘滞性造成土粒间的粘结力增强，加上植被对风沙物质的分选作用，导致平均粒径由沙漠的0.6Φ减小至过渡带的1.51Φ和绿洲的2.6Φ，沙粒粒径明显减小。夏季，绿洲的平均气温(25.02℃)小于沙漠的26.89℃，绿洲的空气湿度(39.99％)大于沙漠的31.18％，体现出植被在保温和保湿方面起着重要作用。　　(2)近地表2m高度内，风速与高度的对数呈正相关，沙漠的风速垂直变化速率大于过渡带和绿洲，说明沙漠的空气层结不稳定，这更有利于沙粒的起动。大气呈中性层结时，自沙漠至绿洲方向，摩阻风速由0.12m·s-1增加至0.18m·s-1，晴天天气下风速脉动强度减小了1.31。可见植被对风力具有显著的削弱作用。但在3月，风速脉动强度(3.86)大于过渡带(3.62)，说明该时间段内过渡带的防风效应优于绿洲。　　(3)在绿洲内，其年平均风速比沙漠地区低2.34m·s-1，植被“有叶期”风速比“无叶期”低0.64m·s-1。起沙风频次的空间差异性大，沙山顶和沙漠西年起沙风分别达到14977和15121次，而绿洲的七里镇仅1875次，主要集中在春、夏两季，以NE、SE和SW方向为主。从沙山顶至绿洲方向，输沙势由302.69VU减小至23.29VU，风沙活动强度逐渐减小，4个监测点的风向变率依次增加了0.29、0.33、0.39，合成输沙势分别为23.41VU、59.56VU、13.75VU、10.99VU，体现出输沙方向由复杂多变逐渐向单一的变化趋势。合成输沙角度变幅小，介于NNW～NE之间，以5～8m·s-1等级的风速对输沙势的贡献最多。可见沙粒的潜在运移方向为沙漠至绿洲方向，伴随着风能环境的减小，沙粒在过渡带更容易发生沉积，并在单一风向的作用下沿地表蠕移，造成持续性、累积性的沙害。对比合成起沙风方向和合成输沙方向，两者的角度存在一定的差异，如沙山顶相差63.02°、绿洲边相差12.79°，说明起沙风频次和风速大小共同决定了输沙方向。此外，沙漠、过渡带、绿洲近地表不均衡的气压梯度会产生类似于山谷风的“绿洲风”和“沙漠风”，具有明显的昼夜变化。　　(4)八方位集沙仪监测结果与输沙势计算结果较为一致，2014年沙漠地区年输沙量199.81kg，各方位输沙量均较高，N方位输沙量仅占总输沙量的6.38％，过渡带和绿洲输沙量低，为58.12kg和46.49kg，但输沙方向更为单一，仅绿洲S方位的输沙比重达到20％，说明沙漠—绿洲过渡带的沙物质由南向北输送，且超过50％的输沙量集中在3～5月。在0～37.5cm高度范围内，输沙率随高度的上升而减小，70％的输沙量分布在距地表20cm高度内，指数函数可以更好的表示输沙率与高度的函数关系。　　(5)沙漠、过渡带的输沙量受风速和空气湿度的影响，分别呈现极显著正相关和显著负相关，与输沙势线性拟合度达到0.7和0.87。土地利用类型和空气湿度对NDVI的空间分布影响最大，平均解释力为0.58和0.37，因子间的交互作用多属于双因子增强。

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关键词: 沙漠-绿洲过渡带；风动力环境 ；沙物质粒度；风沙流结构；输沙通量

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【学位/硕士】 • 赵明珠 • 中国科学院大学 • 导师：俎瑞平 • 2021年

摘要：哈罗（哈密市-罗布泊镇）铁路的开通对促进钾盐开发和加快南疆地区脱贫致富等方面都具有重要意义。目前，风沙危害已对该铁路的安全运营构成严重威胁，但由于对铁路沿线戈壁风沙运动规律认识不足，导致既有防沙体系的防护能力明显不足，风沙危害仍呈现逐年加剧趋势，对该线风沙危害形成机理及其防治对策的研究尤为迫切和重要。本文运用风沙物理学、地貌学和大气科学等多学科交叉方法，采用野外观测、定位监测和室内实验等多种成熟手段，对哈罗铁路沿线地表沉积物粒度特征、风动力环境、空气空力学粗糙度和输沙过程等致灾因素开展深入和系统研究，并对风沙危害严重路段防护体系的防护效果进行监测和评价，在此基础上提出了哈罗铁路风沙危害防治对策和建议。主要结论如下:　　1)粒度分析结果表明，哈罗铁路沿线地表沉积物以中、细沙为主，为风沙危害提供了丰富的物质来源。其中，哈密盆地冲洪积平原区，灌丛沙地分选性中等至很差，偏度以近对称为主，峰度以中等和窄峰态为主;沿线戈壁下伏沉积物颗粒粗细混杂，粗粒占比较大且集中，分选性较差和很差，偏度以极正偏为主，峰度以窄峰态为主。防护体系内和上风向戈壁地表沉积物的粒度频率曲线对比，表明造成铁路沿线沙害的主要原因是就地起沙。此外，靠近铁路的格状沙障内细沙占比高，极易成为风沙灾害的二次沙源，造成沙害。　　2)六个站点的风况统计结果表明，哈罗铁路沿线风力强劲，为风沙危害提供了充足营力。K73+100、K87+700、K94+500、K104+700、K110+100、K291+100六个站点年平均风速分别为4.4m/s、5.2m/s、6.0m/s、7.3m/s、5.7m/s、6.3m/s。远大于一般沙漠地区。输沙势计算结果显示，除K73+100站点属于中风能环境外，其余站点均属于高风能环境，K104+700站点附近输沙势和合成输沙势最大，也因此成为沿线风沙危害最严重的路段。　　3)风速廓线观测结果表明，沿线戈壁风速随高度变化呈对数分布，各观测点空气动力学粗糙度随风速变化遵循指数函数。根据分析五个不同砾石覆盖度的站点空气动力学粗糙度与风速的关系，认为沿线砾石覆盖度达到41％左右时，戈壁面可有效的抑制风蚀，减少风沙危害。沿线摩阻速度与风速呈正相关关系，关系式为μ=23.6μ·-3。　　4)典型风沙危害路段(K98+050)输沙率观测结果表明，其输沙率随高度增加而下降，曲线形似斜“L”，风沙/砾流结构特征值九为3.0，说明该区气流具有很强的搬运能力，风沙/砾流处于非饱和搬运状态。不同高度沙/砾粒径分析结果发现，在73.5cm高度范围内，以细沙、中沙和粗沙为主，超过73.5cm后，以极细沙和细沙为主，314cm处，仍有中沙分布，表明沙粒跃移高度可达3m以上，跃移高度和强度远大于一般沙漠地区，这或许也是之前传统防护措施效果较差和屡遭破坏的原因之一。　　5)对既有三种典型防护体系的调查和效益监测结果表明，大部分PE网阻沙栅栏失去了防沙功能，且因栅栏的存在增加了其前后的垂向风速，加剧了风沙灾害，急需新的补强措施。此外，因防护体系内积沙量巨大，且距离铁路很近，形成了危害铁路二次沙源，急需对体系内积沙进行清理和固定。　　6)综合上述研究成果，本文认为哈罗铁路沿线风沙危害防治应坚持“远侧降风导沙，近处固阻结合”的原则，并结合风沙危害形成因素提出了以下防治建议。首先，对线路及两侧已有积沙进行及时清理，避免上路;其次，沿线戈壁低路堤路段风沙防治应以疏导为主，避免使用过多阻固措施，可在路基两侧布设砾石床面，使其形成人工输沙场;第三，在风沙危害严重地段增强防沙措施，但防护措施不能距路基太近，否则容易造成二次沙源。希望今后在沿线布设防沙措施时，能在深入科学研究基础上，综合考虑致灾因子、防沙材料、关键参数、结构配置及工程成本等因素，做到因地制宜、因害设防，以减少浪费和提高效益。

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关键词: 风沙危害；戈壁；风沙流；防护体系；哈罗铁路

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【学位/博士】 • 鱼燕萍 • 中国科学院大学 • 导师：张克存 • 2021年

摘要：本文针对敦格铁路沿线风沙危害现状，在野外考察、定位监测和室内测试分析的基础上，阐明了铁路沿线下垫面性质、近地表物质组成、气候特征以及风动力环境，揭示了铁路沿线沙害时空分布、程度及其成因，提出了典型路段沙害防治原则与初步建议。首先，利用3D激光扫描仪定期监测铁路路基两侧风沙蚀积动态变化，在时间和空间尺度上对近地表风沙输移过程进行了定性分析及定量计算。其次，基于CFD数值模拟技术，对不同形式铁路路基和特殊地形流场结构进行了数值模拟，揭示了铁路沙害形成机理。第三，利用3D激光扫描仪在野外实测了铁路沿线既有风沙防护体系风沙蚀积量的空间分布，评价了综合防护效益以及各防护措施之间的差异。最后，根据敦格铁路沿线沙害现状及既有防护体系存在问题，对比目前各防护措施优缺点，提出了敦格铁路沙害防治原则及典型沙害路段防护体系的改进和完善建议，以期为其它穿越戈壁沙漠地区铁路风沙灾害防治提供参考。本文主要研究结论如下:　　(1)敦格铁路穿越冲洪积平原、沟谷、垭口和流动沙丘4种地形地貌，其中冲洪积平原为戈壁地表，垭口周边粉沙含量较高且分布有灌丛沙丘，沟谷和流动沙丘为流沙地表。铁路沙害主要分布在鸣沙山至沙山沟北部(S1至S3站点路段)，其中重度沙害8.0km，中度沙害3.5km，轻度沙害5.0km。沙害成因一是铁路西侧紧邻库姆塔格沙漠，为铁路沙害形成提供了丰富沙源;二是该路段“风旱同季”，为地表风蚀及风沙活动提供了充足的动力条件。沙害路段5～8月输沙势和输沙通量较大，输沙方向为西北和东北，以5～11m·s-1风速等级为主。　　(2)沙害路基风沙蚀积变化及粒度特征结果表明:①路基两侧坡脚2H(H为路基高度，5m)范围内地表形态变化较大。中度和轻度沙害路基5～8月风积量最大，其他时段蚀积状态基本平衡。重度沙害路基3～4月风积量最大，5～8月次之，9月～次年5月蚀积状态为风蚀。②中度和轻度沙害路基5～8月在-1～0H和0～1H范围内风积厚度较大，前者风积厚度分别为6.3cm、4.0cm，后者均为3.3cm。重度沙害路基3～4月在迎风坡、背风侧碎石带风积厚度较大，分别为2.2cm、2.8cm;5～8月在-1～0H、迎风坡风积厚度较大，分别为3.2cm、1.4cm;9月～次年5月，迎风坡、迎风侧碎石带和轨道风蚀厚度较大，分别为1.1cm、2.3cm和1.3cm。③路基沙害程度与时间相关，5～8月为沙害程度加重主要时期，该时期路基及防护措施的风沙输移过程对风沙灾害防治意义重大。④与2019年9月沉积物相比，2020年5月路基西侧坡脚沉积物平均粒径变细，东侧坡脚沉积物平均粒径变粗，表明沙害路段受双向风沙流影响，即西北和东北方向，与输沙势和输沙通量分析结果一致。　　(3)不同结构铁路及特殊地形的流场模拟结果表明:铁路路基迎风侧减速区范围为1～1.4H，背风侧回流区范围为1～2H，多数沙粒随气流速度降低沉积在这两个区域。高架桥铁路桥洞下气流加速作用明显，沙粒可加速通过而不沉积，且桥柱高度越高，桥柱间距越大，加速区范围越大，越有利于风沙流通过。沟谷和垭口地形内部形成减速区，位于其内部的铁路会受风沙危害而影响运行，在今后这两种地形内铁路的修建过程中，可根据情况采用合理高度和间距桥柱的高架桥铁路来防止沙害形成。　　(4)2019年3月不同栅栏积沙形态分析结果表明:①三道HDPE阻沙栅栏中第一道栅栏最大积沙厚度为1.45m，已接近栅栏高度(1.5m)，阻沙效率将会降低，建议及时维护。第二和第三道栅栏最大积沙厚度分别为0.35m和0.20m。三道阻沙栅栏总单宽积沙量为14.25m3/m，其中第一道栅栏积沙量占一半左右，积沙主要集中在-1～2H(H为栅栏高度，1.5m)范围内，第二和第三道栅栏单宽积沙量分别为4.14m3/m、3.06m3/m，积沙均匀堆积在0～5H范围内。②Z字形HDPE阻沙栅栏东侧“折点”积沙厚度最大，为1.05m;单宽积沙量为5.92m3/m，背风侧Z字内积沙量较大，占43.54％。③镀铝锌合金板阻沙栅栏最大积沙厚度为1.85m，已超过栅栏高度(1.5m)，阻沙效率将大大降低。单宽积沙量为10.42m3/m，-1～2H范围内积沙量较大，占55.97％。④镀铝锌合金板阻沙栅栏积沙范围和阻沙量最大，其他两种栅栏在不考虑成本的情况下，Z字形栅栏单宽积沙量略大，而考虑成本时，情况相反。　　(5)不同时期栅栏积沙动态变化结果表明:①3～4月，三道HDPE阻沙栅栏中第一道积沙形态变化最大，单宽积沙量增加0.96m3/m，-5～2H范围内增加较多;第二和第三道栅栏积沙形态变化较小。5～8月，第二道栅栏积沙形态变化最大，第三道次之，第一道最小，单宽积沙量分别增加1.29m3/m、0.89m3/m、0.60m3/m，主要增加范围分别为-3～2H、-5～1H、-5～3H和0～5H。9月～次年5月期间，第一道栅栏积沙形态变化较小;第二和第三道栅栏积沙形态变化较大，积沙量减少，减少量分别为0.68m3/m、0.60m3/m，其积沙减少主要范围分别为-1～5H、-1～0H和2～5H。②Z字形HDPE阻沙栅栏和镀铝锌合金板阻沙栅栏均为5～8月积沙形态变化最大，前者单宽积沙量增加1.11m3/m，迎风侧Z字内增加最多，后者迎风侧单宽积沙量增加0.89m3/m，背风侧单宽积沙量减少0.69m3/m。③随着时间变化，Z字形HDPE阻沙栅栏和镀铝锌合金板阻沙栅栏积沙呈现从背风侧往栅栏位置移动（远离铁路）的趋势，其布设方向对铁路沙害防治有显著作用，结合其阻沙量和阻沙范围相对较大，在防护措施选择中可优先考虑（不考虑成本）。　　(6)基于沙害路段防护体系现存问题和防护效益评价，在重度和中度沙害路段设计了新的“前阻后固、固阻结合”综合风沙工程防护体系，在轻度沙害路段已有防护体系西侧设计增设一道阻沙栅栏，并对其完善和维护提出相应建议。

摘要译文

关键词: 沙漠地区铁路；路基沙害；风沙蚀积；形成机理；防护体系

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