灌丛沙堆表面压力分布特征的实验研究(1)(2)
2017-08-14 03:02
导读：1.3 模拟实验过程设计 从灌丛沙堆的形成演化过程来看主要分为两个阶段,即生长阶段(植物生长发育)和衰亡阶段(植物衰败消亡)。因此,本项实验分别设计无
1.3 模拟实验过程设计
从灌丛沙堆的形成演化过程来看主要分为两个阶段,即生长阶段(植物生长发育)和衰亡阶段(植物衰败消亡)。因此,本项实验分别设计无植物的半球形沙堆和圆锥形沙堆,以及有人工“植物”的半球形沙堆和圆锥形沙堆四组模型进行表面压力的测定。实验所用半球形沙堆模型和圆锥形沙堆模型是按照上述比例,用整块树桩加工而成的空心体。沙堆模型顶部的人工“植物”为高度(h)10 cm,冠幅10cm×10 cm,采用胶固定在模型的顶部,本项模拟实验中暂时忽略“植物”高度、盖度、疏密度等因素变化。表面压力测点在每个模型表面分别按8个方位进行均匀布设(将模型分为A、B、C、……H八个区),每个方位5个测点,再加1个顶点,这样每个模型上共有41个测点(图1a-c,黑色五角星代表测点)。每个测点埋设两根内径为0. 6 mm的空心细铜管,铜管一端出露模型表面另一端与数字式微压计相连。模型固定在距实验段入口10m处,利用精密微压计在无供沙条件下测定。根据前人野外观测和实验结果,设定起始实验风速为起沙风6 m/s,以算术级6、8、10、12、14 m/s依次增加实验段风速进行表面压力观测,限于文章的篇幅本文仅刊出10m/s和12 m/s两组风速下的表面压力分布等值线俯视平面图(图2a-h)。
2 结果分析
2.1 半球形沙堆的表面压力分布特征
从半球形沙堆各个风速下的表面压力分布模拟结果来看(图2a-图2d),半球形沙堆的表面压力分布情况可以简单划分为沙堆迎风坡正压增压区、丘顶高压区、背风坡降压负压区和两翼高低压相间分布区。在半球形沙堆迎风坡分布着正压增压区(主要在A、B两区内)。从坡脚至1/2H1表面压力增加缓慢,相应地等压线也比较稀疏。这是由于半球形沙堆迎风坡下部坡度较大,气流在迎风坡下部汇集反射形成风压值小于10 Pa的较大低压区域,因此这里反射涡流应当居于主导地位。野外考察发现,半球形沙堆迎风坡坡脚常常分布有凹槽,风沙在这里既不发生堆积,风蚀作用也较弱。从迎风坡1/2H1至丘顶,即迎风坡上部等压线比较密集剪切力增大,表面压力迅速增加,导致沙堆的表层气流被加速。可见,从迎风坡坡脚向丘顶,表面压力的增加并不是均匀的。野外对横向沙丘迎风坡风速变化结果的类似观测也证实,在迎风坡不同高度、不同测点风速都呈现出随高度的增大而增大的趋势,但增大的比率并不相同,顺着迎风坡向上,风速在坡脚被放大,但风速递增比率比较平稳,至沙丘顶部则再一次加速放大〔15, 16〕。
在半球形沙堆的丘顶明显地分布着一个闭合的高压区。关于沙丘顶部高速气流的存在已被国内外众多学者的野外考察所证实,高速气流必然导致沙丘表面剪切力加大,有利于风蚀作用的发生和发展。在和田河流域野外考察中也发现,那些处于退化演化过程初始阶段的灌丛沙堆顶部经常存在不规则的风蚀凹坑,显然与沙堆顶部存在的高压剪切风蚀区域有关。当固定沙堆的植物衰败,丘顶高速涡旋风沙流遇到植物残根的阻截,以植物的残根为涡旋中心,可能加剧其涡流强度,残根周围的沙粒不断被吹散,风蚀坑也就不断地被加深,沙堆的高度也随之下降,沙堆变的不稳定,沙丘开始活化〔17-19〕。
在半球形沙堆的背风坡分布着降压负压区(主要在E、F两区内)。当气流翻越丘顶和侧翼后,气流回旋辐散,气流速度迅速降低。从等压线分布图上也可以看出,代写硕士论文从沙堆顶部至沙堆背风坡约2/ 3H1的一段区域内表面压力值迅速从最高值降到0,再往下则气流反向,负压值不断升高,在约1/ 3H1高度处负压值达到极值,反向气流风速达到最高值。
姚正毅〔16〕研究也证实,从沙丘顶到落沙坡坡脚,贴地层气流在沙丘的落沙坡会发生分离,气流产生回旋运动,成为一个压力均匀、平均流速很小的涡旋静风区,因此表面压力也很小,其压差亦为负值且基本维持不变。由于在落沙坡表面压力降低,风速减小使沙粒在落沙坡发生沉降堆积。笔者认为沙堆背风坡降压负压区的存在是造成在沙堆背风坡沙尘沉降堆积,促使沙堆增长的主要原因之一。王训明等〔16〕对沙丘背风坡气流观测表明,在沙丘背风坡贴近地面的一定高度气流仍能维持一定的强度,并有相当强的输沙能力,但其作用被局限在背风坡范围内,这对保持沙丘形态有重要的作用。
