崔珂軍， 李生宇， 王海峰， 范敬龍

（1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所國家荒漠-綠洲生態(tài)建設(shè)工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站，新疆 石河子 832000；4.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所塔克拉瑪干沙漠研究站，新疆 庫爾勒 841000；5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

沙漠化是全球最嚴(yán)峻的問題之一，嚴(yán)重影響人民的身體健康和生命財產(chǎn)安全。風(fēng)蝕坑是沙地和沙漠化地區(qū)常見的一種風(fēng)沙地貌類型，是沙漠化的一種發(fā)生過程和具體表現(xiàn)形式。風(fēng)蝕坑是荒漠化地表風(fēng)蝕較為嚴(yán)重的表現(xiàn)形式，造成地表景觀破碎；在其發(fā)育過程中不斷釋放風(fēng)成沙，為其他風(fēng)蝕、風(fēng)積地貌的形成與發(fā)育提供了條件，并不斷推動地表沙漠化進(jìn)程［1］，表征了植被退化是風(fēng)沙活動增強(qiáng)的直接誘因［2］。

風(fēng)蝕坑內(nèi)的氣流運(yùn)動是風(fēng)蝕坑形態(tài)塑造的直接動力，其主要受自身性質(zhì)以及來流方向的控制［3］，形成獨(dú)特的流場結(jié)構(gòu)［4］。運(yùn)用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對風(fēng)沙地貌形態(tài)動力學(xué)過程探究是一項(xiàng)較為成熟的技術(shù)。蔡東旭等［5］通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)探究了沙丘與氣流之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)新月形沙丘與風(fēng)沙活動之間存在相互反饋?zhàn)饔?。Liu 等［6］運(yùn)用數(shù)值模擬探究了橫向沙丘和金字塔沙丘的風(fēng)沙流場特征。Jungerius 等［7］通過數(shù)值模擬建立二維風(fēng)蝕坑模型，模擬研究了風(fēng)蝕坑的二維流場變化情況。Smyth首次應(yīng)用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)（Computational fluid dynamics，CFD）軟件對風(fēng)蝕坑內(nèi)外氣流特征進(jìn)行模擬［8］，并根據(jù)實(shí)際情況對實(shí)地風(fēng)蝕坑上口水平面的氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)地實(shí)驗(yàn)相對比［9］，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)蝕坑的氣流三維立體展示同時量化了大風(fēng)沙塵暴事件。同時，現(xiàn)有學(xué)者已對海岸、沙質(zhì)草原風(fēng)蝕坑的形態(tài)［10］、氣流［11］、蝕積速率［12］和演化過程［13-14］進(jìn)行了大量研究。

受全球氣候變暖影響，中亞地區(qū)荒漠化問題日趨嚴(yán)峻，加之人類對水資源的不合理開發(fā)利用，很多內(nèi)陸湖泊逐漸萎縮退化，甚至干涸（如位于新疆塔里木盆地東部的臺特瑪湖）。臺特瑪湖自1972年干涸后，干涸湖盆風(fēng)蝕沙漠化快速發(fā)展，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。迄今為止，臺特瑪湖干涸湖盆已經(jīng)歷經(jīng)半個世紀(jì)的沙漠化發(fā)展，干涸湖盆上已發(fā)育了多種風(fēng)沙地貌，其中風(fēng)蝕坑是主要的風(fēng)蝕地貌類型，形態(tài)各異且分布廣泛，與新月形沙丘（鏈）、灌叢沙丘共同構(gòu)成了風(fēng)蝕沙漠化初期的風(fēng)沙地貌景觀。該區(qū)發(fā)育的風(fēng)蝕坑與海岸和沙質(zhì)草原的形態(tài)有所不同，普遍不發(fā)育坑后積沙體，地表物質(zhì)為河湖相沉積，呈沙土和黏土互層結(jié)構(gòu)，沙層較為松散，以極細(xì)沙和粉沙為主，細(xì)沙含量次之［15］，夾雜少量干枯的檉柳、蘆葦?shù)戎参锏母?。目前，關(guān)于內(nèi)陸干涸湖盆區(qū)風(fēng)蝕坑的形態(tài)動力學(xué)過程研究鮮有報道。

臺特瑪湖干涸湖盆區(qū)正在成為庫魯克塔格沙漠的新擴(kuò)展區(qū)，查明該區(qū)風(fēng)沙地貌形成發(fā)育規(guī)律是科學(xué)治理的重要前提。雖然一些學(xué)者運(yùn)用CFD 軟件已對風(fēng)蝕坑內(nèi)氣流進(jìn)行了模擬，但風(fēng)蝕坑的三維風(fēng)沙流模式認(rèn)識仍不全面［9］。本文通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)并輔以CFD數(shù)值模擬，探明內(nèi)陸干涸湖盆地區(qū)典型形態(tài)風(fēng)蝕坑的三維流場特征及對地表侵蝕影響，研究結(jié)果可以豐富內(nèi)陸干旱區(qū)風(fēng)沙地貌發(fā)育理論，為沙漠化土地治理提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

臺特瑪湖位于庫魯克塔格沙漠與塔克拉瑪干沙漠之間（圖1），是沙漠中的生命湖，是若羌縣取水源地，由塔里木河和車爾臣河匯流形成。20世紀(jì)60年代之前，塔里木河和車爾臣河上游水資源充足尚未開發(fā)利用，大量河水匯入臺特瑪湖，使湖面面積一度達(dá)到約150 km2。但隨著上游水資源的開發(fā)利用和浪費(fèi)，來水逐漸減少，臺特瑪湖湖面水位不斷下降，并裸露出大片干涸湖盆區(qū)，湖面面積逐漸變小直至干涸［16］。2000年以來，隨著塔里木河流域綜合治理工程建設(shè)，塔里木河流域管理局先后組織實(shí)施了多次下游生態(tài)輸水，水頭可到達(dá)臺特瑪湖，并可形成數(shù)百平方千米的湖面，此時的湖面基本位于218國道以西地區(qū)，而218國道以東的原干涸湖盆因風(fēng)沙堆積地形抬高，生態(tài)輸水難以到達(dá)，依然是一片風(fēng)蝕沙漠化快速發(fā)展的干旱荒涼之地。

圖1 研究區(qū)地理位置及區(qū)域內(nèi)發(fā)育的兩種典型風(fēng)蝕坑Fig.1 Location of the study area and two typical blowouts developed in the region

臺特瑪湖干涸湖盆區(qū)氣候極端干旱，多年平均降水量僅23.33 mm，而年蒸發(fā)量達(dá)2673.2 mm，干燥指數(shù)為63.0，平均相對濕度為41.1%；地處塔里木盆地東灌風(fēng)的風(fēng)口地帶，盛行NE、ENE 風(fēng)，風(fēng)力強(qiáng)勁，多年平均風(fēng)速為2.16 m·s-1，多年平均大風(fēng)（風(fēng)速≥17.2 m·s-1）日數(shù)達(dá)28.2 d，最大風(fēng)速17～25 m·s-1，瞬時最大風(fēng)速40 m·s-1［17］；而河湖相沉積平原的沉積物固結(jié)程度較差，結(jié)構(gòu)松散而干燥，地表植被稀少，幾乎呈裸露狀態(tài)，部分地段發(fā)育了厚度不同的鹽殼。在長期的強(qiáng)風(fēng)沙作用下，湖盆地表產(chǎn)生風(fēng)蝕破口，下伏松散沙層出露，水平和垂直風(fēng)蝕速度加快，形成大小不一的風(fēng)蝕坑以及多種形態(tài)的沙丘。該區(qū)風(fēng)蝕坑與草原地區(qū)風(fēng)蝕坑不同［18-19］，處于平沙地中，坑后無積沙區(qū)，是由于風(fēng)力強(qiáng)勁，無植被阻擋，下墊面較草原地區(qū)粗糙度小，坑內(nèi)沙粒被大風(fēng)吹蝕，裹挾到離坑較遠(yuǎn)地區(qū)。經(jīng)衛(wèi)星遙感影像測量發(fā)現(xiàn)，風(fēng)蝕坑類型主要為槽形和碟形，較大風(fēng)蝕坑長軸為168 m，短軸為70 m，較小風(fēng)蝕坑長軸為8 m，短軸為5 m。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣沙漠研究站的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。該風(fēng)洞由中國航空工業(yè)空氣動力研究院設(shè)計(jì)和建造（圖2a），屬直流吹氣式低速風(fēng)洞，由動力段、整流段、實(shí)驗(yàn)段和擴(kuò)散段4部分組成，全長16.2 m，其中實(shí)驗(yàn)段長8 m（可放置模型段長4 m），截面寬1.3 m、高1.0 m；采用側(cè)壁擴(kuò)散式結(jié)構(gòu)，側(cè)壁擴(kuò)散角0.2°；實(shí)驗(yàn)風(fēng)速0～20 m·s-1可調(diào)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀檬嘀谱鳎▓D2d～e），大小按照實(shí)際比例縮小300倍，具體參數(shù)如圖2d中所示。實(shí)驗(yàn)時模型表面的氣流速度由畢托管（高度分別為1 cm、2 cm、3 cm、7 cm、10 cm、15 cm、30 cm、50 cm）測量壓力計(jì)算而得（圖2c），氣流流向由粒子圖像測速儀（Particle image velocimetry，PIV，型號Dynamic Studio）測量（圖2b）。PIV 可以跟蹤流場中示蹤粒子（直徑小于10 μm，甚至nm 級）的運(yùn)動，并用數(shù)字相機(jī)同步拍攝流場照片，系統(tǒng)基于前后兩幀粒子圖像來計(jì)算粒子位移，對其進(jìn)行互相關(guān)，計(jì)算得到流場內(nèi)一個切面的速度場，并可進(jìn)一步計(jì)算得到切應(yīng)變率、渦度等各種運(yùn)動參數(shù)［20］。

將風(fēng)蝕坑模型置于風(fēng)洞的木質(zhì)底板中央，使風(fēng)蝕坑上口水平面與底板齊平（圖2c）。在風(fēng)蝕坑模型中軸線上布設(shè)11個測點(diǎn)，分別在6 m·s-1、9 m·s-1、12 m·s-1來流風(fēng)速下測量風(fēng)蝕坑的表面風(fēng)場?；陲L(fēng)速數(shù)據(jù)，用Surfer 10.0繪制模型表面風(fēng)場圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和模型Fig.2 Experimental equipment and model

用玻璃罩將激光發(fā)射器罩住，置于模型的正前方。雙通道脈沖激光采用5 級強(qiáng)度，間隔160 ms。高速粒子攝像機(jī)置于模型正上方，連續(xù)拍攝10張圖片，以記錄粒子運(yùn)動方向。基于觀測數(shù)據(jù)，用粒子流向處理軟件（Dynamic Studio）繪制粒子流向圖。

在33 cm×33 cm 沙盤上，用印模手工制作大小不同兩種槽狀風(fēng)蝕坑沙盤模型，大模型縮尺比約為1:320，小模型約為1:330，同時設(shè)置無風(fēng)蝕坑沙盤。分別在7.5 m·s-1和8.5 m·s-1風(fēng)速下進(jìn)行凈風(fēng)吹蝕實(shí)驗(yàn)，用1/1000 kg 電子秤稱量吹蝕前后沙盤重量，計(jì)算出風(fēng)蝕量。

2.2 數(shù)值模擬

使用模擬軟件ANSYS進(jìn)行流場模擬，其中計(jì)算模型采用k-ω模型中的SST模型（SST模型集成了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于逆壓梯度流動和分離流動）。本文模擬的風(fēng)沙流馬赫數(shù)均小于0.3，為不可壓縮流動，計(jì)算域模型出口邊界條件為壓力出口，壓力差為0，計(jì)算域模型入口邊界條件設(shè)置為速度入口，入口為典型風(fēng)速廓線流［21］，大小為33 m×33 m×11 m，槽狀風(fēng)蝕坑長軸為22 m，短軸16 m，深度3.5 m；碟狀風(fēng)蝕坑長軸短軸都為16 m，深度3.5 m。風(fēng)沙流中沙粒粒徑為0.075～0.250 mm，因此數(shù)值模擬中沙粒粒徑設(shè)定為ds=0.15 mm，形狀為顆粒，沙粒密度ρs=2650 kg·m-3，黏度μs=0.0047 Pa·s，初始沙粒體積分?jǐn)?shù)為1%，類型為FLUID?？諝饷芏圈裬=1.225 kg·m-3，空氣動力黏度μk=1.789×10-5Pa·s，模擬風(fēng)速選取6 m·s-1。計(jì)算網(wǎng)格采用三角形劃分，網(wǎng)格數(shù)量分別為365490、262050（圖3），質(zhì)量良好。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1.1 風(fēng)蝕坑測點(diǎn)風(fēng)速廓線從槽狀坑內(nèi)及周邊各點(diǎn)的風(fēng)速廓線可知，多數(shù)測點(diǎn)的風(fēng)速廓線整體呈兩段式，在3～7 cm高度范圍內(nèi)甚至出現(xiàn)風(fēng)速隨高度增加而降低的現(xiàn)象（圖4）；而風(fēng)蝕坑外的測點(diǎn)15 風(fēng)速廓線呈對數(shù)型，符合正常情況，說明測點(diǎn)15 氣流受模型影響很小，而其他點(diǎn)受模型影響很大。

圖4 風(fēng)速廓線圖Fig.4 Wind speed profiles

3.1.2 風(fēng)蝕坑的縱剖面風(fēng)場在不同指示風(fēng)速下，槽狀坑和碟狀坑縱剖面風(fēng)場圖可以看出，模型坑口以上主要影響高度在20 cm以下。

在6 m·s-1指示風(fēng)速下（圖5a），隨著氣流靠近風(fēng)蝕坑內(nèi)背風(fēng)坡處，兩種模型即開始呈現(xiàn)不同的風(fēng)速變化。在槽狀模型背風(fēng)坡處（X=11.4～15.9 cm），出現(xiàn)氣流加速現(xiàn)象；而在碟狀模型背風(fēng)坡（X=15.3～19.8 cm）則相反，出現(xiàn)氣流減速現(xiàn)象。氣流到達(dá)模型中部時（槽狀X=15.9～22.2 cm、碟狀X=19.8～24.8 cm），槽狀坑等值線上凸，形成減速區(qū)，而碟狀坑等值線下凹，形成加速區(qū)。氣流流經(jīng)槽狀風(fēng)蝕坑尾部迎風(fēng)坡時（X=22.2～33.2 cm），等值線下凹，形成加速區(qū)，而流經(jīng)尾部迎風(fēng)坡時（X=24.8～29.3 cm），7 cm以上等值線上凸，形成減速區(qū)，7 cm以下等值線下凹，仍為加速區(qū)。

在9 m·s-1指示風(fēng)速下（圖5b），槽狀風(fēng)蝕坑前中部（X=11.4～29.2 cm）為減速區(qū)，尾部迎風(fēng)坡（X=29.2～33.2 cm）為加速區(qū)，較6 m·s-1指示風(fēng)速相比，加速區(qū)后移；碟狀坑風(fēng)速呈現(xiàn)先減速后加速趨勢，較6 m·s-1指示風(fēng)速相比，中后部7 cm以上變?yōu)橥耆铀佟?/p>

在12 m·s-1指示風(fēng)速下（圖5c），槽狀坑速度變化趨勢與9 m·s-1類似，為先減速后加速，但減速區(qū)等值線更平滑，速度遞減率更??；碟狀坑速度變化趨勢也與9 m·s-1類似，但等值線最凸處較9 m·s-1后移1.5 cm，且減速區(qū)等值線起伏大，速度遞減更快。

圖5 模型表面風(fēng)場剖面圖Fig.5 Profiles of wind field on the model surface

3.1.3 風(fēng)蝕坑內(nèi)的氣流方向圖6為圖像粒子測速儀獲得的兩種模型表面的風(fēng)沙流流向圖。由圖可知，在風(fēng)蝕坑上口水平面，入風(fēng)側(cè)處氣流出現(xiàn)較大變化，而在風(fēng)蝕坑的中部與后部，風(fēng)沙流流向與初始流向一致。在入風(fēng)側(cè)處風(fēng)沙流的流向受模型影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)（圖6 的A、C、E、G 區(qū))，并在入風(fēng)側(cè)處形成風(fēng)沙流向坑內(nèi)吸附現(xiàn)象，也有風(fēng)沙流從坑外側(cè)向坑內(nèi)側(cè)聚集時發(fā)生的風(fēng)沙流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象（圖6的A、B、C、E、G區(qū))，形成了以模型邊緣為分界線的對向風(fēng)沙流（圖6的B區(qū))，而碟狀風(fēng)蝕坑在入風(fēng)側(cè)（圖6的F區(qū)）處則沒有風(fēng)沙流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖6 模型表面風(fēng)沙流流向圖Fig.6 Diagram of flow direction of wind and sand flow on the model surface

3.2 CFD數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析

3.2.1 模擬真實(shí)性驗(yàn)證在以上風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬中，風(fēng)蝕坑模型上口水平面風(fēng)速具有較好的吻合性（圖7），表明k-ω模型中的SST模型能較好的模擬風(fēng)蝕坑的動力學(xué)特征，這解決了Smyth等［9］所使用kε模型模擬中出現(xiàn)風(fēng)蝕坑背風(fēng)側(cè)不準(zhǔn)確的問題。

圖7 實(shí)測和模擬風(fēng)蝕坑中軸線縱向風(fēng)速變化對比Fig.7 Comparison between measured and simulated longitudinal wind speed changes in the central axis of blowout

3.2.2 速度通過CFD 速度模擬發(fā)現(xiàn)，在兩種風(fēng)蝕坑模型上口入風(fēng)側(cè)背風(fēng)坡處氣流首先加速，隨后減速，到達(dá)模型中部時再次加速，在出風(fēng)側(cè)處形成尾流加速區(qū)（圖8a、c），速度變化的位置與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。兩種風(fēng)蝕坑模型差別在于槽狀模型入風(fēng)側(cè)加速區(qū)范圍大于碟狀模型。從模型底面可以看出坑內(nèi)表面流速變化情況。在兩種風(fēng)蝕坑模型底部，氣流進(jìn)入風(fēng)蝕坑內(nèi)部，隨著空間增大氣流流線發(fā)生分離，在入口處背風(fēng)坡風(fēng)速降低，模型中部又開始加速，在尾部迎風(fēng)坡處大幅度減速，到達(dá)模型外形成尾流加速區(qū)（圖8b、d）。

圖8 CFD模擬速度分布Fig.8 CFD simulated speed distribution

風(fēng)蝕坑上口水平面氣流與底部氣流大小不同，上口水平面氣流主要受空氣阻力影響，而底部氣流受空氣阻力和地面摩擦力影響，因此底面流速整體小于上口。雖然兩種模型內(nèi)部都有加速區(qū)，但速度仍小于初始速度（6 m·s-1），因此，在風(fēng)蝕坑的負(fù)地形作用下，近地表風(fēng)能總體呈被削弱狀態(tài)。

氣流在進(jìn)入風(fēng)蝕坑后，發(fā)生附面層分離，在坑底擴(kuò)散減速，并在槽狀坑前部出現(xiàn)渦流，與王帥等［22］和孫禹等［23］野外對槽狀坑觀測結(jié)果一致，但本研究還發(fā)現(xiàn)氣流在風(fēng)蝕坑上口的入風(fēng)側(cè)處氣流為加速狀態(tài)，這與氣流集聚輻合進(jìn)入風(fēng)蝕坑有關(guān)。風(fēng)蝕坑內(nèi)的氣流變化模式不僅與風(fēng)蝕坑形狀、空間尺度、來流速度有關(guān)，還受風(fēng)的入射方向影響［24］。兩種風(fēng)蝕坑內(nèi)氣流變化的差異主要源于風(fēng)蝕坑的空間尺度的不同。與碟狀坑相比，槽狀坑長軸更長，氣流發(fā)育空間相對充足，速度及壓力變化明顯。

3.2.3 壓力風(fēng)蝕坑模型表面壓力分布能反映流速變化和氣流運(yùn)動方向。兩種模型上口水平面（圖9a、c）都在入風(fēng)側(cè)背風(fēng)坡處形成低壓區(qū)，隨風(fēng)沙流繼續(xù)深入，壓力逐漸增大，在模型迎風(fēng)坡處達(dá)到最大，而在出風(fēng)側(cè)處因風(fēng)沙流加速溢出又形成低壓區(qū)，整體中部壓強(qiáng)高，而兩側(cè)壓強(qiáng)低；槽狀模型入風(fēng)側(cè)低壓區(qū)范圍大于碟狀模型，而碟狀模型后部低壓區(qū)范圍較大（圖9c）。模型底面（圖9b、d）壓力變化趨勢與模型上口不同，壓強(qiáng)呈前低后高分布模式，且碟狀模型底部入風(fēng)側(cè)低壓區(qū)范圍更小，而后部沒有低壓區(qū)。在底部強(qiáng)烈高壓區(qū)風(fēng)沙流侵蝕作用下，坑后緣向下風(fēng)向擴(kuò)展［25］，這與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)觀測到的結(jié)果一致（圖10）。此外圖10 中發(fā)現(xiàn)有微小的溯源侵蝕現(xiàn)象。

圖9 CFD模擬壓力分布Fig.9 CFD simulated pressure distribution

圖10 槽形模型發(fā)育過程Fig.10 Slotted model development process

3.2.4 風(fēng)沙流流向查明風(fēng)蝕坑內(nèi)風(fēng)沙流流向有助于更好地理解風(fēng)蝕坑的形態(tài)動力學(xué)過程。圖11 為CFD 模擬的兩種風(fēng)蝕坑內(nèi)氣流的流向，可見風(fēng)蝕坑對近地表氣流產(chǎn)生了很大擾動，流線偏轉(zhuǎn)，流向趨于復(fù)雜化，坑外的氣流受局地氣壓影響，被吸附到坑內(nèi)，并沿側(cè)壁行進(jìn)（圖11a、c）。在風(fēng)蝕坑內(nèi)部，氣流運(yùn)動更加復(fù)雜，在入風(fēng)側(cè)背風(fēng)坡多有渦流發(fā)育（圖11b），而在模型底部中心線處，氣流直線前進(jìn)，隨著向兩側(cè)延展，氣流沿著底面坑壁呈螺旋曲線前進(jìn)（圖11a），這與Hesp 研究的海岸帶槽狀風(fēng)蝕坑氣流模式一致［26］，但又略有不同：氣流螺旋前進(jìn)現(xiàn)象僅出現(xiàn)在側(cè)壁上，中部氣流順坑壁弧形前進(jìn)。碟狀模型入風(fēng)側(cè)的渦流規(guī)模尺度小于槽狀模型（圖11c），碟狀模型側(cè)壁風(fēng)沙流沿坑壁前進(jìn)，沒有發(fā)育渦流（圖11d）。風(fēng)蝕坑內(nèi)發(fā)育的渦流一定程度可以解釋PIV測量中出現(xiàn)的對向流現(xiàn)象。

圖11 CFD模擬風(fēng)沙流流向Fig.11 CFD simulation of wind and sand flow direction

4 討論

4.1 風(fēng)沙流吸附機(jī)制

以上模擬發(fā)現(xiàn)，近地表氣流對兩種風(fēng)蝕坑地形表現(xiàn)出極其復(fù)雜的響應(yīng)，尤其發(fā)現(xiàn)在槽狀坑和碟狀坑的坑口入口處都有加速現(xiàn)象。這與周圍氣流向負(fù)地形輻合匯集有關(guān)，而氣流匯聚則與氣流自身重力和坑口局部的低壓區(qū)有關(guān)。氣流流向模擬也發(fā)現(xiàn)風(fēng)蝕坑具有吸附效應(yīng)，流經(jīng)坑外一定范圍的氣流被吸附到坑內(nèi)（圖11、圖12），坑口及其上方一定高度范圍的氣流都向坑內(nèi)匯聚（圖12）。測量發(fā)現(xiàn)，在6 m·s-1風(fēng)速下，兩種風(fēng)蝕坑兩側(cè)吸附范圍大約為短半軸的0.25 倍，垂直吸附范圍大約為深度的1.56倍，且多發(fā)生于風(fēng)蝕坑的前中部。由伯努利效應(yīng)（不可壓縮流體流速越快，流體產(chǎn)生的壓力就越?。┛芍涌谔幜魉僭龃髮?dǎo)致壓力變小，因而使周圍氣流在壓力差作用下被吸入坑內(nèi)。根據(jù)流體力學(xué)的能量守恒定律，由于風(fēng)蝕坑的吸附機(jī)制，兩側(cè)和上方的氣流攜帶能量被聚集到坑內(nèi)，使坑內(nèi)氣流能量增加，同時也將風(fēng)沙流帶入坑內(nèi)，而風(fēng)蝕坑出風(fēng)側(cè)處氣流能量較集中釋放（圖8），加劇了風(fēng)蝕坑出風(fēng)側(cè)的侵蝕，使風(fēng)蝕坑逐漸發(fā)育。孫禹等［23］在槽狀坑氣流觀測中也觀測到氣流被吸入坑內(nèi)的現(xiàn)象，但沒有量化被吸入氣流的范圍，也沒有從能量匯聚角度分析對風(fēng)蝕坑發(fā)育的意義。本研究較全面獲取了風(fēng)蝕坑的流場信息，證實(shí)了渦流的存在，并闡明了風(fēng)蝕坑的風(fēng)沙流吸附機(jī)制，有助于深入理解風(fēng)蝕坑的風(fēng)沙動力過程。

圖12 風(fēng)蝕坑流場顯示的氣流吸附效應(yīng)Fig.12 Adsorption effect of airflow in blowout flow field

風(fēng)蝕坑的吸附機(jī)制匯聚能量加劇對地表的侵蝕。對不同沙盤采用不同風(fēng)速吹蝕12 min 后發(fā)現(xiàn)（表1），在大風(fēng)條件（8.5 m·s-1）下，小尺度風(fēng)蝕坑沙盤和大尺度風(fēng)蝕坑沙盤的風(fēng)蝕量百分比分別比平坦沙地沙盤的大3.14%、6.96%；在小風(fēng)條件下，小尺度風(fēng)蝕坑沙盤和大尺度風(fēng)蝕坑沙盤風(fēng)蝕量百分比分別比平坦沙地沙盤的大8.47%、14.81%?？梢?，在相同風(fēng)速下有風(fēng)蝕坑沙盤的風(fēng)蝕量大于平坦沙地沙盤，且風(fēng)蝕坑尺度越大風(fēng)蝕量越大；相同模型條件下風(fēng)速越大，風(fēng)蝕量越大。因此，侵蝕程度與風(fēng)速成正比，風(fēng)蝕坑加劇了地表侵蝕，且侵蝕程度與風(fēng)蝕坑尺度有關(guān)，風(fēng)蝕坑尺度越大侵蝕越強(qiáng)。

表1 風(fēng)蝕坑對地表蝕積的影響Tab.1 Influence of blowout on surface erosion and deposition

4.2 風(fēng)蝕坑發(fā)育的關(guān)鍵機(jī)制

前人研究都已證實(shí)風(fēng)蝕坑的起始和發(fā)育源于外部因素（風(fēng)沙流［27］、沙丘［28］）和內(nèi)部因素（龜裂紋）的耦合［14］。當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)生風(fēng)蝕破口時，微小的負(fù)地形對局部氣流運(yùn)動產(chǎn)生了阻滯，氣流經(jīng)歷擴(kuò)散減速和溢出加速過程，破口內(nèi)的沉積物隨之被侵蝕搬運(yùn)，破口逐漸擴(kuò)大和加深；隨之對氣流阻滯作用也加強(qiáng)，下伏沉積物被氣流侵蝕吹走，形成表面光滑的流線型外形，形成雛形坑。不同風(fēng)向的風(fēng)沙流對雛形坑可從不同方向進(jìn)行侵蝕和形態(tài)塑造，并最終形成與區(qū)域風(fēng)況相適應(yīng)的外形；雛形坑規(guī)模逐漸擴(kuò)大，風(fēng)蝕坑內(nèi)氣流的階段性變化更加強(qiáng)烈，潛蝕強(qiáng)烈發(fā)育，使下伏更多沉積層出露，形成質(zhì)地軟硬相間的側(cè)壁，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的差異性側(cè)蝕［29］，在重力作用下發(fā)生塊體崩塌，側(cè)蝕快速發(fā)展，逐漸形成碟狀坑和槽狀坑；風(fēng)蝕坑逐步擴(kuò)大，相互聯(lián)通，形成風(fēng)蝕谷和風(fēng)蝕殘墩［30］。在臺特瑪湖干涸湖盆區(qū)，槽狀坑和蝶狀坑形態(tài)差異與盛行風(fēng)方向、發(fā)育時間、下墊面植被狀況及微地貌起伏狀況等有關(guān)。單一風(fēng)況下，發(fā)育時間較長，成為槽狀坑；相對復(fù)雜風(fēng)況，且發(fā)育時間較短，成為碟狀坑。槽狀風(fēng)蝕坑常有陡峭的側(cè)壁，而在坑底沿側(cè)壁有少量崩塌的塊體［24］，這就是氣流對軟硬相間側(cè)壁沉積物側(cè)向差異性掏蝕的表現(xiàn)。側(cè)壁掏蝕的氣流有沿縱軸進(jìn)入坑內(nèi)的側(cè)向繞流和螺旋渦流，也有坑體周邊吸附進(jìn)入的渦流。

5 結(jié)論

風(fēng)蝕坑是沙漠化地區(qū)的重要地貌形態(tài)，也是風(fēng)蝕沙漠化過程的重要地貌過程。由于臺特瑪湖干涸湖盆區(qū)地表植被極為稀少，發(fā)育的風(fēng)蝕坑形態(tài)有別于草原和海岸區(qū)，僅有坑體，而沒有坑后積沙區(qū)，形態(tài)以槽狀坑和碟狀坑為主。風(fēng)洞觀測和CFD 模擬顯示：

（1）兩種風(fēng)蝕坑對近地表氣流造成強(qiáng)烈擾動，槽狀風(fēng)蝕坑和碟狀風(fēng)蝕坑內(nèi)氣流速度和壓強(qiáng)變化模式基本相似，坑口氣流速度變化呈加速—減速—加速，壓強(qiáng)呈低壓—高壓—低壓，在出風(fēng)側(cè)處形成加速尾流恢復(fù)區(qū)，而底面呈減速—加速—減速—加速，壓強(qiáng)呈低壓—高壓，在出風(fēng)側(cè)處形成高壓強(qiáng)氣流溢出區(qū)，兩種模型氣流差異在于個別變化區(qū)范圍的大小。

（2）研究發(fā)現(xiàn)，由于負(fù)地形對氣流的擾動，在入風(fēng)側(cè)處發(fā)育渦流，在槽狀坑側(cè)壁有螺旋環(huán)流，內(nèi)部有弧形前進(jìn)流。

（3）兩種風(fēng)蝕坑均具有一定強(qiáng)度風(fēng)沙流吸附效應(yīng)，將水平和上層氣流的能量和風(fēng)沙流聚集到坑內(nèi)，加劇了坑體的風(fēng)蝕速度。風(fēng)蝕坑吸附效應(yīng)是風(fēng)蝕坑發(fā)育的關(guān)鍵作用機(jī)制。從風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)，風(fēng)蝕坑加劇了地表侵蝕，侵蝕程度與風(fēng)蝕坑尺度有關(guān)，風(fēng)蝕坑尺度越大對地表侵蝕越強(qiáng)。