閆 敏， 左合君， 賈光普， 席 成

（內蒙古農業(yè)大學沙漠治理學院/內蒙古自治區(qū)風沙物理與防沙治沙工程重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010011）

風沙流是指風及其所攜帶的沙物質組成的氣固兩相流，是風沙物理學的核心內容，研究其變化規(guī)律對于風沙防治工程學具有重要的實踐指導作用［1］。不同的防沙措施對荒漠地區(qū)固有能量和物質運移規(guī)律具有強烈的擾動作用，通過對近地面流場和地表沙物質運移過程的影響，造成風沙地貌形態(tài)的變異和沙物質的再分選［2-3］。粒度不僅可以反映風力對沙源物質的搬運能力和分選性質，也可以記錄風沙地貌在形成過程中的風力強度［4-6］。研究氣流搬運的沙粒在不同高度層上的分布規(guī)律對于沙粒的運動形式、地表蝕積狀況，掌握風成地貌的形態(tài)發(fā)育以及演變規(guī)律，在風沙防治工程理論與實踐中均具有重要價值［7］。

目前，關于沙物質粒度特征的研究主要集中于沙床面沙粒粒度的水平分異和風沙流攜沙粒度的垂直分異2 個方面，馮大軍等［8］通過風洞實驗研究了沙粒粒度的垂直分布特征，認為平均粒徑在垂直方向上呈指數函數遞減分布規(guī)律；王翠等［9］選取流動沙地和半流動沙地為研究對象，對其風沙流攜沙粒度的垂直分布進行了探究，結果同樣顯示沙粒的平均粒徑隨著高度的上升而逐漸減小。風沙流攜沙粒度的分布特征反應了下墊面的風沙環(huán)境，下墊面的環(huán)境也會影響到風沙活動的劇烈程度及其釋放沙源的潛力［10］。已有學者通過野外觀測得出不同地貌部位的風成沉積物粒度特征也會受到風沙流、沙丘形態(tài)、植被以及沉積物等因素的影響［11-14］；加之在野外觀測時易受地形、天氣等因素影響，如攜沙風方向的不確定性，而使得實驗結果具有一定的局限性。隨著風洞在風沙運動研究中的廣泛應用，很多學者利用風洞模擬實驗開展對風沙流結構及其攜沙粒度特征的研究［15-16］。在風洞實驗中，多數學者將研究重點放在風沙流粒度垂直分布上，然而對于不同防沙措施、以及不同防沙措施規(guī)格參數對風沙流攜沙粒度變化規(guī)律的影響亟待確定。例如，當指示風速和防沙措施類型一定時，隨著防沙措施規(guī)格、高度、間距、孔隙度、風向夾角等參數的變化，風沙流垂直分布特征及其攜沙粒度又將如何變化？同一防沙措施下指示風速的變化風沙流挾沙粒度又會發(fā)生怎樣的改變？這使得研究不同防沙措施影響下各高度層輸沙量和攜沙粒度特征顯得尤為重要。目前防治沙害的根本措施還在于通過工程措施或生物措施來抑制或消弱風沙流強度，也只有準確確定了風沙流結構及其影響因素才能有效地制定防治措施。

因此，本文擬在不同指示風速作用下，選擇不同規(guī)格、高度、行間距、孔隙度等防沙措施為研究對象，通過風洞模擬分析其風速廓線變化規(guī)律、風沙流垂直分布及其攜沙粒度特征，探討不同防沙措施對風沙流及其攜沙粒度分布的影響，揭示風沙兩相流在垂直方向的分布規(guī)律，準確提出影響風沙流及其挾沙粒度分布的規(guī)格參數，旨在為荒漠地區(qū)合理布設防沙措施、精準治沙提供數據支撐與參考依據。

1 材料與方法

1.1 實驗設備

風洞實驗在中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙漠與沙漠化重點實驗室完成。該風洞為直流閉口吹氣式風洞，由動力段、整流段、實驗段和擴散段組成，該風洞洞體全長37.78 m，實驗段長度為16.23 m，截面積為0.6 m×1.0 m，測量風速范圍為1～40 m·s-1，邊界層厚度約為120 mm，測試過程中通過調速控制組件達到測試的同步性［17］。

1.2 實驗材料及相似性

實驗設計既考慮模擬精度，也考慮實驗的可操作性，結合雷諾數值確定模型相似比為1:10，風洞實驗模型材料有木質和尼龍網2 種（圖1）。根據相似性原理，對象流動狀態(tài)達到紊流狀態(tài)時，并進入自?；癄顟B(tài)，能夠滿足模型與實物流場分布相似。同一模型在不同雷諾數值時測得的氣動性有一定的差別，但當模擬流動的雷諾數值大于臨界雷諾數值（3×105～1×107）時，此時的平均風速剖面、湍流度、表面摩擦阻力等邊界層流動特征參數與雷諾數的大小無關［18-19］。因此，本文采用雷諾數值判斷風洞氣動特性的相似性，以此來確定實驗設計模型是否符合要求，實驗模型參數及相似性計算結果顯示能夠滿足相似性（表1）。

圖1 風洞實驗布設Fig.1 Layout of wind tunnel experiment

表1 風洞實驗模型選擇和實驗設計依據Tab.1 Selection of wind tunnel experimental model and basis of experimental design

1.3 實驗方法

（1）模型前后風速廓線測定

在凈風條件下測定不同防沙措施的風速廓線，選擇8 m·s-1、10 m·s-1、12 m·s-1和14 m·s-14 個指示風速梯度，凈風穩(wěn)定后吹刮2 min。風速值利用皮托管壓差系統(tǒng)測定值換算而來，測風高度為：0.2 cm、0.5 cm、1 cm、2 cm、4 cm、8 cm、12 cm、16 cm、20 cm和24 cm；測點位置為：模型前——1.5H、2H、4H、8H，模型內部——因防沙措施不同均勻分布觀測點位，模型后——0.5H、1H、2H、4H、8H、10H、12H、15H，其中，H 表示模型的高度，即2H 表示距離為2倍的模型高度。

（2）模型前后風沙流測定

在攜沙風條件下測定不同防沙措施的風沙流結構，選擇8 m·s-1、10 m·s-1、12 m·s-1和14 m·s-14個指示風速梯度，對應各個指示風速，攜沙風穩(wěn)定后吹刮時間分別為6 min、4 min、2 min、1 min。選用連續(xù)等高階梯式積沙儀測定風沙流，模型迎風側（-3H）和背風側（3H）風沙流測點均在3H 處，積沙儀高度為30 cm（15層），單一積沙口斷面為2 cm×2 cm。

（3）沙物質粒度分析

采用Udden-Wentworth 劃分標準確定粒度組分，利用Kumdein算法對其進行對數轉化，并將土壤粒徑由真數轉化為有利于作圖和計算的Ф；并采用Folk、Ward提出的公式分別對平均粒徑、分選系數、偏度和峰態(tài)表征粒度的參數進行計算，公式如下：

式中：d為顆粒直徑（mm）；MZ為平均粒徑；σI為分選系數；SK 為偏態(tài)值；KG為峰態(tài)值；Ф5、Ф16、Ф25、Ф50、Ф75、Ф84、Ф95表示粒徑累積曲線中對應的顆粒直徑所轉換的Ф。

2 結果與分析

2.1 不同防沙措施垂向氣流速度廓線特征

不同防沙措施（方格沙障、單行沙障、雙行沙障、擋沙墻）迎風側和背風側氣流速度廓線變化曲線如圖2所示，由圖可知，在不同指示風速（8 m·s-1、10 m·s-1、12 m·s-1、14 m·s-1）梯度下，方格沙障（圖2a）、單行沙障（圖2b）、雙行沙障（圖2c）以及擋沙墻（圖2d）的迎風側氣流速度廓線變化規(guī)律基本相似，風速均隨著高度的增加而增大。而背風側受防沙措施的影響較大，對近地表的風速控制作用出現顯著差異。其中，不同規(guī)格方格沙障對氣流速度廓線變化影響較小，更多表現為對近地表（0～5 cm）風速的有效控制，平均較迎風側風速降低了42.52%，且隨著規(guī)格的減小，對近地表風速的控制作用更為明顯，10 cm×10 cm 防風效果最佳。在高立式沙障影響下，背風側氣流變化規(guī)律基本同方格沙障相似。單行沙障隨著高度的增加，風速降低作用越明顯；當沙障疊加為雙行沙障時，控制作用明顯增強，平均較同一高度單行沙障風速降低了19.66%，同時隨著行間距的減小風速減小趨勢逐漸增強，4H行間距對風速的影響最大，且近地表（0～5 cm）風速的控制作用表現為方格沙障＞雙行沙障＞單行沙障，近地表（5～12 cm）風速的控制作用表現為雙行沙障＞單行沙障＞方格沙障，而12 cm以上高度的高立式沙障風速表現為抬升作用。當防沙措施為不透風型擋沙墻時，在背風側0～12 cm 高度范圍內出現了明顯的靜風區(qū)或弱風區(qū)，但對于12 cm 高度以上的風速表現為明顯的抬升作用，平均較迎風側增加了17.32%，且隨著風向夾角的增加，這種變化規(guī)律逐漸增強，90°時達到最大。從各氣流速度廓線來看（圖2e），除擋沙墻外，不同指示風速作用下迎風側和背風側的氣流速度廓線變化特征基本相似，僅隨著指示風速的增大近地表（0～12 cm）風速降低作用越明顯、12 cm以上抬升作用越明顯，這也進一步說明指示風速的變化僅僅反映在氣流變化尺度上。

圖2 不同防沙措施垂向氣流速度廓線特征Fig.2 Vertical airflow velocity profile characteristics under different sand control measures

2.2 不同防沙措施風沙流結構特征

在8 m·s-1、10 m·s-1、12 m·s-1和14 m·s-14 個指示風速作用下，不同防沙措施迎風側和背風側風沙流結構變化特征如圖3所示，由圖可知，不同指示風速下，迎風側風沙流結構變化特征基本相似，近地表輸沙主要集中在0～10 cm高度層內，方格沙障、單行沙障、雙行沙障和擋沙墻4種防沙措施迎風側0～10 cm的輸沙量分別占總輸沙量的87.32%、89.04%、91.82%、84.63%；但不同防沙措施對迎風側總輸沙通量的影響有差異，整體表現為雙行沙障（16.19 g·m-1·s-1）＞方格沙障（14.90 g·m-1·s-1）＞單行沙障（14.44 g·m-1·s-1）＞擋沙墻（3.07 g·m-1·s-1）。受防沙措施的影響，背風側輸沙量隨著高度的變化規(guī)律不再遵循風沙流結構定律，表現為近地表0～10 cm 范圍內輸沙量隨高度逐漸增加，10～30 cm輸沙量逐漸減少；且因防沙措施規(guī)格、高度、行間距、孔隙度等參數的影響，輸沙量峰值出現的位置及含量差異顯著，整體表現為沙障規(guī)格越大、高度越低、行間距越大輸沙量峰值也越大，其中雙行沙障對輸沙的影響最大，峰值最小，方格沙障次之，而單行沙障對背風側輸沙量的影響較小。當防沙措施為不透風型擋沙墻時，背風側近地表（0～15 cm）輸沙量幾乎為0，由于擋沙墻對風力的抬升作用，使得更多的沙粒被吹蝕到15～30 cm范圍內，且主要集中在20～30 cm高度層，約占總輸沙量的90.28%。同時分別采用指數、對數、冪函數、正太分布等模型對風沙流通量進行擬合，迎風側輸沙通量隨高度的變化呈顯著的指數函數變化規(guī)律（決定系數R2＞0.9），而背風側受不同防沙措施的影響，呈現出高斯函數分布模型，也因防沙措施類型、規(guī)格的不同函數系數及擬合結果有一定的差異，但整體效果較好。不同防沙措施迎風側和背風側風沙流變化規(guī)律基本不受指示風速的影響，但隨著指示風速的增大，每層平均輸沙量顯著增加，且這種作用過程逐漸增強，同樣說明指示風速的變化僅僅反映在輸沙變化尺度上。

圖3 不同防沙措施風沙流結構變化特征Fig.3 Variation characteristics of wind-sand flow structure under different sand control measures

2.3 風沙流攜沙粒度頻率分布特征

由不同防沙措施的風沙流攜沙粒粒度頻率分布曲線（圖4）可知，實驗沙樣粒徑范圍為0.001～1.000 mm（CK），且主要分布范圍為0.100～1.000 mm，以細沙（0.125～0.250 mm）和中沙（0.250～0.500 mm）為主，峰值出現在0.300 mm附近。不同防沙措施風沙流中各高度層粒度頻率分布曲線形狀基本相似，均表現為單峰分布特征，但受不同防沙措施的影響，不同防沙措施各高度層峰值出現位置略有差異（0.250～0.350 mm），且峰值含量也不相同，多數峰值含量介于9%～14%。隨著高度的增加，沙粒粒度頻率分布曲線有向右上偏移趨勢，但不管防沙措施規(guī)格、高度、行間距、風向夾角如何變化，對不同高度層的顆粒物頻率分布規(guī)律影響較小，只是對曲線峰值出現的位置及含量有所影響，且隨著指示風速的增大有增強趨勢，這符合沙粒在風沙運動過程中垂直分布特征，由此也可以證明，在指示風速一定的條件下，風沙流中沙粒粒度分布隨高度的變化受防沙措施參數影響較小。

圖4 不同防沙措施風沙流攜沙粒粒度頻率分布曲線Fig.4 Requency distribution curves of grain in wind-sand flow structure under different sand control measures

2.4 風沙流攜沙粒度參數空間變化特征

同一指示風速作用下不同防沙措施風沙流中沙粒粒度參數（平均粒徑、分選系數、偏度與峰態(tài)）的空間變化特征如圖5所示，由圖可知，不同防沙措施在近地表0～30 cm高度范圍內風沙流攜沙顆粒物粒度隨高度的增加呈逐漸變細的趨勢，平均粒徑在垂向變化上表現為0～8 cm 高度層逐漸變細，8～20 cm高度層逐漸趨于穩(wěn)定，部分高度層平均粒徑有所波動，但整體在向細的方向發(fā)展。且不同防沙措施的平均粒徑曲線基本相似，整體表現為：隨著沙障規(guī)格的減小、高度的增加、行間距的變窄沙物質顆粒平均粒徑逐漸減小。不同防沙措施風沙流中沙粒的分選系數均在0.300～1.000，平均值分別為擋沙墻（0.595）＞方格沙障（0.532）＞單行沙障（0.500）＞雙行沙障（0.466），可以看出擋沙墻對其影響最大；而在20～25 cm范圍內分選性降為中等（0.710～1.000），分選系數隨著高度的上升呈現為先增大后減小然后逐步趨于平緩的變化趨勢，其中擋沙墻影響下波動較大，但也符合上述變化規(guī)律，其余防沙措施影響下分選系數隨高度的變化曲線基本相似。從方格沙障、單行沙障、雙行沙障到擋沙墻，風沙流顆粒物粒度的偏態(tài)值隨著高度的增加趨于增大趨勢，4種防沙措施風沙流中沙粒的偏度系數分布范圍呈現近對稱-正偏-極正偏的變化規(guī)律，表明平均值向中位數較細的方向移動，平均粒徑變小，這符合平均粒徑在不同防沙措施影響下的變化規(guī)律。鋒態(tài)主要有寬平-中等-尖窄3種，其中，方格沙障鋒度值變化范圍為0.887～1.209，平均值為1.035；單行沙障鋒度值變化范圍為0.891～1.189，平均值為0.990；雙行沙障鋒度值變化范圍為0.901～1.150，平均值為0.996；而擋沙墻鋒度值變化范圍為0.897～1.413，平均值為1.086。

圖5 不同防沙措施風沙流中粒度參數空間分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of grain size parameters in wind-sand flow under different sand control measures

3 討論

風沙運動是沙物質貼近地面的搬運過程，采取不同防沙措施來改變近地層的氣流及風沙流運動能夠有效削弱風沙活動的強度。已有研究表明，風沙流受障礙物阻擋后，其運動能力開始下降，在其迎風側與背風側一定范圍內造成挾沙顆粒的跌落、沉降，從而影響不同位置輸沙量，導致風沙流結構與障礙物周圍積沙發(fā)生變化［20-22］。本研究通過對透風型方格沙障、單行沙障、雙行沙障和不透風型擋沙墻前后風沙流垂直分布特征的分析，得出其迎風側風沙流結構與未設置防沙措施時基本相似，輸沙量仍隨著垂向高度的增加而減少，這符合Bagnold風沙流垂直分布規(guī)律［23］。而受不同防沙措施的影響，背風側不再遵循風沙流結構定律。影響風沙流結構特征的因素較多，主要受下墊面狀況、植被因素、土壤因素以及風沙環(huán)境等影響［24-27］，因此導致擬合函數存在一定差異。本文為盡可能控制參數變量，選擇風洞實驗，考慮指示風速和防沙措施參數本身帶來的影響，結果顯示因防沙措施的不同輸沙總量及各層變化差異顯著，整體呈現出防沙措施規(guī)格越?。芏仍酱螅⒏叨仍礁?、行間距越窄、孔隙度越小、風向夾角越接近90°，輸沙總量越少的變化規(guī)律，且隨防沙措施規(guī)格越小、高度越高、行間距越窄、孔隙度越小、風向夾角越接近90°，輸沙量的峰值越向上移動，近地表0～10 cm 高度層積沙量也越少；而在不透風型擋沙墻措施影響下，背風側近地表0～10 cm高度層積沙量幾乎為0，且指示風速的變化僅僅反映在輸沙變化尺度上。同時也采用指數、對數、冪函數、正太分布等模型對風沙流通量進行擬合，篩選了最佳擬合模型，發(fā)現迎風側輸沙通量隨高度的變化呈顯著的指數函數變化規(guī)律，這與沙漠中近地層1 m范圍內的風沙流通量可以用指數函數表示，該研究結果與張正偲等［28］的研究結果相似；本文也進一步分析了不同防沙措施影響下背風側輸沙通量的變化規(guī)律，結果顯示受防沙措施類型規(guī)格的影響，輸沙通量隨高度呈現出高斯函數分布模型，也因防沙措施類型、規(guī)格的不同函數系數及擬合結果有一定的差異。

同樣，粒度作為反映風力對沙源物質的搬運能力和分選性質的重要指標［29］，在不同防沙措施影響下，在垂直高度上也出現了一定程度的分異現象。如王翠等［9］對流動、半流動沙地上風沙流攜沙粒度的垂直分布特征研究時發(fā)現，沙粒的平均粒徑隨高度的增加而減小；馮大軍等［16］也通過風洞模擬證明了沙粒粒度的平均粒徑在垂直方向和水平方向上均呈指數遞減；且在非均勻床面上各粒徑段沙粒的起跳率并不相同，粗顆粒沙粒的起跳率大于細沙粒，粗顆粒沙粒對細沙粒有一定的遮擋作用，而在6～8 cm 高度層以上時，粗砂顆粒受躍移高度的限制，含量逐漸減小，而細砂含量逐漸開始增加；黎小娟等［5,30］在對尼龍網方格沙障中風沙流挾沙粒度的空間分異特征中發(fā)現，在方格沙障后風沙流中平均粒徑減小、分選性變差、偏度增大、峰態(tài)值減小。本文研究結果也驗證了上述結論，并進一步探討了不同防沙措施參數對這種分布規(guī)律的影響，如防沙措施的規(guī)格、高度、行間距、孔隙度、風向夾角等參數，并從平均粒徑、分選系數、偏度、峰態(tài)等參數進行了分析，研究結果表明：不同防沙措施風沙流中粒度特征隨高度的增加平均粒徑逐漸減小，中高層（5～25 cm）主要由中沙組成，而近地表層（0～5 cm）分布有細沙、中沙和粗沙；平均粒徑在垂向變化上表現為0～8 cm 高度層逐漸變細，8～20 cm 高度層逐漸趨于穩(wěn)定，不同防沙措施各高度層沙粒分選性較好、極正偏，峰度隨防沙措施參數的密集化由寬平狀態(tài)向中等、尖窄狀態(tài)變化；粒度參數變化受防沙措施規(guī)格變化影響較小，更多表現為在高度層的差異；且上述規(guī)律變化程度隨指示風速的增大逐漸增強。

4 結論

本文采用風洞模擬方法對不同防沙措施的風沙流及其攜沙粒度垂直分布特征進行了詳細解析，主要得到如下結論：

（1）不同防沙措施迎風側輸沙量均隨高度的增加而減小，符合指數函數模型，輸沙量主要集中在0～10 cm高度層，約占總輸沙量的88.20%，而背風側表現為先增大后減小的變化趨勢，呈高斯函數分布規(guī)律。隨著防沙措施規(guī)格的減小、高度的增加、行間距的變窄、孔隙度的降低，輸沙量集中范圍逐漸向上偏移，峰值出現的位置由高度較低，的方格透風型沙障（7 cm）上移至高度較高的不透風型擋沙墻（26 cm）；且近地表0～10 cm 高度層積沙量越少，在不透風型擋沙墻措施影響下，背風側近地表0～10 cm 高度層積沙量幾乎為0，上述變化規(guī)律隨指示風速的增大而逐漸增強。

（2）不同防沙措施風沙流中粒度特征隨高度的增加平均粒徑逐漸減小，中沙主要分布在近地表（5～25 cm），而近地表（0～5 cm）層粒度分布范圍更廣（0.100～1.000 mm），粒度參數變化受防沙措施規(guī)格變化影響較小，更多表現為在高度層的差異，不同防沙措施對風沙流中不同高度層粒度參數的影響隨指示風速的增大、規(guī)格參數的密集化影響程度顯著增強。