沙区道路防护体系“前沿栅栏沙垄”发育模式、表面过程及其对防护体系的工程影响

沙区道路防护体系"前沿栅栏沙垄"作为人类工程影响风沙地貌发育的产物，其形成发育仍是地表、气流场、风沙流相互作用的结果，但已远非天然沙丘的自组织发育模式，而沙垄的形成也将反作用于地表流场并对下风向防护体系产生重要影响。本项目在风沙地貌形态学原理、近地面空气动力学原理和风沙运动理论、数值模拟思想指导下，利用实地调查与风沙观测、风洞模拟、数值模拟、沉积物分析等综合研究方法，全面揭示沙坡头铁路防护体系"前沿栅栏沙垄"形态示量特征、发育模式和表面动力过程，阐明"前沿栅栏沙垄"对防护体系外围沙丘前移以及对整个防护体系近地面流场的宏观影响机理，探讨"前沿栅栏沙垄"在道路防沙工程中的意义。本项研究对丰富风沙地貌理论、探索沙坡头铁路防护体系卓越性能的科学奥秘、逐步建立完整的道路防沙工程理论体系具有重要的科学意义。

沙区道路防护体系前沿“栅栏沙垄”的形成和发展，既导致局地风沙地貌发育演化发生重大变异，同时对防护体系前沿地带的近地面风场将产生深刻影响。本项目主要研究“前沿栅栏沙垄”形态特征与表面过程、发育模式，以及“前沿栅栏沙垄”对防沙工程体系的影响机制，取得以下主要结果。（1）栅栏沙丘形态特征：栅栏沙丘迎风坡平均坡度大于天然沙丘，背风坡坡度小于天然沙丘，沙丘走向断面比天然沙丘更具有对称性。（2）栅栏沙丘形成和发展的流场条件：沙丘表面回流区的位置和大小、分离涡和二次涡的强度，决定着沙丘的发育过程。数值模拟表明，沙丘迎风坡坡度越大，背风坡回流区范围就越大，但回流强度有所减弱，且坡度>15°时，回流区流场基本不再变化。迎风坡设置栅栏后的影响主要体现在气流的提前分离及其背风侧小涡的形成，使得回流区范围变得更高、更远。表面流场的上述变异是栅栏沙丘形成和发展的关键。（3）栅栏沙丘对下风向防护体系的影响：观测表明，栅栏沙丘背风坡低能区分布的水平和高度范围均大于原始天然沙丘，作为防护体系前沿的巨大屏障，对下风向防护体系内近地面风力的削弱具有重要意义。随栅栏沙丘高度的不断增长，对下风向近地面流场的影响越来越显著，有效减弱防护体系内的风蚀和输沙强度，并在人工植被和草方格等防护措施配合下，逐渐将风蚀和输沙主导的风沙环境，改变为沙尘沉降主导的风沙环境。流沙表面发育的生物结皮即反映了这种变化。（4）表面风沙过程：存在风沙流条件下，沙丘顶部和迎风坡中部粗糙度z0’与摩阻风速u*的关系均可采用修正Charnock系数Cm准确刻画。丘顶和迎风坡中部Cm分别为0.441和0.138，表明沙丘不同部位跃移沙粒对z0’和u*的影响具有明显差异。风沙流在时间和空间上分别具有显著的间歇性和不均匀性，可以用阶跃函数从数学上进行定量描述，在输运过程中具体表现为沙颗粒的体积浓度和输沙率等宏观物理量时间序列的峰度和周期性。在迎风坡设置半隐蔽式草方格沙障条件下，沙障周围形成草带前的阻滞减速区、草带内部气流加速区、带后风能衰减区和带间气流恢复区，这种流场分布有助于草方格内凹曲面的形成和维持。上述研究将风沙地貌、风沙工程紧密联系起来，从风沙流场、表面过程、沙丘地貌演化、风沙环境变化的角度，揭示了防护体系前沿栅栏沙丘的形成和发展机制，及其对防护体系风沙环境的影响机制，科学意义显著；研究结果也是风沙工程原理的重要补充，对风沙工程设计