治沙工程区内气流场与风成地形的互馈机制

以现有沙害防治工程区的气流场实地观测结果为依据，开展不同孔隙率和孔形沙障（栅栏、尼龙网、植物枝条三种材料）前后气流湍流强度分布、湍流普和雷诺应力分布的测量与计算，以及来流区和泄流区气流抑制沙尘起动的理论分析；实地测量和风洞模拟不同株形的单株植物来流区、侧流区和尾流区的气流场特征，多株植物之间气流场的相互干扰；重点研究治沙工程区内气流场改变与小（微）尺度风成地形之间的动力互馈机制，以及两者达到动态平衡的临界条件。本项目研究成果可为推动治沙工程的理论进步做出积极贡献。

针对风沙区重大基础设施建立的越来越多的沙害防治工程体系，其功能的稳定性和有效性取决于工程措施与小（微）尺度复杂地形之间是否达到风沙流场动力平衡，抑制地表起沙起尘或者保持蚀积平衡。本项目选择包兰铁路沙坡头段和塔里木沙漠石油公路塔中段为典型研究区，系统地开展了高立式沙障和半隐蔽式沙障前后风沙流场，以及小、微尺度风成地貌对风沙流场影响的野外观测和风洞模拟实验研究，研究结果表明：（1）防护工程区内地形对风场格局具有控制作用，工程区断面沙丘表面风速等值线随风速增加而趋于密集，凹凸度加强，随地势逐渐降低而抬高、变疏。沙丘迎风坡单位长度风速放大率以防护体系前沿沙丘最大，防护体系外围流动沙丘次之（0.11-1.84%/m），防护体系内固定沙丘（-0.55-2.14%/m）和半固定沙丘最小（0.25-1.11%/m）。（2）防护体系前沿流沙区地形对风场的影响极为强烈，丘顶为高风速闭合区，丘间地为低风速闭合中心；水平风速梯度随风场高度增加而降低，沙丘地形对表面流场的影响愈向地表愈强烈；前沿沙丘下风向170m范围内的植被区，沙丘表面水平风速梯度明显减小，1m高度的风场受植被干扰。距离前沿沙丘170m以远的植被区，1m高度内的水平风速梯度值降低。（3）受低风速沙尘输移和高风速跃移颗粒影响，沙丘迎风坡脚风沙流结构分别为幂函数和指数函数，迎风坡中部和丘顶的风沙流结构较好地符合指数率。随风速增大，迎风坡脚的垂向输沙量分布向0-4cm集中，迎风坡中部和丘顶的垂向输沙量向4cm以上高度集中。相同来流条件下，由于坡脚输沙率较低，总输沙率沿迎风坡向丘顶呈指数增加；植被区风沙流结构受微地貌影响而更加复杂，完整草方格的输沙率向10cm高度集中，沙埋草方格风沙流受其上风向植被对风沙流的阻挡作用而集中于20-40cm的植被冠幅下部