黄土高原沙黄土风蚀微观起动运移机理实验研究

Sandy loess widely covers the wind erosion regions of north loess plateau in China, where suffers long-term aeolian hazard due to low vegetation as well as windy and arid environment. Wind erosion is a major cause of soil degradation, desertification, even sandstorms in this area. It results in serious environment problem such as diminution agricultural land. The recent researches about aeolian processes of sandy loess mainly focused on influence factors and erosion amount prediction. However, few of them have shown interests in the particle movement of sandy loess blown by wind. This study aims to investigate the characteristic of wind-blown movement of sandy loess particles, and reconstruct their trajectories using a high-speed camera system and the PTV (particle tracking velocimetry) velocity field method. This research intends to include the initial take-off behaviour of particles, aeolian transport, and collision process between particles and sand bed.The experimental results can provide useful information to understand sandy loess transported by wind, and allow a new point of view to simulate wind erosion process of sandy loess.

黄土高原风蚀区由于植被稀少和干旱多风的特点长期遭受风力侵蚀，沙黄土是该地区分布广泛的地表组成物质。风蚀作用引起土壤退化、土地荒漠化以及沙尘暴等环境问题，严重影响当地农业生产持续发展。目前，沙黄土风蚀研究集中在风蚀影响因子和土壤风蚀量预测方面，而对沙黄土颗粒风蚀的微观运动力学研究相对薄弱。本课题使用高速数字图像采集和粒子追踪测速（PTV）技术建立沙黄土颗粒运动观测系统，通过风洞实验对沙黄土风蚀微观起动、运移过程进行测量，研究沙粒在风力作用下的运动轨迹和传输规律。本研究能够对沙粒风蚀起动、空中运移、粒-床碰撞三大过程进行量化，提出沙黄土起动风速计算公式以及粒-床碰撞的击溅函数，从微观角度揭示沙黄土颗粒风蚀运动物理规律。研究成果可为土壤风蚀理论分析提供参考和依据，对建立沙黄土风蚀模型具有重要意义。

本项目对国内黄土高原的砂质黄土风蚀现象进行了风洞试验，通过粒子追踪测速(PTV)和高速数字图像采集相结合的测量方法，观测了沙黄土颗粒的微观跃移行为，从微观角度分析了沙粒受近地表风场作用的运动规律。主要研究工作包括野外砂质土壤采集、PTV近地表跃移沙粒追踪算法的改进、风沙流传输测量以及跃移沙粒的粒-床碰撞参数统计。其中，沿毛乌素沙地的东南边界与黄土高原接壤地区进行调研工作，选取了梁上高地、道路两侧平地以及固定沙丘等典型风蚀区域进行土样采集，并对采集样本进行了粒径分析。以两帧追踪法为基础，改进与调整了毗邻阈值和匹配概率的计算方法，同时对图像的长、短波噪音处理进行了完善，编写和增加了沙粒坐标粗算和精算后处理程序，降低了沙床图像的过曝干扰，提高了跃移沙粒在沙床表面上运动的分辨率。通过使用双头脉冲激光和信号延迟同步装置，避免了高速相机采集周期过短的问题，降低了跃移风沙流的瞬态浓度场、速度矢量等数据的离散程度，对风沙传输率进行了统计分析，得到了传输率随高度呈指数分布的拟合表达式。对沙粒的典型跃移轨迹进行了数字化重建，并对跃移沙粒的降落、弹起以及击溅静态沙粒跃移的粒-床碰撞参数进行统计分析，给出了入射速度、入射角度的分布模式，对入射速度与入射角相关关系进行了拟合，计算了跃移沙粒的动量恢复系数和能量恢复系数，分析了沙床在沙粒跃移过程中的吸能特性。本研究从微观角度测量沙黄土颗粒的风蚀运动现象，可为风沙跃移的风洞试验研究提供技术支持。