输沙率对土壤颗粒特性和气流湍流脉动的响应

Aeolian transport rate is a key parameter in soil wind erosion, aeolian landform and aeolian disaster control, and it occurs continuous fluctuation under the combined influence of soil particle properties and airflow turbulence. The traditional aeolian transport rate equations established under steady-state conditions can not reflect the continuous fluctuation, which leads to the low accuracy of prediction values. Based on the soil particles with different properties, and high frequency measurement of airflow turbulent fluctuation, we firstly focus on the response of aeolian transport rate to the properties of soil particles, and the time-delay response and time resolution of the aeolian transport rate to airflow turbulent fluctuation. Then the correlation between aeolian transport rate and particle concentration in air and particle transport number is established according to the different time resolution. Finally, the aeolian transport rate equation containing the parameters of soil particle properties and airflow turbulence fluctuation is constructed, so as to improve the prediction accuracy of aeolian transport rate and make a positive contribution to promoting the research of soil wind erosion and blown sand physics.

输沙率是土壤风蚀、风沙地貌和风沙灾害防治等研究中的一个关键参数，且在土壤颗粒特性和气流湍流脉动的综合影响下不断地发生波动。在稳态条件下建立的传统输沙率方程，因不能反映这种波动，导致预测精度不足。本项目在选择不同特性的土壤颗粒，并高频测量气流湍流脉动的基础上，聚焦于输沙率对土壤颗粒特性的响应，以及输沙率对气流湍流脉动的延时响应和时间分辨率研究。进而按照不同的时间分辨率，建立输沙率与颗粒浓度和颗粒输移数量的相关关系，最终构建包含土壤颗粒特性和气流湍流脉动参数的输沙率方程，以提高输沙率预测精度，并为推动土壤风蚀和风沙物理学研究水平的提升做出积极贡献。

输沙率是土壤风蚀、风沙地貌和风沙灾害防治等研究中的一个关键参数，且在土壤颗粒特性和气流湍流脉动的综合影响下不断地发生波动。在稳态条件下建立的传统输沙率方程，因不能反映这种波动，导致预测精度不足。本项目在选择不同特性的土壤颗粒，并进行高频测量气流湍流脉动的基础上，聚焦于输沙率对土壤颗粒特性的响应，以及输沙率对气流湍流脉动的延时响应和时间分辨率研究，取得了以下重要进展：(1) 基于理论推导和一系列风洞实验数据，发现输沙率与颗粒的平均直径、分选系数、密度和球形度存在复杂的正比关系，并确立了输沙率分别与这些颗粒特征参数之间的函数关系，进而建立了一个包含土壤颗粒特征参数的新输沙率方程。对于范围广泛的颗粒特征参数值，这个新方程对输沙率的预测能力令人满意。这些结果大大地加深了土壤颗粒特征对输沙率影响的理解，新模型显著地提高了对输沙率的预测能力。(2) 在不稳定的湍流风中，颗粒的运动速度和浓度在0.01s即可发生一次大幅度震荡；与以往报道的研究结果不同，发现颗粒运动速度对风速存在较强的依赖，其积分时间尺度小于0.1s；较长时间段内，统计风速与输沙率之间的积分时间尺度约0.4s。(3) 基于一系列有粗糙元分布的地表的风洞实验数据，发现土壤表面剪应力的概率密度函数都遵从Logistic函数模式，并基于此，建立了一个新的输沙率方程，进而发展出一个具有扩大点尺度过程特征的土壤风蚀速率模型。利用多源实验数据测试结果表明，新模型具有令人满意的模拟能力。上述取得的成果，显著提高了输沙率预测精度，并为推动土壤风蚀、风沙地貌和风沙灾害防治研究提供了理论基础。