临策铁路防沙明洞防风阻沙机理及对风沙环境的影响

摘要

临策铁路从阿拉善高原穿过乌兰布和沙漠、雅玛雷克沙漠、巴丹吉林沙漠和广袤的戈壁（岩漠、砾漠）分布区，在巴丹吉林沙漠西北边缘以明洞形式穿越流动沙丘密集区。明洞作为一种线性拱形防沙构筑物，其不透风性和构筑尺寸大的特点，决定了其防沙机理与传统防沙措施有较大差异性。本文在对临策铁路明洞所在区域风沙环境本底特征和演变趋势分析的基础上，采用风洞实验与野外调查测试相结合的研究方法，对明洞的防风阻沙机理进行了系统研究，并从地表沙物质粒度变化、沙丘移动规律的角度，研究了明洞对风沙环境的干扰作用，评价了明洞防风阻沙潜力、走向合理性和沙埋可能性，并构建了洞口沙害防治模式。
　　（1）迎风侧距明洞6H处是风速急剧变化的拐点，且不随指示风速的变化而变化；明洞上部的强风区位置随着风向夹角的变大逐渐向迎风侧移动，也不受指示风速变化的干扰；不同风向夹角条件下背风侧气流变化规律高度一致，弱风区或静风区随指示风速的增大而加强。
　　（2）明洞迎风侧、背风侧各个水平观测点的气流速度廓线变化显示，不同高度范围气流速度受明洞的影响差异明显。迎风侧气流速度廓线变化的拐点为2h，背风侧气流速度廓线变化的拐点为1h。指示风速的变化不影响迎风侧气流速度廓线变化规律，只影响风速变化的尺度；指示风速的变化影响背风侧气流速度廓线变化规律，不同风向夹角的气流速度廓线变化规律差异较大。
　　（3）在迎风侧，1h垂向高度以下气流一直处于减速状态，1h垂向高度以上气流在靠近明洞附近呈现加速趋势。风向夹角、指示风速对迎风侧气流加速、减速规律的影响不大。指示风速对背风侧气流重附距离的影响不显著；背风侧气流重附距离随风向夹角的变化可以近似的划分为三个范围：δ=75°～90°，气流重附距离为1H；δ=60°～30°，气流重附距离为2H；δ=15°及以下，气流重附距离为6H。
　　（4）迎风侧85%以上的输沙量在0～10cm高度内，背风侧80%的输沙量集中在30～70cm高度范围；风向夹角对迎风侧输沙量变化的影响大致可以分为4种情况，90°～60°变化过程基本一致，55°～30°变化趋于相同，15°时输沙量最大。指示风速相同的条件下，随着风向夹角的减小，明洞模型周围的积沙表面积、积沙量变化呈不断的增大过程。随着风向夹角的增大，迎风侧和背风侧积沙的范围趋于相同，反之迎风侧积沙表面积大于背风侧。
　　（5）明洞影响区内外沙丘表面沙物质粒度特征产生分异，影响区内表现为粗粒化、粒径均匀化、粒径分布集中化；明洞影响区内外两个沙丘移动方向偏转程度、年直线移动距离、沙丘正体积和正表面面积等形态特征均出现明显差异性，明洞影响区内沙丘形态逐步向典型新月形沙丘演变发育，明洞影响区外沙丘形态发育偏离了新月形沙丘的固有形态，两个翼角出现差异化发育趋势。这种差异性从微观和宏观尺度反映了防沙明洞对当地风沙环境的显著影响。
　　（6）综合FUZZY模型评价结果和明洞与当地主导风向、主害风向的夹角，上风向地貌、植被、沙源情况以及工程施工实际，在沙漠地区建设防沙明洞时应尽可能使明洞与主导风向大角度相交。明洞顶部通气口不会产生灌沙现象，在小尺度时间范围内流沙埋没明洞的可能性不大。
　　（7）明洞洞口沙害防治应建立工程防沙体系与滴灌条件下植物防沙体系相结合的综合防沙体系。防沙体系结构、功能与防沙措施的配置应考虑当地的气象因子、地形地貌特征、沙源丰富程度，植物种应首选梭梭、柽柳等乡土植物。

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插图和附表清单

1 前言

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容和技术路线

2 材料与实验设计方案

2.1 临策铁路防沙明洞概况

2.2 气象资料的收集和选择

2.3 风洞实验设计方案

2.4 野外试验设计方案

2.5 数据分析方法

3 风沙环境气象因子动态变化与评价

3.1 气象因子动态变化

3.2 地表风蚀气候侵蚀力评价

3.3 基于BP神经网络模型的沙尘暴预测

3.4 小结

4 防沙明洞对气流速度场的影响与互馈机制

4.1 防沙明洞纵向气流速度场变化规律

4.2 防沙明洞垂向气流速度廓线变化规律

4.3 防沙明洞迎风侧气流加速、减速及背风侧重附机理

4.4 小结

5 防沙明洞对风沙流垂直分布的影响及阻沙特征

5.1 风洞空洞时风沙流垂直分布特征

5.2 防沙明洞模型前后风沙流垂直分布特征

5.3 防沙明洞阻沙特征

5.4 小结

6 防沙明洞对风沙环境影响的野外实证研究

6.1 防沙明洞对新月形沙丘表面沙物质粒度特征的影响分异

6.2 防沙明洞对新月形沙丘移动规律的影响分异

6.3 小结

7 防沙明洞防风阻沙效能综合评价

7.1 防沙明洞防风阻沙潜力综合评价

7.2 防沙明洞走向合理性评价与沙埋可能性分析

7.3 小结

8 防沙明洞洞口沙害防治模式构建

8.1 防沙明洞洞口沙害成因

8.2 防沙明洞东洞口沙害防治模式构建依据

8.3 防沙明洞东洞口沙害防治模式

9 结论

致谢

参考文献

作 者 简 介