风影沙丘的形态动力学研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 赵永成 |
| 答辩日期 | 2019-06-30 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 雷加强 |
| 关键词 | 灌丛沙丘 风影沙丘 湍流结构 风况 沙源 Nebkha Shadow Dune Turbulence Structure Wind Regime Sand Availability |
| 学位专业 | 理学博士 |
| 其他题名 | Study on Morphodynamics of Shadow Dune |
| 英文摘要 | 风影沙丘作为一种由障碍物引起的风积地貌，广泛分布于干旱、半干旱地区的荒漠与海岸地带以及火星等地外星球表面。其形成过程和发育机理因障碍物类型（如：山体、小土丘、灌丛沙丘、植被等）、形态、规模及风况条件（如： 单峰风况、 双峰风况等）而存在较大差异。 塔克拉玛干沙漠东缘台特玛湖干涸湖盆的风影沙丘主要发育在灌丛沙丘背风侧，其形态因灌丛沙丘规模、 空间分布特征等因素而差异显著，而以往关于此类风影沙丘的研究比较匮乏，其发育机理和形成过程尚不完全清楚。因此，深入了解风影沙丘的演化过程、形成环境和发育机理， 对于明确风蚀风积过程具有重要的理论意义。 本论文综合应用地貌学、沉积学和沙丘形态动力学等学科知识， 通过野外测量、遥感解译、风洞模拟及数值模拟相结合的手段，从风影沙丘空间分布格局、形态特征、 层理结构等方面，分析和探讨了风影沙丘的形成环境、发育机理以及与其他沙丘类型的关系， 得到以下结论：作为引起风影沙丘发育的障碍物（灌丛沙丘）， 台特玛湖干涸湖盆内发育的灌丛沙丘是由流水过程和风沙活动长期相互作用的产物。灌丛沙丘空间分布格局和稳定性受河流分布影响显著。 在靠近现代河道附近，灌丛沙丘上覆植被生长良好； 随着离河道距离的增加，灌丛沙丘由固定沙丘逐渐演变为半固定沙丘， 最终在干涸河漫滩和古河道附近演变为完全活化的沙丘。受灌丛沙丘形态和空间分布特征的影响，区内风影沙丘长短不一，形态多样。灌丛沙丘坡脚分离流对其周围气流分布具有重要的影响。因灌丛沙丘迎风坡坡度较陡， 气流在迎风坡坡脚处产生明显的分离现象， 导致沙丘坡脚附近风速和剪应力减小， 大量沙粒沉积， 这种沉积过程持续到坡脚处不再产生分离流为止。坡脚积沙为风影沙丘的发育提供了稳定的沙源。此外， 通过雷诺分解和象限分析法发现，坡脚分离流的存在， 将会导致对雷诺剪应力有抑制作用的湍流猝发过程（高速上抛过程（Outward interactions）和低速下洗过程（Inward interactions））的发生频率增加。瞬时雷诺应力在平均剪应力的生成中扮演着重要角色。在瞬时湍流猝发过程中，对雷诺剪应力有促进作用的低速上抛（Ejection activity）和高速下洗过程（Sweep activity） 对平均雷诺应力的贡献较大，其发生频率几乎是其他两个猝发过程（高速上抛（Outward interactions） 和低速下洗（Inward interactions））的 2倍。 当瞬时雷诺应力比平均雷诺应力高一个量级时，瞬时雷诺应力以少于 5%的时间分担率贡献了近 30%的平均雷诺应力。由此推断， 在近地表沙粒的起动过程中，瞬时雷诺应力可能扮演着非常重要的角色。 因此， 基于时间平均的风速数据预测的输沙通量因数据平均过程中的平滑作用而存在较大的不确定性。风影沙丘形态特征受风速大小、灌丛沙丘形态参数影响显著。数值模拟（CFD）和风洞模拟结果显示， 不论灌丛沙丘高度、底面直径或纵横比等形态参数如何变化，风影沙丘长度都随摩阻风速的增大以幂函数的形式减小。 CFD 模拟结果显示， 当摩阻风速小于 0.40m s-1 时，风影沙丘长度随摩阻风速的增大而急剧减小；当摩阻风速为 0.40~0.60m s-1 时，其幅度略有减小；当摩阻风速高于 0.60m s-1 时，风影沙丘长度随摩阻风速的增大基本保持不变。 此外， 灌丛沙丘底面直径的增大有助于风影沙丘的横向增宽和纵向延伸。 风洞模拟的积沙数据显示，由于灌丛沙丘高度对气流中沙粒的阻碍作用， 导致风影沙丘长度呈现随灌丛沙丘高度的增加而减小的趋势。 因此， 仅基于流场数据来量化障碍物高度对积沙范围的影响，其结果存在较大的不确定性。障碍物纵横比不能完全描述其尾流区流场结构和积沙形态。由于障碍物纵横比综合考虑了高度和宽度的变化而广泛用于风沙地貌学领域。而本项研究发现，当纵横比一定时（如：纵横比为 1:3）， 灌丛沙丘高度（如：高度为 0.30m， 0.40m，0.50m） 和宽度（如：宽度为 0.90m， 1.20m， 1.50m） 存在众多种组合情况，即在相同纵横比、不同高宽组合下的障碍物，其尾流区流场结构和积沙形态呈现明显的差异。因此，在描述障碍物周围流场结构与积沙形态时，要综合考虑障碍物纵横比和高宽绝对值本身的影响。相邻灌丛沙丘的空间排列方式对风影沙丘纵向延伸的影响显著。研究发现，发育在相邻灌丛沙丘中间的“二次沉积区” 是风影沙丘进一步发育的前提条件。该“二次沉积区” 的发育主要受灌丛沙丘横向间距的影响。当两个灌丛沙丘一前一后且沿主风向排列时，其前后间距影响着串珠状风影沙丘的形态和规模。串珠状风影沙丘形成的临界间距主要取决于上风向灌丛沙丘尾流恢复区的长度。风况和沙源供给条件共同决定风影沙丘的走向和稳定性。研究区风影沙丘发育在窄单峰风况下，其走向与合成输沙方向一致。 灌丛沙丘对气流的分离作用是单峰风况下风影沙丘发育的主要原因。 然而，单向风况并非是风影沙丘发育的必要条件。当双向风作用于不可侵蚀地表，且在地表障碍物的作用下，同样能够发育出较长的风影沙丘， 其外部形态和走向主要由风况（风向夹角和各风向的输沙率） 和沙源供给条件决定。 随风况和沙源供给条件的变化， 风影沙丘的末端也会衍生出新的沙丘类型，如：新月形沙丘、 独立于风影沙丘的线形沙丘等。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.xjlas.org/handle/365004/15378]  |
| 专题 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 新疆生态与地理研究所_研究系统 |
| 作者单位 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵永成. 风影沙丘的形态动力学研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：新疆生态与地理研究所
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