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题名	塔克拉玛干沙漠公路沿线风沙运动与风沙危害防治
作者	韩致文
学位类别	博士
答辩日期	2004
授予单位	中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
授予地点	中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
导师	王涛
其他题名	Aeolian Sand Movement and Sand Damage Control Along the Taklimakan desert Highway Line
中文摘要	塔里木盆地以丰富的石油天然气资源而成为中国能源开发的战略接替区。盆地中的塔克拉玛干沙漠85％的面积为流沙所覆盖，流动性堪称世界之冠。20世纪90年代，为加快石油天然气资源勘探开发进程，我国成功修筑了南北纵贯塔里木盆地的沙漠公路。塔克拉玛干沙漠公路不仅为石油天然气资源的勘探开发提供了便利的交通运输保证，也使南疆地区的交通运输条件得到极大改善，对于发展区域经济和加强国防能力都具有极为重要的意义。风沙危害防治是流动性沙漠地区工程设施面临的关键和难点问题。为了解决沙漠公路风沙危害防治中风沙物理基础与应用技术的难点和关键问题，本文采取定位和半定位风沙监测与风洞实验相结合的技术路线，研究了沙漠公路沿线几种典型下垫面上的风沙流结构、小型沙丘移动规律和不同规格的沙障固沙带内风速变化特征，提出适宜的机械和化学固沙防沙技术，探讨了公路风沙防护体系的综合效应。得出以下初步结论：1、诸多表示风沙活动的物理量中，学者们选取起沙风速和输沙强度作为描述塔克拉玛干沙漠公路风沙危害强度的物理量，并通过建立输沙强度（Q）与风速（V）的函数关系，确定风沙危害强度。观测确定了沙漠公路沿线天然混合沙2m高度和气象站标准高度的瞬时流体起动风速、瞬时冲击起动风速，建立了20cm高度内输沙率与2m高度1min风速以及气象站标准高度1Omin平均风速的相关关系。沙漠公路风沙危害的水平分异是在不同风沙地貌背景上风力等多因子综合作用的结果，在定义了沙害强度算式的基础上，将沙漠公路沿线的风沙危害划分为五大水平分异段。对沙漠腹地人工植物固沙林地长期使用高矿化度地下水灌溉下的水盐运动规律，风沙土颗粒、容重、有效态微量元素及养分变化等关键问题进行了详细研究，提出不同灌溉方式下土壤的盐分动态和盐渍度的调控措施，否定了塔克拉玛干沙漠是建植人工植被禁区的认识。2、利用沙漠公路沿线肖塘站（N4O°49′，E84°17.7′）、满参站（N40°06.5，，E84°21.3'）及塔中站（N39°01′，E83°36.4′）的定位风速风向观测资料，对一个自然年内气象站标准高度IOmin平均风速风向进行统计，选取大于起沙风临界值的风速，按16方位统计出不同级别的起沙风速频次，据R．A．Bagnold的理论公式Q＝5.2×10-4（u-ut）3计算了输沙量。结果显示，公路沿线起沙风和输沙集中发生在3～9月份期间，具有“风热同步”的环境特征，自沙漠边缘向沙漠腹地，起沙风频次增多，输沙强度增大，合成输沙方向更偏东。3、风沙流输沙量沿垂直高度服从负指数规律分布的结论虽被学界广泛接受，但也有人指出，输沙量沿高度以负指数形式分布含沙量的负指数分布规律只是在一些特殊条件下的结果。通过沙漠公路沿线的肖塘、满参和塔中地区复合沙垄、简单新月形沙丘和平沙地三种下垫面上40cm高度内风沙流输沙量的观测研究，建立了高度（H）与输沙量（Q）之间的拟合关系，复合横向沙丘上风沙流结构主要表现为负指数函数关系：q=ae-bb，平沙地上输沙量随高度的分布主要表现为幂函数关系，也有指数函数关系：q=ah-b或q＝ae-bb。运用风沙地貌的形态一动力学分析，将2种典型地貌组合划分为不同的风沙运动状态特征带。沙丘移动速度平均为3～9ma-1，沙丘移动速度（D）与沙丘高度（H）、底面积（S）、体积（V）之间具有稳定的线性关系：D＝a-bH、D＝a-bs、D＝a＋bC及D＝a-bS-cV，沙丘移动强度与高度、底面积及体积之间具有较好的相关性。沙丘移动方向平均SW31°～SW41°。沙丘前移中形态也发生变化，沙丘既有从简单到复杂、从不典型到典型的正向演变过程，亦有由复杂到简单、从典型到不典型的逆向演变过程。4、通过风洞实验室流场与蚀积状况的模拟实验，研究了紧密型切＝10％）、疏透型（β=20％）和通风型（β=40％）三种复膜沙袋阻沙体和2.5×2.5m、5×10m和10×IOm大规格芦苇高立式格状沙障防沙机理。阻沙体前后重新分布着4～5个能量分异区，其大小强弱决定阻沙工程效能的优劣和作用时限。高立式芦苇格状沙障前沿风沙流速度增大，之后受方格沙障阻滞又逐渐减速，至15m左右趋于稳定。小尺度高立式方格（2.5m×2.5m），其前沿抬升作用较强，出现不同程度的风蚀；中等规格的高立式方格（5m×10m）沙障前沿抬升集流加速较弱，到第二格上空已恢复稳定，积沙均匀；大规格（10m×10m）沙障流场呈波动状态，至30m宽度还未到稳定状态。5×5m规格的方格沙障适宜于流动性沙漠地区各种设施大面积沙害防治，5×10m规格的高立式方格适宜于风向单一、较为平坦的地形区；≥10×10m规格的高立式方格适宜于地形平坦、沙害较轻的工程的防护。5、根据沙漠公路沿线自然环境特征，实验室配置并优选出LVA、LVP、WBS 和STB等4种抗性好的化学固沙剂，颗粒粒径0.2μm～0.5μm，粘度12 Pa.s～15Pa．s；10℃～70℃温度下无沉淀不燃烧；实验抗压强度1．0 MPa～12.1MPa；10℃～20℃低温下冻融损失率0～1.8％；紫外光照射3O0h强度损失率O～42％；μ∞＝5，7，10，15，20和25.3 m．s-1实验风速下，风蚀量0-4.0g．h-1，100cm-2。沙漠公路沿线现场试验喷洒1200m2，固沙液均有良好渗透性，固结层厚度0.2cm～0.5cm，具有较高强度和一定弹性，适宜于塔克拉玛干沙漠公路风沙危害防护。6、无前沿高立式阻沙沙障作用下1.5m×1.5m方格沙障、1.0m条带沙障和1m×1m方格沙障三种不同规格的沙障构成的固沙带以及两种不同类型前沿高立式阻沙沙障作用下1m×1m方格固沙带不同部位不同高度lmin平均风速变化特征的同步观测表明：无前沿高立式阻沙沙障作用下，当风沙流进入固沙带后流速骤降，至固沙带10m～23m时仍在下降，至30m左右才基本稳定，而且风速降低过程在垂直方向上出现滞后现象。从降风效率来看，1m×1m方格沙障＞1.5m×1.5mm方格沙障＞1.0m条带沙障。疏透系数（户近似且沙障有效高度相同的情况下，芦苇高立式沙障与尼纶网高立式沙障具有相似的风速变化特征和降风阻沙效应。7、高立式阻沙沙障使风沙流能量重新分配，改变了能量梯度，形成新的能量分异区，并随沙障基本参数（h和β）不同而有所变化，其大小强弱也不一同，导致栅栏有效降风距离不一（5h～10h）。高立式沙障对进入防护区的风沙流携带的沙物质粒度分布有明显改变，沙障内侧一定范围内细粒级成分相对增加，粗粒级含量相对减少。高立式沙障使过境风沙流中10cm以下高度层内相对输沙量下降，而10cm以上高度层内相对输沙量增加，并使风沙流的输沙率锐减，愈近栅栏处输沙率降低愈显著。与流沙区相比较，草方格沙障内粉沙和粘粒含量显著增加，分选性变差，粒度以负偏为主，愈向固沙带内部深入，负偏愈明显。20cm高度内草方格固沙区输沙率只有流沙区的1／4～1／28，风沙流中沙物质垂直分布比流沙区均匀，10cm以下高度内沙粒流量明显少于流沙区，2cm高度内输沙量急剧降低。
语种	中文
公开日期	2013-08-22
页码	114
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.casnw.net/handle/362004/22014]
专题	寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	韩致文. 塔克拉玛干沙漠公路沿线风沙运动与风沙危害防治[D]. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2004.

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