基于激光垂直照射沙床面的风成沙波纹二维形态特征分析

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00040

摘要/Abstract

摘要：

风成沙波纹因其规则的波浪形几何图案吸引着研究者的兴趣，但是对其发育过程的认识还比较薄弱。原因之一就是缺少高精度和高分辨率的沙波纹形态动态测量方法。传统的风成沙波纹形态动态测量方法采用的倾斜光源照射方式忽略了沙波纹脊线高度和走向的变化，会导致沙波纹高度测量错误和形态变形。本研究建立的激光片光源垂直照射沙波纹表面的方式纠正了这一问题，并分析了沙波纹形态及其参数随时间的变化规律。结果表明：（1）沙波纹发育形成过程的初始形成阶段、增长阶段和稳定阶段的时长都随风程长度的增加呈减小趋势，且风程长度越短沙波纹的发育进程越滞后，形成 “倒游现象”。（2）沙波纹的波高和波长都随时间先快速增大然后趋于稳定，而且波高增长速度随风程长度增加而增大。稳定阶段沙波纹平均高度和波长呈现随风程长度的增加而增大的趋势。（3）沙波纹指数、迎风坡指数和背风坡指数都随时间先快速减小然后基本保持不变，服从指数函数分布。稳定阶段平均沙波纹指数随风程长度增加而减小。（4）沙波纹移动速度总体上随高度增大而减小，平均移动速度随时间按幂函数减小，而且在风沙流未饱和时平均移动速度总体上呈随风程长度增加而减小的趋势。可见，风程长度是沙波纹定量中不可忽略的一个因素。

关键词: 沙波纹形态, 波长, 风程效应, 风洞

Abstract:

Aeolian sand ripple attracts people's attention because of its regular wavy geometric pattern， but its formation process is still lack of in-depth understanding. The lack of high-precision and high-resolution measurement method of sand ripple profile is one reason. The laser sheet is inclined at some angle to the sand bed in the traditional measurement method. It will cause the inaccurate measurement of height and the deformation of sand ripple profile. In this study， we correct the problem by irradiating the sand bed vertically and analyze the influence of fetch length on the evolution of geometric parameters with time. The results show that：（1） The durations of the initial formation stage， the growth stage and the stable stage of the sand ripple decrease with the increase of the fetch length， and the shorter the fetch length， the slower the development process of the sand ripple， forming the "backward phenomenon". （2） The height and wavelength of sand ripple increase rapidly with time at first and then are gradually become stable in the end. The growth rate of ripple height increases with the increase of fetch length. The mean ripple height and wavelength increase with fetch length. （3） The ripple indexes， windward indexes and leeward indexes decrease with time following an exponential law. At the stable stage of the sand ripples， the mean ripple index decreases with fetch length. （4） The propagation velocity of sand ripple shows a decreasing trend with ripple height. The mean propagation velocity decreases according to a power law with respect to time， and it decreases with fetch length when saturated sand flux is not reached. Therefore， the fetch length is a key factor in the study of sand ripple.

Key words: sand ripple profile, wavelength, fetch effect, wind tunnel

中图分类号:

P931.3

常菊, 肖锋军, 董治宝, 陈颢, 马慧榕. 基于激光垂直照射沙床面的风成沙波纹二维形态特征分析[J]. 中国沙漠, 2021, 41(5): 33-42.

Ju Chang, Fengjun Xiao, Zhibao Dong, Hao Chen, Huirong Ma. Research of two-dimensional morphological characteristics of aeolian sand ripples by laser vertically irradiating the sand bed[J]. Journal of Desert Research, 2021, 41(5): 33-42.

图/表 11

图1 沙波纹形态动态测量风洞实验示意图

Fig.1 Dynamic measurement of the cross-sectional profile of sand ripple in wind tunnel

图2 沙波纹原始图像（A）和沙波纹高度计算方法（B）

Fig.2 Raw image of sand ripples（A） and schematic diagram of sand ripple height calculation method （B）

图3 激光垂直（A）和倾斜（B）照射方式下模型图像

Fig.3 Model images under vertical and inclined laser sheets

图4 倾斜和垂直光源下剖面形态和相对误差

Fig.4 Model profiles and relative differences under vertical and inclined laser sheets

图5 4个风程长度位置沙波纹发育形成过程

Fig.5 Formation processes of sand ripples at four fetch length points

图6 1.5 min和2.0 min时4个风程长度位置沙波纹截面形态

Fig.6 Sand ripple profiles at four fetch length points at 1.5 min and 2.0 min

图7 沙波纹波高和波长随时间变化

Fig.7 Evolution of ripple height and wavelength with time

图8 沙波纹指数、沙波纹迎风坡指数和沙波纹背风坡指数随时间变化

Fig.8 Evolution of sand ripple index，windward index and leeward index with time

图9 沙波纹移动速度与波高的关系

Fig.9 Relationship between propagation velocity and sand ripple height

图10 沙波纹平均移动速度随时间变化

Fig.10 Mean propagation velocities of sand ripples changes with time

图11 沙波纹增长阶段和稳定阶段位置四截面形态随时间变化

Fig.11 Evolution of scaled sand ripple profiles at developing and full development stages

参考文献 37

1	Bagnold R A.The Physics of Blown Sand and Desert Dunes ［M］.London，UK：Springer，1941.
2	Hand E.Sandy ripples point to Mars's past［J］.Science，2016，352（6281）：16-17.
3	Lapotre M G A，Ewing R C，Lamb M P，et al.Large wind ripples on Mars：a record of atmospheric evolution［J］.Science，2016，353（6294）：55-58.
4	董治宝，苏志珠，钱广强，等.库姆塔格沙漠风沙地貌［M］.北京：科学出版社，2011：178-184.
5	Sherman D J，Zhang P，Martin R L，et al.Aeolian ripple migration and associated creep transport rates［J］.Geosciences，2019，9（9）：389.
6	Cheng H，Liu C C，Li J F，et al.Experimental study of aeolian sand ripples in a wind tunnel［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2018，43（1）：312-321.
7	Anderson R S，Bunas K L.Grain size segregation and stratigraphy in aeolian ripples modelled with a cellular automaton［J］.Nature，1993，365：740-743.
8	苗天德，武生智，慕青松.风成沙波发育过程的计算机模拟［J］.自然科学进展，2001（2）：89-92.
9	Kang L Q，Guo L J.Numerical simulation of aeolian sand ripples［J］.Physics Letters A，2004，330（3/4）：198-202.
10	Nishimori H，Ouchi N.Formation of ripple patterns and dunes by wind-blown sand［J］.Physical Review Letters，1993，71（1）：197-200.
11	郑晓静，薄天利，谢莉.风成沙波纹的离散粒子追踪法模拟［J］.中国科学（G辑：物理学力学天文学），2007（4）：527-534.
12	Duran O，Claudin P，Andreotti B.Direct numerical simulations of aeolian sand ripples［J］.PNAS，2014，111（44）：15665-15668.
13	朱伟.风成沙波纹形成和发展过程研究［D］.兰州：兰州大学，2011.
14	凌裕泉，刘绍中，吴正，等.风成沙纹形成的风洞模拟研究［J］.地理学报，1998，53（6）：42-49.
15	凌裕泉，屈建军，李长治.应用近景摄影法研究沙纹的移动［J］.中国沙漠，2003，23（2）：118-120.
16	Werner B T，Haff P K，Livi R P，et al.Measurement of eolian sand ripple cross-sectional shapes ［J］.Geology，1986，14（9）：743-745.
17	Lorenz R D.Observations of wind ripple migration on an Egyptian seif dune using an inexpensive digital timelapse camera［J］.Aeolian Research，2011，3（2）：229-234.
18	李猛，董治宝，张正偲.风成沙波纹脊线提取与应用计算［J］.中国沙漠，2014，34（2）：312-317.
19	胡田立，李兴财.基于图像处理的沙波纹几何特征研究［J］.内蒙古农业大学学报（自然科学版），2015，36（6）：143-147.
20	Andreotti B，Claudin P，Pouliquen O.Aeolian sand ripples：experimental study of fully developed states［J］.Physical Review Letters，2006，96（2）：28001.
21	Li C， Dong Z B，Chen G X，et al.Qaidam Basin as an analog for linear dune formation in Chasma Boreale，Mars：a comparative analysis［J］.Geomorphology，2018，322：29-40.
22	李振山，倪晋仁.风成沙纹发育过程中形态变化的风洞实验研究［J］.应用基础与工程科学学报，2003（3）：247-254.
23	Chen Z Y，Xiao F J，Dong Z B.Fetch effect on the developmental process of aeolian sand transport in a wind tunnel［J］.Journal of Arid Land，2020，12（3）：436-446.
24	Werner B T，Gillespie D T.Fundamentally discrete stochastic model for wind ripple dynamics［J］.Physical Review Letters，1993，71（19）：3230-3233.
25	Sharp R P.Wind ripples［J］.The Journal of Geology，1963，71（5）：617-636.
26	Seppälä M，Lindé K.Wind tunnel studies of ripple formation［J］.Geografiska Annaler.Series A.Physical Geography，1978，60（1/2）：29-42.
27	Zimbelman J R，Williams S H，Johnston A K.Cross-sectional profiles of sand ripples，megaripples，and dunes：a method for discriminating between formational mechanisms［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2012，37（10）：1120-1125.
28	张正偲，董治宝，赵爱国.人工模拟戈壁风沙流与风程效应观测［J］.中国科学：地球科学，2011，41（10）：1505-1510.
29	Gillette D A，Herbert G，Stockton P H，et al.Causes of the fetch effect in wind erosion［J］.Earth Surface Processes and Landforms，1996，21（7）：641-659.
30	Dong Z B，Wang H T，Liu X P，et al.The blown sand flux over a sandy surface：a wind tunnel investigation on the fetch effect［J］.Geomorphology，2004，57（1/2）：117-127.
31	Lynch K，Jackson D W T，Cooper J A G.The fetch effect on aeolian sediment transport on a sandy beach：a case study from Magilligan Strand，Northern Ireland［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2016，41（8）：1129-1135.
32	Forrest S B，Haff P K.Mechanics of wind ripple stratigraphy［J］.Science，1992，255（5049）：1240-1243.
33	Baas A C W.Evaluation of saltation flux impact responders （Safires） for measuring instantaneous aeolian sand transport intensity［J］.Geomorphology，2004，59（1/4）：99-118.
34	Baas A C W，Sherman D J.Spatiotemporal variability of aeolian sand transport in a coastal dune environment［J］.Journal of Coastal Research，2006，22（5）：1198-1205.
35	Yizhaq H，Katra I，Isenberg O，et al.Evolution of megaripples from a flat bed［J］.Aeolian Research，2012，6：1-12.
36	Qian G Q，Dong Z B，Zhang Z C，et al.Granule ripples in the Kumtagh Desert，China：morphology，grain size and influencing factors［J］.Sedimentology，2012，59（6）：1888-1901.
37	Milana J P.Largest wind ripples on Earth？［J］.Geology，2009，37（4）：343-346.

[1]	陈银萍, 曹雯婕, 余沛东, 杨欢, 王旭洋, 李玉强. 土壤含水率对风沙流结构及风蚀量的影响[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 173-180.
[2]	王晓旭, 严平, 王勇, 董苗, 王一娇, 张潇. 坡度和坡形对爬坡沙丘形成影响的风洞模拟实验[J]. 中国沙漠, 2020, 40(6): 118-126.
[3]	梅凡民, 王姗, 唐丽萱, 苏进. 一个基于粗糙元方向比率和空气动力学粗糙度的起动摩阻风速模式[J]. 中国沙漠, 2020, 40(6): 98-104.
[4]	亢力强, 李彩云, 张军杰, 邹学勇. 柔性植株地表瞬时地表剪应力分布特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(5): 49-56.
[5]	厉静文, 包岩峰, 郭浩, 刘明虎, 辛智鸣, 刘朋飞. 梭梭(Haloxylon anmodendron)林带防风效果的风洞试验[J]. 中国沙漠, 2020, 40(3): 77-84.
[6]	亢力强, 杨智成, 张军杰, 邹学勇, 张文. 两种柔性植株地表风速廓线特征比较的风洞模拟[J]. 中国沙漠, 2020, 40(2): 43-49.
[7]	包岩峰, 王学全, 姚斌, 郝玉光, 刘芳, 辛智鸣, 李永华. 小网窄带防护林叠加防风效果风洞实验[J]. 中国沙漠, 2020, 40(2): 185-194.
[8]	亢力强, 高咏晴, 张文, 邹学勇. 稳态风沙流中瞬态输沙特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(1): 166-172.
[9]	杨印海, 薛春晓, 石龙, 李凯崇, 孔令伟, 张芳. 青藏铁路沿线不同类型挡沙墙阻沙率[J]. 中国沙漠, 2020, 40(1): 173-178.
[10]	李晓烨, 王克俭, 谷建才, 刘启国, 崔严. 不同结构林带防风效能风洞模拟[J]. 中国沙漠, 2019, 39(6): 118-125.
[11]	高天笑, 王涛, 杨文斌, 赵爱国, 倪海渊, 吴丽丽, 高永. 低覆盖度羽翼袋沙障防风积沙效应的风洞试验[J]. 中国沙漠, 2019, 39(6): 177-183.
[12]	余沛东, 陈银萍, 李玉强, 闫志强, 王旭洋, 牛亚毅, 龚相文. 植被盖度对沙丘风沙流结构及风蚀量的影响[J]. 中国沙漠, 2019, 39(5): 29-36.
[13]	杨彩红, 冯福学, 柴强, 耿艳香, 伏星舟. 小麦玉米田耕作模式的防风蚀效果[J]. 中国沙漠, 2019, 39(4): 9-15.
[14]	鱼燕萍, 肖建华, 屈建军, 李芳, 李万强, 潘多明, 吴青瑞, 洪雪峰, 田永祯. 两种典型高等级公路路基断面风沙过程的风洞模拟[J]. 中国沙漠, 2019, 39(1): 68-79.
[15]	李雪琳, 马彦军, 马瑞, 张莹花, 唐卫东, 杨进杰. 不同带宽的防风固沙林流场结构及防风效能风洞实验[J]. 中国沙漠, 2018, 38(5): 936-944.