爬坡沙丘是携沙风无法越过陡峭的地形障碍物时，因失去能量在障碍物前沉积而形成的沙丘^［1-2］，是一种重要的地形障碍沙丘^［3-4］。沙丘的形成与演化过程、形态特征、空间组合特征是区域内部环境和外部环境相互作用的结果^［5］。已有的工作主要基于野外考察与测量、样品采集与分析、室内实验和遥感影像分析等方法，集中于爬坡沙丘概念与分类^［6-7］、形态与过程^［8-12］、沉积物的特征^［13-15］及其在古环境重建^［16］中的指示意义等方面的研究。

障碍物的存在使运行气流的方向和强度趋于复杂、不稳定，可将气流经过障碍物时存在的功能区划分为迎风坡坡脚低速区、遇阻抬升区、集流加速区、减速沉降区和消散恢复区5个部分^［17-19］。坡度和坡形是控制爬坡沙丘形成的重要地形参数。有关爬坡沙丘形成的适宜坡度说法众多。Chojnacki等^［7］将爬坡沙丘定义为分布于坡度大于8°的迎风坡上具有滑落面的高阶床面形态；Tsoar^［20］通过风洞模拟实验提出当迎风坡坡度大于55°出现气流反向，在此坡度以下沙子可沿坡面爬升形成爬坡沙丘；魏振海等^［21］在分析沙丘的形成分布时发现，坡度太小或者坡度大于50°都不利于沙物质的堆积，迎风坡坡度在30°~50°时，沙物质在迎风坡堆积，并逐渐沿坡形成爬坡沙丘。对雅江谷坡风沙地貌的研究发现，沙丘主要发育在<45°的凹形坡和等倾角坡面上^［22］。此外，沙丘坡面形态的差异对沙丘表面蚀积过程具有重要影响，其中凸形沙丘迎风坡为高饱和风沙流环境，而凹形沙丘的迎风坡则为低饱和风沙流环境，从而造成不同坡面形态沙丘粒度特征的差异^［23］。

由于受到地形的影响，爬坡沙丘的形成过程比平坦地表沙丘的形成要复杂，目前对爬坡沙丘形成的临界坡度及适宜的坡形研究不足。本实验在风洞中设置了6个坡度和5个坡形的模型，在6个风速条件下进行近地表风速测量和加沙吹蚀实验，以期丰富爬坡沙丘的相关理论，为干旱区沙漠治理提供科学依据。

风洞实验在北京师范大学风沙环境与工程实验室内进行。该风洞为直流吹气式风洞，全长34.4 m，边界层厚度为30 cm，实验段长16 m，截面为1 m×1 m。

实验中，模型迎风坡坡度分别为8°、15°、25°、35°、45°、55°，坡面宽度均为60 cm，坡面长度均为32 cm。此外，设置平面坡、凹形坡、凸形坡、凹凸组合坡、台阶形坡5个坡形的模型，坡面宽度均为60 cm，高度均为13.5 cm，长度均为29 cm（图1、表1）。将实验用沙混合白乳胶均匀涂抹在坡面上，以增加表面粗糙度，同时在坡面上画2 cm×2 cm的小方格，以方便实验过程中的坡面沉积形态观测。

选取坡前4、3、2、1、0.5、0.35 L（L为坡面长度）以及迎风坡坡底、迎风坡坡中、坡顶共9个位置作为测量点，分别观测每个测量点距离地表1、2、3、5、7、10、15、20、25、30 cm共10个高度处的风速。其中凹凸组合坡和台阶形坡在地形突变处添加测点（图1）。实验中选取6~18 m·s^-1共6个风速，利用皮托管阵列和单个S型皮托管共同完成近地表风速的测量（图2）。

在模型的上风向铺设长5 m、宽60 cm、厚4 cm、沙粒粒径0.25 mm的沙床，在8 m·s^-1的风速条件下，对上述11个模型进行加沙吹蚀实验。每吹蚀10 min记录1次坡面堆积情况，并从模型前50 cm处往上风向加沙铺平实验段沙床面，实验中每个模型坡面吹蚀40 min。吹蚀结束后记录坡面沉积的形态特征，然后将坡面沉积的沙子轻轻扫下称重，得出坡面沉积质量。

风速变化率表示在某一高度处，有模型时的风速和无模型时风速的差值与无模型风速的百分比。

式中：V₀代表无模型时该点的风速；V_z代表有模型时z高度处的风速；K代表风速变化率（%），K大于0，代表风速加大，K小于0，代表风速衰减。风速是矢量数据，障碍物的存在使得障碍物前水平和竖直方向上的风速发生变化^［24］，本风洞实验利用皮托管进行了水平风速的测定，根据水平风速的变化探讨坡度坡形对沙物质沉积的影响。

在平坦的地表，风速廓线遵循对数规律，而坡面测点的风速廓线不再完全地遵循对数规律（图3），这是因为坡面测点的部分测量高度超出风洞的边界层厚度。在8 m·s^-1的风速条件下，模型前各测点的风速廓线，越靠近模型，横向位移越明显，这是因为越靠近模型，阻碍作用越大。

在迎风坡坡前，风速廓线随高度的变化呈对数分布（图4）。坡前4L至1L测量点处，有模型和无模型的风速廓线吻合度较高，从坡前0.5L至坡顶位置，二者的风速廓线产生明显偏离，其中0.5L至坡中位置，无模型时的风速廓线更接近风速轴，在坡顶位置时，无模型时的风速廓线更靠近高度轴，这说明迎风坡的存在对气流有一定的阻滞和抬升作用，使其在坡前做减速运动，在沿坡面爬升时逐渐加速。

在6个风速条件下，不同坡度模型的风速变化率的变化趋势相似（图5）。坡前风速变化率小于0，越靠近模型，风速变化率越小，对应的风速也越小，这是因为模型的存在对气流的运移有阻碍作用，且越靠近模型，阻碍作用越大；过坡脚位置，气流在坡面上抬升加速，风速变化率增大，在坡顶位置风速变化率最大，该处的风速也最大。

在风洞实验中，边界层高度以上风速不再变化，考虑到边界层厚度的影响，选择2 cm和7 cm高度处的风速变化率进行分析。在8 m·s^-1的风速条件下，地表2 cm高度处，由于迎风坡坡度的不同，各测点的风速变化率呈现出一定的差异性（图6）。其中8°和15°模型的风速变化率最小值出现在坡前0.35L处，分别为-16.36%和-18.29%；25°~55°的最小值均出现坡脚位置，分别为-48.20%、-73.15%、 -88.64%、-90.03%；此外，8°~55°的减速区水平长度依次为1L、1L、1L、2L、3L、3L。在沿坡面爬升的过程中，风速变化率逐渐增大，在坡顶位置达到最大，此时风速最大，且大于来流风速；8°~55°坡顶位置的风速变化率分别为21.15%、31.84%、32.28%、42.07%、 49.19%、55.56%。近地表7 cm高度处的风速变化率的变化趋势与2 cm高度处的变化相似，但是大小以及变化幅度较2 cm高度处小，7 cm高度处各坡度模型最小的风速变化率为-74.45%~-9.84%。

由于坡面形态的不同，坡面各测点的风速变化率不同（图7）。平面坡，过坡脚位置，风速变化率曲线呈直线上升；凹形坡，坡脚到坡中风速变化率曲线的斜率较小，说明该段风速增大的幅度较小，过坡中位置呈直线上升；凸形坡坡面风速变化率曲线先是直线上升，过坡中位置斜率变小；凹凸组合坡的风速变化率在凹坡段的变化较小，凸坡段变化大；台阶形坡从坡脚到坡中2位置（图1）的变化较为缓慢。风速变化率曲线形态与坡面形态有关，坡脚到坡中位置的曲线斜率小，风速变化小，更易于将坡脚的沙子带到坡面产生沉积。

不同坡形近地表2 cm高度处的风速变化率的变化趋势是相似的（图8）。从坡前2L位置至迎风坡脚，风速变化率减小，且坡脚位置风速变化率最小，平面坡、凹形坡、凸形坡、凹凸组合坡和台阶形坡的风速变化率依次为-48.19%、-40.67%、 -53.98%、-53.32%、-35.94%，过坡脚位置，气流沿坡面爬升加速，在坡顶处风速变化率最大，依次为32.28%、32.55%、33.66%、38.86%、35.23%。由于坡面形态的差异，风速变化率在坡面不同测点的大小具有较大差异性，平面坡、凹型坡和凸型坡坡中位置的风速变化率分别为-2.99%、 -28.80%和27.55%；凹凸组合坡中凹坡段的坡中、凹凸坡的转折处和凸坡段的坡中3个位置对应的风速变化率为-33.37%、2.07%和28.47%；台阶形坡的坡面上两个测点（图1），对应的风速变化率为-26.70%和13.84%。7 cm高度处的风速变化率与2 cm高度的风速变化率变化规律相似，但是相同位置处，7 cm的风速变化率比2 cm高度处的小，7 cm高度处各模型的最小风速变化率为-29.33%~-22.58%。

不同坡形模型的迎风坡坡前减速区的范围相似，但是坡面测点的风速变化率表现出一定的差异性，其中凹形坡、台阶形坡的第一二阶地和凹凸组合的凹坡段的风速变化率在坡脚处差异较小，为此推断易将坡前的沙子带到坡面上，此外在地形的突变处由于加速快，消耗动能大，也容易导致降落沙子，产生沉积。

8°~35°模型均在坡面上出现沉积，而45°和55°模型则在迎风坡坡前出现沉积（图9）。根据数据统计（表2），8°、15°、25°、35°模型爬升坡长依次为12、10、15.6、13.5 cm；25°迎风坡模型具有最大的坡面沉积面积，约为560 cm²，35°的坡面沉积面积为488 cm²，8°、15°的坡面沉积面积依次为324、364 cm²；8°、15°、25°、35°的坡面沉积质量依次为0.30、0.45、1.03、0.93 kg。对于45°和55°的坡面，由于迎风坡对气流的阻滞作用强，且受重力作用的影响，使得大部分沙物质在坡前沉积，而不会被带到坡面上。

不同坡面形态的模型，坡面积沙情况具有一定的差异性。由图10、表3可知，凹形坡模型具有最大的爬升坡长，为25 cm，其次为平面坡，其爬升坡长为17 cm，凹凸组合坡的爬升坡长为16 cm，凸形坡的爬升坡长最小，台阶形坡由于直角坡的存在，爬升的坡长到直角拐弯处。从坡面沉积面积来看，凹形坡的坡面沉积面积最大，约为1 092 cm²，其次是台阶形坡和凹凸组合坡，其沉积面积分别为920 cm²和728 cm²，平面坡的坡面沉积为528 cm²，凸形坡的坡面沉积面积最小，约为380 cm²。此外，平面坡、凹形坡、凸形坡、凹凸组合坡、台阶形坡5个迎风坡坡形的坡面沉积质量依次为1.03、1.84、0.73、1.46、2.13 kg，台阶形坡的坡面沉积量最大。综上，最易发生沉积的坡形及部位为凹形坡、台阶形坡的第一二阶地以及凹凸组合坡的凹坡段，这是由于模型的阻滞作用，导致风速小，携沙能力减弱，使部分沙子沉积下来，再加之该处有较好的沉积空间，从而产生较多坡面积沙。

模型作为一种障碍物，对风沙流有一定的阻碍和抬升作用，越靠近模型，阻碍作用越大，且对下层的影响大于对上层的影响。不同坡度的迎风坡2 cm高度处最小的风速变化率为-90.03% ~ -16.36%，7 cm高度处最小的风速变化率可达 -74.45% ~ -9.84%，不同坡形的2 cm高度处最小风速变化率为 -53.98% ~ -35.94%，7 cm高度处最小的风速变化率可达-29.33% ~ -22.58%。

不同坡度模型在不同测点的风速变化是不同的，迎风坡坡度越大，风速减速区的范围越大，风速变化率也越大。坡度较小时，坡前对风速的衰减作用较小，风沙流的携沙能力变化小，会有部分沙子沉积，坡中位置加速段较长，可能会将部分沉积的沙子吹起带走；坡度较大时，阻滞作用大，携沙能力降低，无法继续将沙子带到坡面，使沙子在坡前产生大量沉积，此外坡度较大时，由于重力作用沙子更易滑落，不利沉积停留在坡面上。结合加沙实验验证，25°和35°迎风坡利于爬坡沙丘的形成，8°~15°次之， 45°和55°不利于其形成。

坡面形态的不同对风速的减弱作用不同，凹形坡和台阶形坡的减弱作用较小，凸形坡的减弱作用最大，坡面测点的风速减弱作用差异最为明显，凹形坡、台阶形坡的一二阶地和凹凸组合坡的凹坡段风速变化率较坡脚小，携沙能力小，沙子易沉积下来且被带到坡面，加之上面三者有较好的沉积空间，故有利于坡面的沉积。结合加沙实验验证，凹形坡和台阶形坡易于爬坡沙丘的形成，凹凸组合坡和平面坡次之。