沙丘冻结表面风沙传输特征的风洞模拟研究

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00164

沙丘冻结表面风沙传输特征的风洞模拟研究

李锦荣^,¹, 韩兆恩¹, 崔崴¹, 金筱霖², 豆春花³

1.中国水利水电科学研究院内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站，北京 100038

2.内蒙古大学公共管理学院，内蒙古呼和浩特 010021

3.呼和浩特市水质监测中心，内蒙古呼和浩特 010020

Wind tunnel simulation of wind-sand transport characteristics over frozen dune surfaces

Li Jinrong^,¹, Han Zhaoen¹, Cui Wei¹, Jin Xiaolin², Dou Chunhua³

1.Yinshanbeilu Grassland Eco-Hydrology National Observation and Research Station，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China

2.School of Public Management，Inner Mongolia University，Hohhot 010021，China

3.The Water Quality Monitoring Center of Hohhot，Hohhot 010020，China

收稿日期: 2024-10-16 修回日期: 2024-11-25

基金资助:

国家自然科学基金面上项目. 42071021
内蒙古自治区防沙治沙科技创新重大示范工程项目. 2024JBGS0013

Received: 2024-10-16 Revised: 2024-11-25

作者简介 About authors

李锦荣（1980—），男，内蒙古呼和浩特人，博士，正高级工程师，主要从事荒漠化防治方面研究E-mail：lijinrong918@126.com , E-mail：lijinrong918@126.com

摘要

冬季，乌兰布和沙漠的流动沙丘表层10 cm以下土壤会发生冻结。在风力作用下，沙丘表层发生风蚀，部分冻土层裸露，在沙丘上形成冻结“裸斑”与干沙层镶嵌分布的地表，改变着风沙输移过程。为了明确冻结层出现后风沙输移规律变化，通过风洞模拟试验探讨不同风速及水分梯度下非冻结、冻结、干沙+冻结3种情景下的风沙输移特征，揭示土壤冻结对风沙运移的影响。结果表明：（1）3种沙源的输沙率均随着风速增大呈指数增加趋势，随着含水率升高呈指数减小趋势，输沙率与风速及含水率显著相关，输沙率与风速、含水率三者之间符合指数变化规律；（2）冻结作用将输沙率减小3%~91%，当野外冻结“裸斑”出现后，输沙率减小49%~97%；（3）非冻结风沙土沙源输沙率随高度升高而减小，冻结后输沙率随高度的升高呈现先增大后减小的规律，二者函数关系均为指数函数；（4）风蚀发生过程中，出现干沙层与冻土层镶嵌分布时，沙粒由干沙床移动至冻土层界面，沙床面发生变化，跃移输沙增加约18%，输沙率垂直分布呈现先增大再减小的规律，符合幂函数分布，在2~6 cm出现“象鼻效应”。当冬季沙丘出现冻结“裸斑”后，风沙输移有所抑制，同时风沙流中跃移质比例增加。

关键词： 冻结层 ; 输沙率 ; 风沙流结构 ; 风洞试验 ; 乌兰布和沙漠

Abstract

In winter， the soil beneath the top 10 cm of mobile dune surfaces in the Ulan Buh Desert undergoes freezing. Wind erosion of the dune surface layer exposes sections of the frozen soil. This results in a surface with frozen “bare patches” interspersed among dry sand layers， altering the windblown sand transport process. This study employs wind tunnel simulations to investigate the impact of the frozen layer on windblown sand transport patterns. It examines sand transport characteristics under different wind speeds and moisture gradients in three scenarios： non-frozen， frozen， and dry sand combined with frozen conditions. This study reveals how soil freezing affects sand transport. The results indicate that：（1） The sand transport rate per unit width of the aeolian sand source and the dry sand combined with frozen source increases exponentially with wind speed and decreases exponentially with water content. Sand transport rate is strongly correlated with both wind speed and water content， following an exponential relationship with both factors. （2） Freezing reduces sand transport rate by 3% to 91%.When “bare patches” appear in the field， the sand transport rate decreases by 49% to 97%. Generally， the sand transport rate of dry sand combined with frozen is greater than that of aeolian sand before freezing， which is greater than that of frozen aeolian sand. （3） Before freezing， the sand transport rate of aeolian sandy soil decreased with height， but after freezing， it first increased and then decreased with height.The relationship followed an exponential function. （4）During wind erosion， when the dry sand layer and frozen soil layer are interspersed， sand particles move from the dry sand bed to the frozen soil interface， causing changes in the sand bed surface. Saltation transport increases by approximately 18%， and the vertical distribution of sediment transport first increases and then decreases， conforming to a power function. The “trumpet effect” is observed at a height of 2 to 6 cm. When frozen “bare patches” appear on dunes in winter， windblown sand transport is inhibited， while the proportion of saltation in the wind-sand flow increases.

Keywords： frozen layer ; sand transport rate ; wind-sand flow structure ; wind tunnel experiment ; Ulan Buh Desert

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本文引用格式

李锦荣, 韩兆恩, 崔崴, 金筱霖, 豆春花. 沙丘冻结表面风沙传输特征的风洞模拟研究. 中国沙漠[J], 2025, 45(1): 229-241 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00164

Li Jinrong, Han Zhaoen, Cui Wei, Jin Xiaolin, Dou Chunhua. Wind tunnel simulation of wind-sand transport characteristics over frozen dune surfaces. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(1): 229-241 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00164

0 引言

风沙运移是沙漠地区重要的地表过程，是气流或气固两相流对地表物质的吹蚀和磨蚀塑造地表景观的基本地貌过程^［1］。风沙运移主要受下垫面植被、土壤、风速、地形及人为活动等诸多因素的影响。由于各地的区域环境不同，风蚀的影响因素也存在差异性^［2］。特别地，气候的季节性波动会导致植被和土壤属性变化，使得土壤侵蚀随时间变化^［3-4］。在冬季，沙丘为雪覆盖、湿度较大或长时间冰冻，沙中的游离水处于冻结状态，与沙物质紧密结合，形成冻结层，在一定程度上限制土壤的风蚀过程，进而影响风沙输移^［5］。

目前，对于冻结期风沙的研究集中于加拿大^［6］、冰岛^［7］、蒙古国^［8-9］、中国的青藏高原^［10-11］与东北黑土区^［12-15］，重点关注冻融循环导致土壤水热、土壤可蚀性和输沙率变化。相关沙漠、沙地冻结期风沙研究较少^［16-18］。乌兰布和沙漠属于季节性冻融区，冬季－春初土壤冻结在该地区沙丘土壤风蚀与风沙运移过程中扮演着重要的角色。冬季沙丘表层土壤水分较春季有增加趋势^［19］，当沙丘土壤冻结，沙粒黏结发生粗化，较难蚀和难蚀颗粒含量升高，抗剪强度和抗蚀性增大^［20］；冻结时初始含水量的不同，土壤风蚀速率较非冻结下减小40%~98%^［21］。因此，沙丘在冬季冻结阶段，受沙丘土壤水分冻结的影响，风蚀后冻结层裸露，出现冻结“裸斑”，必然导致沙粒运动及输沙过程会发生一定程度变化。

乌兰布和沙漠沿黄段入黄泥沙或以风沙流移动入黄，或以沙丘整体前移至河岸经河水冲刷坍塌形式入黄，或以降尘的形式沉降入黄^［22］。该地区沿岸防护林带大多为20世纪80年代营造，由于生理生态因素防护林出现衰退，其中刘拐沙头和阎王鼻子段河岸风沙最为严重。不同的研究者对于入黄泥沙的估算结果不同，相差10万t以上^［23-25］，数据来源、统计方法、边界条件、影响因素的季节变化都会对估算结果产生影响。随着当地政府治理程度的增加，沙丘移动速度有减缓的趋势^［26］，治理区域风沙活动得到一定的控制^［27］。但乌兰布和沙漠段冬春季降水稀少、大风频繁，沿岸仍有风沙向黄河输送。因此，明确不同季节入黄风沙的差异，特别是冬季沙丘表面冻结后的风沙输移，可以进一步深入理解冻结期风沙输移机理，为完善冬季入黄量估算方法提供参考依据。

基于此，本研究通过风洞模拟试验，对乌兰布和沙漠沿黄段流动沙丘冬季风沙过程进行研究，观测不同风速及含水率下冻结前后风沙土沙源输沙率及风沙流变化，模拟野外冻结“裸斑”出现后的风沙流结构，明晰冻结层出现对风沙流的影响，揭示风沙土冻结对风沙运移的作用。

1 材料与方法

1.1　采样地概况

本研究所用沙样，采集自黄河几字弯区域生态环境变化与综合治理野外科学观测研究站（简称几字弯站）流动沙丘。研究站位于乌兰布和沙漠东北缘黄河左岸，内蒙古乌海市水利枢纽与巴彦淖尔市磴口县三盛公水利枢纽之间，行政区划隶属内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善左旗（图1）。该区域属于典型的中温带大陆性干旱季风气候，气候干燥，雨量稀少，多年平均降水量142.7 mm，集中在7—10月，多年平均蒸发量2 258.8 mm，平均湿度40.8%，年日照时长约3 200 h，冬季每日日照时长7~8 h。年平均气温8.0 ℃，冬季最低气温-20.47 ℃，低于0 ℃天数达100 d，全年无霜期140~160 d。春冬季风沙活动频繁，地表风蚀强烈，5~7 m·s^-1风速占起沙风的70%以上，年平均风速4.8 m·s^-1，风向以西北、西风为主，平均年大风日数10~32 d，多年平均扬沙日数75~79 d，并伴有沙尘暴现象。土壤主要为风沙土，结构松散，有机质含量5.52 g·kg^-1，pH值8.87。冻结期昼夜温度、湿度变化对土壤表层凝结水的形成产生影响，凝结水含量即表层土壤水分含量0.13%~0.35%，10~100 cm土层土壤含水量1.5%~4.3%。冬季沙丘土壤冻结层最深可达81 cm，冻结层下方为未冻结湿沙层，上方为流动干沙层。研究站附近植被稀疏，盖度约3%，以荒漠植被、沙生植被、草原化荒漠等抗旱耐盐碱植被种类为主，分布于流动沙丘丘间低地，常见植物种包括梭梭（Haloxylon ammodendron）、沙拐枣（Calligonum mongolicum）、油蒿（Artemisia ordosica）等。

图1

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图1 实验用沙采集地位置

Fig.1 Location of sand sampling

1.2　试验设计

为研究沙丘土壤冻结后对风沙输移的影响，在风洞内进行风沙土冻结前后风沙土风沙流观测试验。风洞试验在包头达茂旗中国水利水电科学研究院内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站进行。风洞总长29 m，最大输出功率185 kW，为直流正压吹气式风洞，洞体分为进风喇叭口、风机段、渐变段、转角段、稳定段、收缩段、试验段及扩散段，试验段12.6 m（长）×2.5 m（宽）×1.8 m（高），风速2~30 m·s^-1连续可调。依据前期在几字弯站流动沙丘迎风坡进行风速廓线测定数据，在风洞整流段后设置过粗糙元，将风洞试验过程中风速廓线调整到与几字弯站流沙测定的风速廓线相近似的风速垂直分布形式（图2）。

图2

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图2 风洞模拟野外下垫面风速廓线

Fig.2 Wind speed contours simulated in the wind tunnel under outdoor ground conditions

根据前期调查取样发现，研究区多年冻结期沙丘冻土层的土壤含水率为1.5%~4%^［21］，故设置1%、2%、3%、4%、5%不同水分梯度，自然干沙含水率在风洞实验时多次测定取平均值。风洞试验所用沙源采自几字弯站。分别在2023年10月（气温9.4 ℃）和2024年1月（气温-11 ℃）开展非冻结和冻结及自然干沙层+冻结的3种沙源床面风沙输移风洞试验（表1），模拟沙丘土壤非冻结、冻结和冻结“裸斑”出现后干沙层和冻结层镶嵌分布3种下垫面风沙输移，探究冻结、冻结“裸斑”与自然干沙镶嵌分布对风沙运移规律的影响。

表1 沙源铺设参数

Table 1 Sand source laying parameters

沙源类型	沙源长度/cm	沙源宽度/cm	沙源厚度/cm	土壤水分/%	风速/（m·s^-1）
湿沙层（非冻结）	300	100	5	0.28、1~5	5、7、8.5、10、12
冻结层	300	100	5	0.28、1~5
自然干沙+冻结	100+200	100	5	0.28+1~5

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在风洞实验室试验段内放置50层梯度集沙仪，集沙仪每层进沙口尺寸为2 cm×2 cm，集沙仪前及两侧铺设上述各水分梯度的沙物质充当沙源（图3），为保证沙源的充分，将总沙源设置为300 cm^［12］。试验设计风速为5、7、8.5、10、12 m·s^-1，吹蚀时长30 min。称量集沙仪各层所收集的沙物质时发现，40 cm以上未收集到沙物质，故本次试验只收集0~40 cm高度的沙物质。为了更清楚地了解不同沙源风沙流结构的差异，对风沙流分层进行分析，将0~2 cm贴近床面风沙流划分为风沙流下层，2~10 cm高度为风沙流中层，10~40 cm高度为风沙流上层。

图3

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图3 风洞模拟试验沙源布设

Fig.3 Wind tunnel simulation test sand source layout

用单宽输沙率对收集到的沙物质进行分析，单宽输沙率是指单位宽度上的沙物质输沙量^［28］：

Q = \frac{W_{t}}{L \cdot t}

（1）

式中：Q表示单宽输沙率，g·cm^-1·h^-1；W_t 表示输沙总量（本试验为集沙仪0~40 cm高度层收集的沙物质总量），g；L表示集沙仪进沙口宽度（本试验进沙口宽度为2 cm），cm；t为集沙时间，h。

各高度层输沙率计算公式为：

q_{f i} = \frac{q_{i}}{s \cdot t}

（2）

式中：q_fi 为第i层集沙仪输沙率，g·cm^-2·h^-1；q_i 为第i层沙量，g；s为集沙盒进沙口面积，cm²。

2 结果与分析

2.1　单宽输沙率的变化

各含水率梯度不同风速下非冻结、冻结、干沙+冻结风沙土沙源单宽输沙率随风速增大呈增加趋势（图4），随含水率升高呈减小趋势（图5）。含水率0.28%沙源在非冻结与冻结下，单宽输沙率未达到统计学差异（P>0.1），即自然干沙在冻结前后，输沙率无差异；含水率1%~5%非冻结风沙土沙源单宽输沙率比自然干沙（CK，0.28%）沙源单宽输沙率减小11%~99%；冻结沙源单宽输沙率比非冻结沙源减小3%~91%；干沙+冻结风沙土沙源单宽输沙率比冻结沙源增大27%~93%，比非冻结沙源增大3%~92%，比CK减小49%~97%。配对T检验表明，各含水率梯度下，非冻结沙源与冻结沙源单宽输沙率呈显著差异（P<0.05），与干沙+冻结沙源呈极显著差异（P<0.01）；干沙+冻结沙源与冻结沙源输沙率呈极显著差异（P<0.01）。总体来看，干沙+冻结沙源输沙率>非冻结沙源输沙率>冻结沙源输沙率。

图4

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图4 不同含水率梯度3种模拟沙源单宽输沙率

注：图中y轴为lgx刻度

Fig.4 Three kinds of simulated sand source unit width sediment transport rate with different water content gradients

图5

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图5 不同风速梯度3种模拟沙源单宽输沙率

图中y轴为lgx。

Fig.5 Three simulated sand source unit width sediment transport rates with different wind speed gradients

风速与非冻结沙源及干沙+冻结沙源单宽输沙率极显著相关（P<0.01），与冻结沙源显著相关（P<0.05）；含水率与3种沙源单宽输沙率均显著相关（P<0.05）。拟合风速V、含水率W单因素与单宽输沙率Q的关系式发现，3种沙源单宽输沙率与风速符合指数函数 $Q = a_{1} e^{b_{1} V}$ 形式（图4），与含水率符合指数函数 $Q = a_{2} e^{b_{2} w}$ 形式（图5）。关系式中，b₁是风速对输沙率的影响系数，b₁>0表示随风速增加，输沙率Q增大； b₂是水分对输沙率的影响系数，b₂<0，表示含水率增加，输沙率较小。

对风速V及风沙土含水率w与3种沙源单宽输沙率Q的关系进行非线性曲面拟合，3种沙床下输沙率与风速、含水率符合指数变化规律。非冻结、冻结以及干沙+冻结沙源条件下关系式分别为：Q=0.145e^0.727^V^-0.884^w （R²=0.985）、Q=2.399e^0.480^V^-3.095^w （R²=0.970）及Q=0.189e^0.689^V^-0.507^w （R²=0.923），风速、含水率对非冻结沙源单宽输沙率的贡献率分别为45.13%、54.87%；冻结沙源条件下风速、含水率对单宽输沙率的贡献率分别为13.43%、86.57%，冻结后含水率对输沙率的贡献明显增加；干沙+冻结风沙源条件下，风速、含水率对输沙率的贡献率分别为57.61%、42.39%，干沙源增加，风速的贡献率有增加的趋势。

2.2　冻结风沙土输沙垂直分布

根据非冻结、冻结以及干沙+冻结风沙土沙源q_fi 随高度H的变化可知，不同高度的输沙率随风速增大而增加（图6）。含水率0.28%时，非冻结与冻结风沙流各层无显著差异（P>0.1）；含水率1%~5%时，非冻结与冻结风沙流各层呈显著差异（P<0.05）；干沙+冻结风沙土沙源风沙流与自然干沙沙源及冻结沙源风沙流呈显著差异（P<0.05）。

图6

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图6 各风速下3种沙源输沙率随高度变化

Fig.6 The sediment transport rate of three sand sources varies with height under different wind speeds

非冻结沙源输沙率随高度升高而减小；冻结沙源及干沙+冻结沙源输沙率随高度升高呈先增大后减小的规律，这种规律称为“象鼻效应”，相对输沙率最大值出现在2~6 cm高度，说明沙粒在经过冻结层，与冻结床面发生碰撞过程中获得更多的动能，更多的沙粒跳跃到更高的高度。

采用多种函数进行拟合，发现非冻结与冻结风沙土沙源输沙率（q_fi ）与高度（H）函数关系为双参数指数函数 $q_{f i} = c_{1} e^{d_{1} H}$ ；干沙+冻结风沙土沙源输沙率随高度的分布为二参数幂函数 $q_{f i} = c_{2} H^{d_{2}}$ 分布。指数关系式中，初始值c₁随着风速增加而增大，随着含水率增加而减小，比率d₁的绝对值可反映沙粒浓度随高度的衰减率，非冻结衰减速度先快后慢，冻结后衰减速度先缓慢后加快。幂函数表达式中，c₂>0，d₂<0，常数c₂随着风速增加有增大趋势，随着风沙土含水率增加而增大，指数d₂为负数表明函数单调递减，该值随着风速增加有增大趋势，随着风沙土含水率增加有减小趋势，曲线倾斜程度增大，风速越大，风沙运动越难抑制。

2.3　冻结风沙土风沙流结构

非冻结风沙土沙源风沙流下层（0~2 cm）输沙率比自然干沙减小3%~99%，输沙率占比随风速以及含水率的增加呈波动减小趋势；中层（2~10 cm）输沙率比自然干沙风沙流减小38%~99%，输沙率占比随风速增加呈先增后减的趋势，随含水率的升高波动变化；上层（10~40 cm）输沙率比自然干沙风沙流减小26%~99%，输沙率占比随风速增加呈先减后增的趋势，随含水率的升高而波动增加（图7）。下层为蠕移输沙占比，中上层为跃移输沙占比，含水率0.28%的自然干沙风沙流中，蠕移输沙量约占36%，跃移输沙量约占64%；含水率1%~5%非冻结沙源风沙流中，平均蠕移输沙占比约35%，平均跃移输沙占比约65%。

图7

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图7 非冻结风沙土沙源风沙流结构

Fig.7 Structure of sand source wind-sand flow in non-frozen sandy soil

冻结风沙土沙源风沙流下层输沙率比非冻结减小9%~99%，下层输沙率占比随风速增加呈先增后减的趋势，随含水率的升高呈先减后增的趋势；冻结沙源风沙流中层输沙率比非冻结减小6%~90%，占比随风速增加呈波动增加，随含水率升高呈波动减小；冻结沙源风沙流上层输沙率比非冻结增大3%~99%，占比随风速增大增加呈波动变化，随含水率升高而增加（图8）。冻结风沙土沙源风沙流中，平均蠕移输沙占比约20%，平均跃移输沙占比约80%，较非冻结沙源跃移比例增加。

图8

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图8 冻结风沙土沙源风沙流结构

Fig.8 Wind-sand flow structure of frozen sandy soil sand source

干沙+冻结风沙土沙源风沙流下层输沙率比自然干沙风沙流下层输沙率减小73%~99%，比冻结沙源下层输沙率减小56%~93%，下层输沙率占比随风速增加而减小，随含水率增加呈波动减小；干沙+冻结沙源风沙流中层输沙率比自然干沙减小34%~96%，比冻结沙源减小1%~94%，占比随风速增加呈波动增加，随含水率增加呈波动减小；干沙+冻结沙源风沙流上层输沙率比自然干沙减小8%~97%，比冻结沙源减小12%~91%，占比随风速增加呈先减后增，随含水率增加呈波动变化。干沙+冻结风沙土沙源风沙流中，平均蠕移输沙占比约18%，平均跃移输沙占比约82%（图9）。可见，当冻结“裸斑”出现后，干沙床与冻结沙床镶嵌分布时，沙粒由干沙沙源转移至冻结风沙土沙源后，沙粒更容易产生跳跃，跃移比例进一步增加。

图9

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图9 干沙+冻结风沙土沙源风沙流结构

Fig.9 Wind-sand flow structure of dry sand and frozen sand source

3 讨论

不同下垫面输沙率与风速的函数关系存在差异。野外试验研究表明，沙漠和沙地输沙率随风速增加呈指数关系递增^［29-30］，但也有研究认为输沙率随风速呈幂函数增加^［31-32］；戈壁地表输沙率与风速服从幂函数关系^［33］，或者分高度采用分段函数进行拟合表达^［34］。风洞试验表明，输沙率与风速之间符合指数函数递增^［35］，与含水率符合指数函数递减^［36］。本研究表明，冻结前后风沙土沙源输沙率随风速增大呈指数增加趋势，随含水率增加呈指数减小趋势。

野外研究表明，在流动沙丘0~100 cm输沙垂直断面上，80%集中在0~10 cm高度层^［37-39］，90%的输沙量分布于0~30 cm高度层^［40］。本研究风洞试验中，40 cm以上未收集到沙物质，不同含水率3种沙源90%输沙量集中在36 cm高度以下。由于风速和下垫面的不同，输沙率与高度函数关系存在一定争议。在沙漠地区，野外近地层100 cm范围内的风沙流随高度呈指数函数递减^［41-45］或幂函数递减^［46-47］，风洞试验研究结果倾向于用指数函数表示^{［12，36］}。试验表明，冻结前后风沙土输沙率垂直呈指数分布，但对于干沙层与冻结层镶嵌分布的输沙率幂函数能够更好地反映输沙率随高度的分布情况。

野外研究与风洞试验均表明，风沙流经过湿沙紧实床面会表现出“象鼻效应”^［48-49］，戈壁滩风沙流研究表明，风沙经过刚性砾石床面输沙率高度分布同样表现出“象鼻”^［50-51］。但本试验表明，风沙流经过非冻结不同含水率沙层时，输沙率随高度的增加而减小，平均为跃移比例64%~65%，未出现“象鼻”；当风沙流经过冻结层，输沙率随高度增加呈先增后减的规律，表现出“象鼻”，跃移比例约为80%；干沙+冻结沙源时，模拟冻结“裸斑”出现后，沙粒从干沙床下垫面经过冻结“裸斑”下垫面，输沙率随高度的增加呈现先增大后减小的规律，产生“象鼻效应”，平均跃移比例为82%，较干沙增大18%。由输沙率的垂直分布规律也可知，沙粒经过冻结面发生跳跃，跳跃高度由于风速的不同出现在2~6 cm。可见，当沙粒经过硬实表面时，颗粒和床面的交互作用由冲击和反弹过程主导^［48］，以至于更多的颗粒运动到更高处，运动方式有从蠕移转移到跃移的趋势。

4 结论

冻结前后以及干沙层+冻结层沙源的单宽输沙率均随着风速增大呈现指数增加趋势，随着含水率升高呈现指数减小趋势，输沙率与风速、含水率呈现显著相关，输沙率与风速、含水率三者之间符合指数变化规律。自然干沙（0.28%）在冻结、非冻结下，输沙率无差异，冻结后水分的贡献率明显增加，冻结作用使得1%~5%含水率的沙源输沙率减小3%~91%，干沙+冻结沙源输沙率较自然干沙减小49%~97%。因此，当野外冻结“裸斑”出现后，输沙率受到抑制。

非冻结沙源输沙率随高度升高而减小，但冻结后输沙率随高度的升高呈现先增大再减小的规律，函数关系均为指数函数。当野外冻结“裸斑”出现后，输沙率随高度的升高呈先增再减的规律，出现“象鼻效应”，函数关系为幂函数。沙粒在自然干沙床面上移动时，风沙流中跃移输沙约占64%，当冻结“裸斑”出现后，干沙层与冻结层呈镶嵌分布，沙粒经过冻结沙层时发生跳跃，跳跃高度2~6 cm，风沙流中跃移占比约82%，较自然干沙增加18%。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

吴正

.风沙地貌与治沙工程学［M］.北京：科学出版社，2003.