粉塵釋放對地球系統(tǒng)模式具有重要影響,與物理氣候系統(tǒng)、生物地球化學循環(huán)、地貌演變、水循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)等多個主要系統(tǒng)與過程均有復雜的相互作用。干旱半干旱區(qū)粉塵釋放過程所伴隨的沙塵暴等自然災害也是全球范圍內的熱點問題。顆粒躍移輸運與土壤性質的時空變化是影響粉塵釋放過程的最主要因素。近地表沙粒大小顆粒物的風力輸運過程是粉塵釋放的主要動力,而顆粒物形狀與旋轉等因素對其在氣流中運動的影響一直沒有被有效考慮,成為提高計算精度的瓶頸。對于風蝕和粉塵釋放過程,已有的研究很少考慮土壤含水率的時空變化特征,并且現(xiàn)有土壤結構理論難以解釋粉塵釋放過程中的多階段釋放現(xiàn)象。為此,本博士論文在風沙物理學與土壤水動力學的研究方法的基礎上,從非球形旋轉沙粒躍移運動的微觀流固耦合過程出發(fā),對現(xiàn)有的風沙流輸運模型進行修正,同時提出了能夠完整描述干土層和濕土層中水分運動的土壤蒸發(fā)模型,以及包含自由塵層的土壤結構體系,最終建立了能夠描述風力推動、土壤吹蝕、水分運動三種復雜物理機制相互耦合的粉塵動態(tài)釋放模型。主要開展了以下工作:首先,將沙粒視為橢球形剛體,考慮其形狀因素與旋轉運動,基于動網(wǎng)格的方法研究了單顆沙粒與雙沙粒系統(tǒng)躍移運動中的流固耦合規(guī)律。發(fā)現(xiàn)旋轉運動使橢球形沙粒與流場產(chǎn)生了復雜相互作用,單顆沙粒的躍移高度與距離顯著增加,但雙沙粒系統(tǒng)中的流固耦合作用消耗了更多能量,其躍移高度與距離小于相同初始運動條件的單顆沙粒。旋轉的雙沙粒系統(tǒng)中,沙粒間穩(wěn)定的氣流減速區(qū)使下風向的沙粒更快跌落,發(fā)生前面沙粒越過后面沙粒的超越現(xiàn)象,從而降低沙粒間的空中碰撞概率。其次,對橢球形旋轉沙粒所受到的氣動力進行了修正,建立了平坦床面上充分發(fā)展的風沙輸運過程模型,并對沙粒形狀因素與旋轉運動對宏觀輸運的影響進行了定量模擬。結果表明,風速較小時沙粒的形狀參數(shù)對輸沙率的影響較小,隨著風速的增大沙粒的形狀參數(shù)對輸沙率的增益效果開始凸顯,表現(xiàn)為輸沙率隨風速呈線性增加,且形狀參數(shù)與這種線性關系的斜率具有相關性。長軸與短軸之比為2的沙粒所形成的風沙輸運過程與實驗結果最為接近,其形貌特征這也更符合現(xiàn)有的對沙粒形貌的研究結果同時,基于土壤水動力學的基本理論,建立了能夠完整描述干土層和濕土層中水分運動的土壤蒸發(fā)模型,分析了蒸發(fā)過程中土壤水分的分布特性及變化規(guī)律。結果顯示,在干土層形成前的穩(wěn)定蒸發(fā)階段主要消耗土壤自身儲備的水分,在干土層形成前隨含水率變化的蒸發(fā)階段,主要依賴于深層土壤中水分的向上輸運,但在干旱半干旱區(qū)的特定環(huán)境中,前者很難形成,后者的持續(xù)時間也相對較短。干土層形成后,開始階段其增長速率較低但增長趨勢明顯,中期其增長速率即進入相對穩(wěn)定的階段,后期的增長速率則出現(xiàn)了小幅度降低。蒸發(fā)速率自干土層形成后便迅速降至較低水平并保持相對穩(wěn)定,隨著干土層厚度的增加出現(xiàn)了小幅度下降。最后,將基于風沙輸運過程的風蝕模型、包含干土層和濕土層的土壤蒸發(fā)模型以及包含自由塵層的土壤結構理論進行有效耦合,建立了粉塵動態(tài)釋放模型并對典型情況進行了數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)粉塵釋放過程分為三個主要階段。首先進行的是自由塵為供給主體、以流體夾帶釋放為主要機制的階段,此階段的高粉塵釋放速率隨時間迅速降低,反映了自由塵的供給限制。之后為以干土層為供給主體、躍移轟擊釋放和團粒破碎釋放為主要機制的階段,粉塵釋放率顯著降低,干土層的厚度是主要限制因素。最后是以濕土層為供給主體、躍移轟擊釋放和團粒破碎釋放為主要機制的階段,粉塵釋放率處于極低水平,土壤含水率成為主要限制因素。
【學位單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：P425.55;S152
【部分圖文】：

論文 干旱半干旱區(qū)粉塵釋第一章 緒論和意義地球系統(tǒng)模式中的重要子過程，大氣中的礦物氣氣溶膠中的占比為 20%~50%（Tegen and 統(tǒng)中多個主要系統(tǒng)與過程均有復雜的相互作用（Miller and Tegen, 1998; Tegen et al., 2002; Jic06; Cwiertny et al., 2008; Huneeus et al., 2011; C 2014）。

我國甘肅、新疆等地的大部分干旱半干旱地區(qū)由雪山與周邊盆地組成，其中有祁連山地區(qū)、天山地區(qū)等，具有廣袤的荒漠生態(tài)系統(tǒng)與稀疏鑲嵌其中的綠洲生態(tài)系統(tǒng)共存的典型地理特征（圖1-2）。這些地區(qū)的高山冰川和積雪融水、降水徑流所夾帶而下的大量沙質沉積，為其周邊的盆地帶來了豐富的松散沙物質，所形成的沉積層厚度一般可達數(shù)百米（王濤，2003），主要為沙土與沙壤土等土壤類型，極易受風力侵蝕，其中以風沙運動為主要形式。同時，這些融水與徑流也

圖 1-3 風沙輸運過程中沙塵顆粒的主要運動形式動態(tài)釋放過程與風沙運動演變規(guī)律具有密切的聯(lián)系（滕震基性的工作，Bagnold（1941）在野外觀測和風洞實驗的為蠕移、躍移和懸移三種形式（圖 1-3）。蠕移即為沙粒在動的運動形態(tài)；躍移是沙粒在風力或降落顆粒沖擊作用下

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本文編號：2812953