阴山北麓地表空气动力学粗糙度性质的试验研究

论文摘要

耕作土壤表面空气动力学粗糙度是评价土壤可蚀性的重要指标。通过动量方程推导出计算裸露耕地表面空气动力学粗糙度的计算公式。利用流体力学和极限理论对风速与空气动力学粗糙度的关系进行定性分析。通过野外实验结合力学理论确定阴山北麓冬、春两季裸露耕地土壤表面空气动力学粗糙度,阴山北麓裸露耕地地表粗糙度的大小在时间上存在差异,冬季地表粗糙度比春季大。冬季地表空气动力学粗糙度约是春季地表空气动力学粗糙度的8~23.2倍。分析了耕地地表空气动力学粗糙度与耕地地表土壤的物理性质的关系。得到在其他物理性指标一定的情况下,耕地地表空气动力学粗糙度与地表土壤含水量呈正相关。运用SAS8.2中REG回归分析过程分析得到耕地地表土壤中d>2.0mm、0.05<d<0.5mm、d<0.05mm颗粒的百分含量与空气动力学粗糙度的多元线性回归模型。分析模型得到:耕地地表空气动力学粗糙度与地表土壤中d>2.0mm的颗粒在地表土壤中的百分含量呈正相关,与d<0.05mm颗粒的百分含量程负相关。春季耕地地表粗糙度较小为该地区春季剧烈的风蚀作用提供了条件,而春季耕地地表土壤中d<0.05mm颗粒的百分含量较大为春季剧烈的风蚀提供了丰富的物质基础。空气动力学粗糙度、零平面位移高度是植被覆盖地表的两个重要的空气动力学特征参数,本文利用数值计算的方法,运用Matlab软件编程,对内蒙古四子王旗草地地表的空气动力学粗糙度、零平面位移高度进行模拟计算、绘图及分析。得到了8种植被密度和6种植被高度情况下摩阻速度、空气动力学粗糙度、零平面位移高度与风速的关系,并与野外实验数据进行对比分析,得到模拟值可以很好的反映空气动力学参数的性质。并且得到包括植被密度、风速与摩阻速度的双因子模型;包括植被密度、风速与空气动力学粗糙度的双因子模型;包括粗糙元高度、风速与摩阻速度的双因子模型;包括粗糙元高度、风速与空气动力学粗糙度的双因子模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 论文研究的背景
• 1.2 选题的目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 裸露沙质床面空气动力学粗糙度的国内外研究现状
• 1.3.2 植被覆盖地表空气动力学粗糙度国内外研究现状
• 1.4 研究的内容
• 2 试验研究的对象及方法
• 2.1 实验区概况
• 2.1.1 实验区的地理位置
• 2.1.2 实验区的地貌特征
• 2.1.3 实验区的自然气候条件
• 2.2 实验样品
• 2.2.1 实验样品的采集
• 2.2.2 实验样品的基本性质
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 粗糙度的计算方法
• 2.3.2 裸露沙质地表空气动力学粗糙度的计算方法
• 2.3.3 植被覆盖地表空气动力学参数的模拟计算方法
• 2.4 编程软件介绍
• 2.4.1 统计分析专业软件 SA58.2
• 2.4.2 数学计算软件 Matlab
• 3 耕地地表空气动力学粗糙度的计算
• 3.1 理论模型
• 3.2 流体力学的验证及定性分析
• 3.3 定量分析
• 3.3.1 冬季裸露耕地地表空气动力学粗糙度的计算
• 3.3.2 春季裸露耕地地表空气动力学粗糙度的计算
• 3.4 土样的基本物理性质及对空气动力学粗糙度的影响
• 3.4.1 含水量
• 3.4.2 含水量的变化对地表空气动力学粗糙度的影响
• 3.4.3 比重、干密度对空气动力学粗糙度的影响
• 3.4.4 阴山北麓冬、春季耕地地表土壤机械组成的特征
• 3.4.5 阴山北麓耕地地表土壤粒组百分含量与空气动力学粗糙度的关系
• 3.5 空气动力学粗糙度存在时间上的差异的原因及对风蚀的影响
• 3.6 小结
• 4 草地地表空气动力学参数的计算与分析
• 4.1 草地地表空气动力学参数计算模式的选取
• 4.1.1 零平面位移高度的 Marquandt 算法
• 4.1.2 覃文汉计算d 的物理模式
• 4.1.3 动量方程
• 4.2 动量方程模式计算主要解决的难点
• 4.2.1 数值积分方法的基本原理
• 4.2.2 常微分方程的求解方法——龙格—库塔方法的设计思想
• 4.3 模式的初始条件
• 4.3.1 模式计算的条件
• 4.4 模式的计算步骤
• 4.4.1 模式流程图
• 4.4.2 Matlab 中的数值积分求解及常微分方程的求解
• 4.5 计算结果分析
• 4.5.1 植被密度对床面空气动力学特性影响的分析研究
• 4.5.2 植被高度对床面空气动力学特性影响的分析研究
• 4.5.3 实验值与模拟值的对比分析
• 4.6 小结
• 5 结论
• 6 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介