风沙输运是导致荒漠化和沙床地形演变的主要原因。预测湍流作用下的沙粒输运对公共安全、土地资源管理和环境可持续发展具有重要意义。从物理角度上讲风沙输运是沙床在湍流风切作用下的动力响应,其主要的输运模式是跃移和蠕移,跃移是指颗粒以弹道轨迹沿近地表不断跳跃前行,而蠕移则是颗粒沿沙床面的滚动和滑动。沙粒输运与地形相互作用形成了典型的微地貌形态——沙波纹,其形成演化过程与风场、地表形态及颗粒组成等因素密切相关。迄今为止关于风沙运动的研究中,人们对跃移运动进行了广泛深入的研究,然而针对蠕移运动的微观机制和定量表述至今仍然是一个悬而未决的问题。另外,现有的沙波纹模型主要基于均匀沙粒假设,忽略了自然界沙粒的多分散性。实际上,风成沙波纹形成过程中会发生颗粒的分选现象,会显著影响沙波纹的时空演变。为此,本论文以理论研究为基础,结合风洞实验和数值模拟研究了风沙输运和非均匀沙床面沙波纹形成演化问题,重点分析了蠕移的输运特点和颗粒粒级对沙波纹行为特征的影响以及颗粒分选的物理机制。具体内容与成果如下:（1）建立了一个风沙输移的综合模型,该模型考虑了颗粒在不同高度的输运规律。在此基础上,提出了蠕移理论模型,对蠕移通量进行了定量预测,得到了蠕移通量与Shields数的标度律关系,并发现蠕移输运通量随Shields数呈5/2幂律变化,明显不同于跃移标度律。在此基础上,通过设计精细的风洞实验验证了基于理论模型推导的新标度律。另外,得到了稳态下蠕移层的速度分布廓线,并精确计算了蠕移层厚度。同时,研究了蠕移输运的弛豫过程,推导出弛豫时间的解析表达式,即其随剪切速度增加而增加,随粒径的增加而减小;分析了蠕移通量对总输沙通量的贡献,发现蠕移通量占总输沙通量的比例随摩阻风速的增大而缓慢增加。（2）提出了一个新的风成沙波纹理论模型,从而用于研究颗粒非均匀性对风成沙波形成演化的影响和颗粒沿床面的分选过程。基于线性稳定性理论,分析了床面高度和床面粒度组成的扰动随时间的演化发展,理论结果表明不同粒径沙粒选择性输运导致分选现象,并显著影响沙波纹的动力学,相比于均匀沙,非均匀沙使得床面更稳定,产生波长更长的沙波纹,尺度更大的沙波纹往往形成于沙粒级配更宽的沙床面上,另外,粗沙和细沙的相对比例也影响沙波纹的形态特征。理论模型能够成功地再现沙波纹形成过程中粗沙聚集在波峰而细沙聚集在波谷这一分选现象,分析并给出理论结果的物理解释,定性定量上与野外观测和风洞实验一致。最后,数值模拟了混合粒径情景下沙波纹的时空演化规律和颗粒的分选过程。