風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究綜述

風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究綜述

風(fēng)和沙是緊密相連的。通俗地講,有風(fēng)就會(huì)產(chǎn)生沙,就會(huì)形成風(fēng)沙流,引發(fā)水土流失。風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律也就是風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。新疆地域遼闊,氣候干燥,戈壁沙漠廣布,水土流失嚴(yán)重,是一個(gè)以風(fēng)蝕為主的省區(qū)。了解和掌握風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律,不僅有助于提高水土保持方案的編制質(zhì)量,根據(jù)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律制定合理的防治措施,同時(shí)對提高風(fēng)蝕監(jiān)測技術(shù)水平,制定風(fēng)蝕監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也具有積極的幫助和促進(jìn)作用。1風(fēng)的形成和運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)1.1大氣風(fēng)力侵蝕由于地球表面熱量分布的不均,出現(xiàn)了氣壓差,空氣由高壓區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng),就產(chǎn)生了風(fēng)。大氣對流層中貼近地面100m范圍內(nèi)的氣層稱為近地層(地表風(fēng)力),一切風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)都與本層大氣的性質(zhì)及活動(dòng)狀況有關(guān),因此也是風(fēng)力侵蝕研究的重點(diǎn)。風(fēng)力強(qiáng)度通常用蒲福風(fēng)力等級來表示,共分為18個(gè)等級(0—17級)。1.2風(fēng)的運(yùn)動(dòng)特征1.2.1南北風(fēng)和反風(fēng)風(fēng)向主要是受氣壓、大氣環(huán)流和地形控制。風(fēng)向常用16個(gè)方位表示。在秋季和冬季,新疆大部分地區(qū)處在蒙古高壓西部和南部,除南疆西部和西南部盛行西北風(fēng)和西風(fēng)外,其他地區(qū)多東北和偏東風(fēng);在春夏和夏季,新疆處在熱低壓的北側(cè),風(fēng)向主要受局地環(huán)流支配,北疆地區(qū)和南疆西部盛行西北風(fēng)和西風(fēng)。另外,在南疆南部的于田、民豐及以西地區(qū),秋冬季盛行西風(fēng);民豐、且末以東地區(qū)春夏季盛行東北風(fēng)。東北風(fēng)和西風(fēng)的分界線秋冬季在尼亞雅河附近,春夏季則在克里雅河附近。1.2.2山區(qū)風(fēng)速分布在大氣環(huán)流和地形的綜合影響下,使新疆地面風(fēng)速分布變得極為復(fù)雜和極不均勻。其總體分布特點(diǎn)是:北疆大,南疆小;北疆東部、西部和南疆東部大,準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地內(nèi)部小,高山大,中低山區(qū)小。年平均風(fēng)速,北疆準(zhǔn)噶爾盆地西部和額爾齊斯河河谷西部在4m/s以上;北疆東部東天山北麓在4m/s以上;沿天山北麓的農(nóng)業(yè)地區(qū)在3m/s以下;伊犁河谷為2～2.5m/s。烏魯木齊—達(dá)坂城谷地是南北疆氣流通道,谷地內(nèi)平均風(fēng)速4～6m/s;東疆地區(qū)風(fēng)速較大,哈密西部了墩至十三間房的百里風(fēng)區(qū),年平均風(fēng)速4.5～5.5m/s。山區(qū)風(fēng)速的分布比較復(fù)雜。中低山區(qū)風(fēng)速較小,多在3m/s以下;河谷地區(qū)風(fēng)速比附近山坡大1m/s左右;高山和山脊接近自由大氣風(fēng)速,多在3m/s以上。2風(fēng)流特征與其他流體一樣,風(fēng)也存在兩種流態(tài)特征:層流和紊流。2.1層流的變化特性層流的空氣質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡平穩(wěn),鄰近的空氣質(zhì)點(diǎn)平衡運(yùn)動(dòng),互不干擾,這樣的空氣流動(dòng),叫做層流。空氣的這種流態(tài),僅在地表平坦、風(fēng)速很小的情況下才能出現(xiàn)。2.2渦流發(fā)生的影響當(dāng)風(fēng)速稍大時(shí),層流大氣即失去其穩(wěn)定性而變成紊流。紊流的空氣質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不規(guī)則,并且互相干擾,各氣流層層間夾雜了大小不同的渦旋運(yùn)動(dòng)。渦流的產(chǎn)生使得各層之間的動(dòng)能更易交換,上下層之間的流速趨于一致,這對沙粒運(yùn)動(dòng)時(shí)是非常重要的,因此也是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的主要形式。在室外大氣中如果風(fēng)速超過1.0m/s(1級風(fēng)),空氣流動(dòng)必然是紊流,特別是引起沙粒運(yùn)動(dòng)的風(fēng)幾乎都是紊流運(yùn)動(dòng)。因此,風(fēng)的動(dòng)量傳遞和交換,是由整群的空氣分子構(gòu)成旋渦并作橫向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的,所以風(fēng)速受地面摩擦阻力的影響,愈近地表風(fēng)速愈小。3陣風(fēng)下沙粒的振動(dòng)自20世紀(jì)以來,中外科學(xué)家對靜止沙粒受力起動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了深入的研究,其中以沖擊碰撞說較有代表性。1980年我國學(xué)者吳正在風(fēng)洞試驗(yàn)中用高速攝影方法對沙粒運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了研究,他認(rèn)為在風(fēng)力作用下,當(dāng)平均風(fēng)速等于某一臨界值時(shí),個(gè)別突出的沙粒在湍流和壓力脈動(dòng)的作用下,開始振動(dòng)或前后擺動(dòng),但并不離開原來位置。當(dāng)風(fēng)速增大超過臨界值后,振動(dòng)也隨之加強(qiáng),迎面阻力(拖曳力)和上升力相應(yīng)增大,并足以克服重力的作用,氣流的旋轉(zhuǎn)力矩促使某些最不穩(wěn)定的沙粒首先沿沙面滾動(dòng)或滑動(dòng)。由于沙粒幾何形狀和所處空間位置的多樣性,以及受力狀況的多變性,因此在滾動(dòng)過程中,一部分沙粒碰到地面凸起沙粒的沖擊時(shí),就會(huì)獲得巨大沖量。受到突然沖擊力作用的沙粒,就會(huì)在碰撞瞬間由水平運(yùn)動(dòng)急劇地轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪边\(yùn)動(dòng),驟然向上(有時(shí)幾乎是垂直的)起跳進(jìn)入氣流運(yùn)動(dòng),沙粒在氣流作用下,由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到躍起狀態(tài)。4風(fēng)力侵蝕沙粒風(fēng)將大小和質(zhì)量不同的沙粒吹離地表,以懸移、躍移和蠕移三種方式進(jìn)入氣流中運(yùn)動(dòng)形成風(fēng)沙流。風(fēng)沙流使地表物質(zhì)從一處轉(zhuǎn)移到另一處的過程,為風(fēng)沙搬運(yùn)作用,即風(fēng)力侵蝕。風(fēng)沙流是氣流及其搬運(yùn)的固體顆粒(沙粒)的混合流。按照水利部現(xiàn)行的《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)中規(guī)定的粒徑劃分規(guī)定,風(fēng)沙流搬運(yùn)的物質(zhì)主要是粒徑在2mm以下的沙粒(粗沙、中沙和細(xì)沙)、粉粒和黏粒。風(fēng)沙流中沙粒因風(fēng)力大小、顆粒粒徑、質(zhì)量不同而以懸移、躍移、蠕移三種形式向前運(yùn)動(dòng),見圖1。4.1沙粒的黏?；?dāng)沙粒起動(dòng)后以較長時(shí)間懸浮于空氣中而不降落,并以與風(fēng)速相同的速度向前運(yùn)動(dòng)時(shí)稱為懸移。懸移運(yùn)動(dòng)的沙粒稱為懸移質(zhì)。懸移質(zhì)粒徑一般為<0.10mm的沙粒,甚至<0.05mm的黏粒。若風(fēng)速為5m/s,<0.10mm的沙粒就能懸移,因?yàn)樗鼈冊诳諝庵械某了傩∮?m/s。由于懸移質(zhì)的體積小質(zhì)量輕,在空氣中的自由沉速很少,所以一旦被風(fēng)揚(yáng)起就不易沉落,因而可以長距離搬運(yùn),搬運(yùn)距離可達(dá)2000km以外才沉降。如中國黃土不但可從西北地區(qū)懸移到江南,甚至可懸浮到日本。但是這部分懸移質(zhì)在風(fēng)蝕總量中所占比例很小,一般還不足10%,甚至在1%以下。4.2權(quán)利人的因勢而動(dòng)運(yùn)動(dòng)沙粒在風(fēng)力作用下脫離地表進(jìn)入氣流后,從氣流中取得動(dòng)量而加速前進(jìn),又在自身的重力作用下以很小的銳角落向地面。由于空氣的密度比沙粒的密度要小得多,沙粒在運(yùn)動(dòng)過程中受到的阻力較小,降落到地面時(shí)有相當(dāng)大的動(dòng)能。因此不但下落的沙粒有可能反彈起來,繼續(xù)跳躍前進(jìn),而且由于它的沖擊作用,還能使其降落點(diǎn)周圍的一部分沙粒受到撞擊而飛濺起來,造成沙粒的連續(xù)跳躍式運(yùn)動(dòng)。沙粒的這種運(yùn)動(dòng)方式稱為躍移,躍移運(yùn)動(dòng)的沙土顆粒稱為躍移質(zhì)。躍移質(zhì)速度較快,一般每秒可達(dá)數(shù)十到數(shù)百厘米。躍移運(yùn)動(dòng)是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的主要形式,在風(fēng)沙流中躍移沙量可能達(dá)到運(yùn)動(dòng)沙量總重量的70%～80%。粒徑0.10～0.15mm的沙粒最易以躍移方式移動(dòng)。在沙質(zhì)地表上躍移質(zhì)的跳躍高度一般不超過30cm,而且有一半以上的躍移質(zhì)是在近地表5cm高度范圍內(nèi)活動(dòng)的。跳躍沙粒下落時(shí)的角度一般保持在10°～16°,因此它的飛行距離與躍起高度成正比。4.3沙粒的壓縮和組成風(fēng)動(dòng)力地表沙粒當(dāng)受到躍移沙粒的沖擊時(shí),便獲得了能量,并沿地面徐徐向前移動(dòng)或滾動(dòng)。沙粒的這種運(yùn)動(dòng)方式稱為蠕移。蠕移運(yùn)動(dòng)的沙粒稱為蠕移質(zhì)。在單位時(shí)間內(nèi)蠕移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)可以是間斷的,在低風(fēng)速時(shí)蠕移速度只有幾毫米每秒,但在風(fēng)速加大時(shí),滾動(dòng)速度也可加大;在高風(fēng)速時(shí),整個(gè)地表可有一層沙粒緩慢向前移動(dòng)。蠕移質(zhì)的量可以占到總沙量的20%左右。呈蠕移運(yùn)動(dòng)的沙粒都是粒徑在0.15～2.00mm的粗沙。造成這些粗沙運(yùn)動(dòng)的力可以是風(fēng)的迎面壓力,也可以是躍移沙粒的沖擊力。觀測表明以高速運(yùn)動(dòng)的沙粒在躍移中通過對地面沙粒的沖擊,可以推動(dòng)6倍于它的直徑或200倍于它的質(zhì)量的粗沙粒發(fā)生蠕移。在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)中,風(fēng)沙流中躍移運(yùn)動(dòng)是風(fēng)力侵蝕的根源。這不僅表現(xiàn)為躍移質(zhì)在運(yùn)動(dòng)沙粒中所占的比重最大,更主要的是躍移沙粒的沖擊造成了更多懸移質(zhì)和蠕移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。正是因?yàn)橛辛塑S移質(zhì)的沖擊,才使成倍的沙粒進(jìn)入風(fēng)沙流中運(yùn)動(dòng)。在風(fēng)沙搬運(yùn)的物質(zhì)中,以躍移質(zhì)為主,一般占總沙量的70%～80%;蠕移質(zhì)次之,一般占20%左右;懸移質(zhì)最少,一般不足10%,甚至在1%以下。因此,風(fēng)沙搬運(yùn)物的絕大部分位于近地表30cm的高度范圍內(nèi),其中又特別集中在距地面10cm以下的風(fēng)沙流中。5關(guān)于沙粒粒徑當(dāng)?shù)乇盹L(fēng)力逐漸增大到某一臨界值后,地表沙粒脫離靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)動(dòng),這時(shí)的風(fēng)速稱為臨界風(fēng)速或起動(dòng)風(fēng)速,一切大于起動(dòng)風(fēng)速的風(fēng)稱為起沙風(fēng)速。起沙風(fēng)速與沙粒粒徑、地表性質(zhì)、沙粒含水率以及植被覆蓋率等自然條件有關(guān)。一般來講,沙粒粒徑越大,起沙風(fēng)速越大;當(dāng)沙粒粒徑相同時(shí),受表面吸附水膜黏著力影響,潮濕沙面的起沙風(fēng)速大于干燥沙面的起沙風(fēng)速。國內(nèi)外專家研究證實(shí),在一般情況下起動(dòng)風(fēng)速和沙粒粒徑的平方根成正比。根據(jù)觀測,在離地面2m高處以粒徑0.10～0.25mm[按《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)規(guī)定屬于粉沙、細(xì)沙]為主的干燥裸露沙地表,起沙風(fēng)速一般為5～6m/s(相當(dāng)于3～4級風(fēng))。6從陣風(fēng)發(fā)生回入地表—風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)是以風(fēng)沙流來表示的。風(fēng)吹過松散物質(zhì)所組成的地表,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到使沙粒脫離地表進(jìn)入氣流中移動(dòng)的臨界速度(即起沙風(fēng)速)時(shí),就形成了風(fēng)沙流。風(fēng)沙流的形成依賴于空氣與沙質(zhì)地表兩種不同密度物理介質(zhì)的相互作用,而它的特征對于風(fēng)蝕風(fēng)積作用的研究及防沙措施的制定具有重要意義。6.1含沙量分布規(guī)律6.1.1地面以上20cm的高度根據(jù)野外觀測,風(fēng)沙流中氣流搬運(yùn)的沙量絕大部分(90%以上)是在地面以上30cm的高度范圍內(nèi)通過的,尤其是集中在地表0—10cm的高度(約占80%)范圍內(nèi),見表1。也就是說,風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)是一種近地面的沙粒搬運(yùn)現(xiàn)象。不同風(fēng)速時(shí)含沙量與高度的關(guān)系如圖2所示。6.1.2動(dòng)態(tài)風(fēng)速顯著超過起沙風(fēng)速時(shí)的含沙量變化風(fēng)沙流中的含沙量不僅隨高度不同而變化,也隨風(fēng)速的大小而變化。在距地面2m高處,當(dāng)風(fēng)速顯著超過起沙風(fēng)速后,風(fēng)沙流中的含沙量急劇增加,見表2。風(fēng)速愈大,在距地表10cm范圍內(nèi)含沙量的絕對值也愈大,它們成指數(shù)函數(shù)關(guān)系:S=e0.74vS=e0.74v式中:S為絕對含沙量;v為風(fēng)速;e為常數(shù),其值等于2.718。6.2近地表氣流中沙粒分布風(fēng)沙流中沙粒隨高度的分布稱為風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。風(fēng)沙流在近地表10cm范圍內(nèi)的含沙量分布是不均勻的。不同風(fēng)速下氣流中含沙量隨高度分布見圖2。無論風(fēng)速如何變化,高度與風(fēng)速呈線性關(guān)系,含沙量隨高度迅速遞減。在同一粒徑的沙粒組成的地表上,無論風(fēng)速大小,近地表氣流中總有一層(圖3中為2—3cm處)的含沙量是相對穩(wěn)定的(約占15%)。隨著風(fēng)速的增大,下層氣流中的沙量相對減少(絕對值增加),但相應(yīng)增加了上層氣流中搬運(yùn)的沙量,其絕對值和相對值都在增加。風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)決定著沙粒吹蝕與堆積過程的發(fā)展。在不同風(fēng)速下,0—10cm氣流層中沙粒的分布特點(diǎn)為:第一層:地面以上0—1cm的第一層含沙量隨著氣流速度的增加而減少;第二層:地面之上1—2cm的第二層沙量不管速度如何,沙量保持不變,約占0—10cm層總沙量的20%;第三層:地面之上2—3cm的第三層沙量,約有15%的平均沙量在這一層中搬運(yùn),高度保持不變,并不以速度的變化而轉(zhuǎn)移;第三層以上: