地表土壤風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度及其影響因素

地表土壤風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度及其影響因素

1對(duì)地面起沙量的影響地表土壤的風(fēng)蝕和沙化作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，它反映了運(yùn)動(dòng)的空氣流和土壤顆粒之間的相互作用。研究表明,這是一個(gè)由許多因素控制影響的復(fù)雜的物理過(guò)程。對(duì)于風(fēng)蝕起沙的諸多影響因子,國(guó)內(nèi)外已有很多研究。Wodruff等把地表土壤的風(fēng)蝕起沙量用土壤侵蝕度、地表粗糙度、氣候因子、盛行風(fēng)方向的田地長(zhǎng)度(或?qū)挾?和植被覆蓋等五個(gè)因子表示,建立了半經(jīng)驗(yàn)性的土壤風(fēng)蝕方程;Gillette等認(rèn)為,地表的沙塵排放量是風(fēng)速和地表狀況(包括土壤水分和地表植被等)的函數(shù);Shao等把所有的影響因素概括地分為天氣和氣候條件(主要是大風(fēng)和少量的降水)、土壤狀態(tài)(包括土壤的礦物成分、粒子尺度分布特征、土壤硬度和土壤水分等)、地表粗糙元素(非侵蝕性土壤集合、植被覆蓋度)以及土壤的利用和管理等四個(gè)方面;賀大良等利用室內(nèi)風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞對(duì)影響土壤風(fēng)蝕起沙的風(fēng)況(含沙量和風(fēng)速大小)、土壤表面的覆蓋狀況(植被等)、地表物質(zhì)組成和人為因素(開(kāi)墾和放牧)等影響因子進(jìn)行了初步的模擬試驗(yàn)。已有的許多風(fēng)蝕起沙模型表明,地面風(fēng)蝕起沙量的多少在計(jì)算中主要受摩擦速度u(或風(fēng)速u(mài))和地表風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度u*t(或臨界風(fēng)速u(mài)t)所影響,上述諸多因素正是通過(guò)影響u*(或u)和u*t(或ut)進(jìn)而影響地面起沙量的,其中u*t主要受大風(fēng)和地表粗糙度等的影響,u*主要受粒子尺度、土壤水分、植被覆蓋以及土壤硬度等的影響。另外,Shao認(rèn)為,地表土壤的粒子尺度分布在風(fēng)蝕起沙過(guò)程中隨時(shí)間發(fā)生變化,這一點(diǎn)對(duì)地面起沙量也有較大影響。本文根據(jù)敦煌地區(qū)戈壁和綠洲的觀測(cè)資料,對(duì)地表土壤風(fēng)蝕起沙的臨界摩擦速度u*t及其在戈壁和綠洲變化特征的異同和風(fēng)蝕起沙過(guò)程中地表土壤的粒子尺度分布p(d)及其對(duì)垂直塵粒通量(風(fēng)蝕起沙量)的影響進(jìn)行了分析研究。2土壤硬度和地表土壤水分含量的測(cè)定方法理論和試驗(yàn)研究表明,在地表土壤的風(fēng)蝕起沙過(guò)程中,沙粒的跳躍運(yùn)動(dòng)是一個(gè)最關(guān)鍵的過(guò)程。對(duì)跳躍運(yùn)動(dòng)起支配作用的是空氣動(dòng)力,而空氣動(dòng)力則與u2*成正比,因此,地表土壤的風(fēng)蝕起沙與否必將對(duì)應(yīng)于一個(gè)臨界摩擦速度u*t,當(dāng)u*>u*t時(shí),空氣動(dòng)力大于沙粒的重力和內(nèi)部粘性力的合力,跳躍運(yùn)動(dòng)不能發(fā)生,地面會(huì)因此而起沙;當(dāng)u*<u*t時(shí),空氣動(dòng)力小于微粒的重力和內(nèi)部粘性力的合力,跳躍運(yùn)動(dòng)不能發(fā)生,地面也不會(huì)因此而起沙。圖1是根據(jù)Gillette等的起沙模型得到的垂直塵粒通量F隨u*t的變化,其中摩擦速度取定值1.0m·s-1。由圖1可見(jiàn),對(duì)一定的u*,F隨u*t的增大而線性減小,u*t越小,地面起沙量越大,u*t越大,地面起沙量越小。臨界摩擦速度表征的是地表對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙能力,主要受粒子尺度d、土壤水分含量w、植被覆蓋度λ以及土壤硬度等的影響。其中粒子尺度d對(duì)粒子所受的重力、空氣動(dòng)力和內(nèi)部粘性力均有影響;土壤水分含量w取決于降水、蒸發(fā)以及土壤的持水性等;植被覆蓋度λ一方面影響地表粗糙度進(jìn)而影響u*,另一方面可使植被根部附近的土壤粒子結(jié)合的更緊,不易因風(fēng)蝕而脫離地表;土壤硬度在一般情況下隨時(shí)間變化非常緩慢,但當(dāng)土壤被耕作時(shí),其硬度將發(fā)生很大變化,對(duì)此,目前還沒(méi)有一個(gè)較好的確定方法。Shao等在考慮d,w和λ等影響因素的基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)計(jì)算u*t的方案,即:u*t=Η(w)R(λ)√AΝ(σpgd+ερd),(1)u*t=H(w)R(λ)AN(σpgd+ερd)?????????????√,(1)其中AN和ε是經(jīng)驗(yàn)常數(shù),分別近似取0.0123和3×10-4kg·s-2;σP是土壤微粒密度(2650kg·m-3)和空氣密度(1.23kg·m-3)的比值;g是重力加速度,近似取9.81m·s-2;ρ為空氣密度。H(w)表征地表土壤水分對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙作用,其表達(dá)式根據(jù)Fecan等的研究得到:Η(w)={1√1+a(w-w′)bw≤w′w>w′,(2)其中a,b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),w′是土壤水分是否具有明顯阻礙作用的臨界值,a,b和w′的大小均決定于土壤類(lèi)型。R(λ)表征植被覆蓋對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙作用,其表達(dá)式根據(jù)Raupach的研究得到,即:R(λ)={1√(1-mσλ)(1+mβλ)λ=0λ>0,(3)其中σ是植被的根部面積與葉面面積之比,經(jīng)驗(yàn)值取1.45;β是單個(gè)植被元素的拖曳系數(shù)與沒(méi)有植被的地表的拖曳系數(shù)之比,經(jīng)驗(yàn)值取202;m是一個(gè)<1的常數(shù),經(jīng)驗(yàn)值取0.16;λ是植被的切面積指數(shù),決定于植被覆蓋分?jǐn)?shù)f,由以下經(jīng)驗(yàn)公式確定:λ={0-0.35ln(1-f)f=1f<1.(4)圖2是依據(jù)(1)式利用觀測(cè)資料得到的2002年4月8日00:00敦煌綠洲和戈壁u*t隨粒子尺度的變化,與之作比較的是Dong等根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)得到的沙地的u*t。其中土壤體積水分含量由觀測(cè)得到,綠洲和戈壁分別為0.304v/v和0.073v/v。植被覆蓋度則根據(jù)視測(cè)估算,對(duì)戈壁地表,λG≈0;對(duì)綠洲,由于4月份敦煌的農(nóng)田里幾乎沒(méi)有什么作物,取敦煌地區(qū)的平均植被覆蓋度代替,λ≈4.36%。從圖2可以看出:(1)對(duì)任一尺度的粒子,綠洲的u*t總是大于戈壁,這主要是因?yàn)榫G洲地表的土壤水分含量和植被覆蓋度遠(yuǎn)高于戈壁地表。(2)對(duì)較小粒子和較大粒子,綠洲和戈壁的u*t差異更大,說(shuō)明在這兩種情況下,土壤水分含量和植被覆蓋度對(duì)u*t的影響更大。(3)綠洲和戈壁的u*t隨粒子尺度的變化均是先減小后增大,在中間某一尺度處有一最小值,這種變化趨勢(shì)與Shao等得到的石英粒子的u*t隨粒子尺度的變化趨勢(shì)一致。主要原因是對(duì)較小粒子起支配作用的是微粒內(nèi)部的粘性力;對(duì)較大粒子是重力作用的增強(qiáng),這兩種力均對(duì)地表土壤的風(fēng)蝕起沙起阻礙作用,而介于兩者之間的粒子,則是空氣動(dòng)力起支配作用,因而更容易脫離地表。(4)對(duì)戈壁地表當(dāng)d≈80μm時(shí),(u*t)min≈0.43m·s-1。這個(gè)結(jié)果與申彥波等根據(jù)沙塵濃度指數(shù)的臨界值得到的同一天內(nèi)相同觀測(cè)點(diǎn)上的結(jié)果基本一致。對(duì)綠洲地表當(dāng)d≈80μm時(shí),(u*t)min≈0.74m·s-1。這與申彥波等的結(jié)果(也是在同一天內(nèi)同樣的觀測(cè)點(diǎn)上得到,u*t≈0.3m·s-1)出入較大。其原因在于在每年4月上、中旬的時(shí)間段內(nèi),綠洲站的地表土壤正處在翻耕之后最松碎的時(shí)候,土壤硬度和微粒內(nèi)部的粘性力均遠(yuǎn)小于未翻耕時(shí),最有利于起塵,而Shao的計(jì)算方法中卻無(wú)法考慮到這一點(diǎn),所計(jì)算的仍是一般壤土(loam)的u*t。這說(shuō)明人為因素對(duì)于地表土壤的風(fēng)蝕起沙有著較大影響,可能會(huì)使u*t減小一倍以上,這將大大地增加其地表的風(fēng)蝕起沙量。因此,在計(jì)算春季農(nóng)田地表風(fēng)蝕起沙量時(shí)必須考慮人工利用和管理因素。(5)對(duì)觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析表明,在通常情況下,u*的最大值約為1m·s-1。對(duì)照?qǐng)D中綠洲和戈壁的兩條曲線可以得出,大約在25～259μm(綠洲)或8～841μm(戈壁)的范圍內(nèi),u*t<1m·s-1,也就是說(shuō),只有這樣的微粒才有可能在空氣動(dòng)力學(xué)的直接作用下脫離地表。這一方面從一個(gè)側(cè)面印證了風(fēng)沙物理學(xué)中關(guān)于地表土壤微粒運(yùn)動(dòng)的三種形態(tài)(蠕移運(yùn)動(dòng)、跳躍運(yùn)動(dòng)和懸浮運(yùn)動(dòng))的劃分;另一方面由于綠洲和戈壁在這個(gè)范圍上有較大差異,說(shuō)明關(guān)于三種運(yùn)動(dòng)形態(tài)劃分的臨界值并不是固定的,而是隨地表特征變化的。(6)把戈壁的u*t與Dong等的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比較可以看出,在Dong等的粒子尺度變化范圍內(nèi),兩者的u*t在變化趨勢(shì)上基本一致,所不同的是Dong等的試驗(yàn)結(jié)果在每一粒子尺度均小于戈壁的u*t,其原因可能在于兩者的地表特征(土壤水分含量等)有所不同。3地表土壤溫度與粒子尺度分布的關(guān)系風(fēng)蝕起沙過(guò)程中,一部分土壤微粒被抬升脫離地表,導(dǎo)致土壤粒子尺度分布隨時(shí)間發(fā)生變化,進(jìn)而影響到地表土壤的風(fēng)蝕起沙量。對(duì)此,Shao采用加權(quán)的方法進(jìn)行確定:p(d)=γpm(d)+(1-γ)pf(d),(5)這里的p(d)是粒子尺度分布的質(zhì)量概率密度函數(shù)。根據(jù)其數(shù)學(xué)意義,d×p(d)即是粒徑為d的粒子所占的質(zhì)量百分比;pm(d)是土壤遭受最小程度的破壞時(shí)粒子尺度分布的概率密度函數(shù),pf(d)是土壤遭受最大程度的破壞時(shí)粒子尺度分布的概率密度函數(shù),pm(d)和pf(d)表征的是土壤的兩種理想的粒子尺度分布狀態(tài),對(duì)不同的土壤其分布特征也不同,具體計(jì)算時(shí)可通過(guò)3～4種高斯對(duì)數(shù)分布擬合,其形式如下:pi(d)=1dJ∑j=1ωj√2πσjexp(-(lnd-lnDj)22σ2j),(6)其中下標(biāo)i=m或f;J是高斯對(duì)數(shù)分布的個(gè)數(shù),根據(jù)Gomes等和Chatenet等的研究,一般取3～4;ωj是第j種分布所占的權(quán)重,Dj和σj分別是第j種高斯分布的位置參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差,這三個(gè)參數(shù)均可根據(jù)觀測(cè)到的粒子尺度分布利用最小二乘法確定。γ和(1-γ)分別是pm(d)和pf(d)在風(fēng)蝕起沙時(shí)所占的權(quán)重,γ=e-t(u*-u*t)n,t和n是兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù),近似取27.3和3,γ隨u*和u*t變化也即隨時(shí)間變化,從而使p(d)也隨時(shí)間變化。圖3a是根據(jù)采樣分析得到的敦煌戈壁地表土壤的平均粒子尺度分布和利用(2)式得到的當(dāng)u*=0.7m·s-1,u*t=0.43m·s-1時(shí)戈壁地表土壤的瞬時(shí)粒子尺度分布如圖3b所示。對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn),兩種粒子尺度分布在形狀上是一致的,都近似符合正態(tài)分布,但在峰值上卻有較大差異。圖3a中直徑為115μm的粒子所占質(zhì)量百分比最大,約為12.7%,而圖3b中則是直徑為297μm的粒子所占質(zhì)量百分比最大,約為10.2%。從圖2可以看出,在戈壁地表,115μm處的u*t要<297μm處的u*t,從而使前者比后者更容易被抬升脫離地表,因此在風(fēng)蝕起沙過(guò)程中后者的質(zhì)量百分比會(huì)逐漸變得比前者大。另外,對(duì)比圖2和圖3a可以發(fā)現(xiàn),最小的臨界摩擦速度所對(duì)應(yīng)的粒子在地表土壤中的質(zhì)量百分含量并不是最高。這說(shuō)明土壤微粒能否因風(fēng)蝕而脫離地表并不取決于其質(zhì)量百分比,含量高的微?？赡軙?huì)因?yàn)樗茏枇?內(nèi)部粘性力和重力)較大而不易脫離地表,含量較低的微粒則可能會(huì)因?yàn)樗芸諝鈩?dòng)力較大而較容易脫離地表。圖4是利用上述兩種粒子尺度分布根據(jù)Lu等的沙塵排放模式,計(jì)算得到的2002年4月8日敦煌戈壁的垂直塵粒通量,其中圖4a根據(jù)平均的粒子尺度分布得到,圖4b根據(jù)瞬時(shí)的粒子尺度分布得到。對(duì)單一粒子尺度d,Lu等的沙塵排放模式如下式所示:F(d)=cαgfρb2p(0.24+cβu*√ρpp)Q(d),(7)其中cα和cβ是兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù),近似取5.0和1.37;f是土壤中塵粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù),由粒子尺度分布情況決定;ρb和ρp分別是土壤的體積密度和微粒密度,分別取1000kg·m-3和2650kg·m-3;p是土壤的塑性壓力,對(duì)戈壁地表(沙地)取2×106Nm-2;Q(d)是順風(fēng)向沙粒通量,表征做跳躍運(yùn)動(dòng)的沙粒的量,可根據(jù)Owen方程確定。對(duì)包含多種尺度粒子的自然界土壤,可將(3)式根據(jù)地表土壤中沙粒的尺度分布p(d)進(jìn)行積分,得到:F=∫d2d1F(d)p(d)δd=cagfρb2p(0.24+cβu*√ρpp)∫d2d1Q(d)p(d)δd,(8)其中d1和d2是沙粒直徑的下限和上限。根據(jù)風(fēng)沙物理學(xué)中對(duì)地表土壤微粒的劃分,分別近似取60μm和1000μm。比較圖4a和b可以發(fā)現(xiàn),利用兩種粒子尺度分布得到的垂直塵粒通量F在曲線變化上基本一致,所不同的是圖4a中F的變化幅度較圖4b中的平緩,其主要原因是圖4b中的垂直塵粒通量在計(jì)算時(shí)考慮了u*和u*t對(duì)p(d)的影響,因而使得最后的結(jié)果對(duì)u*的變化更敏感。對(duì)順風(fēng)向沙粒通量Q和F分別做日平均可以得到:ˉQa=7.28×10-4kg?m-1?s-1,ˉQb=1.60×10-4kg?m-1?s-1,ˉFa=3.09×10-7kg?m-2?s-1,ˉFb=1.41×10-8kg?m-2?s-1,對(duì)比這兩組平均值可以發(fā)現(xiàn),ˉQa和ˉQb之間沒(méi)有量級(jí)上的差別,但ˉFa卻比ˉFb大20倍以上,兩者相差一個(gè)量級(jí)。究其原因,這主要是受(4)式中塵粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)f的影響。在風(fēng)蝕起沙過(guò)程中,一部分塵粒被沙粒碰撞而脫離地表,導(dǎo)致土壤中塵粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)隨時(shí)間而逐漸減小,但利用平均的粒子尺度分布計(jì)算F時(shí),對(duì)f取的卻是一個(gè)常數(shù),因而會(huì)導(dǎo)致最后的模擬結(jié)果偏大。另外,沈志寶等利用觀測(cè)的粒子數(shù)濃度對(duì)敦煌戈壁地表的沙塵排放率(即垂直塵粒通量)進(jìn)行了估算,得到2002年4月8日11:31～16:28(沙塵天氣較嚴(yán)重)這段時(shí)間內(nèi)F的平均值為9.95×10-9kg·s-1(該結(jié)果有兩種,本文只引用其d>5.0μm的塵粒,取平均直徑=7.5μm時(shí)的結(jié)果),同時(shí)段Fa和Fb的平均值分別為1.06×10-6kg·m-2·s-1和5.68×10-8kg·m-2·s-1。由于文獻(xiàn)的結(jié)果是在一