土壤风蚀

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

土壤风蚀:每次沙尘暴的沙尘源和影响区都会受到不同程度的风蚀危害,风蚀深度可达1~10厘米。

据估计,我国每年由沙尘暴产生的土壤细粒物质流失高达106~107 吨,其中绝大部分粒径在10微米以下,对源区农田和草场的土地生产力造成严重破坏。

——百度百科沙尘
风对地表形态的塑造过程。

这种作用表现为风对地表物质的风蚀、搬运和堆积过程,分布范围很广,干旱区、半湿润区乃至湿润区均有分布。

干旱区由于具有干燥多风、地表植被稀疏甚至完全裸露等自然特征,因而那里的风力作用很强,成为荒漠地貌发育的主要外营力,形成了与流水、冰川及重力等其他外营力塑造的地形完全不同的风成景观(见风蚀地貌、风积地貌)。

风蚀作用指地表物质在风力作用下脱离原地的过程。

包括吹蚀作用和磨蚀作用。

吹蚀作用地表松散泥沙或基岩风化碎屑物被风吹扬而离开原地的过程。

吹蚀作用的产生取决于近地表的风力状况(流态、流速)和地表泥沙的物理力学性质。

由于空气的密度小、粘滞性低,近地表风一般呈紊动状态,其风速的垂直分布基本遵循对数律,方程如下:
其中u为高度y处的风速;k为紊动卡门常数,与温度有关,通常取0.40;y0是风速为零的高度;U*是摩阻流速。

风对地表泥沙的拖曳力(或曰剪应力τ)取决于风的摩阻流速和空气密度(ρ)。

风速增大,摩阻流速亦增大,地表泥沙颗粒所受的拖曳力亦随之增加,当风速达到某一程度时就会使地表沙粒开始运动。

英国R.A.巴格诺尔德根据起动条件下作用在沙粒上的力的平衡,得出沙粒在开始运动时的最小摩阻流速(又称流体起动条件,U*c)为:
式中ρs为沙粒密度;d为粒径;g为重力加速度;A为经验系数,对于>0.1毫米的石英沙粒其值为0.1。

W.J.切皮尔根据作用在沙粒上力的平衡,并考虑到起动现象的随机性,直接用剪切力表示其临界起动值(τc):
式中rs、r分别为颗粒和空气比重;d为粒静。

两式获得的结果基本相同。

巴格诺尔德在风洞实验中还发现,当沙粒起动以后,由于跃移颗粒的碰撞,风速稍许低于流体起动条件时床面沙粒仍会保持运动,此时A值为0.08,这个起动条件称为冲击起动条件(U*t,又称起动摩阻流速),并表示为(对于石英沙粒):
由上可见,对于>0.1毫米的泥沙颗粒来说,因密度(或比重)和粒径的不同,起
始运动所需的风速(临界风速)是不一样的。

对于密度相同的泥沙颗粒,临界起动风速将随
粒径而变化,遵循平方根律()。

这个关系已得到反复证实,而且受颗粒形状等因素的影响很小。

根据中国沙漠地区(新疆莎车等地)的观测资料,亦获得十分相似的依存关系(见表)
风力作用
但细粒泥沙(<0.1毫米)并不遵循上述规律,当床面仅由细小颗粒组成时,随着颗粒粒径的减小,流体起动值反而越来越大(图1)。

这是由于更细的颗粒一方面受到附面层流层的隐蔽作用,同时易从大气中吸附水分使粒间产生一定粘结力所致。

B.弗莱彻通过量纲分析和一系列试验提出包括粗细颗粒在内的统一起动摩阻流速(U*t)公式:
式中v为空气动粘滞系数;c为粒间粘结力。

由图1可以看出,地表最易遭受风力吹蚀的松散泥沙是粒径为0.1毫米左右的粉细沙,太粗太细均不易为风力所驱动。

切皮尔发现等效直径超过0.5毫米(实际直径0.84毫米)的颗粒(或块体),极少会受到吹蚀(也称之谓不可蚀因子)。

钱宁也认为在一般情况下大于粗沙(>1.0毫米)的泥沙颗粒均不易直接为崇力所驱动。

风能够在地表吹离更大颗粒的现象是极为罕见的(在南极曾发现有由粒径5~30毫米颗粒组成的沙波)。

因此吹蚀作用通常多限于具有粉细沙颗粒的地域。

风力作用
磨蚀作用风通过携带的沙粒对地表的冲击、摩擦过程。

洁净的风(非挟沙气流)即使是超过临界起动值的,通常也只能对处于松散状态(无粒间粘结力)的一定粒径范围内的颗粒具有吹蚀作用,对于多数地表则是无显著作用的。

但是,风如挟沙形成挟沙气流,则以其所携带的泥沙颗粒为工具,对地表会产生巨大的冲击力和摩擦力。

试验证明,风所挟带的以高速跃移的颗粒通过冲击方式可以推动直径6倍于它或重量200余倍于它的颗粒;处于不同胶结程度的土壤结壳或泥沙块体,也会因受被吹扬颗粒的滚动或滑动摩擦,特别是跳跃颗粒的撞击而发生崩解和破碎,使地表增加风吹蚀的泥沙数量,加剧风蚀;各种风蚀地貌(特别是正地形)实质上是由挟沙气流塑造的,如风蚀壁龛(石窝)、风蚀蘑菇、雅丹等。

搬运作用指风所挟带各种不同粒径的泥沙颗粒被输移的过程。

搬运形式有跃移、悬移和蠕移3种基本形式。

①跃移。

沙粒由风力上扬作用而脱离地表后,在气流中取得动量加速前移(图2)。

由于空气密度比沙粒密度小得多(约1:2000),沙粒所受阻力较小,所以在落到地面时仍有相当动量,或反弹跃起,或冲击其他颗粒跃起,使风沙运动很快达到很大强度。

以0.10~0.15毫米的沙粒最易以跃移方式运动。

据风洞试验和野外观测资料,天然沙丘沙呈跃移的沙量在气流挟带的全部沙量中所占比例虽随风速增大而增加,但变动不大,平均约占3/4。

跃移颗粒的运动轨迹类似一抛物线,降落角较小,一般为10°~16°。

起跳角变化较大,约40%的起跳角在30°~50°,28%在60°~80°。

跃移长度与高度之比值随起跳角加大而变小。

沙粒在跃移过程中还不断旋转,转速达每秒几百转至上千转。

风力作用
②悬移。

一般小于0.1毫米的泥沙颗粒由于其沉速通常小于吹蚀风的脉动向上分速,一旦被跃移颗粒逐出地面便以悬移方式运动,其运动性质完全取决于上空气流结构。

T.von卡门曾计算过细粒泥沙自地表外移以后,在空气中持续的时间(T)和所能达到的距离(L):
式中μ为空气粘滞系数;U为平均风速;ε是紊动交换系数,对于较强劲的风可取104~105毫米2/秒。

由公式可见,一个数量级的粒径差异会使悬移颗粒在气流中的悬持时间增大4个数量级。

因而较细的粉沙和粘土颗粒容易为气流输移较大的距离并达到较高的高度。

在沙丘沙的风力输移中,悬移量所占比例一般不足5%,甚至在1%以下。

③蠕移。

较大的颗粒因风压或跃移颗粒的冲击作用使之沿地面滚动或滑动。

其移动速度很低,平均每秒只有1~2厘米,而跃移颗粒平均速度每秒可达数百厘米。

凡在0.5~1.0毫米的粗沙一般均以蠕移方式运动,蠕移量约占全部输沙量的1/4左右。

在风力输移泥沙的各种运动形式中,以跃移为最重要,它是输移沙量的主体。

这与以悬移为主的流水输沙不同,产生这种差别的根本原因在于流体介质(空气和水)的密度差异很大(约1:800)。

钱宁把上述3种运动形式的泥沙分别称为跃移质、悬移质和蠕移质,跃移质和蠕移质又统称为推移质。

搬运高度挟沙气流中的泥沙在不同高度上的相对含量(或浓度、输沙率)随风力和地表性质等不同而有变化。

据中国沙漠地区的观测资料,跃移质含量在各种风速下随高度的分布似遵循对数律,含量随高度增加而递减(图3)。

日本河村等曾从理论上探讨跃移质含量沿垂线的分布,并与实验结果作了比较,得出图4所示的分布规律(其中u0.3为0.3米高处的风速)。

跃移质主要集中在地表附近,随风速增大,跃移高度也逐渐增加。

风力作用风力作用
悬移质含沙量在不同高度上的分布遵循幂函数规律,即在对数纸上呈一直线(图5 )。

——互动百科风力作用
风沙流的形成
wind-drift sand
风成沙在风力作用下的移动现象。

风携带各种不同粒径的沙粒,使其发生不同形式和不同距离的位移称风的搬运作用。

当近地面的风速大于每秒4米时,0.1~0.25毫米粒径的沙粒就能被搬运形成风沙流。

通常,被风吹扬的沙粒的颗粒大小和风速成正比。

风沙流中的含沙量与高度有关。

据观察,风沙流中的绝大部分沙粒都在近地表10厘米以下,并随着风速
的增大而增多。

风沙流-运动方式
风沙粒的运动方式有3种:①<0.2毫米的沙粒在风速每秒5米时,呈悬浮状态移动称悬移。

②气流中飞跃的颗粒,降落时碰撞地面而产生的回弹称跃移。

③跃移颗粒对地面较大颗粒冲击后,缓缓向前移动称蠕移。

——互动百科风力作用
风的地质作用-正文
风及其挟带的沙粒及尘土对地表岩石和地形的破坏和建造作用的总称。

包括风蚀作用、搬运作用和沉积作用。

前二者是破坏作用,后者是建造作用,基本上均属于机械作用。

风的地质作用在气候干旱、温差大、物理风化强烈而植被稀少的地区,特别是荒漠中很强烈。

风沙运动的特点风主要是空气的水平运动,呈层流和紊流两种状态。

由于地面摩擦的影响,越近地面风速越小。

当风速大到足以把沙粒举入气流中时,形成挟沙的气流,叫风沙流。

启动沙粒的风速受沙粒粒径、沙层含水率等的影响。

在新疆野外测得,2米高处,风速达4米/秒的风便可挟带粒径为0.1~0.25毫米的细沙,形成风沙流。

风沙流中沙量的分配随离地面高度的增加而减少,绝大部分沙集中在自地面到30厘米高的范围内。

风速5米/秒,在0~10厘米的高度上含沙量占90%。

所以,风的地质作用集中于近地表范围内。

风蚀作用风对地表岩石、地形的破坏改造作用。

其方式有2种:一是吹蚀作用(吹扬作用),风直接把地表松散沙粒和尘土吹走,并使地面遭到破坏;一是磨蚀作用,指风中沙粒对岩石的磨损。

两种方式伴生。

风中的沙粒在岩石的裂隙中或表面坑洼处表现出强烈的旋转运动。

质地不均匀的岩石经风蚀作用后,表面可形成小凹坑和洞穴,叫石窝;砾石改变成具有多个磨光面而边棱清晰的石块,叫风棱石;突出地面的石块变成下小上大的蘑菇状,叫石蘑菇。

垂直节理发育的岩层,可被风蚀作用改造成石柱群,地面流水形成的沟谷可被风蚀作用改造成风蚀谷。

风蚀谷的特征是形状蜿蜒曲折,谷底崎岖不平,两坡陡峻。

风蚀作用使风蚀谷不断扩大,谷间地区不断缩小,最后只剩下孤立的风蚀残丘。

由于岩层产状和构造不同,残丘有尖塔状、城堡状等。

风蚀作用还可以挖掘出风蚀坑,当地下水面出露时,则成为绿洲。

风的地质作用
风的搬运作用风将地面松散沙粒搬往它处的过程。

在风的作用下,沙粒有3种移动方式:悬移、跃移和推移。

①悬移。

细小的沙粒和尘土在风力冲击和紊流上举力作用下,脱离地面随气流移动叫悬移。

悬移物的粒径一般小于0.2毫米,而小于0.05毫米的一经启动就不易沉降,可漂移到距源地2000公里之外的地区。

②跃移。

风沙流中的沙粒在重力作用下不时下落,以平缓的倾角迅速冲击地面后,再反弹起来继续前进,并使冲击点附近部分的沙粒也加入前进行列。

这种弹跳式的前进叫跃移。

跃移沙的粒径一般为0.2~0.5毫米,速度可达几至几十厘米/秒。

③推移(蠕动)。

沙粒或细砾沿地面滚动或滑行。

它可以由风力直接推动,也可以由跃移沙的冲撞产生。

跃移沙可以推动6倍于其体积的碎屑向前滚动,所以高风速时地表有一层徐徐移动的沙流,移动速度一般不到2.5厘米/秒。

被风搬运的沙、土移动方式以跃移为主,占总搬运沙量的70~80%,推移的约为20%,悬移的少于10%。

沙粒移动的方式随风速大小而变。

风的沉积作用风速减小,碎屑所受重力大于风的推动和下举力时即发生沉积。

风减速的原因有地面的摩擦,地面障碍物的阻挡,与冷湿气流相遇而被抬升。

风的沉积物叫风积物。

风积物有良好的粒度分选性和分布分带性,即从风源地向外,由粗到细呈带状分布。

风积物主要有风成沙和黄土。

①风成沙和沙丘。

经风力改造而后再沉积的沙叫风成沙。

来源多为其他外力作用形成的松散沉积物。

如残积物、冲积物等。

典型的风成沙的组分以石英为主,其次为长石、云母等。

风成沙的分选性和磨圆度都很好,表面呈毛玻璃状,有撞击痕,常呈黄褐色。

风沙流遇到岩石、树丛等阻挡时,沙在障碍物后停积形成沙堆,沙堆顺风延伸,进而演变成沙丘。

由于风向、来沙量和地形等的不同,沙丘有各种形态,以及不同的高度和长度。

新月形沙丘较常见,平面为弯月形,迎风坡缓(5°~20°),背风坡陡(30°~34°)(图2)。

未固定的沙丘能不断移动,掩埋农田和建筑物等。

②风成黄土。

灰黄- 棕黄色粉沙质的土状沉积物。

疏松多孔、无层理、垂直节理发育,并含有一定量的碳酸盐矿物。

黄土主要分布在沙漠区和大陆性冰川区的外缘。

中国黄土主要分布在西北的黄土高原区,一般厚达150~200米。

风的地质作用盛行地区的自然景观为荒漠。

荒漠是大陆上气候干旱,雨量稀少,植被稀疏、矮小,土地贫瘠之地。

荒漠有石质、砾质和沙质之分。

石质和砾质的平地叫砾漠(戈壁);完全被沙层覆盖的是沙漠。

荒漠占陆地面积的1/5。

风的地质作用
参考书目
吴正著:《风沙地貌学》,科学出版社,北京,1987。

R.A.拜格诺著,钱宁等译:《风沙和荒漠沙丘物理学》,科学出版社,北京,1959。

(R.A.Bagnold,The Physics of Blown Sand and Desert Dunes,Methuen,London,1954.)
1938年,V oznesenskil定义E=dh/a为土壤可蚀性指数。

其中d是分散率,h是土壤亲水性,a 是在流速为100cm/min的水流作用1小时条件下,仍保持不分散的≥0.25 mm的团聚体含量。

1982年,Skidmore等人把颗粒组成与风蚀度联系起来,按粒度结构将其分为两大类:一类是粒径>0.84mm的不易蚀土粒,称为非可蚀性颗粒(NEP);另一类是粒径≤0.84 mm的可蚀性颗粒(EP)。

其中,粒径0.05~0.50 mm的土粒为最易蚀性颗粒(MEP)。

相关文档
最新文档