土壤侵蚀原理第4章风力侵蚀

第4章风力侵蚀主要教学目标：本章教学目的主要是分析风力侵蚀发生机制及其发展规律，阐述风力侵蚀形式及影响风力侵蚀的自然因素。

使学生掌握风力侵蚀的发生机制及发展规律，掌握防治风力侵蚀的基本方法和对策。

主要内容：第一节风沙运动第二节风蚀与风积作用第三节沙漠化成因与类型第四节沙尘暴主要讲解内容第一节风沙运动一、近地层风的性质1.层流和紊流：大气对流层属于大气层中直接与地表接触的部分，与地球表面的相互影响极其强烈，人类的生产生活关系极其密切，历来受到人们的重视。

而大气对流层中贴近地面100m范围内的气层称为近地层，一切风沙运动都与本层大气的性质及活动状况有关，因此也是风力侵蚀学研究的重点。

由于地球表面热量分布的不均，出现气压差，空气由高压区向低压区流动，就生了风。

与其他流体一样，风也存在两种流态：层流和紊流。

层流的空气质点运动轨迹平稳，邻近的空气质点平衡运动，互不干扰，但空气的这种流态，仅在地表平坦，风速很低的情况下才能见到。

当风速稍大时，层流大气即失去其稳定性而变成紊流。

紊流的空气质点运动不规则，并且互相干扰，各气流层层间夹杂了大小不同的涡旋运动。

涡流的产生使得各层之间的动能更易交换，上下层之间的流速趋于一致，这对于沙粒的运动是非常重要的。

层流大气是否失去其稳定性取决于流体的惯性力与粘滞力之间的比例关系。

对于粘度低，密度小的空气来说，当雷诺数超过1400时，就会使层流过渡到紊流。

据勃兰特（D. Brunt）估算，在室外大气中如果风速超过1.0m/s，则不管他看来是怎样平稳地流过，空气流动必然是紊流。

特别是引起沙粒运动的风几乎都是紊流运动。

2.湍流与地表粗糙度：湍流运动是一种叠加在一般流动上的不规则的旋涡状的混合运动。

旋涡的大小各不相同，可从几毫米到几百米。

湍流发生时，分子群代替了单个分子的运动，空气分子不再恒定地向前移动，而是不断地改变着运动的方向和速度，通过这种旋涡运动进行风的动能的传递和交换。

其中最明显的就是风吹过地表时，受地面磨擦阻力的影响，风速减小，并把这种阻力向上层大气传递，由于磨擦阻力随高度增加而减小，故风速随高度而增大。

二、沙粒的运动1.沙粒起动的机制：半个多世纪以来，中外科学家对静止沙粒受力起动机制进行了深入的研究，并形成了多种假说，如冲击碰撞说，压差升力说及湍流的扩散作用说等，但都没有圆满地解决这一问题。

1980年吴正和凌裕泉在风洞中用高速摄影方法对沙粒运动过程进行了研究。

他们认为在风力作用下，当平均风速约等于某一临界值时，个别突出的沙粒在湍流流速和压力脉动作用下，开始振动或前后摆动，但并不离开原来位置，当风速增大超过临界值后，振动也随之加强，迎面阻力(拖曳力)和上升力相应增大，并足以克服重力的作用.气流的旋转力矩促使某些最不稳定的沙粒首先沿沙面滚动或滑动。

由于沙粒几何形状和所处空间位置的多样性，以及受力状况的多变性，因此在滚动过程中，一部分沙粒碰到地面凸起沙粒的冲击时，就会获得巨大冲量。

受到突然冲击力作用的沙粒，就会在碰撞瞬间由水平运动急剧地转变为垂直运动，骤然向上(有时几乎是垂直的)起跳进入气流运动，沙粒在气流作用下，由静止状态达到跃起状态。

2.临界风速与起沙风：风沙流中的沙粒是从运动气流中获取运动动量的，只有当风力条件能够吹动沙粒时，沙粒才能脱离地表进入气流形成风沙流。

假定地表风力逐渐增大，达到某一临界值后，地表沙粒脱离静止状态开始运动，这时的风速称为临界风速或起动风速，一切大于起动风速的风称为起沙风。

起动风速与沙粒粒径、地表性质、沙粒含水率等多种因素有关。

国内外专家研究证实，在一般情况下起动风速和沙粒粒径的平方根成正比。

3.沙粒运动形式：据观测研究，风沙流中沙粒依风力大小、颗粒粒径、质量不同而以悬移、跃移、蠕移三种形式向前运动当沙粒起动后以较长时间悬浮于空气中而不降落，并以与风速相同的速度向前运动时称为悬移。

悬移运动的沙粒称为悬移质。

悬移质粒径一般为小于0.1mm甚至小于0.05mm的粉沙和粘土颗粒。

由于其的体积小质量轻，在空气中的自由沉速很小，一旦被风扬起就不易沉落，因而可长距离搬运。

如中国黄土不但可从西北地区悬移到江南，甚至可悬浮到日本。

悬浮沙量在风蚀总量中所占比例很小，一般不足5%，甚至1%以下。

沙粒在风力作用下脱离地表进入气流后，从气流中取得动量而加速前进，又在自身的重力作用下以很小的锐角落向地面。

由于空气的密度比沙粒的密度要小的多，沙粒在运动过程中受到的阻力较小，降落到沙面时有相当大的动能。

因此不但下落的沙粒有可能反弹起来，继续跳跃前进，而且由于它的冲击作用，还能使其降落点周围的一部分沙粒受到撞击而飞溅起来，造成沙粒的连续跳跃式运动。

沙粒的这种运动方式称为跃移，跃移运动的沙土颗粒称为跃移质。

跃移运动是风沙运动的主要形式，在风沙流中跃移沙量可能达到运动沙量总重量的1/2甚至3/4。

粒径0.1～0.15mm的沙粒最易以跃移方式移动。

在沙质地表上跃移质的跳跃高度一般不超过30cm，而且有一半以上的跃移质是在近地表5cm高度内活动。

跳跃沙粒下落时的角度一般保持在10～16°，因此它的飞行距离与跃起高度成正比。

在戈壁或砾质地面上，沙粒的跃起高度可达到1m以上，沙粒的飞行距离更远。

但是，戈壁风沙流一般是不会达到饱和的，除非风速下降或地面状况发生大的变化。

沙粒在地表滑动或滚动称为蠕移，蠕移运动的沙粒称为蠕移质。

在某一单位时间内蠕移质的运动可以是间断的。

蠕移质的量可以占到总沙量的20～25%。

呈蠕移运动的沙粒都是粒径在0.5～2.0mm左右的粗沙。

造成这些粗沙运动的力可以是风的迎面压力，也可以是跃移沙粒的冲击力。

观测表明以高速运动的沙粒在跃移中通过对沙面的冲击，可以推动6倍于它的直径或200倍于它的重量的粗沙粒。

随着风速的增大部分蠕移质也可以跃起成为跃移质，从而产生更大的冲击力。

可见在风沙运动中，跃移运动是风力侵蚀的根源。

这不仅表现在跃移质在运动沙粒中所占的比重最大，更主要的是跃移沙粒的冲击造成了更多悬移质和蠕移质的运动。

正是因为有了跃移质的冲击，才使成倍的沙粒进入风沙流中运动。

因此防止沙质地表风蚀和风沙危害的主要着眼点，应放在如何控制或减少跃移沙粒的运动方面。

三、风沙流及其结构特征风沙流是气流及其搬运的固体颗粒（沙粒）的混合流。

它的形成依赖于空气与沙质地表两种不同密度物理介质的相互作用，而它的特征对于风蚀风积作用的研究及防沙措施的制定有重要意义。

1.含沙量随高度的分布：风沙流中沙粒随高度的分布称为风沙流结构。

根据野外观测，气流搬运的沙量绝大部分（90%以上）是在沙面以上30cm的高度内通过的，尤其是集中在0～10cm的高度（约占80%），也就是说风沙运动是一种近地面的沙粒搬运现象2.风沙流结构特征值近地表气流层沙粒分布性质，即风沙流的结构决定着沙粒吹蚀与堆积过程的发展。

通过风洞对风沙流结构特征与沙粒吹蚀和堆积关系的实验研究发现，在不同风速下0～10cm气流层中沙粒的分布特点为：地面以上0～1cm的第一层沙量随着气流速度的增加而减少；不管速度如何，第二层（地面之上1～2cm）的沙量保持不变，等于0～10cm层总沙量的20%；平均沙量（10%）在2～3cm层中搬运，这一高度保持不变，并不以速度为转移；气流较高层（从第三层起）中的沙量随着速度的增加而增加。

根据上述特点，前苏联学者兹纳敏斯基提出了采用Qmax/Q的比值（用S表示）作为风沙流结构的指标（Qmax为气流中0～1cm层的沙量），称之为风沙流的结构数，并以此作为判断风蚀过程的方向性。

在非堆积搬运情况下，S值对所有的粗糙表面平均等于2.6，在部分沙粒从风沙流中跌落堆积的情况下，平均S值增大达到3.8。

中国学者吴正、凌裕泉（1965）根据野外沙质地表的观测资料，查明在10cm气流层内的风沙流结构有以下基本特征：(1)在各种风速和沙量条件下，高程与含沙量（或%）对数尺度之间具有很好的线性关系，表明含沙量随高度分布遵循着指数函数关系，沙量随高度呈指数规律递减。

(2)随着风速的增加，下层气流中沙量（%）相对减少，相应地增加了上层气流中搬运的沙量。

(3）在同一风速条件下，随着总输沙量增大，下层气流中搬运的沙量增加，上层沙量相应减少。

3.风沙流的固体流量：气流在单位时间通过单位宽度或面积所搬运的沙量叫做风沙流的固体流量，也称为输沙率。

计算输沙率不仅有理论意义，而且是合理制定防止工矿、交通设施不受沙埋的措施的主要依据。

影响输沙率的因素是很复杂的，它不仅取决于风力的大小、沙粒粒径、形状和其比重，而且也受沙粒的湿润程度、地表状况及空气稳定度的影响（表4.6，表4.7），所以要精确表示风速与输沙量的关系是较困难的。

到目前为止在实际工作中对输沙率的确定，一般仍多采用集沙仪在野外直接观测，然后运用相关分析方法，求得特定条件下的输沙率与风速的关系。

第二节风蚀与风积作用一、风蚀与风积作用的概念1.概念：风和风沙流对地表物质的吹蚀和磨蚀作用，统称为风蚀作用。

其中风将地面的松散沉积物或基岩上的风化产物吹走，使地面遭到破坏称吹蚀作用。

风沙流以其所含沙粒作为工具对地表物质进行冲击、磨损的作用称磨蚀。

如果地面或迎风岩壁上出现裂隙或凹坑，风沙流还可钻入其中进行旋磨，其结果是大大加快了地面破坏速度。

风沙流运行过程中，由于风力减缓或地面障碍等原因，使风沙流中沙粒发生沉降堆积时称风积作用。

经风力搬运、堆积的物质称为风积物。

2.搬运过程：气流搬运沙量的多少是由风力大小决定的。

在一定风力条件下气流可能搬运的沙量称为容量（相当于水流的挟沙力），气流中实际搬运的沙量称风沙流的强度，容量和强度的单位可取g/cm2·h。

强度与容量之比称为风沙流的饱和度，这也是一个无量纲参数。

此比值越小风沙流的风蚀能力就越大。

若风沙流容量减小，则侵蚀力下降或发生沙粒的堆积。

在风沙搬运过程中，当风速变弱或遇到障碍物（如植物或地表微小起伏），以及地面结构、下垫面性质改变时，都会影响到风沙流容量而导致沙粒从气流中跌落堆积。

如果地表具有障碍物，气流在运行时会受到阻滞而发生涡漩减速，从而消弱了气流搬运沙粒的能量（容量减小），使风沙流中多余部分的沙粒在障碍物附近大量堆积下来，形成沙堆。

这种因障碍（包括地表的急剧上升或下降）形成的堆积，称之为遇阻堆积。

堆积的强度取决于障碍物的性质和尺度，障碍物愈不透风，涡流减速范围愈大，沙粒的堆积也愈强烈，形成较大的沙堆。

地面结构、下垫面改变引起沙粒堆积，主要是由于不同表面结构具有不同的输沙率和不同的风沙流结构所致。

根据风洞实验和野外观察，沙粒在坚硬的细石床面（如沙砾戈壁）上运动和在疏松沙床上运动是不同的。

前者沙粒产生强烈地向高处弹跳（图4.8），增加了上层气流搬运的沙量，并且沙粒在飞行过程中飞得更远，在沿下风方向的一定范围内，和地面冲撞的次数减少了，因而气流因补给沙粒动量而消耗的能量也减少了，所以，对于气流的阻力减少。