沙尘暴风洞模拟实验的综述

29. 024 26. 26
14. 91
23. 86
31. 52
11. 25
25. 66
25. 51
9. 79
2. 87
55. 94
25. 16
3. 62
62. 74
21. 35
4. 03
64. 02
19. 25
5. 01
70. 23
13. 11
5. 35
70. 63
13. 52
8. 19
66. 49
沙尘暴以其具有延伸高度达数百至数千米, 移动速度在 10m s 左右和形成蘑菇云状的沙尘暴壁而著 称。 其中最大瞬时风速可超过 30m s。 特强沙尘暴过境时的能见度小于 50m , 甚至为零 m。
长期以来, 由于沙尘暴的室内模拟实验十分困难, 因而相关的资料极其稀少。 本文根据中国科学院寒 区旱区环境与工程研究所沙尘暴风洞模拟实验的某些结果, 来探讨沙尘物质的起动、传输机理, 为沙尘暴 的防治提供理论依据。
> 2 2- 1 1- 0. 5 0. 5- 0. 25 0. 25- 0. 1 0. 1- 0. 05 < 0. 05
10
0
0
1. 80
3. 06
35. 05
29. 49
30. 60
12
0
0. 43 1. 85
6. 68
29. 26
27. 70
34. 09
14
0
0. 53 2. 67
5. 88
35. 79
切应力作用, 其力大小主要与风速大小有关; 而在挟沙风中, 除了有净风对土壤表面产生剪切力外, 还有运
动沙粒对土表产生的直接撞击力的影响。 气流的挟沙能力随流速增加而增大, 当上风向沙源充足时, 气流
速度达到起沙风速以上, 即开始出现风蚀, 且随气流挟沙能力的增大风蚀量迅速增加。 但挟沙风对不同类 型土壤的风蚀量也不同, 如挟沙风对粉沙质壤土的风蚀量仅为净风的 4. 63 倍, 而固定风沙土是 5. 24 倍,
1- 0. 5 0. 55 0. 91 1. 04 1. 32 2. 01 3. 40 4. 61 5. 96 6. 80 0. 00 2. 67 3. 47 5. 85 6. 52 8. 26 13. 22 16. 04 20. 13 0. 78 0. 78 1. 20 1. 23 1. 72 2. 01 2. 17 2. 27 2. 39
2- 1 0. 00 0. 22 0. 24 0. 31 0. 46 0. 81 1. 53 4. 13 5. 15 0. 00 0. 53 0. 73 1. 90 1. 90 2. 79 4. 30 6. 04 7. 06 0. 00 0. 17 0. 54 0. 69 0. 85 0. 89 1. 62 1. 65 2. 58
13. 92
8. 98
65. 10
13. 30
9. 61
65. 66
13. 01
9. 13
66. 87
11. 76
< 0. 05 62. 79 54. 74 49. 80 45. 28 42. 77 39. 93 36. 19 31. 45 25. 43 34. 88 30. 53 25. 25 17. 56 16. 35 14. 00 9. 85 7. 42 5. 01 15. 25 11. 35 10. 96 9. 51 7. 63 7. 35 6. 87 5. 76 4. 16
1. 2 风蚀与地表物质粒度组成关系
地表物质的粒度组成影响风力作用下颗粒的受力状况与
效果, 因而影响土壤风蚀。B agno ld 的输沙率模型 (1941) 表明, 影响土壤风蚀的粒度有平均粒度及粒配特征。Chep il (1953) 通 过风洞实验研究将土壤粒度组成按其抗风蚀性的差异划分三
部分。 即小于 0. 42mm 的高度可蚀因子; 0. 42- 0. 84mm 为半 可蚀因子, 大于 0. 84mm 为不可蚀因子。 刘连友 (1999) 3 在沙
决于土壤系统中颗粒之间粘结或内聚作用。 其中土壤含水量是影响土壤风蚀重要的因素之一。
1. 1 风力作用
1. 1. 1 净风和挟沙风与土壤风蚀的关系 在净风和挟沙风的吹蚀下进行对比实验发现, 在同一风速下挟沙风与净风作用于同一种土壤引起的
风蚀量具有明显差异 (表 1) , 前者是后者的 4. 3- 72. 9 倍。这是因为在净风吹蚀下土壤表面主要受风的剪
58×26. 5
气流状况 净 风 挟沙风 净 风 挟沙风 净 风 挟沙风
风力等级 4- 12 4- 12 4- 12 4- 12 8 8
总风蚀量 (公斤) 2. 06 8. 99 2. 15 11. 27 0. 11 8. 02
倍 数 1
4. 36 1
5. 24 1
72. 9
1. 1. 2 风速与风蚀的关系 由实验结果 (见图 1) 可见, 在其他条件相同的情况下, 风速越大, 风蚀愈烈。 由于流沙表面质地松散,
当风速 5- 6m s- 1时开始出现风蚀现象, 7m s- 1已形成风沙流, 10m s- 1时风沙流已相当强烈, 10m s- 1以上时 随风速的增大, 风蚀量呈直线上升趋势。 对于同一地区的沙质草甸土, 由于有稀疏草类生长而相对流沙样
品质地坚实, 在风速 7- 8m s- 1时开始出现轻微风蚀, 且局部地表出现微风蚀形态, 当风速 9m s- 1时, 地表
半固定风沙土则高达 72. 9 倍。 这主要是因为不同类型土壤表面性质不同的缘故。 因此, 在风蚀地区设法 切断上风向沙源, 避免风沙流对地表的直接冲击, 是减小土壤风蚀的重要环节。
表 1 净风和挟沙风与土壤风蚀的关系
土壤类型 粉沙质土壤
试样面积 (Cm 2) 95×30
固定风沙土
95×30
半固定风沙土
33. 69
24. 70
20. 90
24
1. 12 2. 57 4. 60 15. 22
33. 86
23. 06
18. 58
26 合计平均
2. 43 0. 58
2. 88 1. 38
6. 21 3. 61
16. 13 10. 18
30. 94 33. 21
22. 53 26. 30
18. 88 24. 66
含水率对不同性质, 特别是不同质地的土壤颗粒间的内聚力具有不同的影响作用。 从另一方面来看, 在不
同的含水率范围内, 临界风蚀风速与土壤含水率的关系亦可能是有所差异的。
1. 3. 2 风蚀率与土壤含水率的关系 风洞实验直观地表明, 风沙土含水率愈
图 1 风速与土壤风蚀量的关系
漠所风沙物理与沙漠环境实验室的室内风洞中实验证明, 不可蚀颗粒粒径是随土壤种类、结构和风力而改
变的 (表 2、3)。 由表 2 可见, 对沙壤土, 风洞指示风速 (进口轴线风速) u∞为 10m s 时, 最大风蚀的颗粒粒
表 2 不同风速条件下土壤可蚀性颗粒分布
土壤类型 风 速 m. s- 1
10
12
14
16
沙质壤土
18
20
22
24
26
101214Fra bibliotek16壤质沙土
18
20
22
24
26
10
12
14
16
固定风沙土
18
20
22
24
26
>2 0. 00 0. 00 0. 00 0. 29 0. 50 0. 81 1. 26 2. 66 5. 61 0. 00 0. 00 0. 00 0. 08 0. 13 0. 27 2. 06 3. 87 6. 84 0. 00 0. 00 0. 00 0. 21 0. 30 1. 16 1. 96 2. 04 3. 11
粒径 (mm )
0. 5- 0. 25 0. 25- 0. 1 0. 1- 0. 05
1. 32
12. 40
22. 95
1. 85
17. 83
24. 45
3. 31
15. 68
29. 93
3. 52
18. 04
31. 24
4. 44
17. 28
32. 54
6. 09
19. 03
29. 94
6. 07
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
·110·
干 旱 区 资 源 与 环 境
第 18 卷
普遍出现风蚀, 随着风速增大风蚀量明显增加, 且风蚀量与风
速之间存在着幂函数关系, 指数均在 2. 0- 2. 4 之间, 可以近似
径 0. 5< dm < 1. 0mm 共占总风蚀量的 0. 55% ; u∞= 12m s, 1. 0< dm < 2. 0mm 占总吹蚀量 0. 22% ; u∞= 14m s, 1< dm < 2mm , 占总量的 0. 24% ; 而 16m s 及以上, dm > 2mm , 且随 u∞的增加而逐渐增加的。壤质 沙土和固定风沙土都有近似的规律, 只是比例略有不同。 表 3 是 5 种干旱半干旱区土壤: 栗钙土、灰钙土、 棕钙土、黑钙土和风沙土对同一指示风速的回收样的混合物 (由于量少) 的筛分结果。由表 3 也可见到如上 的同一规律。
18. 35
31. 99
6. 53
18. 42
30. 85
6. 95
20. 52
29. 54
6. 54
32. 43
26. 16
12. 25
31. 90
22. 12
12. 85
32. 35
25. 35
20. 69
34. 87
19. 05
18. 95
35. 91
20. 23
22. 38
34. 67
17. 63
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增刊
屈建军等 沙尘暴风洞模拟实验的综述
·111·
表 3 不同风力 5 种原状土壤可蚀性颗粒混合物的粒度 (% )
风 速 (m s)
粒 径 (mm )
30. 34
24. 79
16
0. 40 1. 20 3. 20
8. 81
31. 41
26. 68
28. 29
18
0. 61 1. 30 2. 60 11. 39
36. 00
25. 74
22. 26
20
0. 26 1. 67 3. 94 11. 66
32. 87
26. 02
23. 57
22
0. 44 1. 87 5. 61 12. 79
1. 3 风蚀与地表物质含水率的关系 土壤含水率对风蚀有着深刻的影响。(Kenneth Pye 等 1990) 认为当土壤中有水分存在的条件下, 水分
子与土壤颗粒之间的拉张力增加了颗粒间的内聚力, 其结果导致土壤抗风蚀力的增加。
1. 3. 1 临界风蚀风速与土壤含水率的关系
土壤颗粒起动风速之大小取决于众多因素。实验结果表明, 土壤含水率愈大, 临界风蚀风速, 即土壤颗 粒的起动风速愈大, 土壤抵抗风蚀的能力因而愈强。由数理统计分析得出的临界风蚀风速V t 与风沙土含 水率M 的定量关系可以表达为 V t= 2. 53+ 1. 18M ( r= 0. 983) , 即风沙土的临界风蚀风速随含水率的增 加呈线性增大。实际上, 不同性质类型土壤的临界风蚀风速与含水率的定量关系可能是不同的。因为同一
地看作二次幂。 由于不论物质类型和存在状态如何, 风蚀机理
是相同的。风蚀量与风速之间的二次幂函数关系反映了风蚀过
程中的一个机理性问题, 即在风蚀过程中, 气流作用与地面物
质之间存在的内在联系是能量转化关系, 风能的大小决定同一
物质风蚀量的大小。 被蚀物质类型及存在状态不同时, 风能的
转化率及效应不同是造成风蚀量差异的根本原因。
1 沙尘暴物质的风蚀特征
土壤风蚀是沙尘暴发生发展的首要环节。 其物质组成决定于风的侵蚀性要素和土壤表面可蚀性要素
之间的相互作用。风是土壤最直接的动力, 表征风的重要指标是气流性质 (净风、挟沙风) , 风速大小, 土壤 风蚀过程中风力作用的临界条件等, 土壤的可蚀性很大程度取决于土壤本身的机械稳定性, 很大程度上取
第 18 卷 增刊 2004 年 3 月
干 旱 区 资 源 与 环 境 Jou rna l of A rid L and R esou rces and Environm en t
文章编号: 1003- 7578 (2004) 01- 109- 07
沙尘暴风洞模拟实验的综述
V o l. 18 N o. 1 M a r. 2004
屈建军 王 涛 董治宝 张伟民 刘玉璋
(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 兰州, 730000)
沙尘暴 (Sand- du st sto rm ) 又简称为尘暴 (D u st sto rm ) , 是指伴随较强烈的天气系统的长距离推进过 程中, 携带大量的沙尘颗粒的大风, 对过境沿线裸露、疏松而又干燥的地表, 进行着更强烈的风蚀, 并在热 力与湍流交换力等作用下而不断发展起来的一种中尺度的灾害性天气系统。