中国风沙物理研究50a_董治宝
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文章编号:1000694X(2005)06079521
中国风沙物理研究50a()
收稿日期:20050605;改回日期:20050630基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX3SW341)资助作者简介:董治宝(1966),男(汉族),陕西人,研究员,博士生导师,主要从事风沙物理研究。Email:zbdong@lzb.ac.cn董治宝1,郑晓静2
(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃兰州730000;2.兰州大学力学系,甘肃兰州730000)
摘要:1998年初中国科学院知识创新工程得到了国家的批准,在建设国家创新体系的战略背景下,风沙物理研
究得到了新的发展机遇。为了适应国家创新体系的要求,风沙物理学首先重新凝练了学科方向和目标,改善研究
手段、拓展研究内容、创新研究思路,使我国风沙物理学研究的国际影响不断增加。笔者从风沙颗粒运动、风沙流、
风沙边界层、风沙地貌动力学、土壤风蚀、防沙工程原理和风沙电等几个方面比较全面地回顾了中国科学院知识创
新工程实施以来,我国风沙物理学研究所取得的主要成就。
关键词:风沙物理;知识创新;新成就
中图分类号:X169文献标识码:A
1知识创新工程实施以来的新趋势
1.1研究方向与目标再凝练
1998年初中国科学院知识创新工程得到了国
家的批准,在建设国家创新体系的战略背景下,风沙
物理研究迈开了新的步伐。首先,沙漠科学在面向
国家防沙治沙和生态环境建设的战略需求和面向世
界沙漠科学前沿的方针指导下,进一步将其研究的
方向与目标凝练为:围绕风沙活动及其危害问题,开
展风沙运动规律、沙漠环境及其演变、沙漠化(含沙
尘暴)过程及其防治研究,为沙漠与沙漠化地区生态
环境和重大工程建设提供理论依据和技术支撑。将
其研究内容归纳为:风沙物理、沙漠环境、沙漠化过
程和防沙治沙原理与技术等四个主要领域。四个研
究领域各有侧重,特色明显,且有机地联合。风沙物
理学要注重微观机理研究,进一步突出基础研究与
应用基础研究特色。其研究内容归纳为:风沙颗粒
运动学、风沙流、风沙边界层、风沙地貌动力学、土壤
风蚀和防沙原理等6个方面。
风沙运动及风沙危害的形成在最微观的尺度上
表现为单颗沙粒的运动。风沙颗粒运动学研究基于
经典理论力学的理论与方法,主要研究:风沙颗粒
的起动条件、受力分析及其影响因子;风沙颗粒运
动形式及其动态追踪;风沙颗粒运动的起跳角、速
度、加速度、冲击角等运动参数及运移长度、高度等
运动轨迹参数及其影响因素;运动沙粒间、运动沙粒与地表冲撞过程中的能量传输与转换过程与规
律;沙粒运动学理论的数学表达式,以及数学方程
(组)的求解途径;风沙颗粒运动的数值模拟。
风沙流是由众多沙粒构成的颗粒群体运动,风
沙运动一旦发生,即表现为风沙流,风成过程及风沙
危害均是由风沙流所致。所以,风沙流在风沙物理
学研究中占有重要地位。主要研究:不同风力及
沙物质条件下风沙流固体流量结构、浓度分布、速度
场以及能量结构特征及其数学模型;风沙流的侵
蚀能力;风沙流的浓度、固体流量结构与单颗粒运
动参数间的关联;风沙流输沙量与各种影响因子
之间的关系及输沙模型。
大量沙粒在气流中运动会对气流产生阻力,从
而改变了近地层气流场特征,在大气边界层内形成
一层受风沙运动影响的内边界层风沙边界层。
风沙边界层内的关键问题是风沙互馈机制,风沙互
馈过程的复杂性使得风沙边界层研究成为风沙物理
学中最复杂、进展最缓慢的领域,风沙边界层动力学
研究涉及到风沙颗粒运动学、两相流体动力学、大气
边界层等学科的理论与方法。主要研究:风沙边
界层厚度的确定、位移厚度、动能损失厚度、动量损
失厚度及其与风沙流运动的关系;不同类型固定
床面风速廓线特征及其空气动力学特征参数及其与
床面粗糙元几何特征的关系;风沙流中颗粒相对
气相的阻力及其空间变化规律;风沙流中的剪切
作用、粒载切应力、气载切应力的变化规律,及其与
风沙流运动的关系;风沙流中风速分布规律、风速第25卷第6期2005年11月中国沙漠
JOURNALOFDESERTRESEARCHVol.25No.6Nov.2005廓线表达式、空气动力学特参数的确定与变化规律
及其与风沙流运动的关系;风速廓线与风沙流结
构的耦合研究,建立和求解风沙两相流体动力学方
程组;风沙互馈过程的数值模拟。
风蚀、风沙输移和堆积形成各种风沙地貌。风
沙地貌的形成、形态学特征、演化及其运动都是风沙
流运动的产物。在地球科学中,风沙地貌学是一门
独立的部门地貌学,风沙地貌形成动力学主要研究
风沙地貌与风沙运动的关系。主要研究:不同类
型风沙地貌形成与发育的风动力环境;不同类型
风沙地貌所形成的二次流的流场特征以及二次流在
风沙地貌形成与演化中的作用;风沙地貌不同部
位蚀积特征以及风沙地貌表面的蚀积规律;不同
尺度风沙地貌动力学过程之间的关联;沙丘移动
规律及其与沙丘形态、风况的关系;风沙地貌空间
组合规律及其风动力环境的关系;沙漠活动性的
判定;风沙地貌形成与演变的动力学模型与数值
模拟。
土壤风蚀被认为是土地沙漠化的首要环节,是
沙漠化的物理过程。土壤风蚀研究是连接风沙物理
与沙漠化的重要桥梁。主要研究:土壤风蚀因子;
土壤风蚀气候指数与可蚀性指数;土壤风蚀预
报模型。
我国经过多年的防沙治沙实践,总结出了多种
行之有效的防沙措施,各种防沙措施可以发挥不同
的作用,从风沙运动学的角度搞清各种措施的防沙
原理,对指导防沙工程的设计具有重要意义。防沙
原理主要研究:各种固沙措施的作用原理,不同阻
沙固沙工程的气流场特征、风沙流结构与蚀积规律,
揭示其阻沙固沙原理;通过模拟实验与野外观测,
探讨防沙工程体系的最佳模式。
上述6个主体研究方向是针对主要风成过程
的。实际上,主要风成过程总是伴随着一些次生风
成过程,次生风沙过程会产生风沙问题和有趣的风
沙现象。例如,在某些地区,风沙颗粒在地表滚动产
生鸣沙现象,风沙跃移和悬移运动产生风沙电现象。
这些次生的风成过程会影响主体风成过程,如风沙
电对风沙颗粒运动的轨迹和速度产生明显的影响,
而且会对人们的生活造成诸多不便,甚至严重危害。
所以,这些次生过程也是风沙物理学研究的内容。
1.2研究方法创新
在整个科学发展史中,科学研究上的革命性突破往往与研究方法论的革命是分不开的。所以科学上的创新往往依赖于研究手段的创新。在风沙物理
研究方法论的创新中尤以量测手段的改进最为重
要。风沙运动过程是大量颗粒的运动过程,运动速
度亦较快,使得直接观测风沙流中的颗粒运动比较
困难。风沙运动是贴地层现象,在这个厚度很小的
区域,气流与床面之间、气流与颗粒之间、颗粒与颗
粒之间以及不同的颗粒运动形式之间存在着复杂的
能量传递与转换,现有的测风与测沙仪器很难深入
到这个区域。现有的大多数测量仪器在深入到风沙
流中或床面附近时,对风沙运动和床面产生局部扰
动,会使该区域的边界条件和风沙流状况发生变化。
所以,风沙物理的深入研究对测量手段提出了较高
的要求。所以,为了改进研究手段,首先是引进高级
测试仪器设备。同时,针对风沙物理研究的特殊需
要,自行研制开发专用仪器。目前专门的测量仪器
却很少,在过去几十年中,风沙物理学研究的测量仪
器主要是借助和改造相邻学科的仪器设备和自行研
制,由于风沙物理学研究的仪器设备大多应用于条
件比较恶劣的风沙环境中,相邻学科仪器的可靠性
和有效性大大降低。风沙物理学的仪器设备建设,
除一些常规仪器外,专门仪器应注重自行研制和开
发。近年来,国内外不少风沙物理学研究者致力于
测量仪器的研制与开发,在研究中发挥了重要的作
用。
在仪器设备引进方面,1999年中国科学院沙漠
与沙漠化重点实验室引进了丹麦丹迪公司研制的粒
子动态分析仪(ParticleDynamicsAnalyzer,简称
PDA)、多路压力扫描阀和热线风速仪等。粒子动
态分析仪利用激光多普勒原理,而且是非接触测量,
对气流场没有影响,所以,能够准确测定气流速度、
风沙流中运动颗粒的速度和运动方向。由于它可以
在极短的时间内测量大量颗粒的速度,被证明是研
究气流湍流特征、风沙流中颗粒速度分布、平均速
度、运动角度与能量的良好设备,测量的速度与精度
方面是以往高速摄影技术无法比拟的[1~5]。多路压
力扫描阀可以同时测定不同位置的风压,对研究风
沙地貌动力学是很有帮助的。热线风速仪可以精确
地确定气流的湍流特征。上述仪器设备可以获得关
于风沙运动的更丰富的信息,使风沙运动的微观机
制更为准确细致。2003年中国科学院沙漠与沙漠
化重点实验室引进了粒子图象测速系统(Particle
ImageVelocimetry,简称PIV),为风沙运动场测量
提供了有效的手段。粒子图象测速系统可以准确测
量某特定空间范围内的气流场特征(速度和湍流特796中国沙漠25卷征等)、风沙颗粒运动场特征以及浓度场特征等,是
研究风沙流运动、防沙措施原理以及风沙地貌动力
学的有效设备[6]。值得一提的是,中国科学院沙漠
与沙漠化重点实验室近年来引进的两套关键测试设
备粒子动态分析仪和粒子图象测速系,是国际上
最先将其应用于风沙物理学研究中,极大地提高了
我国风沙物理学研究水平,而且为上述两套测试设
备在风沙科学研究中的应用积累了很有价值的经
验。除引进专门仪器设备外,我国学者还不断尝试
将相邻学科的现代技术应用于风沙物理研究中。例
如,俞祁浩等在国内率先应用探地雷达开展有关沙
丘内部沉积构造和下伏古地形的研究工作[7]。表明
探地雷达是研究沙丘内部沉积构造特征的有效手
段,对沙丘形成机理和发育过程的研究提供直接证
据。凌裕泉等尝试用近景摄影法研究沙波纹的移
动[8]。严平和张春来等应用放射性元素示踪法来确
定风蚀量[9~15]。
除了引进高级仪器设备外,还注重仪器设备的
自行研制与开发。中国科学院知识创新工程实施以
来,我国学者针对风沙观测研究的特殊性,开发与研
制了用于测量风和沙的专用仪器30多种,获得了
20多项国家专利,有的已在研究中发挥了重要作
用,得到了国际同行的认可。董治宝等研制的防沙
风速廓线采集系统,不仅可以同时准确测定净风条
件下,风速随高度的分布,而且可以测定风沙流中的
风速廓线,大大地提高了观测精度和工作效率,在研
究床面的空气动力学特征,风沙互馈机制方面获得
了大量的高质量数据[16~22],修正了风沙物理学奠基
人BagnoldRA关于沙质床面空气动力学粗糙度的
1/30定律[16]。为了研究单宽输沙率及其随高度的
变化,李振山等和董治宝等研制了可用于风洞实验
的多路集沙仪[23~26]。此外还研制与开发了野外用
风速廓线采集系统、多路集沙仪、全方位集沙仪、旋
转式集沙仪、沙尘水平通量测量仪、沙粒跃移捕获仪
等。实践证明,自行研制与开发的观测仪器不但经
济实用,而且可以获得高质量的观测数据,是风沙物
理研究中不可缺少的工具。
1.3研究内容拓展与思路创新