水土保持學(xué) 第四章 風(fēng)力侵蝕的教學(xué)目的和方法

1、第第4 4章章 風(fēng)力侵蝕的教學(xué)目的和方法風(fēng)力侵蝕的教學(xué)目的和方法教學(xué)目的：教學(xué)目的：分析風(fēng)力侵蝕發(fā)生機制及其發(fā)展規(guī)律，闡述 風(fēng)力侵蝕形式及影響風(fēng)力侵蝕的自然因素。教學(xué)方法：教學(xué)方法：以學(xué)生課外自學(xué)為主，教師輔導(dǎo)和參閱課外 書為輔。計劃學(xué)時：計劃學(xué)時：約4學(xué)時。第第 4 章章 風(fēng)力侵蝕風(fēng)力侵蝕 4.1 4.1 風(fēng)沙運動風(fēng)沙運動 4.2 4.2 風(fēng)蝕與風(fēng)積作用風(fēng)蝕與風(fēng)積作用 4.3 4.3 沙漠化成因與類型沙漠化成因與類型 4.4 4.4 沙塵暴沙塵暴4.1 風(fēng)沙運動風(fēng)沙運動 風(fēng)沙運動是一種貼近地面的氣流對沙粒的搬運現(xiàn)象。 4.1.1 4.1.1 近地層風(fēng)的性質(zhì)近地層風(fēng)的性質(zhì) 大氣對流層中貼近地面

2、100m范圍內(nèi)的氣層稱為近地層，一切風(fēng)沙運動都與本層大氣的性質(zhì)及活動狀況有關(guān)，因此也是風(fēng)力侵蝕學(xué)研究的重點。 v層流和紊流層流和紊流 層流的空氣質(zhì)點運動軌跡平穩(wěn)，鄰近的空氣質(zhì)點平衡運動，互不干擾。 紊流的空氣質(zhì)點運動不規(guī)則，并且互相干擾，各氣流層層間夾雜了大小不同的渦旋運動。 層流大氣是否失去其穩(wěn)定性取決于流體的慣性力與粘滯力之間的比例關(guān)系。 v湍流與地表粗糙度湍流與地表粗糙度 湍流運動是一種疊加在一般流動上的不規(guī)則的旋渦狀的混合運動。湍流發(fā)生時，通過旋渦運動進行風(fēng)的動能的傳遞和交換。 風(fēng)吹過地表時，受地面磨擦阻力的影響，風(fēng)速減小，并把這種阻力向上層大氣傳遞。 風(fēng)速不與高度、而是與高度的對數(shù)值

3、成正比，說明風(fēng)速廓線是隨高程呈對數(shù)分布的。 4.1.2 沙粒的運動沙粒的運動 v沙粒起動的機制沙粒起動的機制 半個多世紀以來，中外科學(xué)家對靜止沙粒受力起動機制進行了深入的研究，并形成了多種假說，如沖擊碰撞說，壓差升力說及湍流的擴散作用說等，但都沒有圓滿地解決這一問題。 1980年吳正和凌裕泉在風(fēng)洞中用高速攝影方法對沙粒運動過程進行了研究。沙粒碰撞所產(chǎn)生的沖擊力在沙粒起跳中起主導(dǎo)作用。 v臨界風(fēng)速與起沙風(fēng)臨界風(fēng)速與起沙風(fēng) 假定地表風(fēng)力逐漸增大，達到某一臨界值后，地表沙粒脫離靜止狀態(tài)開始運動，這時的風(fēng)速稱為臨界風(fēng)速或起動風(fēng)速，一切大于起動風(fēng)速的風(fēng)稱為起沙風(fēng)。 起動風(fēng)速與沙粒粒徑、地表性質(zhì)、沙粒含水

4、率等多種因素有關(guān)。國內(nèi)外專家研究證實，在一般情況下起動風(fēng)速和沙粒粒徑的平方根成正比。 v沙粒運動形式沙粒運動形式 據(jù)觀測研究，風(fēng)沙流中沙粒依風(fēng)力大小、顆粒粒徑、質(zhì)量不同而以懸移、躍移、蠕移三種形式向前運動。 當沙粒起動后以較長時間懸浮于空氣中而不降落，并以與風(fēng)速相同的速度向前運動時稱為懸移懸移。懸移運動的沙粒稱為懸移質(zhì)。 沙粒在風(fēng)力作用下脫離地表進入氣流后，降落到沙面時有相當大的動能，能使其降落點周圍的一部分沙粒受到撞擊而飛濺起來，造成沙粒的連續(xù)跳躍式運動。沙粒的這種運動方式稱為躍移躍移，躍移運動的沙土顆粒稱為躍移質(zhì)。 沙粒在地表滑動或滾動稱為蠕移蠕移，蠕移運動的沙粒稱為蠕移質(zhì)。 4.1.3

5、風(fēng)沙流及其結(jié)構(gòu)特征風(fēng)沙流及其結(jié)構(gòu)特征 風(fēng)沙流是氣流及其搬運的固體顆粒（沙粒）的混合流。它的形成依賴于空氣與沙質(zhì)地表兩種不同密度物理介質(zhì)的相互作用，而它的特征對于風(fēng)蝕風(fēng)積作用的研究及防沙措施的制定有重要意義。v含沙量隨高度的分布含沙量隨高度的分布 風(fēng)沙流中沙粒隨高度的分布稱為風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。根據(jù)野外觀測，氣流搬運的沙量絕大部分（90%以上）是在沙面以上30cm的高度內(nèi)通過的，尤其是集中在010cm的高度（約占80%）， v風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征值風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征值 近地表氣流層沙粒分布性質(zhì)，即風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)決定著沙粒吹蝕與堆積過程的發(fā)展。 前蘇聯(lián)學(xué)者茲納敏斯基提出了采用Qmax/Q的比值（用S表示）作為風(fēng)沙流結(jié)

6、構(gòu)的指標（Qmax為氣流中01cm層的沙量），稱之為風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)數(shù)，并以此作為判斷風(fēng)蝕過程的方向性。 為了說明風(fēng)沙流的結(jié)構(gòu)特征與沙粒吹蝕、搬運和堆積的關(guān)系，吳正等人引用了特征值作為判斷的指標，風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征值（無量綱）為：Q2-10/Q0-1式中: Q0-101cm高度氣流層內(nèi)搬運的沙量（g/min或%）； Q2-10210cm高度氣流層內(nèi)搬運的沙量（g/min或%）。 v風(fēng)沙流的固體流量風(fēng)沙流的固體流量 氣流在單位時間通過單位寬度或面積所搬運的沙量叫做風(fēng)沙流的固體流量，也稱為輸沙輸沙率率。 影響輸沙率的因素是很復(fù)雜的，它不僅取決于風(fēng)力的大小、沙粒粒徑、形狀和其比重，而且也受沙粒的濕潤程度、地

7、表狀況及空氣穩(wěn)定度的影響。4.2 4.2 風(fēng)蝕與風(fēng)積作用風(fēng)蝕與風(fēng)積作用 4.2.1 風(fēng)蝕與風(fēng)積作用的概念風(fēng)蝕與風(fēng)積作用的概念 風(fēng)和風(fēng)沙流對地表物質(zhì)的吹蝕和磨蝕作用，統(tǒng)稱為風(fēng)蝕作用。 風(fēng)沙流運行過程中，由于風(fēng)力減緩或地面障礙等原因，使風(fēng)沙流中沙粒發(fā)生沉降堆積時稱風(fēng)積作用。經(jīng)風(fēng)力搬運、堆積的物質(zhì)稱為風(fēng)積物。4.2.2 4.2.2 風(fēng)沙蝕積作用與沙丘的運動風(fēng)沙蝕積作用與沙丘的運動 v沙丘移動方向沙丘移動方向 沙丘移動的方向取決于有一定延續(xù)時間的起沙風(fēng)的風(fēng)向，移動總方向與大于起沙風(fēng)的年合成風(fēng)向大體相一致，但不完全重合，二者之間有一交角。 v沙丘移動方式沙丘移動方式 沙丘移動方式取決于風(fēng)向及其變化，它可

8、分為三種方式。 其一為前進式，即在單一的風(fēng)向作用下終年保持向某一方向移動； 其二為往復(fù)前進式，即在兩個風(fēng)向相反而風(fēng)力大小不等的情況下往復(fù)向前移動； 其三為往復(fù)式，即它是風(fēng)力大小相等而風(fēng)向相反的情況下產(chǎn)生的往復(fù)移動。 v沙丘移動速度沙丘移動速度 沙丘移動速度主要取決于風(fēng)速和沙丘本身的高度，沙丘移動速度與其高度成反比，而與輸沙量成正比，所以沙丘移動的速度也就同樣和風(fēng)速的三次方成正比。 橫向沙丘由于走向與主風(fēng)向垂直，在同等風(fēng)力條件下有效作用面積最大，因此在各種類型的沙丘中移動速度是最快的。 縱向沙丘除橫向移動外，還有縱向移動的特點，運動的總方向與沙壟構(gòu)成一個斜交的角度，交角介于2540之間，移動速度

9、比橫向沙丘要慢的多。 復(fù)合型沙壟的運動是通過覆蓋其上的新月形沙丘和沙丘鏈的運動來實現(xiàn)的。 金字塔沙丘是多向風(fēng)作用下的一種典型沙丘類型。沙丘來回擺動，但總的移動量并不大。 復(fù)合型橫向沙丘的移動則是通過復(fù)蓋在其上的次一級沙丘的移動來實現(xiàn)的。這種復(fù)合型沙丘移動速度比簡單類型沙丘慢許多。 沙丘移動速度除了受風(fēng)速和沙丘本身高度的影響外，還與沙丘的水分含量、植被狀況及下伏地貌條件的差異性等多種因素有關(guān)。 4.3 沙漠化成因與類型沙漠化成因與類型 4.3.14.3.1荒漠化的概念荒漠化的概念v荒漠化（荒漠化（Desertification） 19931994年，防治荒漠化公約上確定的定義為：“荒漠化是指包括

10、氣候變異和人類活動在內(nèi)的種種因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區(qū)的土地退化?！?中國科學(xué)家提出沙漠化的定義是：“在干旱、半干旱和部分半濕潤地區(qū)，由于自然因素或人為活動的影響，破壞了自然生態(tài)系統(tǒng)的脆弱平衡，使原非沙漠的地區(qū)出現(xiàn)了以風(fēng)沙活動為主要標志的類似沙漠景觀的環(huán)境變化過程，以及在沙漠地區(qū)發(fā)生了沙漠環(huán)境條件的強化與擴張過程。簡言之，沙漠化也就是沙漠的形成和擴張過程?！?v沙漠化（沙漠化（DesertizationDesertization） v風(fēng)沙化風(fēng)沙化 風(fēng)沙化是朱震達等人根據(jù)我國情況提出的名詞術(shù)語。其內(nèi)涵與沙漠化基本一致，外延是指半濕潤、濕潤地區(qū)的沙質(zhì)干河床與河流泛淤三角洲、古河谷和古代

11、河流決口扇及海濱沙地等因風(fēng)力作用，產(chǎn)生風(fēng)沙活動并出現(xiàn)類似沙漠化地區(qū)的沙丘起伏地貌景觀。 4.3.2 4.3.2 沙漠化成因沙漠化成因 沙漠化的形成與發(fā)展既有自然因素的作用，又有人類活動的干擾與影響。在自然因素中，沙源與氣候變化是最主要的因素。v氣候變化與沙漠化氣候變化與沙漠化 在沙漠化的自然因素中，氣候干旱是決定性的。撒哈拉地區(qū)的研究資料表明，沙漠化過程主要是在持續(xù)干旱期間發(fā)生和加強的。 眾多學(xué)者認為只有對土地及其資源給予合理的正確使用，才能避免由于干旱而引起沙漠化的巨大災(zāi)難。 v人類活動與沙漠化人類活動與沙漠化 干旱地區(qū)、特別是半干旱地區(qū)（包括部分半濕潤地區(qū)），自然生態(tài)系統(tǒng)具有脆弱性和敏感性

12、。 人為過度的經(jīng)濟活動，除了直接破壞生態(tài)環(huán)境，對沙漠化的自然因素起誘發(fā)和促進作用以外，還能夠?qū)е戮植亢偷乇硇夂虻膼夯?4.4.1 4.4.1 沙塵暴的概念沙塵暴的概念 沙塵暴是大風(fēng)揚起地面沙塵，使空氣變得混濁，水平能見度低于1000m的惡劣天氣現(xiàn)象。在氣象學(xué)中規(guī)定，凡水平方向有效能見度小于1000m的風(fēng)沙現(xiàn)象，稱為沙塵暴。 4.4 沙塵暴沙塵暴 黑風(fēng)暴是大風(fēng)天氣中的一種特強沙塵暴天氣，其標準是大風(fēng)吹揚起的沙塵使最小水平能見度降到0級（50m），瞬間風(fēng)速大于25 m/s的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。 沙塵暴前鋒呈高墻狀稱其為沙塵壁，沙塵壁移動迅速，呈現(xiàn)上黃、中紅、下黑三種顏色的旋轉(zhuǎn)式沙塵團。 4.4.2 沙塵暴形成因素沙塵暴形成因素 沙塵暴形成的基本條件一是大風(fēng)，二是地面上有裸露沙塵物質(zhì)，三是不穩(wěn)定的空氣，三者同步出現(xiàn)時方能產(chǎn)生沙塵暴。三因素中強風(fēng)是起沙塵的動力，豐富的沙塵源是形成沙塵暴的物質(zhì)基礎(chǔ)，而不穩(wěn)定的空氣乃是局地?zé)崃l件所致，使沙塵卷揚得更高。 v天氣因素天氣因素 干旱少雨，大風(fēng)頻繁，冷熱劇變，寒潮過境，不穩(wěn)定的空氣在對流層底部形成強對流天氣等，均為沙塵暴的形成提供了有利的天氣背景。 v地形因素地形因素 沙塵暴的路徑除受高空氣壓場制約外，地形是不可忽視的因子。我國沙塵暴路經(jīng)一般分為4條，西路、西北路沙塵暴東移，主要是受秦嶺及陰山緯向構(gòu)造山系的導(dǎo)向作用