嫩江沙地沙粒起動(dòng)風(fēng)特性的研究

嫩江沙地沙粒起動(dòng)風(fēng)特性的研究

吳江沙地屬于全國(guó)沙漠管理區(qū)-中國(guó)北方沙漠化區(qū)-蘆江市下游。在珠江運(yùn)河西側(cè)，寬165公里，長(zhǎng)400公里，形成從東北向西南的帶狀沙區(qū)。沙區(qū)范圍內(nèi)有杜蒙、泰來(lái)、龍江、齊齊哈爾郊區(qū)、富裕、甘南、肇源、大慶及訥河9個(gè)縣(市),105個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、場(chǎng))。在277.9萬(wàn)hm2沙區(qū)總面積中,有沙漠化土地面積80.6萬(wàn)hm2,沙區(qū)現(xiàn)有總?cè)丝?575萬(wàn)人。嫩江沙地已嚴(yán)重影響了黑龍江省西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民的生存,防沙治沙刻不容緩。迄今國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)起沙風(fēng)速進(jìn)行了相關(guān)的研究。關(guān)于沙粒的起動(dòng)風(fēng)速,拜格諾(R.A.Bagnold)提出了流動(dòng)起動(dòng)(fluidthreshold)值和沖擊起動(dòng)(impactthreshold)值的概念。我國(guó)學(xué)者一般認(rèn)為能使沙粒開(kāi)始移動(dòng)時(shí)的最低風(fēng)速就是起沙風(fēng)速,指出關(guān)于起沙風(fēng)速的研究首先應(yīng)研究沙粒受風(fēng)力起動(dòng)的機(jī)制。在這方面有很多學(xué)者進(jìn)行了研究,但尚無(wú)一致的見(jiàn)解。劉賢萬(wàn)把目前提出的種種假說(shuō)歸結(jié)為壓差起動(dòng)說(shuō)、風(fēng)壓起動(dòng)說(shuō)、沖擊起動(dòng)說(shuō)、振動(dòng)起動(dòng)說(shuō)、猝發(fā)起動(dòng)說(shuō)、斜面飛升說(shuō)和湍流起動(dòng)說(shuō)7種。本文從風(fēng)速達(dá)到沙粒起動(dòng)風(fēng)速瞬間沙粒的起動(dòng)方式著手,對(duì)嫩江沙地幾種典型土壤的起沙風(fēng)速進(jìn)行研究分析,將風(fēng)速達(dá)到沙粒的起動(dòng)風(fēng)速時(shí)沙粒的瞬間起動(dòng)方式分為滾動(dòng)、跳躍、懸浮和飛揚(yáng)4種,以期從微觀角度為防沙治沙以及如何更加有效營(yíng)造防風(fēng)固沙林提供科學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。1強(qiáng)、弱、占比大,土壤以及其他本研究共設(shè)3個(gè)研究區(qū)域:富裕縣富路鎮(zhèn)興勝村、齊齊哈爾市富拉爾基區(qū)全合臺(tái)村和齊齊哈爾市昂昂溪區(qū)苗圃,其所對(duì)應(yīng)的土壤類(lèi)型分別為沙質(zhì)黏壤土、沙質(zhì)壤土和風(fēng)沙土。富路鎮(zhèn)位于黑龍江省西部齊齊哈爾市地區(qū)中部。據(jù)富?？h氣象站記載,富路鎮(zhèn)年降水量400～500mm,年蒸發(fā)量1589.4mm,土壤以沙質(zhì)黏壤土為主。全合臺(tái)村位于齊齊哈爾市南部的富拉爾基區(qū)內(nèi),年降水量451.5mm,多集中在7～9月份;年蒸發(fā)量較大,一般達(dá)降水量的2～3倍。地勢(shì)平坦,土壤比較貧瘠,以沙質(zhì)壤土為主,pH值在7.5左右。昂昂溪區(qū)苗圃位于齊齊哈爾市昂昂溪區(qū),地貌為嫩江東岸廣闊平坦的河漫灘,土壤為灰色生草風(fēng)沙土,屬輕度風(fēng)蝕沙漠化土地。2測(cè)試方法2.1地面中風(fēng)速儀觀測(cè)分別在3個(gè)研究區(qū)域選擇地勢(shì)平坦、開(kāi)闊的自然狀態(tài)下的耕作風(fēng)沙土地面作為觀測(cè)場(chǎng)地,將風(fēng)速儀(DEM2型和75M-1型)布設(shè)于觀測(cè)地段下風(fēng)處,同時(shí)將感應(yīng)部分與地面的距離調(diào)為0.1m高,然后人工在下風(fēng)貼近地面處注意觀察沙粒起動(dòng)時(shí)刻,同時(shí)立刻觀測(cè)、記錄該時(shí)刻風(fēng)速。每種土壤類(lèi)型觀測(cè)記錄100次,取其平均值。2.2人造革上所需動(dòng)能風(fēng)速的測(cè)定分別在3個(gè)研究區(qū)域取表層風(fēng)干土過(guò)篩分級(jí),將分級(jí)后的土粒(<0.01mm,0.01～0.25mm,0.25～0.5mm,0.5～1.0mm,>1.0mm)分別置于平放在耕地表面的人造革面上,然后分別用風(fēng)速儀觀測(cè)記錄各粒級(jí)所需起動(dòng)風(fēng)速。每種土壤每一粒級(jí)觀測(cè)記錄100次,取其平均值。3結(jié)果分析沙粒起動(dòng)臨界風(fēng)速的大小與沙粒粒級(jí)、沙層濕度、植被條件以及起動(dòng)方式等因素有著密切的關(guān)系。3.1沙黏土土壤的粒徑級(jí)由于不同的土壤類(lèi)型具有不同的土壤環(huán)境,因此不同類(lèi)型土壤的起沙風(fēng)速也將有所不同。由表1看出風(fēng)沙土的起沙風(fēng)速最大;沙壤土次之;沙黏土的起沙風(fēng)速最小。一般來(lái)講,沙粒粒徑越大,起沙風(fēng)速越大。在沙粒粒徑相同時(shí),由于受表面吸附水膜黏著力影響,潮濕沙面的起沙風(fēng)速值大于干燥沙面的起沙風(fēng)速值。由表2看出:沙黏土的土壤土粒徑級(jí)集中在<0.01mm和0.01～0.25mm,占總體的74%;沙壤土的土粒徑級(jí)集中在0.01～0.25mm和0.25～0.5mm,占總體的68.64%,其中雖然粒徑在0.01～0.25mm范圍內(nèi)的土壤顆?；境制?但從總體來(lái)看其平均粒徑仍遠(yuǎn)大于沙黏土的平均粒徑;風(fēng)沙土的土粒徑級(jí)也集中在0.01～0.25mm和0.25～0.5mm范圍內(nèi),但其所占比例卻遠(yuǎn)高于沙壤土中該粒級(jí)所占比例,達(dá)到91.17%。3.2可擴(kuò)張型運(yùn)動(dòng)根據(jù)起沙風(fēng)速的不同,沙粒在瞬間起動(dòng)時(shí)的狀況可以分為滾動(dòng)、跳動(dòng)、懸浮和飛揚(yáng)4種形式,其中滾動(dòng)、跳動(dòng)、懸浮分別與風(fēng)力超過(guò)靜力起沙風(fēng)速時(shí)沙粒開(kāi)始脫離靜止?fàn)顟B(tài)后的3種運(yùn)動(dòng)形式(蠕移、躍移、懸移)一一對(duì)應(yīng);而飛揚(yáng)狀態(tài)在后期隨風(fēng)速的不同可以轉(zhuǎn)化為3種運(yùn)動(dòng)形式中的任一種。粒徑<0.05mm的粉粒和黏粒,因?yàn)轶w積細(xì)小,質(zhì)量輕微,一旦懸浮后就不易沉降,而隨空氣遠(yuǎn)離源地,甚至在200km以外才沉降。但這部分在風(fēng)沙流中只占很小一部分,風(fēng)沙流含沙量中約有70%～80%是在地面0.1m內(nèi)以躍移運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)的,因此在控制起沙風(fēng)就應(yīng)重點(diǎn)降低使沙粒出現(xiàn)跳動(dòng)情況時(shí)的起沙風(fēng)速。3.2.1粒級(jí)內(nèi)測(cè)定mm由表2知,沙黏土的土粒粒級(jí)集中分布在<0.01mm,0.01～0.25mm,0.25～0.5mm三部分粒級(jí)內(nèi),分別占總體的35.00%、39.00%和21.10%;結(jié)合表3中土粒以跳動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)時(shí)各粒級(jí)的起沙風(fēng)速,若能將該地區(qū)的風(fēng)速降低到6.3m·s-1即可有效防止風(fēng)沙流的產(chǎn)生。3.2.2總體的最佳工藝由表2知,沙黏土的土粒粒級(jí)集中在0.01～0.25mm和0.25～0.5mm兩部分,分別占總體的38.46%和30.18%;結(jié)合表3中土粒以跳動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)時(shí)各粒級(jí)的起沙風(fēng)速,如果能將該地區(qū)的風(fēng)速降低到6.4m·s-1才能有效起到減弱風(fēng)沙流的作用。3.2.3總體的減少5m的情況由表2知,沙黏土的土粒粒級(jí)集中在0.01～0.25mm和0.25～0.5mm兩部分,分別占總體的36.06%和55.11%;結(jié)合表3中土粒以跳動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)時(shí)各粒級(jí)的起沙風(fēng)速,若將該地區(qū)的風(fēng)速降低到7.2m·s-1即可有效起到減弱風(fēng)沙流的作用。4當(dāng)?shù)仫L(fēng)速控制在主要土壤類(lèi)型的風(fēng)害區(qū)有利于防止起沙風(fēng)的產(chǎn)生由于沙黏土、沙壤土和風(fēng)沙土是嫩江沙地典型的土壤類(lèi)型,分布廣泛,因此本文結(jié)論對(duì)嫩江沙地的治理具有普遍意義。在嫩江沙地,土壤顆粒粒徑大小相對(duì)于土壤含水率而言,對(duì)土壤的起沙風(fēng)速影響占主要作用;在以沙質(zhì)黏土為主要土壤類(lèi)型的風(fēng)害區(qū),若能將當(dāng)?shù)仫L(fēng)速控制在6.3m·s-1以下即可有效防止起沙風(fēng)的產(chǎn)生;在以沙質(zhì)壤土為主要土壤類(lèi)型的風(fēng)害區(qū),若能將當(dāng)?shù)仫L(fēng)速控制在6.4m·s-1以下即可有效防止起沙風(fēng)的產(chǎn)生;在以