李子東 王 雄

（1山西省桑干河楊樹豐產林實驗局 2山西省水土保持生態(tài)環(huán)境建設中心）

1 研究目的與意義

近20年來，沙塵暴所造成的環(huán)境問題，已經引起了當今世界的高度關注。我國西北地區(qū)是全球主要的沙塵源地之一[1]，該區(qū)域容易起塵面積占總面積70%以上。嚴重的沙塵氣候，不僅惡化生態(tài)環(huán)境，而且直接影響著區(qū)域人民的生產與生活。國家對此高度重視，已立項進行了大規(guī)模的沙塵治理。沙塵天氣是一種風蝕現象，形成沙塵暴的基本動力是風。開展風力輸沙塵試驗研究，探討土壤風蝕過程及其機理，對于沙塵氣候的預報和治理具有重要意義。

土壤風蝕產生沙塵的過程，包含了分離土壤、沙塵輸移、沙塵沉降三個子過程，其中氣流起塵能力是控制和分析沙塵暴形成過程的主要參數。國內外眾多學者對其進行了大量的研究，Uno I等[2]、Liu M等[3]、Nickovic S等[4]、Shao Y P等[5]進行了區(qū)域大氣模式的沙塵研究，Ginoux P等[6]、Zender C S等[7]、Tanaka T Y等[8]開展了全球大氣模式相耦合的沙塵模式研究，我國劉賢萬[9]和董治寶等[10]等系統(tǒng)地試驗研究了土壤風蝕、風沙運動、風成地貌的演變。這些研究成果，闡明了風沙運動和風成地貌發(fā)育的機理。研究發(fā)現，在床面附近某一高度以下的輸沙量小于指數分布預測值，不同的起沙參數化方案對于沙塵暴期間的沙塵排放、輸送存在著很大的差異[11]。目前，對風積土再次起塵的研究尚未見報道。本項研究，著重對風積土不同干旱程度、不同風速條件的起塵規(guī)律進行了初探，可為建立準確的沙塵預報系統(tǒng)以及完善監(jiān)測系統(tǒng)提供科學依據，也可為建立合理的風蝕產沙塵模型提供參考，以便于定量預測沙塵天氣發(fā)生的范圍和程度，為防災減災提供有效服務。

2 試驗裝置及研究方案

2.1 試驗裝置

本風洞輸塵試驗研究是在桑干河畔懷仁縣興旺村進行的，試驗裝置由鼓風裝置、密閉輸塵道、供土室和降塵室等四部分組成（見圖1）。

圖1 試驗裝置示意圖

鼓風室可提供0-16 m/s的風力；供土箱用液壓調節(jié)；輸塵道長5 m，高、寬各1 m，用PVC內貼密封；降塵室用水霧降塵。在同樣條件下進行5次重復試驗，加權平均，以減小試驗誤差。

2.2 試驗方案

本次試驗采用8個級度的風速，即0-2、0-4、0-6、0-8、0-10、0-12、0-14和0-16 m/s。時間以每次試驗5 min計。試驗用土采自桑干河懷仁縣河頭段岸邊表層風積土，其顆粒組成見表1。

表1 試驗用土顆粒組成表

試驗用土壤分三個干旱級：輕旱，黃墑，黃色，濕潤，土壤含水率12%-15%，土壤相對濕度40%-60%；中旱，灰墑，淺灰，半干，土壤含水率8%左右，土壤相對濕度20%-40%；重旱，干土，灰白，干，土壤含水率在5%以下，土壤相對濕度<20%。

根據起塵量調節(jié)供土高度，風蝕厚度控制在1-3 cm。根據試驗時間，關閉供土裝置，風機延后2 min關閉。

3 試驗結果與分析

3.1 起塵量隨風速的變化

風洞起塵試驗不能真正反映野外實際產生沙塵量的絕對值大小，但是可以通過分析各因子之間的相互關系來探討風力起塵的一般規(guī)律。對于本次試驗來說，由于墊面條件相同，所以風速和時間是決定起塵量大小的兩個重要因素。風速越大，持續(xù)時間越長，起塵量越大，沙塵暴形成的幾率就越高。為了研究不同風速起塵能力的大小，分析過程中取風速相對穩(wěn)定后的值作為計算依據。通過試驗觀察，得知開啟風機5 s后，起塵量相對穩(wěn)定，所以起塵率就取5 s之后的平均值作為計算標準，此時起塵與輸塵平衡，即風蝕多少，就輸移多少。

圖2 起塵率隨風速變化趨勢

圖2 為不同土壤條件起塵率隨風速變化的趨勢。從圖2中可以看出，起塵率隨著風速增加而持續(xù)增大。說明風蝕動能越強，起塵量越大。觀察起塵率隨風速的變化曲線發(fā)現，其變化趨勢并非隨風速的增加線性增加，而是分別在風速為3 m/s、6 m/s和12 m/s時出現了拐點，說明在此情況下起塵率隨風速的增量發(fā)生了變化。當風速小于3 m/s時，起塵率隨風速增量較緩；風速在3-6 m/s時，起塵率的增量明顯增加；風速在6-8 m/s時，起塵率的增勢又變緩；當風速達到10 m/s以上時，起塵率的曲線又陡增。起塵率隨風速的變化過程為：緩—陡—緩—陡。

經對試驗資料的回歸分析，建立了起塵率與風速之間的相關關系：

式中：G為起塵率，g/s；Q為風速，m/s；S為土壤干旱度，無量綱。

由（1）式可以看出，平均起塵率與風速和土壤平均干旱度之間均成指數函數關系，并且風速的指數大于干旱度的指數，說明在一定范圍內風速對起塵率的影響大于干旱度。

3.2 風力起塵率與氣流切應力的關系

風力平均剪切力與土壤風蝕率之間存在一定的耦合關系。從理論上講，空氣與土壤界面的氣流剪切力可以克服土壤顆粒之間的粘接力使土粒分離，克服重力使土粒懸浮在空中，為氣流輸移侵蝕土壤提供物質來源。根據試驗資料，點繪氣流剪切力和起塵率的關系見圖3。從圖3可以看出，氣流剪切力越大，對土壤的作用力越強，土壤顆粒懸浮的機會就會越大。

圖3 氣流剪切力和起塵率的關系

對不同土壤含水量和風速條件下的氣流平均剪切力與平均起塵率進行回歸分析，可以得到氣流剝蝕率與氣流剪切力之間的關系。土壤為輕旱、中旱、重旱時，其線性關系分別如下：

式中：GS為氣流剝蝕率（平均起塵率），g/s；β為氣流剪切力（切應力），Pa。

從（2）（3）（4）式中可以發(fā)現，回歸方程的相關系數很高，說明氣流輸塵能力和氣流剪切力之間存在線型關系，并且隨著土壤含水率的降低回歸直線的斜率也在增加，說明土壤越干燥氣流起塵率隨剪切力的增率越快。另外，也說明不同含水量的土壤，氣流的臨界剪切力也有所差異。

3.3 氣流起塵率與氣流功率之間的關系

氣流對土壤的侵蝕是一個做功耗能的過程。墊面單位面積上氣流功率的表達式為：

標準狀態(tài)下ρ=1.292 8 kg/m3?？紤]到氣溫、湍流等因素，本處取ρ=1.2 kg/m3，即：

根據氣流功率理論的計算結果和試驗數據，點繪氣流功率與平均起塵率之間的關系，如圖4所示。

圖4 氣流功率與平均起塵率之間的關系

圖4 表明，氣流功率與氣流平均起塵率之間存在較明顯的線性關系，氣流功率增加，平均起塵率明顯增加。通過回歸分析，土壤為輕旱、中旱、重旱時其線性關系分別如下：

式中：GS為平均起塵率，g/s；P為氣流功率，w。

3.4 氣流起塵率與雷諾數之間的關系

氣流雷諾數越大，說明其紊動性越強，氣流對土壤的侵蝕越劇烈，同時氣流中底層的沙塵有更多機會被帶到氣流中上部，并隨氣流漂移走。在一定范圍內，雷諾數越高，氣流挾帶沙塵的數量就越大。通過分析試驗數據發(fā)現，不同干旱條件下，雷諾數與起塵率之間存在著明顯的正比關系（圖5）。

圖5 雷諾數與起塵率之間的關系

通過回歸分析，土壤為輕旱、中旱、重旱時，氣流雷諾數與氣流起塵率之間的關系為：

式中：GS為氣流起塵率，g/s；Re為雷諾數。

從（10）（11）（12）式中可以看出，不同干旱程度回歸方程的斜率隨干旱程度的增加而增加，說明越干旱沙塵暴越容易起動，因為越干旱沙塵土壤的結構越松散，其穩(wěn)定性越差。

4 結論

通過試驗，我們可得出以下初步結論：

4.1 影響土壤起塵的主要因子

干旱度和風速是影響起塵率的兩個主要因子?；貧w分析表明，風速對起塵率的影響大于干旱度對起塵率的影響。

4.2 風速與土壤起塵率的關系

在同一土壤條件下，風速的增加，起塵率呈階梯形增加，即表現為“緩—陡—緩—陡”的變化過程。

4.3 氣流參數與土壤起塵率的關系

氣流切應力、氣流功率和氣流雷諾數等參數，與土壤起塵率之間均存在線性關系。

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