运用风蚀仪进行风力侵蚀特征研究的实践

刘 敏，周 波，何有华，张晓虹，柴亚凡，侯 超

(甘肃省水土保持科学研究所，甘肃兰州730020)

甘肃是一个水资源极度匮乏的省份，风力侵蚀面积占到全省土地面积的一半以上，对当地的生产生活造成极大的影响，因此对风力侵蚀特征的研究显得尤为重要［1］。目前风蚀测量仪器还仅限于集沙仪、降尘缸、测钎等简易装置，这些装置的测量结果只有一个最终值，对输沙量随时间的动态变化则无法描述，而且没有自动记录功能。风蚀仪是一种产自德国先进的风蚀测量系统，其主要优点是能够自动记录测量值，还可以根据需求设定时间间隔，为描述输沙量动态变化，研究风蚀特征提供了方便。

1 试验区概况

兰州市地处青藏高原与黄土高原的交接地带，受区域地质构造及地层岩性的控制，特别是新生代以来受喜马拉雅山运动的影响，新构造运动十分强烈，致使该地区产生了大幅度不均衡的升降运动，形成了多处断陷盆地及河谷盆地中的多级阶地，是典型的黄土丘陵沟壑区，属于黄土丘陵沟壑区第五副区。

土壤为黄土母质上发育而成的灰钙土，部分山体基部有岩石和第三系红土层裸露。土壤中腐殖质缺乏，有机质含量低，不能形成良好的土壤结构。一般表土呈粉粒状，质地疏松多孔，湿陷性强，含钙质结核。由于历史和自然的原因，加之兰州市特殊的地理位置，造成区域内植被稀少，水土流失严重［2］。

2 试验仪器及试验方法

2.1 仪器介绍

试验所用主要仪器有风蚀仪、试验用风机、降尘缸。

风蚀仪(风蚀测量系统)由自动沉淀物收集器、数据采集器、供电装置3部分组合而成，主要用于监测自然界的风沙运动趋势和风蚀作用，草地等植被的风沙研究，土壤沙化、环境荒漠化监测等方面。本系统应用一种带有自动风向控制的集沙系统，收集随风扬起的风沙，然后通过电子天平对收集到的风沙进行称重，数据采集器自动记录收集风沙的时间和收集的风沙量(电子天平称重获得)。该系统的集沙系统，能自动记录沉淀物侵蚀的起始时间和强度以及沉淀物随时间变化的累积量，入沙口形状是直径为5 cm的圆形。

试验用风机额定功率为1000 W，试验场地平均风速为10 m/s。降尘缸为直径10 cm的铝盆，深6 cm，试验时放置在风蚀仪的附近，一组设4个铝盆。

2.2 试验方法

在兰州市城关区窦家山试验场布置3组人工模拟风蚀观测场，规格均为1 m2的正方形区域，周围平整硬化，避免对试验结果造成干扰。观测场分别为扰动后的裸露地表、10%砾石覆盖地表、20%砾石覆盖地表3种处理，砾石平均直径约5 cm，呈条形和网格型布置，场地内要求平整。

试验时将风蚀仪置于场地下风向，入沙口距地表10 cm［3］;1000 W固定式试验用风机位于试验场地的另一端以提供风源，场地内平均风速约为10 m/s;4个铝盆置于风蚀仪附近，以测量风沙沉积量，结果求其平均值。

3 结果分析

3.1 输沙量与输沙率

图1为10 m/s试验风速下，裸露地表累积输沙量随时间的变化曲线。由图1可以看出，测量期内累计输沙量最高值可达7.8 g［4］。造成这种现象的原因是，试验场地内可以侵蚀的土量是有限的，开始时，可蚀土壤充裕，输沙量相对较大，随着地表可蚀土量的不断减少，累计输沙量逐渐恒定。测量期内，裸露地表平均输沙率为0.35 g/min。

图2为10 m/s风速下，10%砾石覆盖地表累积输沙量变化曲线。由图2可以看出，测量期内累积输沙量最高值为4.4 g，输沙率在测量期内基本保持恒定，约为0.18 g/min。原因可能是，地表砾石的阻隔使风速发生变化，风流并非直线运行，这就对风蚀产生了一定的削弱和缓冲作用，因此输沙率比较均匀。

图3为10 m/s风速下，20%砾石覆盖地表累积输沙量变化情况。

由图3可以看出，测量期内累积输沙量的增加幅度只有0.4 g，输沙量的增加速度在逐渐减小，并最终趋于恒定［5］。20%的砾石覆盖极大地削弱了表层风速，减少了沙的来源，因此累积输沙量和输沙率都有明显减少。测量期内平均输沙率只有 0.02 g/min。

比较以上3种地表处理，可得出如下结论:①3种处理累积输沙量相差较大，裸地＞10%砾石覆盖＞20%砾石覆盖;②输沙率相差悬殊，裸地＞10%砾石覆盖＞20%砾石覆盖;③3种地表处理输沙率变化趋于一致，均为由大到小，最终为趋于稳定［6］。

3.2 沉积量

测量时间段内，裸露地表沉积量为16.8 g，10%砾石覆盖沉积量为5.9 g，20%砾石覆盖沉积量为0.9 g。20%砾石覆盖下沉积量是10%砾石覆盖下的15.3%，是裸露地表沉积量的5.4%;10%砾石覆盖下的沉积量是裸露地表的35.1%。可见，无论是10%砾石覆盖还是20%砾石覆盖，沉积量较裸露地表均有明显减小。

试验结果表明，砾石覆盖措施防风蚀的效果是明显的，无论从输沙量还是沉积量来看，都有明显下降［2］。

4 结论

(1)人工模拟试验条件下，裸露地表的累积输沙量为7.8 g，10% 砾石覆盖地表为 4.4 g，20% 砾石覆盖地表为 0.4 g，分别是前两者的 5.1%、9.1%。

(2)从输沙率来看，裸露地表为0.35 g/min，10%砾石覆盖地表为0.18 g/min，20%砾石覆盖地表为0.02 g/min;10%和20%砾石覆盖下的输沙率分别为裸露地表的51.4%、5.7%。

(3)从单位沉积量来看，裸露地表为16.8 g，10%砾石覆盖沉积量为5.9 g，20%砾石覆盖沉积量为0.9 g;10%和20%砾石覆盖下的沉积量分别占裸露地表的35.1%、5.4%。

(4)试验结果表明，砾石覆盖地表的水土保持措施在减小风速、防止地表风蚀、减少输沙量等方面具有非常积极的作用［2］。由于场地的局限性和篇幅的限制，今后还应该在输沙量、沉积量与侵蚀量的关系以及试验设计方面作进一步研究。

［1］陈渭南，董光荣，董治宝.中国北方土壤风蚀问题研究的进展与趋势［J］.地球科学进展，1994，9(5):6－12.

［2］张力辉，代全厚，刘明义.风蚀与荒漠化防治［J］.吉林水利，2002(1):28－30.

［3］Fryrear W D，Salth A.Field wind erosion:vertical distribution［J］.Soil Science，1993，155:294 －300.

［4］王力威，石晓燕，李国忠.对风蚀机理的分析与认识［J］.水利科技与经济，1997，3(20):90 －91.

［5］胡孟青.科尔沁沙地土壤风蚀风洞实验研究［J］.中国沙漠，1991，11(1):22 －29.

［6］严平，董光荣，邹学勇.土壤风蚀容忍值(T值)研究的现状与问题［J］.水土保持通报，1998，18(l):13－16.