风力输沙尘能力试验研究

李子东 王 雄

（1山西省桑干河杨树丰产林实验局 2山西省水土保持生态环境建设中心）

1 研究目的与意义

近20年来，沙尘暴所造成的环境问题，已经引起了当今世界的高度关注。我国西北地区是全球主要的沙尘源地之一[1]，该区域容易起尘面积占总面积70%以上。严重的沙尘气候，不仅恶化生态环境，而且直接影响着区域人民的生产与生活。国家对此高度重视，已立项进行了大规模的沙尘治理。沙尘天气是一种风蚀现象，形成沙尘暴的基本动力是风。开展风力输沙尘试验研究，探讨土壤风蚀过程及其机理，对于沙尘气候的预报和治理具有重要意义。

土壤风蚀产生沙尘的过程，包含了分离土壤、沙尘输移、沙尘沉降三个子过程，其中气流起尘能力是控制和分析沙尘暴形成过程的主要参数。国内外众多学者对其进行了大量的研究，Uno I等[2]、Liu M等[3]、Nickovic S等[4]、Shao Y P等[5]进行了区域大气模式的沙尘研究，Ginoux P等[6]、Zender C S等[7]、Tanaka T Y等[8]开展了全球大气模式相耦合的沙尘模式研究，我国刘贤万[9]和董治宝等[10]等系统地试验研究了土壤风蚀、风沙运动、风成地貌的演变。这些研究成果，阐明了风沙运动和风成地貌发育的机理。研究发现，在床面附近某一高度以下的输沙量小于指数分布预测值，不同的起沙参数化方案对于沙尘暴期间的沙尘排放、输送存在着很大的差异[11]。目前，对风积土再次起尘的研究尚未见报道。本项研究，着重对风积土不同干旱程度、不同风速条件的起尘规律进行了初探，可为建立准确的沙尘预报系统以及完善监测系统提供科学依据，也可为建立合理的风蚀产沙尘模型提供参考，以便于定量预测沙尘天气发生的范围和程度，为防灾减灾提供有效服务。

2 试验装置及研究方案

2.1 试验装置

本风洞输尘试验研究是在桑干河畔怀仁县兴旺村进行的，试验装置由鼓风装置、密闭输尘道、供土室和降尘室等四部分组成（见图1）。

图1 试验装置示意图

鼓风室可提供0-16 m/s的风力；供土箱用液压调节；输尘道长5 m，高、宽各1 m，用PVC内贴密封；降尘室用水雾降尘。在同样条件下进行5次重复试验，加权平均，以减小试验误差。

2.2 试验方案

本次试验采用8个级度的风速，即0-2、0-4、0-6、0-8、0-10、0-12、0-14和0-16 m/s。时间以每次试验5 min计。试验用土采自桑干河怀仁县河头段岸边表层风积土，其颗粒组成见表1。

表1 试验用土颗粒组成表

试验用土壤分三个干旱级：轻旱，黄墒，黄色，湿润，土壤含水率12%-15%，土壤相对湿度40%-60%；中旱，灰墒，浅灰，半干，土壤含水率8%左右，土壤相对湿度20%-40%；重旱，干土，灰白，干，土壤含水率在5%以下，土壤相对湿度<20%。

根据起尘量调节供土高度，风蚀厚度控制在1-3 cm。根据试验时间，关闭供土装置，风机延后2 min关闭。

3 试验结果与分析

3.1 起尘量随风速的变化

风洞起尘试验不能真正反映野外实际产生沙尘量的绝对值大小，但是可以通过分析各因子之间的相互关系来探讨风力起尘的一般规律。对于本次试验来说，由于垫面条件相同，所以风速和时间是决定起尘量大小的两个重要因素。风速越大，持续时间越长，起尘量越大，沙尘暴形成的几率就越高。为了研究不同风速起尘能力的大小，分析过程中取风速相对稳定后的值作为计算依据。通过试验观察，得知开启风机5 s后，起尘量相对稳定，所以起尘率就取5 s之后的平均值作为计算标准，此时起尘与输尘平衡，即风蚀多少，就输移多少。

图2 起尘率随风速变化趋势

图2 为不同土壤条件起尘率随风速变化的趋势。从图2中可以看出，起尘率随着风速增加而持续增大。说明风蚀动能越强，起尘量越大。观察起尘率随风速的变化曲线发现，其变化趋势并非随风速的增加线性增加，而是分别在风速为3 m/s、6 m/s和12 m/s时出现了拐点，说明在此情况下起尘率随风速的增量发生了变化。当风速小于3 m/s时，起尘率随风速增量较缓；风速在3-6 m/s时，起尘率的增量明显增加；风速在6-8 m/s时，起尘率的增势又变缓；当风速达到10 m/s以上时，起尘率的曲线又陡增。起尘率随风速的变化过程为：缓—陡—缓—陡。

经对试验资料的回归分析，建立了起尘率与风速之间的相关关系：

式中：G为起尘率，g/s；Q为风速，m/s；S为土壤干旱度，无量纲。

由（1）式可以看出，平均起尘率与风速和土壤平均干旱度之间均成指数函数关系，并且风速的指数大于干旱度的指数，说明在一定范围内风速对起尘率的影响大于干旱度。

3.2 风力起尘率与气流切应力的关系

风力平均剪切力与土壤风蚀率之间存在一定的耦合关系。从理论上讲，空气与土壤界面的气流剪切力可以克服土壤颗粒之间的粘接力使土粒分离，克服重力使土粒悬浮在空中，为气流输移侵蚀土壤提供物质来源。根据试验资料，点绘气流剪切力和起尘率的关系见图3。从图3可以看出，气流剪切力越大，对土壤的作用力越强，土壤颗粒悬浮的机会就会越大。

图3 气流剪切力和起尘率的关系

对不同土壤含水量和风速条件下的气流平均剪切力与平均起尘率进行回归分析，可以得到气流剥蚀率与气流剪切力之间的关系。土壤为轻旱、中旱、重旱时，其线性关系分别如下：

式中：GS为气流剥蚀率（平均起尘率），g/s；β为气流剪切力（切应力），Pa。

从（2）（3）（4）式中可以发现，回归方程的相关系数很高，说明气流输尘能力和气流剪切力之间存在线型关系，并且随着土壤含水率的降低回归直线的斜率也在增加，说明土壤越干燥气流起尘率随剪切力的增率越快。另外，也说明不同含水量的土壤，气流的临界剪切力也有所差异。

3.3 气流起尘率与气流功率之间的关系

气流对土壤的侵蚀是一个做功耗能的过程。垫面单位面积上气流功率的表达式为：

标准状态下ρ=1.292 8 kg/m3。考虑到气温、湍流等因素，本处取ρ=1.2 kg/m3，即：

根据气流功率理论的计算结果和试验数据，点绘气流功率与平均起尘率之间的关系，如图4所示。

图4 气流功率与平均起尘率之间的关系

图4 表明，气流功率与气流平均起尘率之间存在较明显的线性关系，气流功率增加，平均起尘率明显增加。通过回归分析，土壤为轻旱、中旱、重旱时其线性关系分别如下：

式中：GS为平均起尘率，g/s；P为气流功率，w。

3.4 气流起尘率与雷诺数之间的关系

气流雷诺数越大，说明其紊动性越强，气流对土壤的侵蚀越剧烈，同时气流中底层的沙尘有更多机会被带到气流中上部，并随气流漂移走。在一定范围内，雷诺数越高，气流挟带沙尘的数量就越大。通过分析试验数据发现，不同干旱条件下，雷诺数与起尘率之间存在着明显的正比关系（图5）。

图5 雷诺数与起尘率之间的关系

通过回归分析，土壤为轻旱、中旱、重旱时，气流雷诺数与气流起尘率之间的关系为：

式中：GS为气流起尘率，g/s；Re为雷诺数。

从（10）（11）（12）式中可以看出，不同干旱程度回归方程的斜率随干旱程度的增加而增加，说明越干旱沙尘暴越容易起动，因为越干旱沙尘土壤的结构越松散，其稳定性越差。

4 结论

通过试验，我们可得出以下初步结论：

4.1 影响土壤起尘的主要因子

干旱度和风速是影响起尘率的两个主要因子。回归分析表明，风速对起尘率的影响大于干旱度对起尘率的影响。

4.2 风速与土壤起尘率的关系

在同一土壤条件下，风速的增加，起尘率呈阶梯形增加，即表现为“缓—陡—缓—陡”的变化过程。

4.3 气流参数与土壤起尘率的关系

气流切应力、气流功率和气流雷诺数等参数，与土壤起尘率之间均存在线性关系。

[1]Koven C D，Inez F.Identifying global dust source areas usinghigh-resolution land surface form[J].J.Geophysical Research Atmospheres，2008，113（D22）：1 971-1 976.

[2]Uno I，Carmichael G R，Streets D G，et al.Regional chemical weather forecasting system CFORS:Model descriptions and analysis of surface observations at Japanese island stations during the ACE-Asia experiment[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres,2003，108（23）：1 147-1 164.

[3]Liu M，Westphal D L，Wang S，et al.A high-resolution numerical study of the Asian dust storms of April 2001[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres，2003，108（1）：147-153.

[4]Nickovic S，Kallos G，Papadopoulos A，et al.A model for prediction of desert dust cycle in the atmosphere[J].J.Geophysical Research Atmospheres，2001，106（D16）：18 113-18 130.

[5]Shao Y P，Jung E，Leslie L M.Numerical prediction of northeast Asian dust storms using an integrated wind erosion modelingsystem[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres，2002，107（24）：21-23.

[6]Ginoux P，Chin M，Tegen I，etal.Sourcesand distributions of dust aerosols simulated with the GOCARTmodel[J].J.Geophysical Research Atmospheres,2001，106（D17）：20 255-20 273.

[7]Zender CS，Bian H，Newman D.Mineral dust entrainment and deposition （DEAD）model：Description and 1990s dust climatology[J].J.Geophysical Research Atmospheres,2003，108（D14）：4 416.

[8]Tanaka TY，Orito K，Sekiyama TT，et al.MASINGAR，a global tropospheric aerosol chemical transport model coupled with MRI/JMA98GCM：Model description:Model description[J].Papers in Meteorology&Geophysics，2003，53(4)：119-138.

[9]刘贤万.实验风沙物理与风沙工程学[M].北京：科学出版社，1995：136-381.

[10]董治宝，王 涛，屈建军.风沙物理学学科建设的若干问题[J].中国沙漠，2002，22(3)：205-209.

[11]Uno I，Wang Z，Chiba M，et al.Dust model interco －mparison（DMIP）study over Asia:Overview[J].J.Geop-hysical Research Atmospheres，2006，111（D12）：2 503-2 511.