风沙物理学在沙漠化防治工作中的应用研究

石源浩

摘 要：在社会发展的过程中，环境保护工作受到了人们的重视。在过去，很多经济活动的开展使得自然环境受到了破坏，土地沙漠化就是突出的问题，这导致了自然灾害频发，很多动植物失去了生存的空间。近年来，土地沙漠化的问题已经威胁到了人类的生存。在土地沙漠化问题防治的过程中，人们需要了解沙漠化形成的机理、发生过程，明确各个阶段风与地表之间、风与沙尘之间的相互作用关系，这可以为沙漠化防治工作的开展提供理论依据。而风沙物理学在这个过程中可以发挥重要的作用，可以通过理论模拟与实验观测的方式来使人们更好地了解沙漠化的特点。

关键词：风沙物理学;土地沙漠化;环境保护;问题防治;应用效果

1.风沙物理学的产生与研究

目前，土地沙漠化已经成为了人类在社会生活当中要面临的重要环境问题，它不仅成为了经济可持续发展的阻碍，同时还对人类的生存和健康造成了威胁。与世界其他国家相比，我国人均土地占有率比较低，耕地面积也比较少。因此，土地沙漠化不仅使很多地区的人们失去了他们的耕地，同时还使得他们面临着恶劣的生存环境。我国政府高度重视对土地沙漠化问题的防治，很多研究人员也对土地沙漠化形成的机理、发展的特点等问题开展了大量的现场勘查和理论研究。在这个过程当中，还形成了对风沙问题进行专门研究的学科——风沙物理学。从世界的范围来看，目前，风沙物理学的研究时间已经超过了30年，在这个过程中也已经取得了重要的研究成果。

风沙主要是由风及其所携带的沙物质所构成的，在风的作用下，这些沙物质会发生流动，并形成气固两相流的局面。具体来说，在这个过程当中，大气会对地表产生一个作用力，在这一作用力下，地表的沙粒会流动，并在流动的过程中产生对气流的反馈，这一反馈会引起气流场特征的变化。在风沙物理学在研究的过程中，将现代流体力学理论作为依据，可以为土地沙漠化地势地貌、发生特点等问题的研究奠定良好的基础。近年来，随着声光电传感技术（激光）、遥感和示踪等实验技术手段和计算机技术以及数值模拟方法的飞速发展，在风沙运动机理研究方面取得了一些新的进展和认识。

2. 风沙物理学在沙漠化防治工作中的应用

2.1在风场结构研究方面的应用

在土地沙漠化发生的过程中，风是原动力，也是使地表沙尘颗粒流动的主要力量。从风沙物理学的角度来说，风沙运动的过程就是在风的作用下、沙粒发生位置上的迁移与变化的过程。在这个过程中，研究人员可以对利用风沙物理学的相关理论对风场结构进行研究。通过对平坦床面的来流风场结构进行分析可以发现，起净风场的风速廓线服从对数分布的特点。在风场产生的过程中，一定高度的含沙层也满足这一分布规律。在这个基础上，有研究人员通过对风场结构数值模拟研究的方式，发现了风场跃移层内风速的特点，并在风速遵循对数分布规律的基础上发现了跃移层内，沙粒与风速之间的关系受到地表粗糙度的影响，不同粗糙度下的摩擦力不同，风速也会出现不同。

在上述的研究当中，研究人员结论的前提是风场稳定来流，但是实际上很多因素都会对风场结构产生影响，因此风场无法实现稳定来流。为了更好地了解风场结构的特点，很多学者对非稳定来流状况下的风沙行为进行了研究。有的研究人员通过模型研究的方式分析了在一维非定常风场当中，同一种频率和同一种强度条件下，输沙率与波动风相应之间的关系。还有的研究人员通过附加随机脉动值的方式，对平均风速的模型进行了分析。他们发现，风速脉动与输沙率之间的影响并不明显。在实际情况当中，土地沙漠化发生的时候，靠近地面的气流通常会表现为湍流，这些湍流经常会出现隙间性局部速度增加的情况。通过研究发现，这种情况通常会对风沙的传输产生影响。除此之外，很多土地沙漠化发生的场所都是在野外的环境当中，在这样的環境当中风场结构的影响因素更加复杂。研究人员利用风沙物理学，对大气边界层风场的脉动规律等问题进行了研究。

2.2在沙尘颗粒的起动研究方面的应用

在地表风的作用下，风沙会发生运动，从而导致土壤会风蚀甚至引发沙尘的天气，久而久之造成土地沙漠化的问题。因此，在研究土地沙漠化问题的时候，对沙尘颗粒起动机制和速度的研究也是重要的组成部分。目前，对该内容的研究还并没有形成统一的观点，这是由于沙尘颗粒在发生起动的时候往往要经过复杂的过程，且在研究结果容易受到研究手段的影响。有的学者结合风沙物理学的沙粒运动理论，对沙粒起动时候的压差进行了研究。有的学者认为在沙尘颗粒启动的过程中，主要是受到冲击力的作用而产生起跳。有的学者通过实验模拟发现，跃移颗粒物的冲击并不是造成沙粒启动的主要原因，还有的学者认为，在沙尘启动的过程中，颗粒物的冲击速度并不高，它们之间会在相互摩擦的过程中发生碰撞，这会导致颗粒物的动量无法集中，从而导致无法对床面上更多的沙粒起到冲击作用。

除了起动机制之外，还有很多学者将注意力放在了沙尘颗粒的起动风速上。风速不仅是使风沙运动的重要因素，同时也与土地沙漠化的程度具有重要的影响。有的研究人员通过实验研究发现，沙粒在启动过程中所收到的摩擦阻力与地表形态、沙粒本身的含水量和质量、沙粒所受到的静电作用力等都有着重要的关系。也有的研究人员认为，目前对沙尘颗粒的起动还没有形成统一的标准。他认为，起动风速本身就并不是一个固定的量，在现实当中会受到各种因素的影响。

2.3在风沙电现象研究方面的应用

沙尘暴是造成土地沙漠化的重要因素，沙尘暴不会形成强电场和电火花，同时还会对周围的无线电信号产生一定的干扰作用。目前，国内外的多名学者提出沙粒带电机制的假说，并对强风沙电场产生的原因进行了推测。我国学者率先在风洞中对沙粒带电的荷质比、风沙电场强度以及输沙率和风速廓线等展开了实验测量，揭示了沙粒带电的尺度效应，指出风沙电场主要是由空中带电沙粒产生。在此基础上建立起了风-粒-电相互作用的模型。在这个基础上，兰州大学风沙环境力学研究小组还开展了对野外风沙电场的三维观测，首次指出实际风沙电场不仅在垂向与大气晴天电场相反，而且还存在沿来流流向的、强度比垂向风沙电场更高的水平电场，并指出这主要是由于风沙流的流向脉动所致。

结语

综上所述，土地沙漠化的发生、发展过程与近地层的沙尘颗粒物的起动、传输、沉降，流场结构紧密相关。这需要从事相关科研工作的人员结合风沙物理学的知识，进一步拓展和提升基础理论研究与实验方法设计，进而推动中国在沙漠化防治领域的发展。

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