風沙運動培訓課件一、近地層風的性質1.層流和紊流大氣對流層屬于大氣層中直接與地表接觸的部分，與地球表面的相互影響極其強烈，人類的生產生活關系極其密切，歷來受到人們的重視。而大氣對流層中貼近地面100m范圍內的氣層稱為近地層，一切風沙運動都與本層大氣的性質及活動狀況有關，因此也是風力侵蝕學研究的重點。由于地球表面熱量分布的不均，出現氣壓差，空氣由高壓區向低壓區流動，就生了風。與其他流體一樣，風也存在兩種流態：層流和紊流。層流的空氣質點運動軌跡平穩，鄰近的空氣質點平衡運動，互不干擾，但空氣的這種流態，僅在地表平坦，風速很低的情況下才能見到。當風速稍大時，層流大氣即失去其穩定性而變成紊流。紊流的空氣質點運動不規則，并且互相干擾，各氣流層層間夾雜了大小不同的渦旋運動。渦流的產生使得各層之間的動能更易交換，上下層之間的流速趨于一致，這對于沙粒的運動是非常重要的。層流大氣是否失去其穩定性取決于流體的慣性力與粘滯力之間的比例關系。對于粘度低，密度小的空氣來說，當雷諾數超過1400時，就會使層流過渡到紊流。據勃蘭特（D.Brunt）估算，在室外大氣中如果風速超過1.0m/s，則不管他看來是怎樣平穩地流過，空氣流動必然是紊流。特別是引起沙粒運動的風幾乎都是紊流運動。2.湍流與地表粗糙度湍流運動是一種疊加在一般流動上的不規則的旋渦狀的混合運動。旋渦的大小各不相同，可從幾毫米到幾百米。湍流發生時，分子群代替了單個分子的運動，空氣分子不再恒定地向前移動，而是不斷地改變著運動的方向和速度，通過這種旋渦運動進行風的動能的傳遞和交換。其中最明顯的就是風吹過地表時，受地面磨擦阻力的影響，風速減小，并把這種阻力向上層大氣傳遞，由于磨擦阻力隨高度增加而減小，故風速隨高度而增大。二、沙粒的運動1.沙粒起動的機制半個多世紀以來，中外科學家對靜止沙粒受力起動機制進行了深入的研究，并形成了多種假說，如沖擊碰撞說，壓差升力說及湍流的擴散作用說等，但都沒有圓滿地解決這一問題。1980年吳正和凌裕泉在風洞中用高速攝影方法對沙粒運動過程進行了研究。他們認為在風力作用下，當平均風速約等于某一臨界值時，個別突出的沙粒在湍流流速和壓力脈動作用下，開始振動或前后擺動，但并不離開原來位置，當風速增大超過臨界值后，振動也隨之加強，迎面阻力(拖曳力)和上升力相應增大，并足以克服重力的作用.氣流的旋轉力矩促使某些最不穩定的沙粒首先沿沙面滾動或滑動。由于沙粒幾何形狀和所處空間位置的多樣性，以及受力狀況的多變性，因此在滾動過程中，一部分沙粒碰到地面凸起沙粒的沖擊時，就會獲得巨大沖量。受到突然沖擊力作用的沙粒，就會在碰撞瞬間由水平運動急劇地轉變為垂直運動，驟然向上(有時幾乎是垂直的)起跳進入氣流運動，沙粒在氣流作用下，由靜止狀態達到躍起狀態。2.臨界風速與起沙風風沙流中的沙粒是從運動氣流中獲取運動動量的，只有當風力條件能夠吹動沙粒時，沙粒才能脫離地表進入氣流形成風沙流。假定地表風力逐漸增大，達到某一臨界值后，地表沙粒脫離靜止狀態開始運動，這時的風速稱為臨界風速或起動風速，一切大于起動風速的風稱為起沙風。起動風速與沙粒粒徑、地表性質、沙粒含水率等多種因素有關。國內外專家研究證實，在一般情況下起動風速和沙粒粒徑的平方根成正比。3.沙粒運動形式據觀測研究，風沙流中沙粒依風力大小、顆粒粒徑、質量不同而以懸移、躍移、蠕移三種形式向前運動當沙粒起動后以較長時間懸浮于空氣中而不降落，并以與風速相同的速度向前運動時稱為懸移。懸移運動的沙粒稱為懸移質。懸移質粒徑一般為小于0.1mm甚至小于0.05mm的粉沙和粘土顆粒。由于其的體積小質量輕，在空氣中的自由沉速很小，一旦被風揚起就不易沉落，因而可長距離搬運。如中國黃土不但可從西北地區懸移到江南，甚至可懸浮到日本。懸浮沙量在風蝕總量中所占比例很小，一般不足5%，甚至1%以下。沙粒在風力作用下脫離地表進入氣流后，從氣流中取得動量而加速前進，又在自身的重力作用下以很小的銳角落向地面。由于空氣的密度比沙粒的密度要小的多，沙粒在運動過程中受到的阻力較小，降落到沙面時有相當大的動能。因此不但下落的沙粒有可能反彈起來，繼續跳躍前進，而且由于它的沖擊作用，還能使其降落點周圍的一部分沙粒受到撞擊而飛濺起來，造成沙粒的連續跳躍式運動。沙粒的這種運動方式稱為躍移，躍移運動的沙土顆粒稱為躍移質。躍移運動是風沙運動的主要形式，在風沙流中躍移沙量可能達到運動沙量總重量的1/2甚至3/4。粒徑0.1～0.15mm的沙粒最易以躍移方式移動。在沙質地表上躍移質的跳躍高度一般不超過30cm，而且有一半以上的躍移質是在近地表5cm高度內活動。跳躍沙粒下落時的角度一般保持在10～16°，因此它的飛行距離與躍起高度成正比。在戈壁或礫質地面上，沙粒的躍起高度可達到1m以上，沙粒的飛行距離更遠。但是，戈壁風沙流一般是不會達到飽和的，除非風速下降或地面狀況發生大的變化。沙粒在地表滑動或滾動稱為蠕移，蠕移運動的沙粒稱為蠕移質。在某一單位時間內蠕移質的運動可以是間斷的。蠕移質的量可以占到總沙量的20～25%。呈蠕移運動的沙粒都是粒徑在0.5～2.0mm左右的粗沙。造成這些粗沙運動的力可以是風的迎面壓力，也可以是躍移沙粒的沖擊力。觀測表明以高速運動的沙粒在躍移中通過對沙面的沖擊，可以推動6倍于它的直徑或200倍于它的重量的粗沙粒。隨著風速的增大部分蠕移質也可以躍起成為躍移質，從而產生更大的沖擊力。可見在風沙運動中，躍移運動是風力侵蝕的根源。這不僅表現在躍移質在運動沙粒中所占的比重最大，更主要的是躍移沙粒的沖擊造成了更多懸移質和蠕移質的運動。正是因為有了躍移質的沖擊，才使成倍的沙粒進入風沙流中運動。因此防止沙質地表風蝕和風沙危害的主要著眼點，應放在如何控制或減少躍移沙粒的運動方面。三、風沙流及其結構特征風沙流是氣流及其搬運的固體顆粒（沙粒）的混合流。它的形成依賴于空氣與沙質地表兩種不同密度物理介質的相互作用，而它的特征對于風蝕風積作用的研究及防沙措施的制定有重要意義。1.含沙量隨高度的分布風沙流中沙粒隨高度的分布稱為風沙流結構。根據野外觀測，氣流搬運的沙量絕大部分（90%以上）是在沙面以上30cm的高度內通過的，尤其是集中在0～10cm的高度（約占80%），也就是說風沙運動是一種近地面的沙粒搬運現象2.風沙流結構特征值近地表氣流層沙粒分布性質，即風沙流的結構決定著沙粒吹蝕與堆積過程的發展。通過風洞對風沙流結構特征與沙粒吹蝕和堆積關系的實驗研究發現，在不同風速下0～10cm氣流層中沙粒的分布特點為：地面以上0～1cm的第一層沙量隨著氣流速度的增加而減少；不管速度如何，第二層（地面之上1～2cm）的沙量保持不變，等于0～10cm層總沙量的20%；平均沙量（10%）在2～3cm層中搬運，這一高度保持不變，并不以速度為轉移；氣流較高層（從第三層起）中的沙量隨著速度的增加而增加。根據上述特點，前蘇聯學者茲納敏斯基提出了采用Qmax/Q的比值（用S表示）作為風沙流結構的指標（Qmax為氣流中0～1cm層的沙量），稱之為風沙流的結構數，并以此作為判斷風蝕過程的方向性。在非堆積搬運情況下，S值對所有的粗糙表面平均等于2.6，在部分沙粒從風沙流中跌落堆積的情況下，平均S值增大達到3.8。中國學者吳正、凌裕泉（1965）根據野外沙質地表的觀測資料，查明在10cm氣流層內的風沙流結構有以下基本特征：(1)在各種風速和沙量條件下，高程與含沙量（或%）對數尺度之間具有很好的線性關系，表明含沙量隨高度分布遵循著指數函數關系，沙量隨高度呈指數規律遞減。(2)隨著風速的增加，下層氣流中沙量（%）相對減少，相應地增加了上層氣流中搬運的沙量。(3）在同一風速條件下，隨著總輸沙量增大，下層氣流中搬運的沙量增加，上層沙量相應減少。3.風沙流的固體流量氣流在單位時間通過單位寬度或面積所搬運的沙量叫做風沙流的固體流量，也稱為輸沙率。計算輸沙率不僅有理論意義，而且是合理制定防止工礦、交通設施不受