土壤侵蚀原理-第4章 风力侵蚀

风蚀作用。 风沙流运行过程中，由于风力减缓或地面障碍等原
因，使风沙流中沙粒发生沉降堆积时称风积作用。经风 力搬运、堆积的物质称为风积物。
不同床面上沙粒的跳跃运动差别
4.2.2 风沙蚀积作用与沙丘的运动
❖沙丘移动方向
沙丘的移动是通过沙粒在迎风坡风蚀、背风坡堆 积而实现的。沙丘移动的方向取决于有一定延续时间 的起沙风的风向，移动总方向与大于起沙风的年合成 风向大体相一致，但不完全重合，二者之间有一交角。
4.1 风沙运动
风沙运动是一种贴近地面的气流对沙粒的搬运 现象。 4.1.1 近地层风的性质
大气对流层中贴近地面100m范围内的气层称为 近地层，一切风沙运动都与本层大气的性质及活动 状况有关，因此也是风力侵蚀学研究的重点。
❖层流和紊流(latent and sensible)
层流的空气质点运动轨迹平稳，邻近的空气质 点平衡运动，互不干扰。
紊流的空气质点运动不规则，并且互相干扰， 各气流层层间夹杂了大小不同的涡旋运动。
层流大气是否失去其稳定性取决于流体的惯性 力与粘滞力之间的比例关系(雷诺数大于1400 or wind speed >1m/s)。
❖湍流与地表粗糙度(roughness)
湍流运动是一种叠加在一般流动上的不规则的旋 涡状的混合运动。湍流发生时，通过旋涡运动进行风 的动能的传递和交换。
❖沙丘移动方式
沙丘移动方式取决于风向及其变化，它可分为三种 方式。
其一为前进式，即在单一的风向作用下终年保持向 某一方向移动；
其二为往复前进式，即在两个风向相反而风力大小 不等的情况下往复向前移动；
其三为往复式，即它是风力大小相等而风向相反的 情况下产生的往复移动。
❖沙丘移动速度
沙丘移动速度主要取决于风速和沙丘本身的高度， 沙丘移动速度与其高度成反比，而与输沙量成正比，所 以沙丘移动的速度也就同样和风速的三次方成正比。
沙粒粒径与起动风速关系
❖沙粒运动形式
据观测研究，风沙流中沙粒依风力大小、颗粒 粒径、质量不同而以悬移、跃移、蠕移三种形式向 前运动。
当沙粒起动后以较长时间悬浮于空气中而不降 落，并以与风速相同的速度向前运动时称为悬移。 悬移运动的沙粒称为悬移质(Diameter <0.1m)。
沙粒在风力作用下脱离地表进入气流后，降落到沙 面时有相当大的动能，能使其降落点周围的一部分沙粒 受到撞击而飞溅起来，造成沙粒的连续跳跃式运动。沙 粒的这种运动方式称为跃移，跃移运动的沙土颗粒称为 跃移质(50% or 75%)。
气流在单位时间通过单位宽度或面积所搬运的沙 量叫做风沙流的固体流量，也称为输沙率。
影响输沙率的因素是很复杂的，它不仅取决于风 力的大小、沙粒粒径、形状和其比重，而且也受沙粒 的湿润程度、地表状况及空气稳定度的影响。
4.2 风蚀与风积作用
4.2.1 风蚀与风积作用的概念 风和风沙流对地表物质的吹蚀和磨蚀作用，统称为
沙粒在地表滑动或滚动称为蠕移，蠕移运动的沙粒 称为蠕移质(diameter is 0.5-2.0m, accounting for 2025%)。
4.1.3 风沙流及其结构特征
风沙流是气流及其搬运的固体颗粒（沙粒）的 混合流。它的形成依赖于空气与沙质地表两种不同 密度物理介质的相互作用，而它的特征对于风蚀风 积作用的研究及防沙措施的制定有重要意义。
土壤侵蚀原理
Soil Erosion
第4章 风力侵蚀（Wind Erosion）
教学目的：分析风力侵蚀发生机制及其发展规律，阐述 风力侵蚀形式及影响风力侵蚀的自然因素。
教学方法：以学生课外自学为主，教师辅导和参阅课外 书为辅。
第 4 章 风力侵蚀
4.1 风沙运动 4.2 风蚀与风积作用 4.3 沙漠化成因与类型 4.4 沙尘暴
❖临界风速与起沙风(critical wind speed)
假定地表风力逐渐增大，达到某一临界值后，地表 沙粒脱离静止状态开始运动，这时的风速称为临界风速 或起动风速，一切大于起动风速的风称为起沙风。
起动风速与沙粒粒径、地表性质、沙粒含水率等多 种因素有关。国内外专家研究证实，在一般情况下起动 风速和沙粒粒径的平方根成正比。
为了说明风沙流的结构特征与沙粒吹蚀、搬运和 堆积的关系，吴正等人引用了特征值λ作为判断的指 标，风沙流结构特征值λ（无量纲）为：
λ＝Q2-10/Q0-1 式中: Q0-1―0～1cm高度气流层内搬运的沙量 （g/min或%）；
Q2-10―2～10cm高度气流层内搬运的沙量 （g/min或%）。
❖风沙流的固体流量
4.1.2 沙粒的运动(movement of sand granule)
❖沙粒起动机，中外科学家对静止沙粒受力起动 机制进行了深入的研究，并形成了多种假说，如冲击碰 撞说，压差升力说及湍流的扩散作用说等，但都没有圆 满地解决这一问题。
1980年吴正和凌裕泉在风洞中用高速摄影方法对沙 粒运动过程进行了研究。沙粒碰撞所产生的冲击力在沙 粒起跳中起主导作用。
风吹过地表时，受地面磨擦阻力的影响，风速减 小，并把这种阻力向上层大气传递。由于摩擦阻力随 高度增加而减小，故风速随高度而增大。
Measuring wind speed at 2 m height.
但风速不是与高度、而是与高度的对数值成正比， 说明风速廓线是随高程呈对数分布的，其形式为：
U 5.75U* lg z z0 式中：U*――摩阻速度（或剪切速度），U*＝ （τ/ρ）；τ――地面剪切力；ρ――空气密度；U――高 度为z处的风速；K――卡曼常数（为0.4）； z0――光 滑床面与空气粘滞性有关的参数，在床面粗糙时则等于 标志床面粗糙度的特征高度。
❖风沙流结构
风沙流中沙粒随高度的分布称为风沙流结构。 根据野外观测，气流搬运的沙量绝大部分（90%以 上）是在沙面以上30cm的高度内通过的，尤其是集 中在0～10cm的高度（约占80%）。
❖风沙流结构特征值
近地表气流层沙粒分布性质，即风沙流的结构决定 着沙粒吹蚀与堆积过程的发展。
前苏联学者兹纳敏斯基提出了采用 Qmax/Q的比值 （用S表示）作为风沙流结构的指标（Qmax为气流中 0～1cm层的沙量），称之为风沙流的结构数。