寧夏鹽池地區暴風雨期間風蝕起沙的相關特性研究

沙氣溶膠是國內外科學家廣泛關注的問題。由于風蝕，小型沉積物顆粒長期積聚在空氣中，并通過氣流擴散到周圍。長時間懸浮于大氣中塵粒的輻射強迫作用還會影響到區域和全球氣候的變化。因此研究風沙運動的特性是風沙工程中確定合理的防沙方案、措施的主要科學依據,同時也是加強生態環境保護的有效依據之一。同時,地表風蝕過程又是一個非常復雜物理過程。國內外雖然做了大量理論和試驗方面的研究,有的是根據實際觀測資料擬合的、有的是根據風洞實驗推導的。由于受各自實驗條件或觀測條件的限制,所得結論差異較大,但其共同之處是,沙流量輸送是風速冪函數。沈志寶等根據大氣中粒子數濃度的觀測資料,分別估算了敦煌地區戈壁地表在沙塵暴和揚沙階段的沙塵排放率;成天濤等利用起沙通量模式和地面起沙半經驗方案,估算了渾善達克沙地春季地表臨界起沙風速及沙塵通量;陳渭南等對塔克拉瑪干沙漠的起沙風速進行了研究,并給出了不同觀測高度、不同時距的流體起動與沖擊起動風速的相關方程。Gillette等根據地表土壤風蝕起沙的物理機制,并指出沙塵排放量是風速(或摩擦速度)和地表狀況(包括土壤水分和地表植被等)的函數。本文用牛生杰等人于1998—1999年4—5月在毛烏素沙地進行的國家自然基金項目觀測資料,計算了鹽池地區10m高度的臨界起沙速度、臨界摩擦速度、輸沙率(量),并估算了鹽池地區沙塵氣溶膠的傳輸距離,上述問題的探討可為進一步研究鹽池地區以及西北干旱\,半干旱地區風蝕起沙機制及數值模擬提供參考依據。1臨界起沙風速大氣邊界層的氣流在運動過程中,使地面的沙物質受到風力的作用,并在風力增大到一定閾值時,地表顆粒物脫離靜止狀態而進入運動,這個閾值風速被定義為臨界起沙速度。臨界起沙風速是研究風沙運動規律、解決風沙工程問題的關鍵指標之一,它與土壤濕度、植被覆蓋條件等因素有關,同時因觀測高度、起動性質的變化而不同。文獻給出了均勻沙的流體臨界起沙速度的計算方法如下:U*t=5.75×Aσ?ρρgd?????√logzκ(1)U*t=5.75×Aσ-ρρgdlogzκ(1)2u.2生長參數及adx-b3k在風蝕過程中,u*t表征的是地表土壤對風蝕起沙的阻礙能力,其值的大小與粒子直徑有關。對于一定尺度的沙粒,臨界摩擦速度與土壤性質、地表植被狀況以及土壤的含水量有關,因此,臨界摩擦速度的準確求解比較復雜。本文采用文獻給出的臨界摩擦速度計算方法求算鹽池地區的臨界摩擦速度,具體表達式如下:u*t=???????0.129K(1.298B0.092?1)0.50.03<B<10.00.129K{1?0.858exp[?0.0617(B?10)]}B≥10(2)B=adxp+b(3)K=(σgdpρ)0.5(1+0.006σgd2.5p)(4)u*t={0.129Κ(1.298B0.092-1)0.50.03<B<10.00.129Κ{1-0.858exp[-0.0617(B-10)]}B≥10(2)B=adpx+b(3)Κ=(σgdpρ)0.5(1+0.006σgdp2.5)(4)3輸沙量計算輸沙率是顯示一定邊界條件下風沙流強度的具體指標,表征的是指單位時間的通過單位寬度的風沙流所攜帶的沙塵物質數量。由于其在空間分布上具有明顯的非均一性和隨時間變化的非定常性,所以對一個地區進行長時間輸沙總量的連續測定幾乎是不可能的,因此對于較大區域輸沙量大多采用理論輸沙率公式進行計算。此外,輸沙量又是風沙物理研究的一個重要方面,風蝕過程中釋放的沙塵氣溶膠進入大氣之后,由此產生的輻射強迫、生態環境及氣候效應引起了科學家的高度重視[1,2,17,18,19,20,21]。本文計算中選擇凌裕泉提出的“最大可能輸沙量”假設下的計算公式:q=7.57×10?1(V?Vt)1.9(5)q=7.57×10-1(V-Vt)1.9(5)4粒子傳輸距離l=40εμ2uσ2g2d4(6)l=40εμ2uσ2g2d4(6)將鹽池地區沙塵暴期間沙塵氣溶膠數濃度平均值1.77μm代入(3)式,可以得到當地沙塵氣溶膠粒子傳輸距離為1.4×105～1.4×106km。而Malina給出的沙塵粒子在風力吹揚下所能到達的距離為4.5×105～4.5×106km,顯然二者在同一個數量級別。可見,沙塵氣溶膠進入平流層之后,能夠參與到全球物質循環當中去,進而影響大氣產生輻射強迫。5其它指標及模擬2)輸沙率是顯示一定邊界條件下風沙流強度的具體指標,定量計算某一地區的輸沙率(量)對于研究當地的環境生態及其變化狀況非常重要。本文采用凌裕泉提出的“最大可能輸沙量”計算方法,定量計算了鹽池地區沙塵暴期間的輸沙量為12.42kg·m-1。3)沙塵氣溶膠在上升氣流的夾卷作用下,能夠進入高層大氣并長時間懸浮在空中,對本區域的生態環境及氣候產生強迫效應,同