第4章風力侵蝕
主要教學目標：本章教學目的主要是分析風力侵蝕發生機制及其發展規律，闡述風力侵蝕形式及影響風力侵蝕的自然因素。使學生掌握風力侵蝕的發生機制及發展規律，掌握防治風力侵蝕的基本方法和對策。
主要內容：第一節風沙運動
第二節風蝕與風積作用
第三節沙漠化成因與型別
第四節沙塵暴
主要講解內容
第一節風沙運動
一、近地層風的性質
1.層流和紊流：大氣對流層屬於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，人類的生產生活關係極其密切，歷來受到人們的重視。
而大氣對流層中貼近地面100m範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。
由於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，並且互相干擾，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於一致，這對於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於流體的慣性力與粘滯力之間的比例關係。對於粘度低，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，可從幾公釐到幾百公尺。湍流發生時，分子群代替了單個分子的運動，空氣分子不再恆定地向前移動，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，並把這種阻力向上層大氣傳遞，由於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，並形成了多種假說，如衝擊碰撞說，壓差公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。
2023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，當平均風速約等於某一臨界值時，個別突出的沙粒在湍流流速和壓力脈動作用下，開始振動或前後擺動，但並不離開原來位置，當風速增大超過臨界值後，振動也隨之加強，迎面阻力(拖曳力)和上公升力相應增大，並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麵滾動或滑動。
由於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衝擊時，就會獲得巨大衝量。受到突然衝擊力作用的沙粒，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，達到某一臨界值後，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，一切大於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
當沙粒起動後以較長時間懸浮於空氣中而不降落，並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於0.
1mm甚至小於0.05mm的粉沙和粘土顆粒。由於其的體積小質量輕，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佔比例很小，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後，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。由於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，降落到沙麵時有相當大的動能。因此不但下落的沙粒有可能**起來，繼續跳躍前進，而且由於它的衝擊作用，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。蠕移質的量可以佔到總沙量的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衝擊力。觀測表明以高速運動的沙粒在躍移中通過對沙麵的衝擊，可以推動6倍於它的直徑或200倍於它的重量的粗沙粒。隨著風速的增大部分蠕移質也可以躍起成為躍移質，從而產生更大的衝擊力。
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佔的比重最大，更主要的是躍移沙粒的衝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衝擊，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、風沙流及其結構特徵
風沙流是氣流及其搬運的固體顆粒（沙粒）的混合流。它的形成依賴於空氣與沙質地表兩種不同密度物理介質的相互作用，而它的特徵對於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）是在沙麵以上30cm的高度內通過的，尤其是集中在0～10cm的高度（約佔80%），也就是說風沙運動是一種近地面的沙粒搬運現象
2.風沙流結構特徵值
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徵與沙粒吹蝕和堆積關係的實驗研究發現，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，等於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，並不以速度為轉移；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採用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，並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於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徵：
(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係，表明含沙量隨高度分布遵循著指數函式關係，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、交通設施不受沙埋的措施的主要依據。
影響輸沙率的因素是很複雜的，它不僅取決於風力的大小、沙粒粒徑、形狀和其比重，而且也受沙粒的濕潤程度、地表狀況及空氣穩定度的影響（表4.6，表4.7），所以要精確表示風速與輸沙量的關係是較困難的。
到目前為止在實際工作中對輸沙率的確定，一般仍多採用集沙儀在野外直接觀測，然後運用相關分析方法，求得特定條件下的輸沙率與風速的關係。
第二節風蝕與風積作用
一、風蝕與風積作用的概念
1.概念：風和風沙流對地表物質的吹蝕和磨蝕作用，統稱為風蝕作用。
其中風將地面的鬆散沉積物或基岩上的風化產物吹走，使地面遭到破壞稱吹蝕作用。風沙流以其所含沙粒作為工具對地表物質進行衝擊、磨損的作用稱磨蝕。如果地面或迎風岩壁上出現裂隙或凹坑，風沙流還可鑽入其中進行旋磨，其結果是大大加快了地面破壞速度。
風沙流執行過程中，由於風力減緩或地面障礙等原因，使風沙流中沙粒發生沉降堆積時稱風積作用。經風力搬運、堆積的物質稱為風積物。
2.搬運過程：氣流搬運沙量的多少是由風力大小決定的。
在一定風力條件下氣流可能搬運的沙量稱為容量（相當於水流的挾沙力），氣流中實際搬運的沙量稱風沙流的強度，容量和強度的單位可取g/cm2·h。強度與容量之比稱為風沙流的飽和度，這也是乙個無量綱引數。此比值越小風沙流的風蝕能力就越大。
若風沙流容量減小，則侵蝕力下降或發生沙粒的堆積。
在風沙搬運過程中，當風速變弱或遇到障礙物（如植物或地表微小起伏），以及地面結構、下墊面性質改變時，都會影響到風沙流容量而導致沙粒從氣流中跌落堆積。如果地表具有障礙物，氣流在執行時會受到阻滯而發生渦漩減速，從而消弱了氣流搬運沙粒的能量（容量減小），使風沙流中多餘部分的沙粒在障礙物附近大量堆積下來，形成沙堆。這種因障礙（包括地表的急劇上公升或下降）形成的堆積，稱之為遇阻堆積。
堆積的強度取決於障礙物的性質和尺度，障礙物愈不透風，渦流減速範圍愈大，沙粒的堆積也愈強烈，形成較大的沙堆。
土壤侵蝕原理整理
試題一一 名詞解釋 5分 1 土壤侵蝕 土壤及其母質在水力 風力 凍融 重力等外營力作用下，被破壞 剝蝕 搬運和沉積的過程.2 水土保持 防治水土流失 保持 保護 改良與利用山區 丘陵區和風沙區水土資源，維護和提高土地生產力，以利於充分發揮水土資源的經濟和社會效益，建立良好的生態環境的綜合性科學技術...
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