寧夏鹽池地區(qū)暴風(fēng)雨期間風(fēng)蝕起沙的相關(guān)特性研究

寧夏鹽池地區(qū)暴風(fēng)雨期間風(fēng)蝕起沙的相關(guān)特性研究

沙氣溶膠是國內(nèi)外科學(xué)家廣泛關(guān)注的問題。由于風(fēng)蝕，小型沉積物顆粒長期積聚在空氣中，并通過氣流擴(kuò)散到周圍。長時(shí)間懸浮于大氣中塵粒的輻射強(qiáng)迫作用還會(huì)影響到區(qū)域和全球氣候的變化。因此研究風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的特性是風(fēng)沙工程中確定合理的防沙方案、措施的主要科學(xué)依據(jù),同時(shí)也是加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的有效依據(jù)之一。同時(shí),地表風(fēng)蝕過程又是一個(gè)非常復(fù)雜物理過程。國內(nèi)外雖然做了大量理論和試驗(yàn)方面的研究,有的是根據(jù)實(shí)際觀測(cè)資料擬合的、有的是根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)的。由于受各自實(shí)驗(yàn)條件或觀測(cè)條件的限制,所得結(jié)論差異較大,但其共同之處是,沙流量輸送是風(fēng)速冪函數(shù)。沈志寶等根據(jù)大氣中粒子數(shù)濃度的觀測(cè)資料,分別估算了敦煌地區(qū)戈壁地表在沙塵暴和揚(yáng)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(jīng)驗(yàn)方案,估算了渾善達(dá)克沙地春季地表臨界起沙風(fēng)速及沙塵通量;陳渭南等對(duì)塔克拉瑪干沙漠的起沙風(fēng)速進(jìn)行了研究,并給出了不同觀測(cè)高度、不同時(shí)距的流體起動(dòng)與沖擊起動(dòng)風(fēng)速的相關(guān)方程。Gillette等根據(jù)地表土壤風(fēng)蝕起沙的物理機(jī)制,并指出沙塵排放量是風(fēng)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(shù)。本文用牛生杰等人于1998—1999年4—5月在毛烏素沙地進(jìn)行的國家自然基金項(xiàng)目觀測(cè)資料,計(jì)算了鹽池地區(qū)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(qū)沙塵氣溶膠的傳輸距離,上述問題的探討可為進(jìn)一步研究鹽池地區(qū)以及西北干旱\,半干旱地區(qū)風(fēng)蝕起沙機(jī)制及數(shù)值模擬提供參考依據(jù)。1臨界起沙風(fēng)速大氣邊界層的氣流在運(yùn)動(dòng)過程中,使地面的沙物質(zhì)受到風(fēng)力的作用,并在風(fēng)力增大到一定閾值時(shí),地表顆粒物脫離靜止?fàn)顟B(tài)而進(jìn)入運(yùn)動(dòng),這個(gè)閾值風(fēng)速被定義為臨界起沙速度。臨界起沙風(fēng)速是研究風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、解決風(fēng)沙工程問題的關(guān)鍵指標(biāo)之一,它與土壤濕度、植被覆蓋條件等因素有關(guān),同時(shí)因觀測(cè)高度、起動(dòng)性質(zhì)的變化而不同。文獻(xiàn)給出了均勻沙的流體臨界起沙速度的計(jì)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(shù)及adx-b3k在風(fēng)蝕過程中,u*t表征的是地表土壤對(duì)風(fēng)蝕起沙的阻礙能力,其值的大小與粒子直徑有關(guān)。對(duì)于一定尺度的沙粒,臨界摩擦速度與土壤性質(zhì)、地表植被狀況以及土壤的含水量有關(guān),因此,臨界摩擦速度的準(zhǔn)確求解比較復(fù)雜。本文采用文獻(xiàn)給出的臨界摩擦速度計(jì)算方法求算鹽池地區(qū)的臨界摩擦速度,具體表達(dá)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(jì)算輸沙率是顯示一定邊界條件下風(fēng)沙流強(qiáng)度的具體指標(biāo),表征的是指單位時(shí)間的通過單位寬度的風(fēng)沙流所攜帶的沙塵物質(zhì)數(shù)量。由于其在空間分布上具有明顯的非均一性和隨時(shí)間變化的非定常性,所以對(duì)一個(gè)地區(qū)進(jìn)行長時(shí)間輸沙總量的連續(xù)測(cè)定幾乎是不可能的,因此對(duì)于較大區(qū)域輸沙量大多采用理論輸沙率公式進(jìn)行計(jì)算。此外,輸沙量又是風(fēng)沙物理研究的一個(gè)重要方面,風(fēng)蝕過程中釋放的沙塵氣溶膠進(jìn)入大氣之后,由此產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫、生態(tài)環(huán)境及氣候效應(yīng)引起了科學(xué)家的高度重視[1,2,17,18,19,20,21]。本文計(jì)算中選擇凌裕泉提出的“最大可能輸沙量”假設(shè)下的計(jì)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(qū)沙塵暴期間沙塵氣溶膠數(shù)濃度平均值1.77μm代入(3)式,可以得到當(dāng)?shù)厣硥m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(fēng)力吹揚(yáng)下所能到達(dá)的距離為4.5×105～4.5×106km,顯然二者在同一個(gè)數(shù)量級(jí)別。可見,沙塵氣溶膠進(jìn)入平流層之后,能夠參與到全球物質(zhì)循環(huán)當(dāng)中去,進(jìn)而影響大氣產(chǎn)生輻射強(qiáng)迫。5其它指標(biāo)及模擬2)輸沙率是顯示一定邊界條件下風(fēng)沙流強(qiáng)度的具體指標(biāo),定量計(jì)算某一地區(qū)的輸沙率(量)對(duì)于研究當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境生態(tài)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(jì)算方法,定量計(jì)算了鹽池地區(qū)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(jìn)入高層大氣并長時(shí)間懸浮在空中,對(duì)本區(qū)域的生態(tài)環(huán)境及氣候產(chǎn)生強(qiáng)迫效應(yīng),同