嫩江沙地沙粒起動風特性的研究

嫩江沙地沙粒起動風特性的研究

吳江沙地屬于全國沙漠管理區(qū)-中國北方沙漠化區(qū)-蘆江市下游。在珠江運河西側，寬165公里，長400公里，形成從東北向西南的帶狀沙區(qū)。沙區(qū)范圍內有杜蒙、泰來、龍江、齊齊哈爾郊區(qū)、富裕、甘南、肇源、大慶及訥河9個縣(市),105個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、場)。在277.9萬hm2沙區(qū)總面積中,有沙漠化土地面積80.6萬hm2,沙區(qū)現有總人口1575萬人。嫩江沙地已嚴重影響了黑龍江省西部地區(qū)的經濟發(fā)展和人民的生存,防沙治沙刻不容緩。迄今國內外已有很多學者對起沙風速進行了相關的研究。關于沙粒的起動風速,拜格諾(R.A.Bagnold)提出了流動起動(fluidthreshold)值和沖擊起動(impactthreshold)值的概念。我國學者一般認為能使沙粒開始移動時的最低風速就是起沙風速,指出關于起沙風速的研究首先應研究沙粒受風力起動的機制。在這方面有很多學者進行了研究,但尚無一致的見解。劉賢萬把目前提出的種種假說歸結為壓差起動說、風壓起動說、沖擊起動說、振動起動說、猝發(fā)起動說、斜面飛升說和湍流起動說7種。本文從風速達到沙粒起動風速瞬間沙粒的起動方式著手,對嫩江沙地幾種典型土壤的起沙風速進行研究分析,將風速達到沙粒的起動風速時沙粒的瞬間起動方式分為滾動、跳躍、懸浮和飛揚4種,以期從微觀角度為防沙治沙以及如何更加有效營造防風固沙林提供科學的試驗數據。1強、弱、占比大,土壤以及其他本研究共設3個研究區(qū)域:富?？h富路鎮(zhèn)興勝村、齊齊哈爾市富拉爾基區(qū)全合臺村和齊齊哈爾市昂昂溪區(qū)苗圃,其所對應的土壤類型分別為沙質黏壤土、沙質壤土和風沙土。富路鎮(zhèn)位于黑龍江省西部齊齊哈爾市地區(qū)中部。據富裕縣氣象站記載,富路鎮(zhèn)年降水量400～500mm,年蒸發(fā)量1589.4mm,土壤以沙質黏壤土為主。全合臺村位于齊齊哈爾市南部的富拉爾基區(qū)內,年降水量451.5mm,多集中在7～9月份;年蒸發(fā)量較大,一般達降水量的2～3倍。地勢平坦,土壤比較貧瘠,以沙質壤土為主,pH值在7.5左右。昂昂溪區(qū)苗圃位于齊齊哈爾市昂昂溪區(qū),地貌為嫩江東岸廣闊平坦的河漫灘,土壤為灰色生草風沙土,屬輕度風蝕沙漠化土地。2測試方法2.1地面中風速儀觀測分別在3個研究區(qū)域選擇地勢平坦、開闊的自然狀態(tài)下的耕作風沙土地面作為觀測場地,將風速儀(DEM2型和75M-1型)布設于觀測地段下風處,同時將感應部分與地面的距離調為0.1m高,然后人工在下風貼近地面處注意觀察沙粒起動時刻,同時立刻觀測、記錄該時刻風速。每種土壤類型觀測記錄100次,取其平均值。2.2人造革上所需動能風速的測定分別在3個研究區(qū)域取表層風干土過篩分級,將分級后的土粒(<0.01mm,0.01～0.25mm,0.25～0.5mm,0.5～1.0mm,>1.0mm)分別置于平放在耕地表面的人造革面上,然后分別用風速儀觀測記錄各粒級所需起動風速。每種土壤每一粒級觀測記錄100次,取其平均值。3結果分析沙粒起動臨界風速的大小與沙粒粒級、沙層濕度、植被條件以及起動方式等因素有著密切的關系。3.1沙黏土土壤的粒徑級由于不同的土壤類型具有不同的土壤環(huán)境,因此不同類型土壤的起沙風速也將有所不同。由表1看出風沙土的起沙風速最大;沙壤土次之;沙黏土的起沙風速最小。一般來講,沙粒粒徑越大,起沙風速越大。在沙粒粒徑相同時,由于受表面吸附水膜黏著力影響,潮濕沙面的起沙風速值大于干燥沙面的起沙風速值。由表2看出:沙黏土的土壤土粒徑級集中在<0.01mm和0.01～0.25mm,占總體的74%;沙壤土的土粒徑級集中在0.01～0.25mm和0.25～0.5mm,占總體的68.64%,其中雖然粒徑在0.01～0.25mm范圍內的土壤顆粒基本持平,但從總體來看其平均粒徑仍遠大于沙黏土的平均粒徑;風沙土的土粒徑級也集中在0.01～0.25mm和0.25～0.5mm范圍內,但其所占比例卻遠高于沙壤土中該粒級所占比例,達到91.17%。3.2可擴張型運動根據起沙風速的不同,沙粒在瞬間起動時的狀況可以分為滾動、跳動、懸浮和飛揚4種形式,其中滾動、跳動、懸浮分別與風力超過靜力起沙風速時沙粒開始脫離靜止狀態(tài)后的3種運動形式(蠕移、躍移、懸移)一一對應;而飛揚狀態(tài)在后期隨風速的不同可以轉化為3種運動形式中的任一種。粒徑<0.05mm的粉粒和黏粒,因為體積細小,質量輕微,一旦懸浮后就不易沉降,而隨空氣遠離源地,甚至在200km以外才沉降。但這部分在風沙流中只占很小一部分,風沙流含沙量中約有70%～80%是在地面0.1m內以躍移運動方式運動的,因此在控制起沙風就應重點降低使沙粒出現跳動情況時的起沙風速。3.2.1粒級內測定mm由表2知,沙黏土的土粒粒級集中分布在<0.01mm,0.01～0.25mm,0.25～0.5mm三部分粒級內,分別占總體的35.00%、39.00%和21.10%;結合表3中土粒以跳動方式運動時各粒級的起沙風速,若能將該地區(qū)的風速降低到6.3m·s-1即可有效防止風沙流的產生。3.2.2總體的最佳工藝由表2知,沙黏土的土粒粒級集中在0.01～0.25mm和0.25～0.5mm兩部分,分別占總體的38.46%和30.18%;結合表3中土粒以跳動方式運動時各粒級的起沙風速,如果能將該地區(qū)的風速降低到6.4m·s-1才能有效起到減弱風沙流的作用。3.2.3總體的減少5m的情況由表2知,沙黏土的土粒粒級集中在0.01～0.25mm和0.25～0.5mm兩部分,分別占總體的36.06%和55.11%;結合表3中土粒以跳動方式運動時各粒級的起沙風速,若將該地區(qū)的風速降低到7.2m·s-1即可有效起到減弱風沙流的作用。4當地風速控制在主要土壤類型的風害區(qū)有利于防止起沙風的產生由于沙黏土、沙壤土和風沙土是嫩江沙地典型的土壤類型,分布廣泛,因此本文結論對嫩江沙地的治理具有普遍意義。在嫩江沙地,土壤顆粒粒徑大小相對于土壤含水率而言,對土壤的起沙風速影響占主要作用;在以沙質黏土為主要土壤類型的風害區(qū),若能將當地風速控制在6.3m·s-1以下即可有效防止起沙風的產生;在以沙質壤土為主要土壤類型的風害區(qū),若能將當地風速控制在6.4m·s-1以下即可有效防止起沙風的產生;在以