基于風(fēng)向自轉(zhuǎn)式分層分級風(fēng)沙顆粒采集裝置

穆哈西 奴爾依婭 阿墾里白

摘 要：新疆吐魯番地區(qū)是有名的風(fēng)庫之城，大風(fēng)對人類活動及農(nóng)作物的影響最大，如：沙塵掩埋農(nóng)田、影響作物生長，導(dǎo)致作物死亡。該文以多風(fēng)地區(qū)氣象、環(huán)境等特征以及沙塵顆粒的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究，為解決野外試驗工作中風(fēng)沙顆粒采集問題，研制了不同高度風(fēng)沙運(yùn)移顆粒分層分類采集裝置。該裝置不同高度分別可采集直徑0.19、0.125、0.074 mm的顆粒，為野外風(fēng)沙運(yùn)動顆粒研究和采集提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：流沙 風(fēng)沙 篩分顆粒 采集裝置

中圖分類號：TV142 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0161-02

The Wind Rotation Type Sand Particle Collection Device Based on Hierarchical

Mu Haxi Nu Eryiya A Kenlibai

（College of Water Hydraulic and Civil Engineering of Xinjiang Agricultural university，Wulumuqi Xinjiang，830052，China）

Abstract：Xinjiang turpan area is a famous city of library wind，the wind of the influence of human activity and crops is the largest，such as dust buried farmland，affect crop growth，led to the deaths of crops.Based on the windy regional meteorological and environmental characteristics and migration regularity of dust particles are studied，to solve the problem of sand particles collected in field test，developed different heights sand particles migration classification collection device.The device different height can be collected respectively 0.19，0.125，0.074 mm in diameter of particle， provide the basis for field sand particles movement research and acquisition.

Key Words：Quicksand；Sandwind；Particle size；Acquisition device

大風(fēng)天氣是半干旱地區(qū)的災(zāi)害性天氣，由于新疆吐魯潘地區(qū)沙型土壤，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水量少，干旱缺水，導(dǎo)致土壤沙漠化。同時大風(fēng)天氣平凡出現(xiàn)，因此吐魯潘屬于大風(fēng)區(qū)域。大風(fēng)天氣對新疆經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展造成了巨大威脅。不同級別的風(fēng)吹揚(yáng)不同地面時，所產(chǎn)生的風(fēng)蝕類型、沙物質(zhì)的風(fēng)力搬運(yùn)、沉積過程和所產(chǎn)生災(zāi)害的類型也不同：（1）風(fēng)吹揚(yáng)沙地（或沙丘）時，沙地顆粒形成風(fēng)沙流，從物理學(xué)角度分析是風(fēng)與沙兩種物質(zhì)相互作用的物理介質(zhì)。從流體力學(xué)角度講，風(fēng)沙流是一種氣體及其搬運(yùn)的固體顆粒群（沙粒團(tuán)體）的混合流。它的形成依賴于空氣與沙質(zhì)地表兩種不同密度的物理介質(zhì)的相互作用，有效控制沙塵天氣是亟待決絕的科學(xué)問題。（2）風(fēng)吹揚(yáng)疏松缺乏物理黏粒的沙質(zhì)地表時，由于風(fēng)力作用沙粒脫離地表進(jìn)入氣流中而被搬運(yùn)，導(dǎo)致沙地風(fēng)蝕的發(fā)展，產(chǎn)生風(fēng)沙運(yùn)動和風(fēng)沙流。通過風(fēng)沙的沉積，風(fēng)沙的蔓延等形式造成災(zāi)害，對風(fēng)沙流特性的研究是當(dāng)前風(fēng)沙運(yùn)動理論、防風(fēng)固沙與防沙工程實踐的重大課題之一。（3）風(fēng)吹揚(yáng)無植被的荒漠地時，吹揚(yáng)顆粒的大小的不同浮塵、沙塵、揚(yáng)沙、沙塵暴等類型分布在不同的空中，同時一部分顆粒與大氣霧滴和霾?；煸谝黄鹦纬蓺馊苣z顆粒。高空形成層結(jié)穩(wěn)定、逆溫和靜風(fēng)條件下易出現(xiàn)霧霾天氣。（4）風(fēng)吹揚(yáng)疏松無黏粒的鹽堿地時，鹽堿地吹揚(yáng)顆粒與空中污染物顆粒間發(fā)生碰撞、凝聚而粒徑增大，形成酸雨或土塵等不同類型降落在地面，粘在植被葉面，作物的代謝功能降低，植被失去自然繁殖能力[1-4]。因此，不同顆粒物的來源以及形成過程進(jìn)行分析，采取不同措施預(yù)防和控制是全世界人關(guān)注的科學(xué)問題[5-8]。

1 研究目的

近幾年來沙化土地面積不斷擴(kuò)展，大氣惡化，災(zāi)害性沙塵天氣頻繁。由于沙塵天氣地表層土壤風(fēng)蝕、促進(jìn)沙漠化的加劇、埋壓農(nóng)田和草場等給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來重大損失：（1）沙塵天氣出現(xiàn)時空氣中彌漫大量塵土、使空氣混濁、直接危害人體健康，導(dǎo)致呼氣道及腸胃疾病的發(fā)生，控制沙塵天氣是亟待解決的問題。（2）沙塵天氣引起土地沙漠化的蔓延和加劇，對我國經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展形成了巨大威脅。以沙塵顆粒的形成、類型、起源需要進(jìn)行研究，不管在野外做試驗，還是在風(fēng)洞試驗集沙儀是不可缺少的工具[9-11]。

沙塵天氣一旦出現(xiàn)研究工作人員無法進(jìn)行觀測相關(guān)數(shù)據(jù)，野外進(jìn)行研究工作的難度劇增。為解決野外采集不同高度沙塵顆粒，從風(fēng)沙顆粒的物理運(yùn)動和流動規(guī)律著手，研制風(fēng)向自轉(zhuǎn)式分層分級集沙儀[12]。根據(jù)試驗需要可調(diào)節(jié)集沙儀的顆粒采集位置，該裝置隨風(fēng)而旋轉(zhuǎn)，不同高度（0～1.0 m）的風(fēng)沙顆粒全靠自然風(fēng)力進(jìn)行篩分、分級采集的裝置。為野外風(fēng)沙運(yùn)動顆粒研究和采集提供理論依據(jù)。

2 設(shè)計方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)新疆博樂和吐魯番地區(qū)8級以上的沙性天氣，研制了風(fēng)向自轉(zhuǎn)式分層分級集沙儀。該裝置由風(fēng)向?qū)虬?、圓桶、軸承、集沙桶、風(fēng)車、固定板、擺動軸組成，如圖1所示（只繪制一層結(jié)構(gòu)圖）。

2.2 工作原理

固定板13埋在地下與地面垂直安裝儀器。起風(fēng)時風(fēng)口導(dǎo)向板1帶動圓桶3，從而圓桶3隨風(fēng)轉(zhuǎn)動，進(jìn)沙箱8的進(jìn)沙口9朝風(fēng)向。進(jìn)沙口9進(jìn)入的沙子顆粒通過進(jìn)沙箱8的出沙口10進(jìn)入帶有篩網(wǎng)的篩網(wǎng)箱內(nèi)。篩網(wǎng)箱內(nèi)設(shè)目數(shù)不同的篩網(wǎng)11，篩網(wǎng)由風(fēng)車2帶動下來回擺動，顆粒通過篩網(wǎng)11按大小分類進(jìn)入到集沙箱12內(nèi)。集沙箱12充滿沙子后拉圓桶側(cè)面的把子14取出集沙箱分別稱顆粒重量。

2.3 技術(shù)適應(yīng)范圍

（1）沙塵暴是沙暴和塵暴兩者兼有的總稱，是指強(qiáng)風(fēng)把地面大量沙塵物質(zhì)吹起并卷入空中，使空氣特別混濁，水平能見度小的風(fēng)沙天氣現(xiàn)象。其中沙暴系指大風(fēng)把大量沙粒吹入近地層所形成的挾沙風(fēng)暴；塵暴則是大風(fēng)把大量塵埃及其他細(xì)顆粒物卷入高空所形成的風(fēng)暴，該裝置分別采集直徑0.19、0.125、0.074 mm的顆粒，能滿足有限高度顆粒的采集要求。

（2）戈壁風(fēng)沙流的總體高度遠(yuǎn)大于流沙地面風(fēng)沙流，且其風(fēng)沙流中平均約80%以上的沙量分布在距地面200 cm高度的氣流層內(nèi)（吳正等，參考文獻(xiàn)4）。風(fēng)與接觸地面的不同所產(chǎn)生沙塵的厲害程度也不相同。自然界中不能沒有風(fēng)，把風(fēng)造成的災(zāi)害損失降低到最低為目標(biāo)，也就是盡可能地降低風(fēng)帶動顆粒含量。該裝置不同高度（0～1.0 m）的風(fēng)沙顆粒全靠自然風(fēng)力進(jìn)行篩分、分級采集，為野外風(fēng)沙運(yùn)動顆粒研究和采集提供條件。

3 結(jié)語

（1）風(fēng)向自轉(zhuǎn)式分層分級集沙裝置不僅小型輕便，而且投資少。根據(jù)試驗需要可調(diào)節(jié)顆粒采集位置，可持續(xù)利用，隨風(fēng)而旋轉(zhuǎn)，不同高度（0～1.0 m）的風(fēng)沙顆粒全靠自然風(fēng)力進(jìn)行篩分、分級采集的裝置。

（2）該裝置可采集沙塵顆粒直徑0.19、0.125、0.074 mm。根據(jù)試驗要求挑選篩網(wǎng)直徑可繼續(xù)使用。以沙塵顆粒的分布特性來設(shè)計防風(fēng)固沙林的樹形、結(jié)構(gòu)、密度以及整體規(guī)劃提供方便，為野外風(fēng)沙運(yùn)動顆粒研究和采集提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉艷萍，高永.防風(fēng)林降解近地表沙降塵機(jī)理的研究[J].水土保持學(xué)報，2003，17（1）：162-165.

[2] 王繼和，馬全林，劉虎俊，等.干旱區(qū)沙漠化土地逆轉(zhuǎn)植被的防風(fēng)固沙效應(yīng)研究[J].中國沙漠，2006，26（6）：903-909.

[3] 賈建麗，于妍，王晨.環(huán)境土壤學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：73-108.

[4] 吳正.風(fēng)沙地貌與治沙工程學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010：236-304.

[5] 孟凡.空氣污染知識讀本[M].北京：科學(xué)普及出版社，2014：1-79.

[6] 林媚珍，黎榮東.灰霾來了怎么辦[M].廣州：廣東科技出版社，2014：1-71.

[7] 黃培祐.干旱區(qū)免灌植被及其恢復(fù)[M].北京：科學(xué)出版社，2002：10-38.

[8] Barid A J.Solute movement in drained fen peat：a fieldtrace study in a Somerset（UK）wet-land[J].Hydrological Processes，2000，14（14）：2489-2503.

[9] Laure V B，Charpentier S.Percolation theory and hydrodynamics of soil-peat mixtures[J].Soil Science Society of America Journal，2000，64（3）：827-835.

[10] 李洋.霧霾排放源亞微米顆粒物熱泳沉積機(jī)理研究[D].北京：北京大學(xué)，2012：1-65.

[11] 李志平，康永祥，康博文，等.毛烏素沙區(qū)無灌溉植被恢復(fù)技術(shù)[M].陜西：西北農(nóng)林科技大學(xué)出版社，2010：1-40，94-233.

[12] 穆哈西.風(fēng)向自轉(zhuǎn)式風(fēng)沙顆粒集沙儀[P].中國：201520132359.4，2015-03-01.