風沙物理學在沙漠化防治工作中的應用研究

石源浩

摘 要：在社會發(fā)展的過程中，環(huán)境保護工作受到了人們的重視。在過去，很多經(jīng)濟活動的開展使得自然環(huán)境受到了破壞，土地沙漠化就是突出的問題，這導致了自然災害頻發(fā)，很多動植物失去了生存的空間。近年來，土地沙漠化的問題已經(jīng)威脅到了人類的生存。在土地沙漠化問題防治的過程中，人們需要了解沙漠化形成的機理、發(fā)生過程，明確各個階段風與地表之間、風與沙塵之間的相互作用關系，這可以為沙漠化防治工作的開展提供理論依據(jù)。而風沙物理學在這個過程中可以發(fā)揮重要的作用，可以通過理論模擬與實驗觀測的方式來使人們更好地了解沙漠化的特點。

關鍵詞：風沙物理學;土地沙漠化;環(huán)境保護;問題防治;應用效果

1.風沙物理學的產(chǎn)生與研究

目前，土地沙漠化已經(jīng)成為了人類在社會生活當中要面臨的重要環(huán)境問題，它不僅成為了經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的阻礙，同時還對人類的生存和健康造成了威脅。與世界其他國家相比，我國人均土地占有率比較低，耕地面積也比較少。因此，土地沙漠化不僅使很多地區(qū)的人們失去了他們的耕地，同時還使得他們面臨著惡劣的生存環(huán)境。我國政府高度重視對土地沙漠化問題的防治，很多研究人員也對土地沙漠化形成的機理、發(fā)展的特點等問題開展了大量的現(xiàn)場勘查和理論研究。在這個過程當中，還形成了對風沙問題進行專門研究的學科——風沙物理學。從世界的范圍來看，目前，風沙物理學的研究時間已經(jīng)超過了30年，在這個過程中也已經(jīng)取得了重要的研究成果。

風沙主要是由風及其所攜帶的沙物質(zhì)所構成的，在風的作用下，這些沙物質(zhì)會發(fā)生流動，并形成氣固兩相流的局面。具體來說，在這個過程當中，大氣會對地表產(chǎn)生一個作用力，在這一作用力下，地表的沙粒會流動，并在流動的過程中產(chǎn)生對氣流的反饋，這一反饋會引起氣流場特征的變化。在風沙物理學在研究的過程中，將現(xiàn)代流體力學理論作為依據(jù)，可以為土地沙漠化地勢地貌、發(fā)生特點等問題的研究奠定良好的基礎。近年來，隨著聲光電傳感技術（激光）、遙感和示蹤等實驗技術手段和計算機技術以及數(shù)值模擬方法的飛速發(fā)展，在風沙運動機理研究方面取得了一些新的進展和認識。

2. 風沙物理學在沙漠化防治工作中的應用

2.1在風場結構研究方面的應用

在土地沙漠化發(fā)生的過程中，風是原動力，也是使地表沙塵顆粒流動的主要力量。從風沙物理學的角度來說，風沙運動的過程就是在風的作用下、沙粒發(fā)生位置上的遷移與變化的過程。在這個過程中，研究人員可以對利用風沙物理學的相關理論對風場結構進行研究。通過對平坦床面的來流風場結構進行分析可以發(fā)現(xiàn)，起凈風場的風速廓線服從對數(shù)分布的特點。在風場產(chǎn)生的過程中，一定高度的含沙層也滿足這一分布規(guī)律。在這個基礎上，有研究人員通過對風場結構數(shù)值模擬研究的方式，發(fā)現(xiàn)了風場躍移層內(nèi)風速的特點，并在風速遵循對數(shù)分布規(guī)律的基礎上發(fā)現(xiàn)了躍移層內(nèi)，沙粒與風速之間的關系受到地表粗糙度的影響，不同粗糙度下的摩擦力不同，風速也會出現(xiàn)不同。

在上述的研究當中，研究人員結論的前提是風場穩(wěn)定來流，但是實際上很多因素都會對風場結構產(chǎn)生影響，因此風場無法實現(xiàn)穩(wěn)定來流。為了更好地了解風場結構的特點，很多學者對非穩(wěn)定來流狀況下的風沙行為進行了研究。有的研究人員通過模型研究的方式分析了在一維非定常風場當中，同一種頻率和同一種強度條件下，輸沙率與波動風相應之間的關系。還有的研究人員通過附加隨機脈動值的方式，對平均風速的模型進行了分析。他們發(fā)現(xiàn)，風速脈動與輸沙率之間的影響并不明顯。在實際情況當中，土地沙漠化發(fā)生的時候，靠近地面的氣流通常會表現(xiàn)為湍流，這些湍流經(jīng)常會出現(xiàn)隙間性局部速度增加的情況。通過研究發(fā)現(xiàn)，這種情況通常會對風沙的傳輸產(chǎn)生影響。除此之外，很多土地沙漠化發(fā)生的場所都是在野外的環(huán)境當中，在這樣的環(huán)境當中風場結構的影響因素更加復雜。研究人員利用風沙物理學，對大氣邊界層風場的脈動規(guī)律等問題進行了研究。

2.2在沙塵顆粒的起動研究方面的應用

在地表風的作用下，風沙會發(fā)生運動，從而導致土壤會風蝕甚至引發(fā)沙塵的天氣，久而久之造成土地沙漠化的問題。因此，在研究土地沙漠化問題的時候，對沙塵顆粒起動機制和速度的研究也是重要的組成部分。目前，對該內(nèi)容的研究還并沒有形成統(tǒng)一的觀點，這是由于沙塵顆粒在發(fā)生起動的時候往往要經(jīng)過復雜的過程，且在研究結果容易受到研究手段的影響。有的學者結合風沙物理學的沙粒運動理論，對沙粒起動時候的壓差進行了研究。有的學者認為在沙塵顆粒啟動的過程中，主要是受到?jīng)_擊力的作用而產(chǎn)生起跳。有的學者通過實驗模擬發(fā)現(xiàn)，躍移顆粒物的沖擊并不是造成沙粒啟動的主要原因，還有的學者認為，在沙塵啟動的過程中，顆粒物的沖擊速度并不高，它們之間會在相互摩擦的過程中發(fā)生碰撞，這會導致顆粒物的動量無法集中，從而導致無法對床面上更多的沙粒起到?jīng)_擊作用。

除了起動機制之外，還有很多學者將注意力放在了沙塵顆粒的起動風速上。風速不僅是使風沙運動的重要因素，同時也與土地沙漠化的程度具有重要的影響。有的研究人員通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，沙粒在啟動過程中所收到的摩擦阻力與地表形態(tài)、沙粒本身的含水量和質(zhì)量、沙粒所受到的靜電作用力等都有著重要的關系。也有的研究人員認為，目前對沙塵顆粒的起動還沒有形成統(tǒng)一的標準。他認為，起動風速本身就并不是一個固定的量，在現(xiàn)實當中會受到各種因素的影響。

2.3在風沙電現(xiàn)象研究方面的應用

沙塵暴是造成土地沙漠化的重要因素，沙塵暴不會形成強電場和電火花，同時還會對周圍的無線電信號產(chǎn)生一定的干擾作用。目前，國內(nèi)外的多名學者提出沙粒帶電機制的假說，并對強風沙電場產(chǎn)生的原因進行了推測。我國學者率先在風洞中對沙粒帶電的荷質(zhì)比、風沙電場強度以及輸沙率和風速廓線等展開了實驗測量，揭示了沙粒帶電的尺度效應，指出風沙電場主要是由空中帶電沙粒產(chǎn)生。在此基礎上建立起了風-粒-電相互作用的模型。在這個基礎上，蘭州大學風沙環(huán)境力學研究小組還開展了對野外風沙電場的三維觀測，首次指出實際風沙電場不僅在垂向與大氣晴天電場相反，而且還存在沿來流流向的、強度比垂向風沙電場更高的水平電場，并指出這主要是由于風沙流的流向脈動所致。

結語

綜上所述，土地沙漠化的發(fā)生、發(fā)展過程與近地層的沙塵顆粒物的起動、傳輸、沉降，流場結構緊密相關。這需要從事相關科研工作的人員結合風沙物理學的知識，進一步拓展和提升基礎理論研究與實驗方法設計，進而推動中國在沙漠化防治領域的發(fā)展。

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