第四章 风力第四章 风力侵蚀

土壤侵蚀原理

主讲：陈奇伯

第 4 章 风力侵蚀（ Wind Erosion ）

教学目的：分析风力侵蚀发生机制及其发展规律，阐述 风力侵蚀形式及影响风力侵蚀的自然因素。

教学方法：以学生课外自学为主，教师辅导和参阅课外 书为辅。

计划学时：约 2 学时。

第 4 章 风力侵蚀

4.1 风沙运动

4.2 风蚀与风积作用

4.3 沙漠化成因与类型

4.4 沙尘暴

4.1 风沙运动

风沙运动是一种贴近地面的气流对沙粒的搬运现象。

4.1.1 近地层风的性质 大气对流层中贴近地面 100m范围内的气层称为近地层，一切风沙运动都与本层大气的性质及活动状况有关，因此也是风力侵蚀学研究的重点。

层流和紊流

层流的空气质点运动轨迹平稳，邻近的空气质点平衡运动，互不干扰。

紊流的空气质点运动不规则，并且互相干扰，各气流层层间夹杂了大小不同的涡旋运动。

层流大气是否失去其稳定性取决于流体的惯性力与粘滞力之间的比例关系。

湍流与地表粗糙度 (roughness) 湍流运动是一种叠加在一般流动上的不规则的旋涡状的混

合运动。湍流发生时，通过旋涡运动进行风的动能的传递和交换。

风吹过地表时，受地面磨擦阻力的影响，风速减小，并把这

种阻力向上层大气传递。由于摩擦阻力随高度增加而减小，故风速随高度而增大。

但风速不是与高度、而是与高度的对数值成正比，说明风速廓线是随高程呈对数分布的，其形式为：

式中： U*―― 摩阻速度（或剪切速度）， U* ＝（ τ/ρ ）；

τ―― 地面剪切力； ρ―― 空气密度； U―― 高度为 z 处的风速； K―― 卡曼常数（为 0.4 ）； z0―― 光滑床面与空气粘

滞性有关的参数，在床面粗糙时则等于标志床面粗糙度的特征高度。

0* lg75.5 zzUU

4.1.2 沙粒的运动 (movement of sand granule)

沙粒起动机制 (moving mechanism)

半个多世纪以来，中外科学家对静止沙粒受力起动机制进行了深入的研究，并形成了多种假说，如冲击碰撞说，压差升力说及湍流的扩散作用说等，但都没有圆满地解决这一问题。 1980年吴正和凌裕泉在风洞中用高速摄影方法对沙粒运动过程进行了研究。沙粒碰撞所产生的冲击力在沙粒起跳中起主导作用。

临界风速与起沙风 (critical wind speed)

假定地表风力逐渐增大，达到某一临界值后，地表沙粒脱离

静止状态开始运动，这时的风速称为临界风速或起动风速，一

切大于起动风速的风称为起沙风。

起动风速与沙粒粒径、地表性质、沙粒含水率等多种因素有

关。国内外专家研究证实，在一般情况下起动风速和沙粒粒径

的平方根成正比。

沙粒粒径与起动风速关系

沙粒运动形式 据观测研究，风沙流中沙粒依风力大小、颗粒粒径、质量不同而以悬移、跃移、蠕移三种形式向前运动。

当沙粒起动后以较长时间悬浮于空气中而不降落，并以与风速相同的速度向前运动时称为悬移。悬移运动的沙粒称为悬移质。

沙粒在风力作用下脱离地表进入气流后，降落到沙面时有相当大的动能，能使其降落点周围的一部分沙粒受到撞击而飞溅起来，造成沙粒的连续跳跃式运动。沙粒的这种运动方式称为跃移，跃移运动的沙土颗粒称为跃移质。

沙粒在地表滑动或滚动称为蠕移，蠕移运动的沙粒称为蠕移质。

4.1.3 风沙流及其结构特征

风沙流是气流及其搬运的固体颗粒（沙粒）的混合

流。它的形成依赖于空气与沙质地表两种不同密度物理介质的相互作用，而它的特征对于风蚀风积作用的研究及防沙措施的制定有重要意义。

风沙流结构

风沙流中沙粒随高度的分布称为风沙流结构。根

据野外观测，气流搬运的沙量绝大部分（ 90%以上）是在沙面以上 30cm的高度内通过的，尤其是集中在 0～ 10cm的高度（约占 80%） .

风沙流结构特征值

近地表气流层沙粒分布性质，即风沙流的结构决定着沙粒吹蚀与堆积过程的发展。

前苏联学者兹纳敏斯基提出了采用 Qmax/Q的比

值（用 S表示）作为风沙流结构的指标（ Qmax为气流中 0～ 1cm层的沙量），称之为风沙流的结构

数。

为了说明风沙流的结构特征与沙粒吹蚀、搬运和堆积的关系，吴正等人引用了特征值 λ 作为判断的指标，风沙流结构特征值 λ （无量纲）为：

λ ＝ Q2-10/Q0-1

式中 : Q0-1―0 ～ 1cm 高度气流层内搬运的沙量（ g/min或 % ）；

Q2-10―2～ 10cm高度气流层内搬运的沙量（ g/min或%）。

风沙流的固体流量

气流在单位时间通过单位宽度或面积所搬运的沙量叫做风沙流的固体流量，也称为输沙率。 影响输沙率的因素是很复杂的，它不仅取决于风力的大小、沙粒粒径、形状和其比重，而且也受沙粒的湿润程度、地表状况及空气稳定度的影响。

4.2 风蚀与风积作用

4.2.1 风蚀与风积作用的概念

风和风沙流对地表物质的吹蚀和磨蚀作用，统称为风蚀作用。

风沙流运行过程中，由于风力减缓或地面障碍等原因，使风沙流中沙粒发生沉降堆积时称风积作用。经风力搬运、堆积的物质称为风积物。

不同床面上沙粒的跳跃运动差别

4.2.2 风沙蚀积作用与沙丘的运动

沙丘移动方向 沙丘移动的方向取决于有一定延续时间的起沙风的风向，移动总方向与大于起沙风的年合成风向大体相一致，但不完全重合，二者之间有一交角。

沙丘移动方式

沙丘移动方式取决于风向及其变化，它可分为三种方式。 其一为前进式，即在单一的风向作用下终年保持向某一方向移动； 其二为往复前进式，即在两个风向相反而风力大小不等的情况下往复向前移动； 其三为往复式，即它是风力大小相等而风向相反的情况下产生的往复移动。

沙丘移动速度

沙丘移动速度主要取决于风速和沙丘本身的高度，沙丘移动速度与其高度成反比，而与输沙量成正比，所以沙丘移动的速度也就同样和风速的三次方成正比。 横向沙丘由于走向与主风向垂直，在同等风力条件下有效作用面积最大，因此在各种类型的沙丘中移动速度是最快的。

纵向沙丘除横向移动外，还有纵向移动的特点，运动的总方向与沙垄构成一个斜交的角度，交角介于 25～ 40°之间，移动速度比横向沙丘要慢的多。

复合型沙垄的运动是通过覆盖其上的新月形沙丘和沙丘链的运动来实现的。

金字塔沙丘是多向风作用下的一种典型沙丘类型。沙丘来回摆动，但总的移动量并不大。

复合型横向沙丘的移动则是通过覆盖在其上的次一级沙丘的移动来实现的。这种复合型沙丘移动速度比简单类型沙丘慢许多。

沙丘移动速度除了受风速和沙丘本身高度的影响外，还与沙丘的水分含量、植被状况及下伏地貌条件的差异性等

多种因素有关。

4.3 沙漠化成因与类型 4.3.1 荒漠化的概念荒漠化（ Desertification ）

1993 ～ 1994 年，防治荒漠化公约上确定的定义为：“荒漠化是指包括气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化” 。

“中国科学家提出沙漠化的定义是： 在干旱、半干旱和部分半湿润地区，由于自然因素或人为活动的影响，破坏了自然生态系统的脆弱平衡，使原非沙漠的地区出现了以风沙活动为主要标志的类似沙漠景观的环境变化过程，以及在沙漠地区发生了沙漠环境条件的强化与扩张过程。简言

” 之，沙漠化也就是沙漠的形成和扩张过程 。

沙漠化（ Desertization ）

风沙化 (sandy desertization)

风沙化是朱震达等人根据我国情况提出的名词术语。其内涵与沙漠化基本一致，外延是指半湿润、湿润地区的沙质干河床与河流泛淤三角洲、古河谷和古代河流决口扇及海滨沙地等因风力作用，产生风沙活动并出现类似沙漠化地区的沙丘起伏地貌景观。

塔里木盆地

阿拉善

4.3.2 沙漠化成因

沙漠化的形成与发展既有自然因素的作用，又有

人类活动的干扰与影响。在自然因素中，沙源与气

候变化是最主要的因素。

气候变化与沙漠化

在沙漠化的自然因素中，气候长时间干旱是决定

性的。撒哈拉地区的研究资料表明，沙漠化过程主要

是在持续干旱期间发生和加强的。

众多学者认为只有对土地及其资源给予合理的正确使用，才能避免由于干旱而引起沙漠化的巨大灾难。

人类活动与沙漠化

干旱地区、特别是半干旱地区（包括部分半湿润地

区），自然生态系统具有脆弱性和敏感性。

人为过度的经济活动，除了直接破坏生态环境，对沙

漠化的自然因素起诱发和促进作用以外，还能够导致局部

和地表小气候的恶化。

4.4.1 沙尘暴的概念 沙尘暴是大风扬起地面沙尘，使空气变得混浊，水平能见度低于 1000m的恶劣天气现象。在气象学中规定，凡水平方向有效能见度小于 1000m的风沙现象，称为沙尘暴。

4.4 沙尘暴（ Sandstorm ）

黑风暴是大风天气中的一种特强沙尘暴天气，其标准是大风吹扬起的沙尘使最小水平能见度降到 0

≤级（ 50m），瞬间风速大于 25 m/s的一种灾害性天气现象。

沙尘暴前锋呈高墙状称其为沙尘壁，沙尘壁移动迅速，呈现上黄、中红、下黑三种颜色的旋转式沙尘团。

4.4.2 沙尘暴形成因素

沙尘暴形成的基本条件一是大风，二是地面上有裸露沙尘物质，三是不稳定的空气，三者同步出现时方能产生沙尘暴。三因素中强风是起沙尘的动力，丰富的沙尘源是形成沙尘暴的物质基础，而不稳定的空气

乃是局地热力条件所致，使沙尘卷扬得更高。

天气因素

干旱少雨，大风频繁，冷热剧变，寒潮过境，不

稳定的空气在对流层底部形成强对流天气等，均为

沙尘暴的形成提供了有利的天气背景。

地形因素 沙尘暴的路径除受高空气压场制约外，地形是不可忽视的因子。我国沙尘暴路径一般分为 4条，西路、西北路、北路和东路。

西路、西北路沙尘暴东移，主要是受秦岭及阴山纬向构造山系的导向作用。

北路、东路沙尘暴所以能爆发式南下，主要是内蒙古高平原地形坦荡，使源于贝加尔湖的冷空气能长驱直入。

物质因素

一类是自然的第四纪沉积物，如沙漠风成沙、戈壁

沙砾、第三纪红色砂砾岩、现代流水冲积物、湖积物、黄土、沙黄土，另一类是人类生产活动的人工堆积物。

人为因素

人为过度垦荒、过度放牧、滥伐森林、不合理利用

水资源、土地不合理经营方式、工业废弃物的堆放等，

是加强和诱发沙尘暴的重要因素。