起沙風速的觀測方式及其影響因素研究綜述

伊力哈木·伊馬木，李菊艷，玉米提·吾提庫爾，劉金苗

(1.新疆維吾爾自治區水土保持生態環境監測總站，新疆 烏魯木齊 830002；2.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083)

目前，隨著國內外對土壤風蝕、土地荒漠化、風沙運動等多種研究課題的持續關注，學者們對起沙風速的研究持續推進。沙粒起動是地表沙粒運移的開端，當風力不斷增加達到臨界值時，地表沙粒開始運動，此臨界風速稱為起動風速，凡是超過起動風速的風稱為起沙風。起動風速包括流體起動風速和沖擊起動風速。流體起動指純氣流對沙粒的直接推動作用使沙粒發生滾動或躍起，此情況是在上風向沒有來沙時產生的；沖擊起動是指已形成的風沙流不斷地對地面產生沖擊而使沙粒進入運動狀態，此情況是上風向的挾沙氣流和運動沙粒共同作用的結果[1]。目前，大多數學者對起沙風速進行野外實測試驗是以研究流體起動風速為主[1-2]。通常情況下，起沙風速即沙粒開始移動的最低風速，沙粒受風力的起動機制是研究起沙風速的首要內容[3]。

1 起沙風速的一般觀測方式

學者們通常采用不同的方法研究起沙風速，總體上可以分為兩種。第一種是采用風速儀直接進行野外起沙風速的測量，測量方法也較為簡單，即在測量點旁立測風速桿，記錄下肉眼觀察到或者傳感器監測到沙粒發生移動時刻的風速，通過多次試驗減小誤差得到起沙風速[1,4-9]。第二種是利用學者們提出的理論模型，通過計算臨界摩擦速度、地表粗糙度等進而求得起沙風速，如根據近地面沙塵濃度計算得到起沙風速[10-11]。各模型所適用的邊界條件存在差別，利用理論模型進行起沙風速的測定時應以獲得研究區的沙粒密度、空氣密度、土壤水分、植被覆蓋度等多個待測參數為前提[1]。在野外自然狀態下，地面狀況、大氣狀態會不斷發生改變，因此真實的臨界起沙風速是一個變化的值[12]。一部分學者則通過理論模型測算臨界起沙風速的閾值[13-14]。

2 起沙風速主要影響因素的影響效應

2.1 起沙風速與沙粒粒徑的關系

沙粒粒徑是影響起沙風速大小的一個重要因素，部分學者對其開展了研究。陳渭南等[1]通過試驗得到塔克拉瑪干沙漠的起沙風速為5～6 m/s。李凱崇等[15]測得河岸地區沙質地表、半固定沙地、沙礫戈壁的起沙風速分別達到7、7～10、11～12 m/s，從沙漠到戈壁，沙粒粒徑逐漸增大，起沙風速隨之增大。王宇等[3]根據土壤沙粒粒徑對研究區沙地進行劃分，對粒徑<0.25 mm沙粒占總量比例逐漸減少的3種土壤類型進行觀測，得到它們的起沙風速分別為5.5、6.1、6.4 m/s。在造成此差異的一系列因素中，土壤顆粒粒徑組成發揮主導作用，不同粒徑沙粒起沙風速及其脫離靜止后的運動方式均存在差異。在研究粒徑更小的塵粒時，韓桂波等[16]通過試驗發現不同于粒徑稍大的沙粒，粉塵顆粒的起動風速除與粒徑有關外，還受制于水分條件。當含水率較低時，起沙風速隨著粒徑的增大而增大，但當含水率較高時，一定粒徑范圍內的沙粒，起沙風速隨粒徑的增大而減小，粒徑為0.25～0.5 mm沙粒的起沙風速為5.1 m/s，粒徑為0.5～1 mm沙粒的起沙風速減小到4.85 m/s，產生這種現象的原因與不同粒徑沙粒間產生的引力大小不同有一定的關系。一般情況下，沙粒粒徑越大，起沙風速越大，但在某些因素的影響下，兩者呈負相關關系。沙粒粒徑對起沙風速的影響受制于各方面的條件，因此應對試驗進行細化，控制其影響因素，以進行更加深入的研究。

2.2 起沙風速與植被的關系

地表植被在防止土壤風蝕、減緩風沙運動方面具有十分顯著的作用，部分學者進行了起沙風速與地表植被關系的相關研究。在有關植被覆蓋度對起沙風速影響的研究中，賀晶等[17]在草地-流沙地過渡帶設置樣點，通過監測樣點的各因素指標計算得到裸沙地的起沙風速為5.47 m/s，植被覆蓋度為24%～34%時起沙風速大大增加，植被覆蓋度24%時起沙風速為7.58 m/s，34%時達到7.82 m/s，說明植被覆蓋度能有效地降低風速，阻止沙粒移動，促進沙粒沉降，這與董治寶等[8]的研究結果一致。但黃富祥等[7]通過對毛烏素沙地不同植被覆蓋度起沙風速的研究發現，當植被覆蓋度為30%時，起沙風速為6.1 m/s，在相似植被覆蓋度下，其起沙風速與賀晶等人觀測結果存在差別，說明在與地表沙粒特征存在關系的同時，植被類型及組合模式也會對起沙風速產生一定的影響。為研究不同植被類型及造林模式的防風治沙效果，王愛軍等[9]對10種不同造林模式的起沙風速進行觀測研究發現：無造林建設的流動沙丘起沙風速最小，僅為5.2 m/s，這與多數普通沙地的研究結果相近；喬灌草造林模式起沙風速最大，達到24.8 m/s，在該造林模式下，植物高度內的風速受阻減小，沙粒沉降，同時地表低矮植物有效降低了地表沙粒的流動幅度，形成的有機土壤層厚度相對較大，因此起沙風速大大增加。不同的植被覆蓋度、植被類型及組合模式對起沙風速的影響具有一定的差異，在對不同地區開展防風治沙時應著重分析區域內各項條件，因地制宜，合理選擇治理方案。

2.3 起沙風速與其他因素的關系

在研究起沙風速的其他影響因素方面，張鵬等[6]根據地表結皮率對研究區進行劃分，測得結皮率>90%、結皮率<50%、結皮率<15%、結皮率<10%的不同地表的起沙風速分別為9.3、8.9、7.2、6.6 m/s，起沙風速與地表結皮率呈正相關關系，隨著地表結皮率的增加，其風蝕的可能性大大降低。地表粗糙程度會對所經流體產生影響，進而影響起沙風速，李寧等[18]對地表粗糙度分別為1.42、1.48、1.58的3種不同地表的起沙風速進行試驗，測得其起沙風速分別為5.3、5.7、7.5 m/s，隨著地表粗糙度的增加，其起沙風速明顯增大。因此，在農墾用地進行留茬處理對于增大起沙風速、防止土壤風蝕具有十分顯著的作用[19-20]。為研究不同防風阻沙體系下的防風沙效果，馬韞娟等[21]通過試驗發現不同防風阻沙體系防風沙效果差異顯著，蘆葦、草簾子方格防風阻沙體系的起沙風速最大，為8.0～9.0 m/s，高于裸地的起沙風速，但遠遠小于同條件下生長植被地表的起沙風速。分析其原因可知，雖然蘆葦、草簾子方格防風阻沙體系同樣具有減小風速、沉降塵土、降低地表沙粒流動幅度的作用，但較難形成有機土壤層等生物作用，使得其增大起沙風速的作用大大減小。與之相似，董治寶等[22-23]發現通過控制礫石覆蓋度同樣可以起到防風阻沙的效果。

3 討 論

受下墊面特征、氣候特征、植物類型等多種因素的共同影響，起沙風速本身并不是一個確定的值，而是具有一定的變化范圍。例如在對塔克拉瑪干沙漠起沙風速的研究中，周成龍等[13]通過經驗公式計算了該地區起沙風速閾值，綜合研究區土壤濕度、空氣密度等多項影響因素，求得2 m高度的臨界起沙風速為3.9～5.9 m/s(5月份的起沙風速僅為3.9 m/s，這是由于此時處于春季末尾，土壤濕度非常小，地表土壤水分對起沙的阻礙作用減小，起沙風速相應減小，而夏季降水增加，起沙風速隨之增大，綜合該地區一年平均起沙風速為5.1 m/s)，同陳渭南、楊興華等人的研究結果一致。短時間內區域中影響起沙風速的各因子變化幅度較小，特性相對穩定，所以起沙風速在一個較長時期的尺度下觀測得到的結果會更加準確[14]。

眾多學者對起沙風速的研究目的不同，研究區類型多種多樣，沙粒粉塵有也一定區別，例如戈壁地區[15,24]、荒漠沙地[9,12-14]、防護林地區[5,9]、道路兩側[21,25]的沙粒及煤炭粉塵[16]的起沙風速均存在差異。采用的觀測手段及理論模型也會對研究結果產生一定的影響，為獲得更精確的結果需要采用合適而非通用的方法。部分學者為研究某些因素對起沙風速的影響選擇設置對比試驗組及多組不同條件的試驗[9,17,26]，但野外條件復雜，各影響因素指標相互聯系、關系密切，其通過綜合作用共同影響起沙風速，因此野外試驗很難達到理想的對照試驗效果；部分學者選擇進行風洞試驗[5,16,27]，但風洞試驗在模擬野外條件時會存在一定的偏差。因此，對起沙風速的研究還需要進一步綜合多種研究方法，以得到更精確的研究結果。

4 結 論

(1)起沙風速通常可以通過兩種方法獲得，即野外直接測量和理論模型計算，兩種方法的觀測方式不同，但都必須以實地觀測為前提。

(2)通常情況下，起沙風速與沙粒粒徑呈正相關關系，但含水量變化會使這種現象發生改變；植被覆蓋度、植被類型及組合模式均會對起沙風速產生影響；地表結皮率、地表粗糙度、礫石覆蓋度等因素均可影響起沙風速。因此，可以綜合考慮其相關影響因素和地區特征，設置合理的防風阻沙體系。