第1章 國(guó)內(nèi)外可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞概述
風(fēng)蝕風(fēng)洞是伴隨著土壤風(fēng)蝕問(wèn)題的研究而產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的.土壤風(fēng)蝕所產(chǎn)生的顆粒物會(huì)造成源地?途徑地和匯地大氣顆粒物污染加劇.并引發(fā)一系列環(huán)境與健康問(wèn)題.探求風(fēng)蝕機(jī)制及其控制途徑.成為世界各國(guó)土壤保持和大氣顆粒物污染防治領(lǐng)域的科學(xué)家和研究者共同努力的方向.環(huán)境風(fēng)洞及可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.極大地加速了土壤風(fēng)蝕問(wèn)題研究的進(jìn)程.而可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞(movablewinderosiontunnel)的出現(xiàn)及其應(yīng)用.在土壤風(fēng)蝕影響因子?風(fēng)蝕預(yù)報(bào)模型?抗風(fēng)蝕機(jī)制?風(fēng)蝕控制技術(shù)?風(fēng)蝕控制管理措施?土壤風(fēng)蝕危害等系統(tǒng)研究中發(fā)揮了極其重要的作用.已成為土壤風(fēng)蝕成因以及管理與控制領(lǐng)域不可或缺的研究工具.本章簡(jiǎn)要介紹可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞的產(chǎn)生?作用與特點(diǎn).分類介紹國(guó)內(nèi)外可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞的發(fā)展與各自的特點(diǎn)和應(yīng)用狀況.歸納總結(jié)了可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則和一般要求.
1..1 可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞的產(chǎn)生?作用與特點(diǎn)
1..1..1 土壤風(fēng)蝕研究與風(fēng)蝕風(fēng)洞
1..1..1..1 土壤風(fēng)蝕的定義
科學(xué)的風(fēng)蝕(winderosion)概念以侵蝕(erosion)概念為基礎(chǔ).erosion一詞源于拉丁語(yǔ)erodere.原意為吃掉?挖掉.1894年.Penck將erosion引入地質(zhì)學(xué)中.首次用以描述水流作用下地表固體物質(zhì)的流失和溝壑?漕谷的形成.與erosion意義相近的.用于描述侵蝕現(xiàn)象的詞還有ablation (源于拉丁語(yǔ)ablatio.意為帶走)?corrosion (源于拉丁語(yǔ).意為啃成碎片)?abrasion (源于拉丁語(yǔ)abradere.意為刮掉 )和deflation等.史培軍等(1999)認(rèn)為土壤侵蝕過(guò)程涉及侵蝕動(dòng)力與下墊面相互作用過(guò)程.侵蝕是在各種外在物質(zhì) (即外在地貌因子 )作用下.土壤層或其下基巖 (即土壤圈和巖石圈 )的破損.依據(jù)侵蝕發(fā)生的水動(dòng)力?風(fēng)動(dòng)力?溫差?重力等作用力的不同.土壤侵蝕過(guò)程可劃分為水蝕過(guò)程?風(fēng)蝕過(guò)程?凍融侵蝕過(guò)程?重力侵蝕過(guò)程.
朱顯謨(1956)提出.風(fēng)蝕是風(fēng)力作用對(duì)土壤圈或巖石圈進(jìn)行損害和破壞.風(fēng)蝕過(guò)程就是風(fēng)力作用引起地表物質(zhì)脫離地表并被搬運(yùn)和再堆積的過(guò)程.董治寶和李振山(1995)指出.風(fēng)蝕是侵蝕與塑造地球景觀的基本地貌過(guò)程之一.也是發(fā)生于干旱?半干旱以及部分半濕潤(rùn)地區(qū)土地沙漠化的關(guān)鍵環(huán)節(jié).因此在自然狀態(tài)下.風(fēng)蝕與水力侵蝕?重力侵蝕和凍融侵蝕等各類土壤侵蝕一樣.只是自然力作用下的某種現(xiàn)象.Chepil和Milne (1939)研究認(rèn)為.對(duì)于疏松干燥的細(xì)顆粒土壤?缺乏植被覆蓋的裸露地表?開(kāi)闊平坦的原野等區(qū)域.容易發(fā)生風(fēng)蝕.戚隆溪和王伯懿(1996)指出.風(fēng)蝕是指松散的地表土壤顆粒被風(fēng)吹起和輸運(yùn)的吹蝕過(guò)程.以及地表物質(zhì)受到風(fēng)吹起顆粒撞擊而破碎的磨蝕過(guò)程.吹蝕過(guò)程主要涉及流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程.或者更嚴(yán)格地講是氣固兩相流動(dòng)過(guò)程.風(fēng)蝕主要發(fā)生在干旱與半干旱氣候區(qū).一般年降雨量在250 ~300mm范圍內(nèi)的地區(qū)易受風(fēng)蝕影響.土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190—2007)對(duì)風(fēng)蝕的定義為 :風(fēng)蝕即風(fēng)力侵蝕.指在氣流的沖擊作用下.土粒?沙粒或巖石碎屑脫離地表.被搬運(yùn)和堆積的過(guò)程.
土壤風(fēng)蝕是土壤侵蝕的一種類型..風(fēng)沙物理學(xué) .(丁國(guó)棟.2010)對(duì)土壤風(fēng)蝕的描述是 :土壤風(fēng)蝕是指土壤或土壤母質(zhì)在一定風(fēng)力的作用下.土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞以及土壤顆粒發(fā)生位移的過(guò)程.Shao (2000)?董志寶等(1995)等認(rèn)為.土壤風(fēng)蝕可以理解為 :土壤顆粒受風(fēng)力作用產(chǎn)生位移.這種位移包括土壤顆粒的夾帶起塵?空間運(yùn)移?重力沉降與沉積或地表土壤顆粒的蠕移?運(yùn)移?沉積和再堆積過(guò)程.
上述這些過(guò)程表現(xiàn)為地表顆粒的磨蝕過(guò)程.實(shí)質(zhì)上是表層土壤中細(xì)顆粒物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吹蝕?搬運(yùn)與沉積的過(guò)程.所產(chǎn)生的直接性生態(tài)后果表現(xiàn)為 :造成表土層大量富含營(yíng)養(yǎng)元素的細(xì)微顆粒的損失.致使農(nóng)田表土層粗化?土壤肥力下降和土地生產(chǎn)力衰退.是導(dǎo)致土地荒漠化的重要原因.土壤風(fēng)蝕過(guò)程易產(chǎn)生大量的氣溶膠顆粒.這些顆粒懸浮于大氣中.會(huì)造成所在地區(qū)乃至周邊地區(qū)嚴(yán)重的環(huán)境污染.是沙塵?揚(yáng)沙等天氣現(xiàn)象的重要來(lái)源.
1..1..1..2 土壤風(fēng)蝕問(wèn)題的研究與發(fā)展
自然界風(fēng)力侵蝕的表現(xiàn)形式多種多樣.如各種鬼斧神工般的風(fēng)蝕地貌以及黃土高原的形成等.構(gòu)成了自然環(huán)境的一部分.人類既無(wú)可能?也無(wú)必要對(duì)這些正常的自然過(guò)程強(qiáng)加改變.胡云鋒等(2003)將這種自然狀態(tài)下的風(fēng)力侵蝕稱為 “容許侵蝕”.由于人類的高強(qiáng)度?不合理活動(dòng).風(fēng)力侵蝕發(fā)生?發(fā)展的強(qiáng)度及影響范圍逐漸增強(qiáng)?增大.乃至引發(fā)環(huán)境災(zāi)害.危及人類正常的生產(chǎn)?生活環(huán)境甚至于生命安全.例如.20世紀(jì)30年代中葉至40年代.美國(guó)中西部大平原?加拿大西部大草原以及蘇聯(lián)中亞地區(qū)災(zāi)難性的 “黑風(fēng)暴 ”事件.據(jù)估計(jì).這一時(shí)期美國(guó)大平原每年被侵蝕的土質(zhì)重量與進(jìn)入大氣中的塵埃重量分別為2..44億t和0..77億t.每年來(lái)自撒哈拉地區(qū)的礦物質(zhì)塵埃達(dá)2..60億t.每年風(fēng)從大地表面上搬運(yùn)的粒徑小于20μm的細(xì)沙量超過(guò)5億t.探求風(fēng)蝕機(jī)制及其控制途徑成為世界各國(guó)土壤保持與顆粒物污染防治領(lǐng)域的科學(xué)家共同努力的方向.
正是這一時(shí)期嚴(yán)重的沙塵暴引起了科學(xué)界對(duì)土壤風(fēng)蝕危害的空前重視.極大地刺激了風(fēng)蝕問(wèn)題研究的縱深發(fā)展.Bagnold (1941)深入利比亞沙漠進(jìn)行觀測(cè).積累了豐富的現(xiàn)場(chǎng)資料.同時(shí)利用室內(nèi)風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞進(jìn)行相關(guān)研究.獲得了廣泛的實(shí)驗(yàn)資料.以這些資料為基礎(chǔ).創(chuàng)立了風(fēng)沙物理學(xué).建立了 .風(fēng)沙和荒漠沙丘物理學(xué) .的理論體系.他將風(fēng)-沙定性關(guān)系問(wèn)題簡(jiǎn)化為可以定量測(cè)量的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題來(lái)研究.通過(guò)風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞(windtunnelofblownsandenvironment)實(shí)驗(yàn)和野外觀測(cè)來(lái)確定引起沙粒移動(dòng)的力學(xué)機(jī)制.全面研究了穩(wěn)定地表和被侵蝕表面上空的風(fēng)速剖面?沙粒移動(dòng)的起動(dòng)風(fēng)速?沙粒的躍移與蠕移等土壤風(fēng)蝕問(wèn)題.為近代風(fēng)蝕體系的認(rèn)識(shí)與研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ).遵循Bagnold的理論體系.Chepil (1945)及其合作者對(duì)耕地的風(fēng)蝕問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)25年的系統(tǒng)研究.涉及風(fēng)蝕的影響因子以及沙粒的蠕移?輸運(yùn)和沉積機(jī)制.發(fā)表了具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值的研究論文.討論了吹蝕機(jī)制問(wèn)題.分析了風(fēng)蝕因子.確定了土壤可蝕性指標(biāo)和氣候指標(biāo).研制了風(fēng)蝕儀器設(shè)備.初步建立了風(fēng)蝕研究的理論-實(shí)踐體系.被譽(yù)為現(xiàn)代土壤風(fēng)蝕科學(xué)的開(kāi)拓者.風(fēng)蝕研究由此實(shí)現(xiàn)了由定性研究向定量研究的飛躍.可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞的雛形便在此階段產(chǎn)生.自1947年可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞經(jīng)美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)?改進(jìn)與發(fā)展.在土壤風(fēng)蝕影響因子的系統(tǒng)研究中發(fā)揮了極其重要的作用.20世紀(jì)60年代.Woodruff和Siddoway (1965)建立的世界上第一個(gè)通用風(fēng)蝕方程(WEQ).便是基于該可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞的野外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的.這里提到的風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞是風(fēng)沙研究的專用設(shè)備.用來(lái)模擬研究風(fēng)對(duì)自然界地表結(jié)構(gòu)的影響.以及風(fēng)和沙粒在吹蝕?搬運(yùn)?堆積過(guò)程中的相互作用與相互關(guān)系.可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞特指一類尺寸小?重量輕?可拆卸?容易移至野外并在真實(shí)地表?xiàng)l件下現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究工具.國(guó)外學(xué)者Raupach (1990)?Nickling和Gillies (1993)?Leys和Raupach (1991)?Pietersma等(1996)在其論文中多稱之為便攜式風(fēng)洞(portablewindtunnel).國(guó)內(nèi)研究者朱朝云等(1992)?吳正(2003)的相關(guān)文獻(xiàn)中稱為野外風(fēng)蝕風(fēng)洞(fieldwindtunnel).榮姣鳳(2004)?范貴生(2005)發(fā)表的論文中稱為可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞.
當(dāng)然.由于自然條件的錯(cuò)綜復(fù)雜.地表風(fēng)蝕研究經(jīng)歷過(guò)幾次大的發(fā)展浪潮.而每一次大的發(fā)展都更加強(qiáng)化和注重了風(fēng)蝕風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)際應(yīng)用.
(1)國(guó)外土壤風(fēng)蝕研究進(jìn)展
國(guó)外土壤風(fēng)蝕研究可分為4個(gè)階段 :定性描述階段?定量研究階段?風(fēng)蝕方程的建立與完善階段及風(fēng)蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建立與完善階段.
1)定性描述階段.20世紀(jì)30年代前.科學(xué)家總結(jié)了對(duì)土壤風(fēng)蝕認(rèn)識(shí)的有關(guān)結(jié)論.包括風(fēng)與土壤的相互作用?風(fēng)蝕物質(zhì)的損失與搬運(yùn)等.認(rèn)為通過(guò)深入了解土壤理化性質(zhì)可以找出減輕土壤風(fēng)蝕的辦法.如增加土壤濕度和有機(jī)質(zhì)含量?改良土壤結(jié)構(gòu)?增加作物殘留物?構(gòu)建防風(fēng)帶等措施保護(hù)地表.
2)定量研究階段.20世紀(jì)30年代中期.Bagnold的代表作 .風(fēng)沙和荒漠沙丘物理學(xué) .標(biāo)志著土壤風(fēng)蝕邁入了定量研究階段.是近代風(fēng)蝕體系認(rèn)識(shí)與研究的奠基石.
3)風(fēng)蝕方程的建立與完善階段.20世紀(jì)30年代末至50年代.“黑風(fēng)暴 ”事件成為這一時(shí)期的標(biāo)志.這一時(shí)期.美國(guó)的Chepil被譽(yù)為現(xiàn)代土壤風(fēng)蝕科學(xué)的開(kāi)拓者.風(fēng)蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)制?風(fēng)沙流磨蝕作用?風(fēng)蝕流失量及其影響因素?土壤風(fēng)蝕因子?風(fēng)蝕強(qiáng)度等級(jí)以及土壤理化性質(zhì)與土壤抗蝕性間關(guān)系等研究獲得突破.風(fēng)蝕研究理論體系的建立成為風(fēng)蝕定量研究飛躍發(fā)展過(guò)程的標(biāo)志.50年代中期.蘇聯(lián)雅庫(kù)波夫等通過(guò)野外觀測(cè)和風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn).探討了微地形?土壤?植被等環(huán)境條件與土壤風(fēng)蝕間的關(guān)系.在防風(fēng)蝕的綜合農(nóng)業(yè)措施方面做出了卓越貢獻(xiàn).自此.涉及物理措施?生物措施?管理措施等農(nóng)田防風(fēng)蝕措施的研究得到重視與發(fā)展.土壤風(fēng)蝕的研究由理論研究向應(yīng)用研究轉(zhuǎn)變.
4)風(fēng)蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建立與完善階段.20世紀(jì)60年代.計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使土壤風(fēng)蝕研究出現(xiàn)新的轉(zhuǎn)機(jī).并得以在理論研究領(lǐng)域長(zhǎng)足發(fā)展.Woodruff和Siddoway (1965)首次建立了田間年風(fēng)蝕量的估算模型 ———WEQ.使之成為這一時(shí)期的標(biāo)志.80年代.計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和深入滲透.美國(guó)農(nóng)業(yè)部專家組綜合風(fēng)蝕科學(xué)?數(shù)據(jù)庫(kù)?計(jì)算機(jī)技術(shù)等聯(lián)合推進(jìn)土壤風(fēng)蝕預(yù)報(bào)的研究.提出了修正風(fēng)蝕方程(RWEQ).90年代繼續(xù)推出了風(fēng)蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)(WEPS).最終取代WEQ.土壤風(fēng)蝕程度與環(huán)境因素密切相關(guān).WEPS具有模擬田間條件和土壤蝕積時(shí)空變異的能力.除模擬基本的風(fēng)蝕過(guò)程.還能模擬土壤風(fēng)蝕隨環(huán)境條件影響變化的過(guò)程.該系統(tǒng)可以分別輸出躍移?蠕移和懸浮土壤流失量方面的量化數(shù)據(jù).這在土壤風(fēng)蝕起塵對(duì)城市環(huán)境空氣質(zhì)量的影響研究中至關(guān)重要.WEPS是迄今為止影響因素最完整?手段最先進(jìn)的風(fēng)蝕預(yù)報(bào)模型.是大力推進(jìn)風(fēng)蝕定量評(píng)價(jià)研究?風(fēng)蝕防治實(shí)踐?環(huán)境規(guī)劃與管理等工作的重要技術(shù)工具.
(2)國(guó)內(nèi)土壤風(fēng)蝕研究概況
我國(guó)學(xué)者很早就注意到土壤風(fēng)蝕問(wèn)題及其引起的沙塵暴災(zāi)害.但風(fēng)蝕研究工作進(jìn)展緩慢.20世紀(jì)50年代以前.隨著西方近代土壤侵蝕研究的不斷發(fā)展和相關(guān)科學(xué)知識(shí)的傳播.國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始關(guān)注并認(rèn)識(shí)土壤風(fēng)蝕問(wèn)題.國(guó)內(nèi)土壤風(fēng)蝕的研究過(guò)程大致可以歸納為四個(gè)階段.
1)萌芽階段.1950年以前.國(guó)內(nèi)研究者基于風(fēng)沙物理學(xué)研究和沙漠研究.開(kāi)始較詳細(xì)地對(duì)我國(guó)干旱?半干旱地區(qū)的農(nóng)田風(fēng)蝕問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查.區(qū)域涉及東北?內(nèi)蒙古?新疆?陜北及黃河下游洪泛平原半濕潤(rùn)地區(qū).這一階段以定性和描述性研究為主.陳渭南等(1994)認(rèn)為中國(guó)土壤風(fēng)蝕科學(xué)研究在這一時(shí)期處于萌芽階段.
2)定性研究階段.20世紀(jì)50 ~60年代.我國(guó)學(xué)者錢寧和林秉南?楊郁華?梁式弘等先后翻譯出版了拜格諾的 .風(fēng)沙和荒漠沙丘物理學(xué).?蘇聯(lián)茲納門斯基的 .沙地風(fēng)蝕過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究和沙堆防止問(wèn)題.?雅庫(kù)波夫的 .土壤風(fēng)蝕及其防止 .等專著.并翻譯了大量學(xué)術(shù)論文.這些專著和論文成為防沙治沙工程的重要理論指導(dǎo).在此基礎(chǔ)上.在風(fēng)蝕活動(dòng)的自然條件?風(fēng)蝕地形發(fā)育以及風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律?防沙措施機(jī)制等方面開(kāi)展了系統(tǒng)性研究.建立了一批實(shí)驗(yàn)站.重點(diǎn)結(jié)合大型工程建設(shè)任務(wù)開(kāi)展了農(nóng)田風(fēng)蝕沙害?交通干道風(fēng)蝕沙害的防沙治沙技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究.該階段仍以宏觀調(diào)查和定性分析為主.1967年.中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川凍土沙漠研究所建成了我國(guó)第一座環(huán)境風(fēng)洞.開(kāi)啟了我國(guó)風(fēng)沙物理實(shí)驗(yàn)研究的新紀(jì)元.風(fēng)蝕研究由定性研究向半定量?定量研究轉(zhuǎn)變.
3)定量研究階段.20世紀(jì)70 ~90年代.土壤風(fēng)蝕的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究迅速發(fā)展.1988年.中國(guó)科學(xué)院蘭州沙漠研究所建成第二座沙風(fēng)洞 ———土壤風(fēng)蝕風(fēng)洞.安置于中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙坡頭沙漠實(shí)驗(yàn)研究站.方便野外研究.這一時(shí)期.風(fēng)蝕的專項(xiàng)研究工作相繼興起和發(fā)展.研究方法包括