| 单词 | 风沙物理学 |
| 释义 | 【风沙物理学】 拼译：physics of blown sand 是一门以风和沙(尘)的相互作用为对象，研究有关地表风蚀、沙(尘)物质的风力搬运、堆积和因之形成的各种地貌形态的过程和物理机制，以及风沙危害防治工程的物理学原理的新兴学科。它是介于风沙地貌学与物理学之间的边缘科学，在解决风沙地貌学和风沙危害防治工程的重大理论和实践中起着关键性作用。 1941年拜格诺(R．A．Bagnold)通过大量的风洞实验，首次运用实验物理学方法来解释流沙的自然运动。他在单个沙粒的运动物理学；小尺度的作用，粒径分布，地面沙纹及沙脊；大尺度的作用，泥沙的聚集，沙丘内部结构等方面都作了系统而全面的分析，并得出重要的结论，为风沙物理学奠定了的理论基础。此后，各国学者根据实际需要，将土壤风蚀、沙(尘)物质的风力搬运和堆积、风成地貌以及风沙危害防治工程4个研究内容逐渐分开，至今仍在相对独立地发展。1930～1936年美国由于大肆开垦，“黑风暴”(Dust-storm)席卷中部大平原，大片土地发生风蚀和荒漠化，从而导致土壤风蚀研究的大规模展开(W．S．Chepil，1945；1946；1950)。Chepil成为土壤风蚀研究的开创者。1947年前，美国土壤风蚀的基础研究主要集中于风速梯度、土壤表面结构稳定性和风蚀量的关系方面。1947年后，美国开始系统地对土壤水分、土壤结构、有机物质、耕作制度、地表粗糙度和表土密度等风蚀影响因子进行研究，在此基础上推导出包括气候因子和保护带等因素在内的通用风蚀方程，并成为美国预报土壤风蚀的正式方法。与此同时，沃卓夫(N．P．Woodruff，1965)等人利用大量的实测数据，建立了各种经验或半经验的风蚀方程，取得了良好的预测效果。美国的风蚀预测方法已推广到其他地区，如西非各国。同样，在前苏联50年代由于过度垦荒，也导致中亚地区的严重荒漠化和“黑风暴”现象。兹纳门斯基(A．N．Знамнский，1955)和雅可波夫(Т．Ф．Якyб0в，1962)率先在前苏联展开土壤风蚀研究，对土壤风蚀与微地形、土壤理化性质、植被等环境条件的关系，以及防止土壤风蚀的农业综合技术措施等方面做了系统的工作。为了进一步研究和控制土壤风蚀及“黑风暴”，在中亚广大地区建立了尘暴观测网。中国土壤风蚀研究起步很晚，最初对新疆沙漠地区新垦荒地的土壤风蚀问题作过一些野外观测研究(吴正，1962)。自1986年开始，中国科学院兰州沙漠研究所利用室内环境沙风洞对影响土壤风蚀诸自然因素(风况、植被、地表物质组成)和人为因素(开垦和放牧等)进行了初步的模拟实验(董光荣等，1987；贺大良等，1986)。为了进一步开展土壤风蚀和土地沙漠化物理过程的研究，于1988年建立了中国第1座中型野外土壤风蚀风洞。沙(尘)物质风力搬运、堆积和风成地貌研究，自1941年以来有很大发展。1951年日本河村龙马对沙(尘)物质风力搬运的运动力学诸宏观量进行了较全面的风洞实验和野外验证，还用统计分析方法研究了沙粒密度分布、风沙流结构、沙粒跃距及其分布等。随后，卡迪布(A．L．A．Kadib，1965)也研究了风沙运动的机制，认为引起沙粒运动的基本力量是升力，并结合室内风洞实验，提出一种计算输沙率的方法。前苏联伊万诺夫(А．П．Ивaнов，1972)比较全面地研究了沙粒的运动及其转输过程。他通过对沙粒滚动、碰撞和旋转运动的模拟实验，测量了小球的整球与半球的表面压力分布，还模拟了沙粒的跃移轨迹。仙科维奇(Б．Н．Сeнкeвиц，1976)系统地讨论了风力对单个沙粒起动的作用，并从宏观上探讨了风速与沙物质搬运的关系。福特(E．F．Ford，1957)在考虑沙粒的儒可夫斯基升力、斯托克斯阻力和重力的情况下计算了沙粒的跃移轨迹。斯特劳姆(G．H．Strom et a1，1962)等在考虑了重力和阻力，并进行了粒子与地表的相互作用和颗粒间碰撞等因素的修正，最后采用数值计算方法，计算一条玻璃小球的跃移轨迹。1977年开始，中国科学院兰州沙漠研究所环境沙风洞实验室多次在室内风洞中进行不同条件下流沙地表的沙粒运动动态摄影研究(凌裕泉等，1980；贺大良等，1988)，并自行设计了半隐蔽式活动铁筒，在野外天然风沙条件下进行高速频闪摄影和高速电影摄影机摄影(刘贤万等1989)。对不同下垫面(包括流沙、戈壁和特殊下垫面)在原始条件和遭受人为破坏情况下的风蚀风积过程、风沙流总体特征和风沙流结构等方面进行了深入研究并用统计和概率的方法推导了风沙流结构对数关系(邹学勇，1992)。通过高速频闪摄影对不同下垫面情况下原样沙粒的跃移轨迹、沿程速度、起跃角与降落角呈线性关系等一系列问题作了论证(邹学勇，1991)。大规模的研究风成地貌，是第二次世界大战后才正式开始的，现已基本摸清了全球范围内风成地貌的类型和空间分布(吴正，1987；朱震达等，1980；C．S．Breed，等，1979；J．A．Maddutt，1977；Б．А．Фeдоpовиц，1956)，但对其物理机制的研究进展甚微。到1880年修建里海东岸铁路时，防治风沙的问题才被提到正式议程。当时的方案是紧靠路基的地方采用芦苇和旧枕木阻挡粒子侵袭和防止路基吹蚀；在沙丘表面用碎石和粘土覆盖、或喷洒石油、海水进行固结；并在沙地上栽种植物。它揭开了现代风沙工程的序幕。随后，中亚地区、澳大利亚、印度、美国和中国等许多国家修建穿越荒漠地带的铁路和公路，都根据具体情况采取了多种防治风沙的工程措施，而且在实践中不断完善。众所周知，栽种植物既阻止了风沙运移，又可抑制地表起沙。但在实际中，非植物(生物)的应急风沙工程则更为常见和重要。风沙物理学作为一门新兴的边缘学科，正在迅速地完善自身的理论体系。以美国为代表的土壤风蚀研究，自1983年以来采用数学和过程模拟的方法(G．W．Cole，1983；1984；1985；L．J．Hagen，1988)把土壤风蚀研究推向一个新高潮。各国学者都致力于多学科、多领域的联合，吸取数学、物理学和土壤学等学科的营养，试图建立风蚀的基本理论和可靠的预测模式。所以研究的区域性在逐渐淡化，加强了数学模拟。美国农业部的风蚀预报系统(WEPS，1986)中的风蚀模型(WEM)就是一种高度简化的风蚀模拟系统，它运用物理学基本原理和动量守恒定律与各种输沙率方程结合，从时间和空间上计算通过地块边界的土壤输移量。由于各地的土壤物理、化学性质和植被状况不尽相同，目前，无论何种风蚀模型，在推广应用方面都还存在一定的困难，必须根据具体情况选定各种参数，修改原有的风蚀模式才能较有效地进行度算，更重要的是将影响土壤风蚀的诸多因子分别摆在何种重要性的位置上，诸如此类的因素是制约土壤风蚀研究的根本原因。沙(尘)物质的风力搬运和重新堆积是土壤风蚀的直接结果。在这个问题上各国学者致力于过程研究，即力学机制的研究。有关风沙流总体特征的研究，自拜格诺以来进展不大。风沙流结构研究取得一定的进展(吴正等，1981)野外观测和室内风洞实验表明：在各种风速和沙量条件下，含沙量随高度分布呈指数规律递减；随风速的增加，下层气流中沙量(%)相对减少，相应地增加了上层气流中搬运的沙量；在同一风速条件下，随着总输沙量增大，而增加了下层气流中搬运的沙量，上层沙量相对减少。在高速摄影技术进入风沙物理学领域的同时，对风沙流主体成份－跃移沙粒的研究也就发生了深刻的变革。通过高速摄影获得跃移沙粒的运动方程、轨迹方程、起跃角与降落角关系方程等(邹学勇等，1991；刘绍中，1985；А．П．Ивaнов，1980)并对跃移沙粒跃移过程中的加速度、加速度分量、速度分量等进行了详细的统计分析(苏维等，1988；贺大良，1988；凌裕泉等，1980)。现在看来根据本学科的特殊要求，要获得沙粒起跃瞬间的力学机制的结论，仍有相当的困难。主要原因是沙粒起跃的时间为10－3～10－4s量级，测量和摄影系统不能满足要求，这是一个殛待解决的问题。风成地貌物理机制研究存在的困难较多。由于其尺度相对较大，在风洞模拟满足不了相似条件，造成结果不可靠。从理论上讲，野外观测效果最好，但又限于时间跨度太长和仪器精度不高、功能不够。在这种情况下，只能用常规方法和在一定的时间内进行观测，并由此推断风成地貌的发育机制(Б．А．Фeдоpовиц，1977；朱震达，1963)。在实际需要的推动下风沙工程理论研究进展较快(刘贤万，1982；邹本功等，1981)。但研究手段单一，主要依靠沙风洞和烟风洞测量纯净气流情况下，研究各种风沙工程设置的气流场变化，据此分析在真实情况下挟沙气流被所设置的防沙工程作用后发生的风蚀、堆积或风沙流变化特点。这种做法的缺陷是用实验来指导实际工作，更重要的是实验条件与实际并不完全相似。中国在风沙工程的实践方面属世界先进水平(沙坡头沙漠科学研究站，1991)，包兰铁路中卫段的铁路防沙工程就是全世界的典范。由于风沙物理学是一门新兴的边缘学科，各个研究领域都具有很大的发展前景。根据科学发展的一般规律，可以预见完善土壤风蚀预报方程将是一个最艰难和最引人注目的问题。对风沙流的研究会更加深入细致，把从单个沙粒的运动和力学机制到风沙流的气固两相流总体特征理论化已势在必行，特别是风沙流动力学模型和本构方程的建立整个风沙物理学具有重大意义，但要达到这个目标必须从单个沙粒研究开始，然后应用统计、随机概率的方法和理论才有可能。风沙工程的实验研究焦点在解决实验相似条件上，其理论研究和风成地貌理论研究一样，应致力于运用风沙气固两相流的基本理论和基础知识，建立风沙工程和风成地貌的数理理论模式。这样，一方面可以解决实际中遇到的问题，另一方面加强风沙物理学的自身理论建设。【参考文献】：1 Bagnold R A. The Physics of Blown Sand and Desert Dunes. Methuen & Co,Ltd. London,19412 Chepil W S,et al. J Soil and Water Conserv, 1962,17(4): 162～1653 兹纳门斯基A M著，沙地风蚀过程的实验研究和沙堆防止问题．杨郁华译．北京：科学出版社，19584 Cole G W，et al．Tran．of the ASAE，1985，28(4)∶1106～11245 董光荣，等．科学通报，1987，4∶297～3016 河村龙马．东北理工研究所报告，1951，5∶3～1127 朱震达．地理集刊，北京：科学出版社，1963．58 Иванов А Л．Физичeскиe Основы ДeфляпииПесков ЛустынИ И-ЗД，ЫЛЫM Ащxабад，19729 凌裕泉，吴正．地理学报，1980，35(2)，174～18110 吴正．风沙地貌学．北京：科学出版社，1987．61(中国科学院兰州沙漠研究所邹学勇博士撰；董光荣审) |
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