起沙风速的观测方式及其影响因素研究综述

伊力哈木·伊马木，李菊艳，玉米提·吾提库尔，刘金苗

(1.新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站，新疆 乌鲁木齐 830002；2.北京林业大学 水土保持学院，北京 100083)

目前，随着国内外对土壤风蚀、土地荒漠化、风沙运动等多种研究课题的持续关注，学者们对起沙风速的研究持续推进。沙粒起动是地表沙粒运移的开端，当风力不断增加达到临界值时，地表沙粒开始运动，此临界风速称为起动风速，凡是超过起动风速的风称为起沙风。起动风速包括流体起动风速和冲击起动风速。流体起动指纯气流对沙粒的直接推动作用使沙粒发生滚动或跃起，此情况是在上风向没有来沙时产生的；冲击起动是指已形成的风沙流不断地对地面产生冲击而使沙粒进入运动状态，此情况是上风向的挟沙气流和运动沙粒共同作用的结果[1]。目前，大多数学者对起沙风速进行野外实测试验是以研究流体起动风速为主[1-2]。通常情况下，起沙风速即沙粒开始移动的最低风速，沙粒受风力的起动机制是研究起沙风速的首要内容[3]。

1 起沙风速的一般观测方式

学者们通常采用不同的方法研究起沙风速，总体上可以分为两种。第一种是采用风速仪直接进行野外起沙风速的测量，测量方法也较为简单，即在测量点旁立测风速杆，记录下肉眼观察到或者传感器监测到沙粒发生移动时刻的风速，通过多次试验减小误差得到起沙风速[1,4-9]。第二种是利用学者们提出的理论模型，通过计算临界摩擦速度、地表粗糙度等进而求得起沙风速，如根据近地面沙尘浓度计算得到起沙风速[10-11]。各模型所适用的边界条件存在差别，利用理论模型进行起沙风速的测定时应以获得研究区的沙粒密度、空气密度、土壤水分、植被覆盖度等多个待测参数为前提[1]。在野外自然状态下，地面状况、大气状态会不断发生改变，因此真实的临界起沙风速是一个变化的值[12]。一部分学者则通过理论模型测算临界起沙风速的阈值[13-14]。

2 起沙风速主要影响因素的影响效应

2.1 起沙风速与沙粒粒径的关系

沙粒粒径是影响起沙风速大小的一个重要因素，部分学者对其开展了研究。陈渭南等[1]通过试验得到塔克拉玛干沙漠的起沙风速为5～6 m/s。李凯崇等[15]测得河岸地区沙质地表、半固定沙地、沙砾戈壁的起沙风速分别达到7、7～10、11～12 m/s，从沙漠到戈壁，沙粒粒径逐渐增大，起沙风速随之增大。王宇等[3]根据土壤沙粒粒径对研究区沙地进行划分，对粒径<0.25 mm沙粒占总量比例逐渐减少的3种土壤类型进行观测，得到它们的起沙风速分别为5.5、6.1、6.4 m/s。在造成此差异的一系列因素中，土壤颗粒粒径组成发挥主导作用，不同粒径沙粒起沙风速及其脱离静止后的运动方式均存在差异。在研究粒径更小的尘粒时，韩桂波等[16]通过试验发现不同于粒径稍大的沙粒，粉尘颗粒的起动风速除与粒径有关外，还受制于水分条件。当含水率较低时，起沙风速随着粒径的增大而增大，但当含水率较高时，一定粒径范围内的沙粒，起沙风速随粒径的增大而减小，粒径为0.25～0.5 mm沙粒的起沙风速为5.1 m/s，粒径为0.5～1 mm沙粒的起沙风速减小到4.85 m/s，产生这种现象的原因与不同粒径沙粒间产生的引力大小不同有一定的关系。一般情况下，沙粒粒径越大，起沙风速越大，但在某些因素的影响下，两者呈负相关关系。沙粒粒径对起沙风速的影响受制于各方面的条件，因此应对试验进行细化，控制其影响因素，以进行更加深入的研究。

2.2 起沙风速与植被的关系

地表植被在防止土壤风蚀、减缓风沙运动方面具有十分显著的作用，部分学者进行了起沙风速与地表植被关系的相关研究。在有关植被覆盖度对起沙风速影响的研究中，贺晶等[17]在草地-流沙地过渡带设置样点，通过监测样点的各因素指标计算得到裸沙地的起沙风速为5.47 m/s，植被覆盖度为24%～34%时起沙风速大大增加，植被覆盖度24%时起沙风速为7.58 m/s，34%时达到7.82 m/s，说明植被覆盖度能有效地降低风速，阻止沙粒移动，促进沙粒沉降，这与董治宝等[8]的研究结果一致。但黄富祥等[7]通过对毛乌素沙地不同植被覆盖度起沙风速的研究发现，当植被覆盖度为30%时，起沙风速为6.1 m/s，在相似植被覆盖度下，其起沙风速与贺晶等人观测结果存在差别，说明在与地表沙粒特征存在关系的同时，植被类型及组合模式也会对起沙风速产生一定的影响。为研究不同植被类型及造林模式的防风治沙效果，王爱军等[9]对10种不同造林模式的起沙风速进行观测研究发现：无造林建设的流动沙丘起沙风速最小，仅为5.2 m/s，这与多数普通沙地的研究结果相近；乔灌草造林模式起沙风速最大，达到24.8 m/s，在该造林模式下，植物高度内的风速受阻减小，沙粒沉降，同时地表低矮植物有效降低了地表沙粒的流动幅度，形成的有机土壤层厚度相对较大，因此起沙风速大大增加。不同的植被覆盖度、植被类型及组合模式对起沙风速的影响具有一定的差异，在对不同地区开展防风治沙时应着重分析区域内各项条件，因地制宜，合理选择治理方案。

2.3 起沙风速与其他因素的关系

在研究起沙风速的其他影响因素方面，张鹏等[6]根据地表结皮率对研究区进行划分，测得结皮率>90%、结皮率<50%、结皮率<15%、结皮率<10%的不同地表的起沙风速分别为9.3、8.9、7.2、6.6 m/s，起沙风速与地表结皮率呈正相关关系，随着地表结皮率的增加，其风蚀的可能性大大降低。地表粗糙程度会对所经流体产生影响，进而影响起沙风速，李宁等[18]对地表粗糙度分别为1.42、1.48、1.58的3种不同地表的起沙风速进行试验，测得其起沙风速分别为5.3、5.7、7.5 m/s，随着地表粗糙度的增加，其起沙风速明显增大。因此，在农垦用地进行留茬处理对于增大起沙风速、防止土壤风蚀具有十分显著的作用[19-20]。为研究不同防风阻沙体系下的防风沙效果，马韫娟等[21]通过试验发现不同防风阻沙体系防风沙效果差异显著，芦苇、草帘子方格防风阻沙体系的起沙风速最大，为8.0～9.0 m/s，高于裸地的起沙风速，但远远小于同条件下生长植被地表的起沙风速。分析其原因可知，虽然芦苇、草帘子方格防风阻沙体系同样具有减小风速、沉降尘土、降低地表沙粒流动幅度的作用，但较难形成有机土壤层等生物作用，使得其增大起沙风速的作用大大减小。与之相似，董治宝等[22-23]发现通过控制砾石覆盖度同样可以起到防风阻沙的效果。

3 讨 论

受下垫面特征、气候特征、植物类型等多种因素的共同影响，起沙风速本身并不是一个确定的值，而是具有一定的变化范围。例如在对塔克拉玛干沙漠起沙风速的研究中，周成龙等[13]通过经验公式计算了该地区起沙风速阈值，综合研究区土壤湿度、空气密度等多项影响因素，求得2 m高度的临界起沙风速为3.9～5.9 m/s(5月份的起沙风速仅为3.9 m/s，这是由于此时处于春季末尾，土壤湿度非常小，地表土壤水分对起沙的阻碍作用减小，起沙风速相应减小，而夏季降水增加，起沙风速随之增大，综合该地区一年平均起沙风速为5.1 m/s)，同陈渭南、杨兴华等人的研究结果一致。短时间内区域中影响起沙风速的各因子变化幅度较小，特性相对稳定，所以起沙风速在一个较长时期的尺度下观测得到的结果会更加准确[14]。

众多学者对起沙风速的研究目的不同，研究区类型多种多样，沙粒粉尘有也一定区别，例如戈壁地区[15,24]、荒漠沙地[9,12-14]、防护林地区[5,9]、道路两侧[21,25]的沙粒及煤炭粉尘[16]的起沙风速均存在差异。采用的观测手段及理论模型也会对研究结果产生一定的影响，为获得更精确的结果需要采用合适而非通用的方法。部分学者为研究某些因素对起沙风速的影响选择设置对比试验组及多组不同条件的试验[9,17,26]，但野外条件复杂，各影响因素指标相互联系、关系密切，其通过综合作用共同影响起沙风速，因此野外试验很难达到理想的对照试验效果；部分学者选择进行风洞试验[5,16,27]，但风洞试验在模拟野外条件时会存在一定的偏差。因此，对起沙风速的研究还需要进一步综合多种研究方法，以得到更精确的研究结果。

4 结 论

(1)起沙风速通常可以通过两种方法获得，即野外直接测量和理论模型计算，两种方法的观测方式不同，但都必须以实地观测为前提。

(2)通常情况下，起沙风速与沙粒粒径呈正相关关系，但含水量变化会使这种现象发生改变；植被覆盖度、植被类型及组合模式均会对起沙风速产生影响；地表结皮率、地表粗糙度、砾石覆盖度等因素均可影响起沙风速。因此，可以综合考虑其相关影响因素和地区特征，设置合理的防风阻沙体系。