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風力作用包括了風蝕作、風的搬運作、風積作用等

1 風力作用 -簡介

 

風力作用風力作用

 風對地表形態的塑造過程。這種作用表現為風對地表物質的風蝕、搬運和堆積過程,分佈範圍很廣,乾旱區、半濕潤區乃至濕潤區均有分佈。乾旱區由於具有乾燥多風、地表植被稀疏甚至完全裸露等自然特徵,因而那裡的風力作用很強,成為荒漠地貌發育的主要外營力,形成了與流水、冰川及重力等其他外營力塑造的地形完全不同的風成景觀(見風蝕地貌、風積地貌)。

2 風力作用 -風蝕作用

指地表物質在風力作用下脫離原地的過程。包括吹蝕作用和磨蝕作用。
吹蝕作用  地表鬆散泥沙或基岩風化碎屑物被風吹揚而離開原地的過程。吹蝕作用的產生取決於近地表的風力狀況(流態、流速)和地表泥沙的物理力學性質。由於空氣的密度小、粘滯性低,近地表風一般呈紊動狀態,其風速的垂直分佈基本遵循對數律,方程如下:

風力作用

其中u為高度y處的風速;k為紊動卡門常數,與溫度有關,通常取0.40;y0是風速為零的高度;U*是摩阻流速。風對地表泥沙的拖曳力(或曰剪應力τ)取決於風的摩阻流速和空氣密度(ρ)。

風力作用

風速增大,摩阻流速亦增大,地表泥沙顆粒所受的拖曳力亦隨之增加,當風速達到某一程度時就會使地表沙粒開始運動。英國R.A.巴格諾爾德根據起動條件下作用在沙粒上的力的平衡,得出沙粒在開始運動時的最小摩阻流速(又稱流體起動條件,U*c)為:

風力作用

式中ρs為沙粒密度;d為粒徑;g為重力加速度;A為經驗係數,對於>0.1毫米的石英沙粒其值為0.1。W.J.切皮爾根據作用在沙粒上力的平衡,並考慮到起動現象的隨機性,直接用剪切力表示其臨界起動值(τc):

風力作用

式中rsr分別為顆粒和空氣比重;d為粒靜。兩式獲得的結果基本相同。

巴格諾爾德在風洞實驗中還發現,當沙粒起動以後,由於躍移顆粒的碰撞,風速稍許低於流體起動條件時床面沙粒仍會保持運動,此時A值為0.08,這個起動條件稱為衝擊起動條件(U*t,又稱起動摩阻流速),並表示為(對於石英沙粒):

風力作用

由上可見,對於>0.1毫米的泥沙顆粒來說,因密度(或比重)和粒徑的不同,起始運動所需的風速(臨界風速)是不一樣的。對於密度相同的泥沙顆粒,臨界起動風速將隨粒徑而變化,遵循平方根律(風力作用)。這個關係已得到反覆證實,而且受顆粒形狀等因素的影響很小。根據中國沙漠地區(新疆莎車等地)的觀測資料,亦獲得十分相似的依存關係(見表)
風力作用風力作用
  但細粒泥沙(<0.1毫米)並不遵循上述規律,當床面僅由細小顆粒組成時,隨著顆粒粒徑的減小,流體起動值反而越來越大(圖1)。這是由於更細的顆粒一方面受到附面層流層的隱蔽作用,同時易從大氣中吸附水分使粒間產生一定粘結力所致。B.弗萊徹通過量綱分析和一系列試驗提出包括粗細顆粒在內的統一起動摩阻流速(U*t)公式:

風力作用

式中v為空氣動粘滯係數;c為粒間粘結力。
由圖1可以看出,地表最易遭受風力吹蝕的鬆散泥沙是粒徑為 0.1毫米左右的粉細沙,太粗太細均不易為風力所驅動。切皮爾發現等效直徑超過 0.5毫米(實際直徑0.84毫米)的顆粒(或塊體),極少會受到吹蝕(也稱之謂不可蝕因子)。錢寧也認為在一般情況下大於粗沙(>1.0毫米)的泥沙顆粒均不易直接為崇力所驅動。風能夠在地表吹離更大顆粒的現象是極為罕見的(在南極曾發現有由粒徑 5~30毫米顆粒組成的沙波)。因此吹蝕作用通常多限於具有粉細沙顆粒的地域。
風力作用風力作用
  磨蝕作用  風通過攜帶的沙粒對地表的衝擊、摩擦過程。潔凈的風(非挾沙氣流)即使是超過臨界起動值的,通常也只能對處於鬆散狀態(無粒間粘結力)的一定粒徑範圍內的顆粒具有吹蝕作用,對於多數地表則是無顯著作用的。但是,風如挾沙形成挾沙氣流,則以其所攜帶的泥沙顆粒為工具,對地表會產生巨大的衝擊力和摩擦力。試驗證明,風所挾帶的以高速躍移的顆粒通過衝擊方式可以推動直徑6倍於它或重量200餘倍於它的顆粒;處於不同膠結程度的土壤結殼或泥沙塊體,也會因受被吹揚顆粒的滾動或滑動摩擦,特別是跳躍顆粒的撞擊而發生崩解和破碎,使地表增加風吹蝕的泥沙數量,加劇風蝕;各種風蝕地貌(特別是正地形)實質上是由挾沙氣流塑造的,如風蝕壁龕(石窩)、風蝕蘑菇、雅丹等。

3 風力作用 -搬運作用

指風所挾帶各種不同粒徑的泥沙顆粒被輸移的過程。
搬運形式  有躍移、懸移和蠕移3種基本形式。
①躍移。沙粒由風力上揚作用而脫離地表后,在氣流中取得動量加速前移(圖2)。由於空氣密度比沙粒密度小得多(約1:2000),沙粒所受阻力較小,所以在落到地面時仍有相當動量,或反彈躍起,或衝擊其他顆粒躍起,使風沙運動很快達到很大強度。以0.10~0.15毫米的沙粒最易以躍移方式運動。據風洞試驗和野外觀測資料,天然沙丘沙呈躍移的沙量在氣流挾帶的全部沙量中所佔比例雖隨風速增大而增加,但變動不大,平均約佔3/4。躍移顆粒的運動軌跡類似一拋物線,降落角較小,一般為10°~16°。起跳角變化較大,約40%的起跳角在30°~50°,28%在60°~80°。躍移長度與高度之比值隨起跳角加大而變小。沙粒在躍移過程中還不斷旋轉,轉速達每秒幾百轉至上千轉。
風力作用風力作用
  ②懸移。一般小於 0.1毫米的泥沙顆粒由於其沉速通常小於吹蝕風的脈動向上分速,一旦被躍移顆粒逐出地面便以懸移方式運動,其運動性質完全取決於上空氣流結構。 T.von卡門曾計算過細粒泥沙自地表外移以後,在空氣中持續的時間(T)和所能達到的距離(L):

風力作用

風力作用

式中μ為空氣粘滯係數;U為平均風速;ε是紊動交換係數,對於較強勁的風可取104~105毫米2/秒。由公式可見,一個數量級的粒徑差異會使懸移顆粒在氣流中的懸持時間增大 4個數量級。因而較細的粉沙和粘土顆粒容易為氣流輸移較大的距離並達到較高的高度。在沙丘沙的風力輸移中,懸移量所佔比例一般不足5%,甚至在1%以下。
③蠕移。較大的顆粒因風壓或躍移顆粒的衝擊作用使之沿地面滾動或滑動。其移動速度很低,平均每秒只有1~2厘米,而躍移顆粒平均速度每秒可達數百厘米。凡在0.5~1.0毫米的粗沙一般均以蠕移方式運動,蠕移量約佔全部輸沙量的1/4左右。
在風力輸移泥沙的各種運動形式中,以躍移為最重要,它是輸移沙量的主體。這與以懸移為主的流水輸沙不同,產生這種差別的根本原因在於流體介質(空氣和水)的密度差異很大(約1:800)。錢寧把上述3種運動形式的泥沙分別稱為躍移質、懸移質和蠕移質,躍移質和蠕移質又統稱為推移質。
搬運高度  挾沙氣流中的泥沙在不同高度上的相對含量(或濃度、輸沙率)隨風力和地表性質等不同而有變化。據中國沙漠地區的觀測資料,躍移質含量在各種風速下隨高度的分佈似遵循對數律,含量隨高度增加而遞減(圖 3)。日本河村等曾從理論上探討躍移質含量沿垂線的分佈,並與實驗結果作了比較,得出圖4所示的分佈規律(其中u0.3為0.3米高處的風速)。躍移質主要集中在地表附近,隨風速增大,躍移高度也逐漸增加。
風力作用風力作用
 
風力作用風力作用
  懸移質含沙量在不同高度上的分佈遵循冪函數規律,即在對數紙上呈一直線(圖5 )。
風力作用風力作用
  切皮爾在土壤風蝕研究中發現,躍移質、蠕移質和懸移質的相對含量變化很大,躍移量在50~70%、蠕移量在5~25%、懸移量在3~40%的範圍內變化。這反映了土壤質地差異的影響。對於荒漠沙丘沙來說,一般情況下懸移量很少,因而其垂直分佈主要取於推移質的分佈。
搬運強度  即輸沙率。輸沙率是單位時間單位寬度內在搬運層中所通過的泥沙量,這個數值直接反映風沙活動的強度。各國學者對此推導了很多計算公式,但大多是因地而異的經驗計算式,具有一定理論基礎而且應用較廣的是巴格諾爾德及河村的推移質輸沙率公式。
  巴格諾爾德以沙粒傳輸中的動量變化為基礎,推導出如下公式:

風力作用

式中d為所研究的泥沙粒徑;D為0.25毫米標準沙的粒徑。c值如下:幾乎均勻的沙,c=1.5;天然沙丘沙,c=1.8;分選很差的沙,c=2.8。若用一定高度上測得的風速u替代U*,則得:

風力作用

  河村對作用在床面上的剪切力有不同考慮,得到下列方程:

風力作用

式中k4為實驗確定的常數,河村取為2.84×10-3
錢寧在綜合比較這兩個公式時指出:在U*<40厘米/秒時,河村公式較可靠;在U*=40~70厘米/秒範圍內,巴格諾爾德公式更可靠。
影響輸沙率的因素很多,它不僅取決於風速和泥沙粒徑等因素,而且受地形以及沙層濕度和空氣穩定度等影響。因此,在風沙工程實踐中仍多採用實測值經統計分析后求得特定條件下的輸沙強度。根據中國沙漠地區的觀測資料,在乾燥裸露的沙質地表輸沙強度基本上與(u-ut)3成正比。當風速顯著高於臨界起動值后,輸沙率會急劇增加。
 

4 風力作用 - 風積作用

由於風力減弱或地面障礙,挾沙氣流中的泥沙發生沉落和堆積的過程。懸移質泥沙從原地以懸浮狀態被風輸移較大的距離,當風速減弱到其脈動向上分速小於顆粒的沉速時,便會在廣大地面上較均勻地沉積下來。貼近地面的推移質因地面各種形式的障礙或因地表性質的差異而發生堆積,推移質從吹蝕到堆積的搬運距離常常是有限的。各種障礙物(包括地形起伏)均會使氣流受阻,形成渦旋。渦旋的出現增大了阻力,使氣流的挾沙能力急劇降低,甚至完全喪失,結果風沙在障礙物附近大量堆積,形成沙堆。地表性質的變化也會導致風沙堆積,如堅硬地面有利於躍移質的彈跳躍起,鬆軟的沙土地面卻易發生堆積。
經風力搬運、堆積的物質,稱為風成沙。它具有與湖成沙、河成沙和海成沙不同的特點:①風成沙的粒度均一、分選最好,最大粒徑一般在1毫米以下,小於0.06毫米的沙粒含量甚少,分選係數多在1.1~1.4之間。②磨圓度較高,據中國各沙漠統計,沙粒磨圓度指數平均為39.99,而非風成沙為29.31。③較大顆粒表面在鏡下顯出不光整,有麻點和碟形凹坑,具溶蝕痕迹和SiO2澱積物。小於 0.1毫米顆粒這些現象不明顯。④風成沙礦物的組成以石英為主,有少量長石和各種重礦物(角內石、綠簾石等,一般有16~22種之多),容易磨損的礦物極少,如易碎的雲母在風成沙中很少見到。
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