石源浩

摘 要：在社會(huì)發(fā)展的過程中，環(huán)境保護(hù)工作受到了人們的重視。在過去，很多經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的開展使得自然環(huán)境受到了破壞，土地沙漠化就是突出的問題，這導(dǎo)致了自然災(zāi)害頻發(fā)，很多動(dòng)植物失去了生存的空間。近年來，土地沙漠化的問題已經(jīng)威脅到了人類的生存。在土地沙漠化問題防治的過程中，人們需要了解沙漠化形成的機(jī)理、發(fā)生過程，明確各個(gè)階段風(fēng)與地表之間、風(fēng)與沙塵之間的相互作用關(guān)系，這可以為沙漠化防治工作的開展提供理論依據(jù)。而風(fēng)沙物理學(xué)在這個(gè)過程中可以發(fā)揮重要的作用，可以通過理論模擬與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的方式來使人們更好地了解沙漠化的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)沙物理學(xué);土地沙漠化;環(huán)境保護(hù);問題防治;應(yīng)用效果

1.風(fēng)沙物理學(xué)的產(chǎn)生與研究

目前，土地沙漠化已經(jīng)成為了人類在社會(huì)生活當(dāng)中要面臨的重要環(huán)境問題，它不僅成為了經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的阻礙，同時(shí)還對(duì)人類的生存和健康造成了威脅。與世界其他國(guó)家相比，我國(guó)人均土地占有率比較低，耕地面積也比較少。因此，土地沙漠化不僅使很多地區(qū)的人們失去了他們的耕地，同時(shí)還使得他們面臨著惡劣的生存環(huán)境。我國(guó)政府高度重視對(duì)土地沙漠化問題的防治，很多研究人員也對(duì)土地沙漠化形成的機(jī)理、發(fā)展的特點(diǎn)等問題開展了大量的現(xiàn)場(chǎng)勘查和理論研究。在這個(gè)過程當(dāng)中，還形成了對(duì)風(fēng)沙問題進(jìn)行專門研究的學(xué)科——風(fēng)沙物理學(xué)。從世界的范圍來看，目前，風(fēng)沙物理學(xué)的研究時(shí)間已經(jīng)超過了30年，在這個(gè)過程中也已經(jīng)取得了重要的研究成果。

風(fēng)沙主要是由風(fēng)及其所攜帶的沙物質(zhì)所構(gòu)成的，在風(fēng)的作用下，這些沙物質(zhì)會(huì)發(fā)生流動(dòng)，并形成氣固兩相流的局面。具體來說，在這個(gè)過程當(dāng)中，大氣會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生一個(gè)作用力，在這一作用力下，地表的沙粒會(huì)流動(dòng)，并在流動(dòng)的過程中產(chǎn)生對(duì)氣流的反饋，這一反饋會(huì)引起氣流場(chǎng)特征的變化。在風(fēng)沙物理學(xué)在研究的過程中，將現(xiàn)代流體力學(xué)理論作為依據(jù)，可以為土地沙漠化地勢(shì)地貌、發(fā)生特點(diǎn)等問題的研究奠定良好的基礎(chǔ)。近年來，隨著聲光電傳感技術(shù)（激光）、遙感和示蹤等實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段和計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)值模擬方法的飛速發(fā)展，在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究方面取得了一些新的進(jìn)展和認(rèn)識(shí)。

2. 風(fēng)沙物理學(xué)在沙漠化防治工作中的應(yīng)用

2.1在風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)研究方面的應(yīng)用

在土地沙漠化發(fā)生的過程中，風(fēng)是原動(dòng)力，也是使地表沙塵顆粒流動(dòng)的主要力量。從風(fēng)沙物理學(xué)的角度來說，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的過程就是在風(fēng)的作用下、沙粒發(fā)生位置上的遷移與變化的過程。在這個(gè)過程中，研究人員可以對(duì)利用風(fēng)沙物理學(xué)的相關(guān)理論對(duì)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過對(duì)平坦床面的來流風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，起凈風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速廓線服從對(duì)數(shù)分布的特點(diǎn)。在風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的過程中，一定高度的含沙層也滿足這一分布規(guī)律。在這個(gè)基礎(chǔ)上，有研究人員通過對(duì)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究的方式，發(fā)現(xiàn)了風(fēng)場(chǎng)躍移層內(nèi)風(fēng)速的特點(diǎn)，并在風(fēng)速遵循對(duì)數(shù)分布規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了躍移層內(nèi)，沙粒與風(fēng)速之間的關(guān)系受到地表粗糙度的影響，不同粗糙度下的摩擦力不同，風(fēng)速也會(huì)出現(xiàn)不同。

在上述的研究當(dāng)中，研究人員結(jié)論的前提是風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)定來流，但是實(shí)際上很多因素都會(huì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此風(fēng)場(chǎng)無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定來流。為了更好地了解風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，很多學(xué)者對(duì)非穩(wěn)定來流狀況下的風(fēng)沙行為進(jìn)行了研究。有的研究人員通過模型研究的方式分析了在一維非定常風(fēng)場(chǎng)當(dāng)中，同一種頻率和同一種強(qiáng)度條件下，輸沙率與波動(dòng)風(fēng)相應(yīng)之間的關(guān)系。還有的研究人員通過附加隨機(jī)脈動(dòng)值的方式，對(duì)平均風(fēng)速的模型進(jìn)行了分析。他們發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速脈動(dòng)與輸沙率之間的影響并不明顯。在實(shí)際情況當(dāng)中，土地沙漠化發(fā)生的時(shí)候，靠近地面的氣流通常會(huì)表現(xiàn)為湍流，這些湍流經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)隙間性局部速度增加的情況。通過研究發(fā)現(xiàn)，這種情況通常會(huì)對(duì)風(fēng)沙的傳輸產(chǎn)生影響。除此之外，很多土地沙漠化發(fā)生的場(chǎng)所都是在野外的環(huán)境當(dāng)中，在這樣的環(huán)境當(dāng)中風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響因素更加復(fù)雜。研究人員利用風(fēng)沙物理學(xué)，對(duì)大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)規(guī)律等問題進(jìn)行了研究。

2.2在沙塵顆粒的起動(dòng)研究方面的應(yīng)用

在地表風(fēng)的作用下，風(fēng)沙會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致土壤會(huì)風(fēng)蝕甚至引發(fā)沙塵的天氣，久而久之造成土地沙漠化的問題。因此，在研究土地沙漠化問題的時(shí)候，對(duì)沙塵顆粒起動(dòng)機(jī)制和速度的研究也是重要的組成部分。目前，對(duì)該內(nèi)容的研究還并沒有形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)，這是由于沙塵顆粒在發(fā)生起動(dòng)的時(shí)候往往要經(jīng)過復(fù)雜的過程，且在研究結(jié)果容易受到研究手段的影響。有的學(xué)者結(jié)合風(fēng)沙物理學(xué)的沙粒運(yùn)動(dòng)理論，對(duì)沙粒起動(dòng)時(shí)候的壓差進(jìn)行了研究。有的學(xué)者認(rèn)為在沙塵顆粒啟動(dòng)的過程中，主要是受到?jīng)_擊力的作用而產(chǎn)生起跳。有的學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)，躍移顆粒物的沖擊并不是造成沙粒啟動(dòng)的主要原因，還有的學(xué)者認(rèn)為，在沙塵啟動(dòng)的過程中，顆粒物的沖擊速度并不高，它們之間會(huì)在相互摩擦的過程中發(fā)生碰撞，這會(huì)導(dǎo)致顆粒物的動(dòng)量無法集中，從而導(dǎo)致無法對(duì)床面上更多的沙粒起到?jīng)_擊作用。

除了起動(dòng)機(jī)制之外，還有很多學(xué)者將注意力放在了沙塵顆粒的起動(dòng)風(fēng)速上。風(fēng)速不僅是使風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的重要因素，同時(shí)也與土地沙漠化的程度具有重要的影響。有的研究人員通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，沙粒在啟動(dòng)過程中所收到的摩擦阻力與地表形態(tài)、沙粒本身的含水量和質(zhì)量、沙粒所受到的靜電作用力等都有著重要的關(guān)系。也有的研究人員認(rèn)為，目前對(duì)沙塵顆粒的起動(dòng)還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。他認(rèn)為，起動(dòng)風(fēng)速本身就并不是一個(gè)固定的量，在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中會(huì)受到各種因素的影響。

2.3在風(fēng)沙電現(xiàn)象研究方面的應(yīng)用

沙塵暴是造成土地沙漠化的重要因素，沙塵暴不會(huì)形成強(qiáng)電場(chǎng)和電火花，同時(shí)還會(huì)對(duì)周圍的無線電信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾作用。目前，國(guó)內(nèi)外的多名學(xué)者提出沙粒帶電機(jī)制的假說，并對(duì)強(qiáng)風(fēng)沙電場(chǎng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了推測(cè)。我國(guó)學(xué)者率先在風(fēng)洞中對(duì)沙粒帶電的荷質(zhì)比、風(fēng)沙電場(chǎng)強(qiáng)度以及輸沙率和風(fēng)速廓線等展開了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，揭示了沙粒帶電的尺度效應(yīng)，指出風(fēng)沙電場(chǎng)主要是由空中帶電沙粒產(chǎn)生。在此基礎(chǔ)上建立起了風(fēng)-粒-電相互作用的模型。在這個(gè)基礎(chǔ)上，蘭州大學(xué)風(fēng)沙環(huán)境力學(xué)研究小組還開展了對(duì)野外風(fēng)沙電場(chǎng)的三維觀測(cè)，首次指出實(shí)際風(fēng)沙電場(chǎng)不僅在垂向與大氣晴天電場(chǎng)相反，而且還存在沿來流流向的、強(qiáng)度比垂向風(fēng)沙電場(chǎng)更高的水平電場(chǎng)，并指出這主要是由于風(fēng)沙流的流向脈動(dòng)所致。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，土地沙漠化的發(fā)生、發(fā)展過程與近地層的沙塵顆粒物的起動(dòng)、傳輸、沉降，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。這需要從事相關(guān)科研工作的人員結(jié)合風(fēng)沙物理學(xué)的知識(shí)，進(jìn)一步拓展和提升基礎(chǔ)理論研究與實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)，進(jìn)而推動(dòng)中國(guó)在沙漠化防治領(lǐng)域的發(fā)展。

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