邹 维
（新疆水土保持生态环境监测总站）
1 概述
在风沙运动中，风和沙是紧密联系的。通俗的说，有风就会产生沙，就会形成风沙流，引发水土流失。风沙运动规律也就是风沙流的运动规律。新疆地域辽阔，气候干燥，戈壁沙漠广布，水土流失严重，是一个以风蚀为主的省区。了解和掌握风沙运动规律，不仅有助于我们提高水土保持方案的编制质量，根据风沙运动规律制定合理的防治措施，同时对克服工作中的盲目性，提高风蚀监测技术水平，指导规范风蚀监测技术标准也具有积极的帮助和促进作用。
2风的形成与运动特征
2.1 风的形成
由于地球表面热量分布的不均，出现气压差，空气由高压区向低压区流动，就产生了风。大气对流层中贴近地面100m范围内的气层称为近地层(地表风力)，一切风沙运动都与本层大气的性质及活动状况有关，因此也是风力侵蚀研究的重点。风力强度通常用蒲福风力等级来表示，共分为18个等级(0-17级)。
2.2 风的运动特征
2.2.1 风向特征
风向主要是受气压、大气环流和地形控制。风向常用16个方位表示。
在秋季和冬季，新疆大部分地区处在蒙古高压西部和南部，除西部和西南部盛行西北风和西风外，其它地区多东北和偏东风；在春夏和夏季，新疆处在热低压的北侧，风向主要受局地环流支配，北疆地区和西部盛行西北和西风。
另外，在南部的于田、民丰及以西地区，秋冬季盛行西风；民丰、且末以东地区春夏季盛行东北风。这种东北风和西风的分界线秋冬季在尼亚雅河附近，春夏季则在克里雅河附近。
2.2.2 风速特征
在大气环流和地形的综合影响下，使新疆地面风速分布变得极为复杂和极不均匀。其总体分布特点是：北疆大，小；北疆东部、西部和东部大，准噶尔盆地和塔里木盆地内部小，高山大，中低山区小。
年平均风速，北疆准噶尔盆地西部和额尔齐斯河河谷西部在4m/s以上；北疆东部东天山北麓在4m/s以
上；沿天山北麓的农业地区在3m/s以下；伊犁河谷为2-2.5m/s。位于中天山的乌鲁木齐-达坂城谷地是南北疆气流通道，谷地内平均风速4-6m/s；东疆地区风速较大，哈密西部了墩至十三间房的百里风区，年平均风速4.5-5.5m/s。
山区风速的分布比较复杂。中低山区风速较小，多在3 m/s以下；河谷地区风速比附近山坡大1m/s左右；高山和山脊接近自由大气风速，多在3m/s以上。
3 风的流态特征
与其它流体一样，风也存在两种流态特征：既层流和紊流。其流态特征如下：
3.1 层流
层流的空气质点运动轨迹平稳，邻近的空气质点平衡运动，互不干扰，这样的空气流动，叫做层流。但空气的这种流态，仅在地表平坦，风速很低的情况下才能见到。
3.2 紊流
当风速稍大时，层流大气即失去其稳定性而变成紊流。紊流的空气质点运动不规则，并且互相干扰，各气流层层间夹杂了大小不同的涡旋运动。涡流的产生使得各层之间的动能更易交换，上下层之间的流速趋于一致，这对沙粒运动时非常重要的，因此也是风沙运动的主要方式。
在室外大气中如果风速超过1.0m/s(1级风)，则不管他看来是怎样平稳地流过，空气流动必然是紊流。特别是引起沙粒运动的风几乎都是紊流运动。因此，风的动量传递和交换，是由整的空气分子所构成旋涡作横向运动进行的，所以风速受地面摩擦阻力的影响，愈近地表风速愈小。
4 风沙运动机制
自20世纪以来，中外科学家对静止沙粒受力起动机制进行了深入的研究，其中以冲击碰撞说较有代表性。1980年我国学者吴正和凌裕泉在风洞中用高速摄影方法对沙粒运动过程进行了研究。他们认为在风力作用下，当平均风速约等于某一临界值时，个别突出的沙粒在湍流流速和压力脉动作用下，开始振动或前后摆动，但并不离开原来位置。当风速增大超过临界值后，振动也随之加强，迎面阻力(拖曳力)和上升力相应增大，并足以克服重力的作用，气流的旋转力矩促使某些最不稳定的沙粒首先沿沙面滚动或滑动。由于沙粒几何形状和所处空间位置的多样性，以及受力状况的多变性，因此在滚动过程中，一部分沙粒碰到地面凸起沙粒的冲击时，就会获得巨大冲量。受到突然冲击力作用的沙粒，就会在碰撞瞬间由水平运动急剧地转变为垂直运动，骤然向上(有时几乎是垂直的)起跳进入气流运动，沙粒在气流作用下，由静止状态达到跃起状态[2]。
5 风沙运动形式
风经过地表，将颗粒大小和质量不同的沙粒吹离地表，以悬移、跃移和蠕移三种方式进入气流中运动
形成风沙流。风沙流使地表物质从一处转移到另一处的过程，为风砂搬运作用即风力侵蚀。风沙流是气流及其搬运的固体颗粒(沙粒)的混合流。
按照我国水利部现行的《土工试验规程(SL237-1999)》中规定的粒组划分规定，风沙流搬运的物质主要是粒径在2mm以下的沙粒(粗砂、中砂和细砂)、粉粒和粘粒。风沙流中沙粒依风力大小、颗粒粒径、质量不同而以悬移、跃移、蠕移三种形式向前运动，见图1。
图1 风沙运动的三种方式
5.1 悬移
当沙粒起动后以较长时间悬浮于空气中而不降落，并以与风速相同的速度向前运动时称为悬移。悬移运动的沙粒称为悬移质。悬移质粒径一般为＜0.1mm的沙粒，甚至＜0.05mm的粘粒。若风速为5m/s，＜0.1mm的沙粒就能悬移，因为它们在空气中的沉速小于1m/s。
由于悬移质的体积小质量轻，在空气中的自由沉速很小，一旦被风扬起就不易沉落，因而可长距离搬运，甚至可高达几千米，搬运距离可达2000km以外才沉降。如中国黄土不但可从西北地区悬移到江南，甚至可悬浮到日本。但是这部分悬移质在风蚀总量中所占比例很小，一般不足10%，甚至1%以下[1]。
5.2 跃移
沙粒在风力作用下脱离地表进入气流后，从气流中取得动量而加速前进，又在自身的重力作用下以很小的锐角落向地面。由于空气的密度比沙粒的密度要小的多，沙粒在运动过程中受到的阻力较小，降落到沙面时有相当大的动能。因此不但下落的沙粒有可能反弹起来，继续跳跃前进，而且由于它的冲击作用，还能使其降落点周围的一部分沙粒受到撞击而飞溅起来，造成沙粒的连续跳跃式运动。沙粒
的这种运动方式称为跃移，跃移运动的沙土颗粒称为跃移质。跃移质速度较快，一般每秒可达数十到数百厘米。
跃移运动是风沙运动的主要形式，在风沙流中跃移沙量可能达到运动沙量总重量的70-80%。粒径0.1-0.15mm的沙粒最易以跃移方式移动。在沙质地表上跃移质的跳跃高度一般不超过30cm，而且有一半以上的跃移质是在近地表5cm高度内活动。跳跃沙粒下落时的角度一般保持在10-16°，因此它的飞行距离与跃起高度成正比[1]。
5.3 蠕移
地表沙粒当受到跃移沙粒的冲击时，获得能量，并沿地面徐徐向前移动或滚动。沙粒的这种运动方式称蠕移。蠕移运动的沙粒称为蠕移质。在某一单位时间内蠕移质的运动可以是间断的。在低风速时，蠕移速度只有几mm/s，但在风速加大时，滚动速度也可加大。在高风速时，整个地表可有一层沙粒缓慢向前移动。蠕移质的量可以占到总沙量的20%左右。呈蠕移运动的沙粒都是粒径在0.5-2.0mm左右的粗沙。造成这些粗沙运动的力可以是风的迎面压力，也可以是跃移沙粒的冲击力。观测表明以高速运动的沙粒在跃移中通过对地面沙粒的冲击，可以推动6倍于它的直径或200倍于
它的重量的粗沙粒发生蠕移[1]。
在风沙运动中，风沙流中跃移运动是风力侵蚀的根源。这不仅表现在跃移质在运动沙粒中所占的比重最大，更主要的是跃移沙粒的冲击造成了更多悬移质和蠕移质的运动。正是因为有了跃移质的冲击，才使成倍的沙粒进入风沙流中运动。在风砂搬运的物质中，以跃移质为主，一般占总沙量的70-80%；蠕移质次之，一般占20%左右；悬移质最少，一般不足10%，甚至1%以下。因此，风砂搬运物的绝大部分位于地表30cm的高度内，其中又特别集中在距地面10cm以下的风沙流中。
6 临界风速与起沙风速
当地表风力逐渐增大，达到某一临界值后，地表沙粒脱离静止状态开始运动，这时的风速称为临界风速或起动风速，一切大于起动风速的风称为起沙风速。
起沙风速与沙粒粒径、地表性质、沙粒含水率以及植被覆盖率等自然条件有关。一般来讲，沙粒粒径越大，起沙风速越大；在沙粒粒径相同时，由于受表面吸附水膜黏着力影响，潮湿沙面的起沙风速值大于干燥沙面的起沙风速值。国内外专家研究证实，在一般情况下起动风速和沙粒粒径的平方根成正比[1]。根据观测，在离地面2m高处以粒径0.1-0.25mm(按《土工试验规程(SL237-1999)》规定属于粉沙、细沙)为主的干燥裸露沙地表，起砂风速一般为5-6m/s(相当于3-4级风)。
7 风沙运动规律
风沙运动是以风沙流来表示的。风经过松散物质所组成的地表，当风速达到使沙粒脱离地表进入气流中移动的临界速度(即起沙风速)时，就形成风沙流。风沙流的形成依赖于空气与沙质地表两种不同密度物理介质的相互作用，而它的特征对于风蚀风积作用的研究及防沙措施的制定有重要意义。
7.1 含沙量高度的分布规律
7.1.1 含沙量随高度分布规律
根据野外观测，风沙流中气流搬运的沙量绝大部分(90%以上)是在沙面以上30cm的高度内通过的，尤其是集中在0-10cm的高度(约占80%)，见表1[1]。也就是说风沙运动是一种近地面的沙粒搬运现象。当风速为5m/s时，含沙量与高度的关系如图2所示。
表1 风速为9.8m/s(5级风)时不同高度风沙流内搬运的沙量
高度0-110-20-30-40-50-60-
沙量79.12. 4.7 1.50.90.40.7
7.1.2 含沙量随风速分布规律
风沙流中的含沙量不仅随高度变化，也随风速而变化。在离地2m处，当风速显著超过起沙风速后，风沙流中的含沙量急剧增加，见表2。风速愈大，在地表10cm内含沙量的绝对值也愈大，它们成指数函数关系[1]：
e v
=
S74.0
式中，S为绝对含沙量；v为风速；e为常数，其值等于2.718。
表2 风速与含沙量的关系(新疆莎车县)
离地2m处高处风速(m/s) 456711北疆
0-10cm高度内含沙量011213
7.2 风沙流结构特征值
风沙流中沙粒随高度的分布称为风沙流结构。风沙流在近地表10cm内的含沙量分布也是不均匀的。不
同风速下气流中含沙量随高度分布，见图2[1]。
无论风速如何变化，高度与风速呈线性关系，含沙量随高度迅速递减。在同一粒径的沙组成的地表上，无论风速大小，近地表气流中总有一层(图5中为2-3cm处)的含沙量是相对稳定的(约占15%左右)。随着风速的增大，下层气流中的沙量(%)相对减少(绝对值增加)，但相应增加了上层气流中搬运的沙量，其绝对值和相对值都增加。
图2 在近地表10cm内含沙量与高度的关系
风沙流的结构决定着沙粒吹蚀与堆积过程的发展。在不同风速下，0-10cm气流层中沙粒的分布特点为(图3)：
第一层：地面以上0-1cm的第一层含沙量随着气流速度的增加而减少；
第二层：地面之上1-2cm的第二层沙量不管速度如何，沙量保持不变，约等于0-10cm层总沙量的20%；
第三层：地面之上2-3cm的第三层沙量，约有15%平均沙量在这一层中搬运，高度保持不变，并不以速度为转移；
第三层以上：气流较高层(从第三层起)中的沙量随着速度的增加而增加。
图3 风沙流结构特征图
8 结语
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