可移動式風蝕風洞及其輔助系統設計原理與應用（簡體書）

《可移動式風蝕風洞及其輔助系統設計原理與應用》是以南開大學NK-1可移動式風蝕風洞及其輔助系統設計為核心，詳細研究了風蝕風洞及其輔助系統的設計?集沙儀?排沙器和原狀取土器。內容包括國內外可移動式風蝕風洞概述；可移動式風蝕風洞設計的理論基礎；可移動式風蝕風洞氣動結構設計；大氣邊界層實驗模擬方法；可移動式風蝕風洞輔助系統及測量；土壤風蝕物采集器———集沙儀；排沙器和原狀取土器。

《可移動式風蝕風洞及其輔助系統設計原理與應用》可供環境科學?生態學?地理學?機械?水土保持等領域科研?工程技術人員及有關風洞研發單位開展相關工作時參考，也可供高等院校相關專業師生參考。

第1章 國內外可移動式風蝕風洞概述
風蝕風洞是伴隨著土壤風蝕問題的研究而產生和發展起來的.土壤風蝕所產生的顆粒物會造成源地?途徑地和匯地大氣顆粒物污染加劇.并引發一系列環境與健康問題.探求風蝕機制及其控制途徑.成為世界各國土壤保持和大氣顆粒物污染防治領域的科學家和研究者共同努力的方向.環境風洞及可移動式風蝕風洞的開發與應用.極大地加速了土壤風蝕問題研究的進程.而可移動式風蝕風洞(movablewinderosiontunnel)的出現及其應用.在土壤風蝕影響因子?風蝕預報模型?抗風蝕機制?風蝕控制技術?風蝕控制管理措施?土壤風蝕危害等系統研究中發揮了極其重要的作用.已成為土壤風蝕成因以及管理與控制領域不可或缺的研究工具.本章簡要介紹可移動式風蝕風洞的產生?作用與特點.分類介紹國內外可移動式風蝕風洞的發展與各自的特點和應用狀況.歸納總結了可移動式風蝕風洞設計的基本準則和一般要求.
1..1 可移動式風蝕風洞的產生?作用與特點
1..1..1 土壤風蝕研究與風蝕風洞
1..1..1..1 土壤風蝕的定義
科學的風蝕(winderosion)概念以侵蝕(erosion)概念為基礎.erosion一詞源于拉丁語erodere.原意為吃掉?挖掉.1894年.Penck將erosion引入地質學中.首次用以描述水流作用下地表固體物質的流失和溝壑?漕谷的形成.與erosion意義相近的.用于描述侵蝕現象的詞還有ablation (源于拉丁語ablatio.意為帶走)?corrosion (源于拉丁語.意為啃成碎片)?abrasion (源于拉丁語abradere.意為刮掉 )和deflation等.史培軍等(1999)認為土壤侵蝕過程涉及侵蝕動力與下墊面相互作用過程.侵蝕是在各種外在物質 (即外在地貌因子 )作用下.土壤層或其下基巖 (即土壤圈和巖石圈 )的破損.依據侵蝕發生的水動力?風動力?溫差?重力等作用力的不同.土壤侵蝕過程可劃分為水蝕過程?風蝕過程?凍融侵蝕過程?重力侵蝕過程.
朱顯謨(1956)提出.風蝕是風力作用對土壤圈或巖石圈進行損害和破壞.風蝕過程就是風力作用引起地表物質脫離地表并被搬運和再堆積的過程.董治寶和李振山(1995)指出.風蝕是侵蝕與塑造地球景觀的基本地貌過程之一.也是發生于干旱?半干旱以及部分半濕潤地區土地沙漠化的關鍵環節.因此在自然狀態下.風蝕與水力侵蝕?重力侵蝕和凍融侵蝕等各類土壤侵蝕一樣.只是自然力作用下的某種現象.Chepil和Milne (1939)研究認為.對于疏松干燥的細顆粒土壤?缺乏植被覆蓋的裸露地表?開闊平坦的原野等區域.容易發生風蝕.戚隆溪和王伯懿(1996)指出.風蝕是指松散的地表土壤顆粒被風吹起和輸運的吹蝕過程.以及地表物質受到風吹起顆粒撞擊而破碎的磨蝕過程.吹蝕過程主要涉及流體動力學過程.或者更嚴格地講是氣固兩相流動過程.風蝕主要發生在干旱與半干旱氣候區.一般年降雨量在250 ~300mm范圍內的地區易受風蝕影響.土壤侵蝕分類分級標準(SL190—2007)對風蝕的定義為 :風蝕即風力侵蝕.指在氣流的沖擊作用下.土粒?沙粒或巖石碎屑脫離地表.被搬運和堆積的過程.
土壤風蝕是土壤侵蝕的一種類型..風沙物理學 .(丁國棟.2010)對土壤風蝕的描述是 :土壤風蝕是指土壤或土壤母質在一定風力的作用下.土壤結構遭受破壞以及土壤顆粒發生位移的過程.Shao (2000)?董志寶等(1995)等認為.土壤風蝕可以理解為 :土壤顆粒受風力作用產生位移.這種位移包括土壤顆粒的夾帶起塵?空間運移?重力沉降與沉積或地表土壤顆粒的蠕移?運移?沉積和再堆積過程.
上述這些過程表現為地表顆粒的磨蝕過程.實質上是表層土壤中細顆粒物和營養物質的吹蝕?搬運與沉積的過程.所產生的直接性生態后果表現為 :造成表土層大量富含營養元素的細微顆粒的損失.致使農田表土層粗化?土壤肥力下降和土地生產力衰退.是導致土地荒漠化的重要原因.土壤風蝕過程易產生大量的氣溶膠顆粒.這些顆粒懸浮于大氣中.會造成所在地區乃至周邊地區嚴重的環境污染.是沙塵?揚沙等天氣現象的重要來源.
1..1..1..2 土壤風蝕問題的研究與發展
自然界風力侵蝕的表現形式多種多樣.如各種鬼斧神工般的風蝕地貌以及黃土高原的形成等.構成了自然環境的一部分.人類既無可能?也無必要對這些正常的自然過程強加改變.胡云鋒等(2003)將這種自然狀態下的風力侵蝕稱為 “容許侵蝕”.由于人類的高強度?不合理活動.風力侵蝕發生?發展的強度及影響范圍逐漸增強?增大.乃至引發環境災害.危及人類正常的生產?生活環境甚至于生命安全.例如.20世紀30年代中葉至40年代.美國中西部大平原?加拿大西部大草原以及蘇聯中亞地區災難性的 “黑風暴 ”事件.據估計.這一時期美國大平原每年被侵蝕的土質重量與進入大氣中的塵埃重量分別為2..44億t和0..77億t.每年來自撒哈拉地區的礦物質塵埃達2..60億t.每年風從大地表面上搬運的粒徑小于20μm的細沙量超過5億t.探求風蝕機制及其控制途徑成為世界各國土壤保持與顆粒物污染防治領域的科學家共同努力的方向.
正是這一時期嚴重的沙塵暴引起了科學界對土壤風蝕危害的空前重視.極大地刺激了風蝕問題研究的縱深發展.Bagnold (1941)深入利比亞沙漠進行觀測.積累了豐富的現場資料.同時利用室內風沙環境風洞進行相關研究.獲得了廣泛的實驗資料.以這些資料為基礎.創立了風沙物理學.建立了 .風沙和荒漠沙丘物理學 .的理論體系.他將風-沙定性關系問題簡化為可以定量測量的空氣動力學問題來研究.通過風沙環境風洞(windtunnelofblownsandenvironment)實驗和野外觀測來確定引起沙粒移動的力學機制.全面研究了穩定地表和被侵蝕表面上空的風速剖面?沙粒移動的起動風速?沙粒的躍移與蠕移等土壤風蝕問題.為近代風蝕體系的認識與研究奠定了堅實的科學基礎.遵循Bagnold的理論體系.Chepil (1945)及其合作者對耕地的風蝕問題進行了長達25年的系統研究.涉及風蝕的影響因子以及沙粒的蠕移?輸運和沉積機制.發表了具有重要學術價值的研究論文.討論了吹蝕機制問題.分析了風蝕因子.確定了土壤可蝕性指標和氣候指標.研制了風蝕儀器設備.初步建立了風蝕研究的理論-實踐體系.被譽為現代土壤風蝕科學的開拓者.風蝕研究由此實現了由定性研究向定量研究的飛躍.可移動式風蝕風洞的雛形便在此階段產生.自1947年可移動式風蝕風洞經美國農業部土壤風蝕實驗室進一步的開發?改進與發展.在土壤風蝕影響因子的系統研究中發揮了極其重要的作用.20世紀60年代.Woodruff和Siddoway (1965)建立的世界上第一個通用風蝕方程(WEQ).便是基于該可移動式風蝕風洞的野外實驗數據得到的.這里提到的風沙環境風洞是風沙研究的專用設備.用來模擬研究風對自然界地表結構的影響.以及風和沙粒在吹蝕?搬運?堆積過程中的相互作用與相互關系.可移動式風蝕風洞特指一類尺寸小?重量輕?可拆卸?容易移至野外并在真實地表條件下現場進行實驗的研究工具.國外學者Raupach (1990)?Nickling和Gillies (1993)?Leys和Raupach (1991)?Pietersma等(1996)在其論文中多稱之為便攜式風洞(portablewindtunnel).國內研究者朱朝云等(1992)?吳正(2003)的相關文獻中稱為野外風蝕風洞(fieldwindtunnel).榮姣鳳(2004)?范貴生(2005)發表的論文中稱為可移動式風蝕風洞.
當然.由于自然條件的錯綜復雜.地表風蝕研究經歷過幾次大的發展浪潮.而每一次大的發展都更加強化和注重了風蝕風洞實驗研究的實際應用.
(1)國外土壤風蝕研究進展
國外土壤風蝕研究可分為4個階段 :定性描述階段?定量研究階段?風蝕方程的建立與完善階段及風蝕預報系統的建立與完善階段.
1)定性描述階段.20世紀30年代前.科學家總結了對土壤風蝕認識的有關結論.包括風與土壤的相互作用?風蝕物質的損失與搬運等.認為通過深入了解土壤理化性質可以找出減輕土壤風蝕的辦法.如增加土壤濕度和有機質含量?改良土壤結構?增加作物殘留物?構建防風帶等措施保護地表.
2)定量研究階段.20世紀30年代中期.Bagnold的代表作 .風沙和荒漠沙丘物理學 .標志著土壤風蝕邁入了定量研究階段.是近代風蝕體系認識與研究的奠基石.
3)風蝕方程的建立與完善階段.20世紀30年代末至50年代.“黑風暴 ”事件成為這一時期的標志.這一時期.美國的Chepil被譽為現代土壤風蝕科學的開拓者.風蝕動力學機制?風沙流磨蝕作用?風蝕流失量及其影響因素?土壤風蝕因子?風蝕強度等級以及土壤理化性質與土壤抗蝕性間關系等研究獲得突破.風蝕研究理論體系的建立成為風蝕定量研究飛躍發展過程的標志.50年代中期.蘇聯雅庫波夫等通過野外觀測和風洞模擬實驗.探討了微地形?土壤?植被等環境條件與土壤風蝕間的關系.在防風蝕的綜合農業措施方面做出了卓越貢獻.自此.涉及物理措施?生物措施?管理措施等農田防風蝕措施的研究得到重視與發展.土壤風蝕的研究由理論研究向應用研究轉變.
4)風蝕預報系統的建立與完善階段.20世紀60年代.計算機的應用使土壤風蝕研究出現新的轉機.并得以在理論研究領域長足發展.Woodruff和Siddoway (1965)首次建立了田間年風蝕量的估算模型 ———WEQ.使之成為這一時期的標志.80年代.計算機技術的迅速發展和深入滲透.美國農業部專家組綜合風蝕科學?數據庫?計算機技術等聯合推進土壤風蝕預報的研究.提出了修正風蝕方程(RWEQ).90年代繼續推出了風蝕預報系統(WEPS).最終取代WEQ.土壤風蝕程度與環境因素密切相關.WEPS具有模擬田間條件和土壤蝕積時空變異的能力.除模擬基本的風蝕過程.還能模擬土壤風蝕隨環境條件影響變化的過程.該系統可以分別輸出躍移?蠕移和懸浮土壤流失量方面的量化數據.這在土壤風蝕起塵對城市環境空氣質量的影響研究中至關重要.WEPS是迄今為止影響因素最完整?手段最先進的風蝕預報模型.是大力推進風蝕定量評價研究?風蝕防治實踐?環境規劃與管理等工作的重要技術工具.
(2)國內土壤風蝕研究概況
我國學者很早就注意到土壤風蝕問題及其引起的沙塵暴災害.但風蝕研究工作進展緩慢.20世紀50年代以前.隨著西方近代土壤侵蝕研究的不斷發展和相關科學知識的傳播.國內學者開始關注并認識土壤風蝕問題.國內土壤風蝕的研究過程大致可以歸納為四個階段.
1)萌芽階段.1950年以前.國內研究者基于風沙物理學研究和沙漠研究.開始較詳細地對我國干旱?半干旱地區的農田風蝕問題進行調查.區域涉及東北?內蒙古?新疆?陜北及黃河下游洪泛平原半濕潤地區.這一階段以定性和描述性研究為主.陳渭南等(1994)認為中國土壤風蝕科學研究在這一時期處于萌芽階段.
2)定性研究階段.20世紀50 ~60年代.我國學者錢寧和林秉南?楊郁華?梁式弘等先后翻譯出版了拜格諾的 .風沙和荒漠沙丘物理學.?蘇聯茲納門斯基的 .沙地風蝕過程的實驗研究和沙堆防止問題.?雅庫波夫的 .土壤風蝕及其防止 .等專著.并翻譯了大量學術論文.這些專著和論文成為防沙治沙工程的重要理論指導.在此基礎上.在風蝕活動的自然條件?風蝕地形發育以及風沙運動規律?防沙措施機制等方面開展了系統性研究.建立了一批實驗站.重點結合大型工程建設任務開展了農田風蝕沙害?交通干道風蝕沙害的防沙治沙技術實驗研究.該階段仍以宏觀調查和定性分析為主.1967年.中國科學院蘭州冰川凍土沙漠研究所建成了我國第一座環境風洞.開啟了我國風沙物理實驗研究的新紀元.風蝕研究由定性研究向半定量?定量研究轉變.
3)定量研究階段.20世紀70 ~90年代.土壤風蝕的風洞實驗研究迅速發展.1988年.中國科學院蘭州沙漠研究所建成第二座沙風洞 ———土壤風蝕風洞.安置于中國科學院寒區旱區環境與工程研究所沙坡頭沙漠實驗研究站.方便野外研究.這一時期.風蝕的專項研究工作相繼興起和發展.研究方法包括