干旱风沙区风蚀监测与防治技术实践

第一章风沙运动规律
第一节沙粒运动机理
一、风沙起动机理
二、风沙输移机理
三、沙粒起动运移
第二节风沙流结构特征的相关理论
一、拜格诺理论
二、兹纳门斯基理论
三、吴正理论
四、其他学者理论
主要参考文献
第二章风蚀监测技术
第一节风速监测技术
一、风速及其相关特征监测
二、下垫面的粗糙度监测
三、沙粒起动风速的测定
四、沙障设置与固阻沙效应的测定
第二节地表风蚀量监测方法
一、诱捕法监测
二、集沙槽监测
三、测针布设与量测
四、风蚀桥监测法
五、风蚀深度调查
六、降尘缸监测法
七、集沙盘监测法
八、元素示踪法
九、全站仪定位监测技术
十、风蚀圈监测法
十一、土壤紧实度监测法
第三节集沙仪监测方法
一、国外集沙仪发展历史
二、国内集沙仪发展历史
三、集沙仪对集沙效率基本要求
四、存在的主要问题
第四节地表侵蚀量监测与估算方法
一、风力侵蚀的计算方法
二、防风固沙功能价值评估
三、地表抗风蚀性能综合评价
第五节沙粒粒径分析与评价方法
一、中国土粒分级标准
二、林业行业标准土壤机械组成分级
三、沙粒粒径分析方法
四、沙粒粒径与起动风速之间的关系
五、分形维数理论在土壤颗粒分级中的应用
第六节沙地植被调查监测技术
一、生态位理论在干旱风沙区植被修复中的应用
二、生物多样性调查分析
三、植物调查规范
第七节林地生态功能监测与效益评价方法
一、土壤保育价值评价
二、净化大气环境功能
主要参考文献
第三章近地表大气悬浮颗粒物监测方法
第一节大气干湿沉降物观测
一、观测目的
二、观测内容
三、观测与采样方法
第二节空气总悬浮颗粒物（TSP）的测定
一、技术原理
二、仪器与试剂
三、样品采集
四、数据处理
五、注意事项
第三节空气主要污染物自动监测方法
一、空气颗粒物监测仪
二、原位PM25/ PM10自动监测仪
三、便携式空气颗粒物监测仪
第四节空气负（氧）离子浓度自动监测方法
一、监测设备
二、环境适应性要求
三、空气负（氧）离子浓度等级划分
四、监测场选址
五、监测场地建设
主要参考文献
第四章宁夏中部干旱带风蚀现状研究进展与发展趋势
第一节国内外风蚀研究进展
第二节宁夏中部干旱带风蚀现状
一、宁夏风力侵蚀强度分级指标
二、宁夏沙质荒漠化分布
三、宁夏风力侵蚀强度分布
四、宁夏沙漠化土地分布
五、宁夏荒漠化土地分布
第三节防沙治沙主要研究方向与发展动态
一、风蚀研究国内外研究现状与发展动态
二、植物治沙
三、工程治沙
四、沙产业开发
第四节宁夏风蚀防治主要技术问题发展对策与研究方向
一、主要技术问题
二、主要对策
三、宁夏沙漠化防治主要研究方向
主要参考文献
第五章宁夏中部干旱带不同林地风蚀特征研究
第一节干旱风沙区农田防护林网风蚀特征研究
一、研究区自然概况
二、研究方法
三、研究结果与分析
四、主要结论与讨论
第二节宁夏中部干旱带天然沙蒿林地土壤风蚀特征研究
一、研究背景
二、研究区概况
三、研究方法
四、研究结果
第三节宁夏中部干旱带人工灌木林地土壤风蚀特征研究
一、试验区基本概况
二、研究内容与方法
三、结果分析
四、结论与讨论
第四节干旱风沙区农田防护林对风速及小气候的影响研究
一、不同立地类型地表土壤温度动态变化监测
二、不同立地类型地表气温动态变化监测
三、不同立地类型地表光照强度动态变化监测
四、不同带宽防护林网格不同时期林网中间风速特征
第五节宁夏中部干旱带不同地貌风蚀沙粒粒径特征分析研究
一、试验背景
二、试验区概况
三、试验方法
四、试验结果
五、主要结论与讨论
第六节TOPSIS法综合评价宁夏中部干旱带五种立地类型风蚀特征
一、试验地的设置及自然概况
二、评价方法
三、结果与分析
四、结论与讨论
主要参考文献
第六章宁夏中部干旱带典型景观地貌风蚀特征研究
第一节风蚀监测研究动态与拟解决的关键问题
一、目的意义
二、国内外研究现状与发展动态
三、本研究要解决的关键问题
第二节试验区基本概况与主要研究方法
一、试验区概况
二、研究内容与方法
三、主要观测时期确定的依据
第三节不同景观地貌风力特征
一、不同景观地貌风力特征分析
二、不同景观地貌摩阻速度
三、不同景观地貌风的速度脉动特征
四、不同景观地貌地表覆被物数量特征调查分析
第四节不同景观地貌风蚀特征研究
一、集沙量测试分析
二、集沙仪沙粒粒径特征分析
三、不同风蚀地表紧实度测定
四、地表容重及较大颗粒组成分析
第五节宁夏中部干旱带典型景观地貌地表风蚀特征综合评价
一、主要影响因子相关性分析评价
二、TOPSIS法风蚀特征综合评价
第六节问题与建议
一、主要问题
二、相关建议
主要参考文献
第七章贺兰山东麓酿酒葡萄基地建设对产地环境的影响研究评价
第一节葡萄基地建设对产地环境的影响研究
一、关于贺兰山酿酒葡萄产业
二、基地建设对小气候的影响研究
三、葡萄基地建设对空气质量的影响
四、葡萄基地建设对土壤环境的影响
第二节贺兰山东麓葡萄基地建设对地表风蚀的影响研究
一、研究目标
二、葡萄基地建设对主产区风蚀环境的影响评价研究
三、结论与讨论
主要参考文献
第八章国家退耕还林工程在干旱风沙区实施效果监测评价
第一节国家退耕还林工程生态效益监测进展
一、退耕还林工程建设意义
二、开展退耕还林工程生态效益监测意义
三、退耕还林工程生态监测研究进展
第二节宁夏退耕还林工程生态效益监测进展
一、主要工作回顾
二、阶段性成果
三、主要经验和做法
四、存在的主要问题与对策
五、下一步工作重点
主要参考文献
第九章宁夏中部干旱带风蚀防治技术应用
第一节免耕对旱作农田风蚀防治效果研究
一、试验区基本概况与试验方法
二、试验结果与分析
三、结论与讨论
第二节免耕与传统耕作对旱作玉米产量的影响及其效益分析
一、试验材料及方法
二、试验结果与分析
三、主要试验结论
第三节风蚀对宁夏中部干旱带砂田老化的影响及其防治
一、研究的意义
二、宁夏压沙地及其风蚀研究现状
三、砂田老化防治与更新主要技术措施
主要参考文献
第十章宁夏中部干旱带退化沙地植被恢复主要技术
第一节生态移民迁出区退化沙地植被恢复技术
一、技术原理
二、适宜树种
三、适宜草种
四、主要治理措施
第二节干旱风沙区退化沙地抗旱造林主要修复技术
一、干旱风沙区沙地适生大苗深栽抗旱造林技术
二、雨季抢墒直播适宜密度抗旱造林技术
三、“增彩延绿”型多功能多树种园林绿化造林技术
四、退化沙地生态修复与林地综合功能提升技术
主要参考文献

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　　第一章风沙运动规律
　　第一节沙粒运动机理
　　风是塑造地貌形态的基本营力之一，也是沙粒运动的动力基础。对于确定某一种风的可能搬运沙粒数量来说，风速是最重要的，它是风沙流研究中的重要参数之一。但是，几乎所有搬运沙粒的风，无论是在风洞还是野外，全是湍流（紊动）的。大气作湍流运动时，各点的流速大小和方向将是随时间脉动的，表现出一定的阵性。因此，在讨论近地层大气的风速时，是用一定时间间隔的平均风速代替瞬时风速。用平均风速来研究风沙问题是一种常见而又方便的处理方法，易于把握风速的总体变化趋势。对这一方面的研究已取得了大量的成果，如地形对气流速度的影响；输沙量与风速之间的关系和沙粒粒径与起沙风速之间的关系等。但由于气流的紊动性，在研究风沙问题时，如果不考虑风速的脉动特征，将使部分信息受损，对风沙现象的描述也不够细致和准确，得到的结果往往与实际情况有一定的偏差。Butterfield等用热线风速仪和能够连续记录的积沙仪研究了恒定和非恒定两种紊流条件下输沙率与风速脉动（at time-scales of seconds）之间的关系，发现输沙率与近地表的风速波动具有很好的相关性。如果将这些观测数据平均后，这种波动性将会消失。
　　一、风沙起动机理
　　起沙初期，地表侵蚀能力一般较大，气流中沙物质不断得到补充，由于风力侵蚀，地表沙粒定向运动而产生了动能，导致颗粒间总体按照风力运动的方向不停碰撞并产生运动的沙粒，带动更多的沙粒产生定向运动，当此类风蚀现象产生并稳定一段时间后，风沙流结构形成了相对饱和且稳定的结构，输沙能力减少，产生侵蚀与积沙并存的风蚀状态。
　　沙面受到阻力而迫使风向短期内抬升时，迎风面则形成聚风效应，气流密度增大，沙粒间不断碰撞，输沙能力显著增强，风沙流瞬间为不饱和，表现为地表侵蚀。相反，当夹沙气流流经背风面时，气流迅速下沉，密度降低，输沙能力减少，表现为沙粒沉降，即积沙现象。生产中开展的固、输、阻、拉等人为定向的治沙措施，使沙粒的运动按照人类预期的方式进行，实现防治与利用并举，则是这一原理的具体应用。在野外风蚀观测中利用陷进诱捕法开展地表风蚀监测，也是充分利用了该原理。
　　Rasmussen等研究发现，持续240s的紊流可使摩阻速度变化幅度达10％。紊流脉动将引发沙粒振动，使其易于起动。Nickling等发现沙尘的传输速度与紊流尺度关系甚密。据已有研究结果表明，风速脉动幅度可达25m/s，风速脉动越显著，采用平均风速分析风沙问题所隐含的误差将越大。特别是基于平均风速的输沙方程计算结果与实际情况吻合欠佳，具体应用时需要进行校正，为风沙工程设计带来了不少困难。据已有的研究表明，风速脉动与输沙率波动之间有很好的相关性。
　　在不考虑细颗粒的粒间黏结力时，研究在理想情况下某一区域内的泥沙在风力吹扬下是否会发生起动，需要看在上风方向是否有跃移物质进入本区，即起动条件可以划分为流体起动条件和冲击起动条件。
　　在流体起动条件下，颗粒在不同流体中的受力机制没有本质上的区别，只有程度上的差异。在冲击起动条件下，却由于风中跃移颗粒的冲击作用而大幅度降低。在黄河下游及河口地区，许多用于固堤的疏松土带来的风沙污染往往与施工车辆和当地农民大车羊群的扰动有关。同时，在干旱风沙区，翻耕农田、干旱或过度放牧引起的退化草场也是风沙起动主要的物质源。
　　二、风沙输移机理
　　大量的实测资料表明：近地面的跃移运动是风沙输移的主要方式。据凌裕泉及吴正利用高速摄影的观察结果，风沙颗粒在跃移过程中冲击力可超过重力的几百倍至几千倍，拖曳力可大于或等于重力，而上举力仅为沙粒重量的几十分之一至几百分之一。这与颗粒在水流中的输移是不同的。在水流中，颗粒在推移阶段主要受拖曳力和上举力的作用，待流速进一步加强，颗粒就进入悬移阶段，接受流体的紊动扩散的作用了。沙粒在运动过程中不断地与其他沙粒发生碰撞，由于碰撞时动量的交换瞬时完成，其冲力远大于重力、气流曳力和沙粒间的摩擦力，因此在这一瞬间仅考虑碰撞引起的速度的变化。在两次碰撞之间，每个沙粒在曳力和重力的作用下运动。与风沙输移颗粒的受力机制相对应的是，跃移阻力也成为风沙运动的主要阻力来源（图1-1）。
　　图1-1风沙起动颗粒的受力分析(陈东,et al1999)
　　根据沙粒在上述不同过程的受力特点，其运动分解为受冲力支配的瞬时碰撞过程和受曳力和重力控制的非瞬时飘移过程，从而建立了对沙粒—沙粒以及沙粒—气流两种作用分别处理的离散颗粒动力学模型。
　　巴格诺尔德在风洞实验中发现，当沙粒起动以后，由于跃移颗粒的碰撞，风速稍许低于流体起动条件时床面沙粒仍会保持运动，对于>01mm的泥沙颗粒来说，因密度（或比重）和粒径的不同，起始运动所需的风速（临界风速）是不一样的。对于密度相同的泥沙颗粒，临界起动风速将随粒径而变化，遵循平方根律(U*t∝d)。这个关系已得到反复证实，而且受颗粒形状等因素的影响很小，但细粒泥沙（<01mm）并不遵循上述规律。当下垫面仅由细小颗粒组成时，随着颗粒粒径的减小，流体起动值反而越来越大，这是由于更细的颗粒一方面受到附面层流层的隐蔽作用，同时易从大气中吸附水分使粒间产生一定黏结力所致，地表最易遭受风力吹蚀的松散泥沙是粒径为01mm左右的粉细沙，太粗太细均不易为风力所驱动。
　　三、沙粒起动运移
　　风沙流的形成依赖于空气与沙质地表两种不同密度的物理介质的相互作用。风吹经疏松的沙质地表（实际上缺乏物理黏粒）时，由于风力作用使沙粒脱离地表进入气流中而被搬运，导致沙地风蚀的发展，产生风沙运动，出现风沙流。因此，为了防治风蚀和风沙运动沉积流沙，造成风沙危害，弄清沙粒脱离地表（起动）的过程和物理机制相当重要。
　　当地表风速大于起动风速时，沙粒进入气流形成风沙流。必须指出，由于大气紊动性，即使在很短的时间间隔内，沙子运动的方向、速度也是不断变化的。然而偏离却不大，即在较短时间间隔内，风沙流具有一定的主方向和平均速度。在风力的作用下，沙子沿地表输移，单个沙粒运动有着不同的形式。最大的沙粒沿地表蠕动或滚动。中粒径沙或部分细沙脱离地表，在气流中以抛物线形式运动，称为跃移。悬移沙粒与地面碰撞重新弹起完成运动轨道，或者撞击消耗自己大部分能量，迫使其他沙粒蠕移、跃移或悬移。粉细沙及尘脱离地表在气流中运动；不与地面接触，直到气流发生变化使其降落于地表，这种运动方式称为悬移。
　　跃移沙子受重力作用而下落，虽然不断与其他沙粒发生碰撞，之后又被弹起，但是仍然有不少沙粒在能量消耗殆尽时，落到床面成为蠕移沙粒。与此同时，床面的部分蠕移沙粒受到较大的冲击而迅速跃起，成为跃移沙粒。两者相互矛盾，构成了风沙运动内部的基本过程。当跃起量大于下落量时，更多的沙粒被风带走，床面逐渐被吹蚀；当下落量大于跃起量时，沙粒逐渐堆积到床面；当两者总量达到平衡时，形成稳定的床面形态。
　　冯·卡曼曾经估算过较细的沙土颗粒自地表面外移以后，在空气中持续的t及所能够达到的距离L。
　　t=40εμ2ρ2sg2d4式(1-1)
　　L=40εμ2uρ2sg2d4式(1-2)
　　式中，ρs为颗粒密度；g为重力加速度；μ为空气的动力学黏度；d为粒径；u为平均风速；ε为浦流交换系数。假定比较强劲的风其ε值在104～105cm2/s之间，就得到表1-1的结果。
　　表1-1沙土颗粒在风力吹扬下（平均风速15m/s）所能达到的距离及高度
　　粒径（mm）沉积速度
　　（cm/s)在空中悬浮的
　　持续时间运行距离悬浮高度
　　00010008 3095～95a45×105～15×106km775～775km
　　0010824083～83h45～450km78～775m
　　0182403～3s45～45m078～775m
　　注：玛林娜，1941；引自吴正，1987
　　引起土壤颗粒在风流中开始移动的风速称为起动风速(或称临界风速)。起动风速有两种：一是流体起动风速(或称静态阈值)，它是完全凭借风力的直接作用使土壤颗粒开始运动的最小风速;二是冲击起动风速(或称动态阈值)，它是当有来自上风向跃移颗粒撞击的辅助作用时，地表土壤颗粒开始运动的最小风速。起动风速的大小取决于地表及土壤的实际状况。一般情况下，冲击起动风速大约是流体起动风速的80%。运动的土壤颗粒是从气流中获取动量，因此，颗粒是在一定的风力条件下才开始移动。起动风速与颗粒粒径、地表性质和土壤含水率等多种因素有关。根据拜格诺的研究，任何高度z处的起动风速vt与粒径d具有如下关系(麻硕士,et al2010）：
　　Vt=575Aσ-ρρgd·tanzZ0
　　式中，A是风力作用系数，对粒径大于01mm的颗粒取01；σ及ρ分别为颗粒与空气的密度；g为重力加速度；Z0为地表空气动力学粗糙度，是风速等于零的高度。
　　研究表明，对于粒径大于01mm的石英颗粒来说，起动风速是与粒径的平方根呈正比的。
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本书是以宁夏干旱风沙区生态农业及退化沙地植被构建、恢复与利用研究为主线，以干旱风沙区生态环境治理与退化植被构建及利用、沙区优势灌木资源开发与利用、沙区代表性中药材甘草人工高效栽培与田间管理优化研究、宁夏中部干旱带典型景观地貌风蚀特征与防治关键技术研究、沙区灌区与旱作高效节水潜力拓展、干旱风沙区绿洲农田防护林体系建设与优化技术等理论的研究、实践与示范的基础上集成总结的综合性技术专著。全书共分生态治理篇、产业开发篇、综合技术理论与实践优化篇等3大部分7章内容。系统的阐述了宁夏中部干旱带生态治理、植被构建与节水型高效生态农业理论与实践关键技术。本书是作者与同事、同行们多年深耕与干旱风沙区生态环境治理与生态农业技术领域的集中展示，是个人多年来工作的总结，也是多个团队集体劳动的结晶。