风沙物理学课件

绪论一、风沙物理学二、风沙物理学在防治沙漠化中的作用三、风沙物理学研究简史四、风沙物理学与其它课程间的关系五、参考教材与资料

化学治沙教学片（３０分钟）。

观看中央电视台科普节目

《固沙之路》VCD

。通过风沙物理学研究，指导沙漠化防治工作。主要研究方法：风洞实验法、野外调查观测法、理论推演法。课程定性：专业基础课一、风沙物理学内容１.概念：风沙是指运动的空气（风）对干燥疏松的沙土颗粒地表进行侵蚀（风蚀）而产生的气固两相流体；

风沙物理学是以物理学的观点来研究风与沙物质地表相互作用规律的科学。沙漠沙尘暴：在强劲的分力作用下，大量的地表沙尘被风卷入空中，水平能见度低于1000米的沙尘天气现象。基本内容：—近地表风的基本特征及其丰富沙源地区风的特征。—沙物质颗粒及其群体基本特征。—风作用下沙物质起跳机制。—风沙流形成、结构和运移动规律。—风成基面特征、风积地貌形成与发展—风沙问题的主要环节：风蚀（吹蚀和磨蚀）、沙割、沙埋。—沙尘暴及其扬沙浮尘，特别是沙尘暴形成过程、运动规律。风蚀

2006年４月９日晚７时，从乌鲁木齐发往北京的Ｔ７０次列车运行至小草湖至红层之间时，遭遇特大沙尘暴袭击，沙尘暴卷起的沙石将车体运行方向左侧窗户玻璃全部损坏，车上７００余名旅客和乘务人员与沙尘暴几乎搏斗了２４小时，在乘务人员和旅客的全力协同努力下，没有一人受伤，也无旅客财物丢失，在晚点３２个小时后，安全到达兰州站沙割沙埋—穿行于毛乌素沙地的公路沙尘暴对北京的影响：浮尘天气——指在无风或风力较小的情况下，尘土、粉沙均匀地漂浮在空中，使水平能见度小于10公里的天气现象。扬沙：指由于风力较大，将地面沙尘吹起，使空气相当浑浊，水平能见度1-10公里的天气现象。

风沙物理学学科体系框图（董治宝２００２）二、风沙物理学在防治沙漠化中的作用１.治理沙漠历史回顾

有资料记载的治沙已有６００余年，早在１３１６年德国开始海岸沙地治理工作以来经历了三个阶段：海岸沙地造林阶段、植物治沙阶段、以植物治沙为主的综合治理阶段。１）海岸沙地造林阶段１３１６年德国开始海岸沙地治理工作，以后丹麦、匈牙利相继开展此工作。但是这些前期造林工作多因为未先固沙而失败。１７６８年，德国科学家J.D.提丘斯第一个从理论上提出“根本防治沙丘发展唯一方法就是种植针叶树和刺槐，以恢复过去的森林，在海的一边安设同人高的沙障，以防止飞沙，而在内侧直播刺槐种子，并栽植松树和杉木等苗木。”主要成绩：

从理论上上提出采用造林恢复植被治理流沙，并提出固沙和造林的重要性。创造了沙丘造林的特有方式——配置沙障。筛选出海岸沙地适应性强的松树。２）植物治沙阶段（１９世纪～２０世纪初期）三大特点世界治沙中心由中欧沿海国家转移到原苏联；由沿海到荒漠、半荒漠转移。巩固和发扬了第一阶段的研究成果，沙障和沙地植松得到进一步发展。草灌固沙成为草原、半荒漠和荒漠地区主要措施。形成了乔灌草相结合的植物治沙阶段。３）综合治沙阶段英国科学家R.A拜格诺，以空气动力学为基础，利用风洞和野外观测的试验手段，对风沙运动作了大量研究，１９４１年著成《风沙和荒漠沙丘物理学》，为科学合理治沙工作奠定提供了论基础。根据这些理论人们提出利用植物、沙障、集风板、沥青、水力、风力等有效的方法。特点治沙工作扩展到欧、美、非等许多国家。以植物治沙为核心的生物和工程措施包括：植治、水治、风治、沙障、化学治沙相结合综合治理阶段。沙产业开发及其沙区持续发展研究与实施，提高沙区人民治理沙漠的信心和毅力。强力喷播免灌植物种子固沙保土技术功能体没有形成时，基体承担防沙功能；功能体形成过程中，基体为功能体提供养分，促使功能体建成。初期基体防沙效率达到95%以上，后期免灌植物形成群落防沙效率达到99%，两者结合可持续防沙治沙。

免灌植物作为功能体农作物桔杆作为强力喷播材料的基体

干旱地区免灌植被种子在正常年份很难有机会萌发、生长、并进而渡过生命周期中最软弱时期而发育成地带性植被。强力喷播干旱半干旱地区的免灌植物种子在任何年份都能完成这一偶然过程。３２１３１２４５２０６０２４０１００６０４０１０V１.固沙防护带：平整沙丘，铺设１０～１５厘米砾石、黄土或炉渣“输导”２.灌溉造林带：提黄河水灌溉造林“阻沙、固沙”３.草障植物带：半隐蔽式草、粘土方格沙障，栽植旱生灌木“固沙”４.前沿阻沙带：建立高立式沙障“阻沙”５.封沙育草带：封禁、禁牧“固、阻”宁夏中卫“五带一体”防护体系简介Why?旱路、水路之争旱路、水路之争靖远银川包头兰州乌海

磴口中卫地震断裂带

1920年海原8.5级大地震腾格里沙漠乌兰布和沙漠1988年7月获国家级第二个科技进步特等奖（1，南京长江大桥）中国治沙模式：以固为主，固阻结合；生物工程结合“旱路”治沙战胜“水路”治沙途经草方格半隐蔽式取代平铺式沙障铁道部部长吕正操（抗战期指挥铁道游击队）决定铁路通过中卫沙区下沿河煤矿区

一旦发生断层将后患无穷1978年8月1日通车黄河扎草方格目前还是靠人工，不能机械化北京的额济（２０分钟）

２００５年中国共产党员先进性教育题材。沙漠化治理先进典型教育片。

树立为国家荒漠化防治事业认真学习专业知识。三、风沙物理学研究简史

风沙物理学的系统深入研究，可以认为是从把现代空气动力学试验设备风洞引入风沙科学试验后开始的。三个阶段１９世纪末到２０世纪２０年代：萌芽阶段风蚀过程是干燥气候的产物，突出地形和风作用．２０世纪３０年代到６０年代：研究热潮，拜格诺１９３８～１９４１年；土壤风蚀科学的开拓者切皮尔的研究；１９３４年美国西部黑风暴过后研究高潮．２０世纪６０年代中期到现在：完善提高阶段，研究重点转向防止风蚀实践，在实践中完善风蚀理论．中东油、汽资源开发，公路铁路发展涉及许多沙害防治的风沙物理学问题；７０年代初非洲撒哈拉沙漠周围干旱、亚洲部分地区持续干旱引起人们对风沙问题热切关注；１９９４年签约荒漠化防治公约；美国宇航飞船“水手９号”、海盗１，２号探明了火星、金星上亦存在类似与地球上的风沙现象，从而激发了科学家对外星风沙问题的研究。９０年代以后，定量模型化研究、沙尘暴研究成为研究的重点。

１９４１年拜格诺（英国）《风沙和荒漠沙丘物理学》。直到目前仍然被认为是风沙物理学的经典著作和科学依据。RalphAlgerBagnold(1896-1990)１９５８年兹那门斯基（苏联）《沙地风蚀过程的试验研究和沙堆防止研究》。１９７２年伊万诺夫（苏联）《沙漠风蚀的物理学原理》。１９８６年巴兹《沙漠化物理学》。

１９７９年（美国）E.D.Mckee《AstudyofGlobalSea》

世界沙海研究赵兴梁翻译，宁夏人民出版社１９１８年国民政府曾派遣几名勘测者对包头——兰州进行勘探，结果否定了修路一事。１９４６年一个梅工程师自告奋勇带几个人去初探，来到沙坡头后再也不问津此事。１９５２－５３年初探后，当时铁道部部长吕正操（抗日战争时期指挥铁道游击队震撼敌胆的吕将军）下决心让铁路穿越沙漠。１９５４年开始进行科学试验，５７年初开始施工，形成“五带一体”铁路防沙防护体系，５８年月１日正式通车。中国治沙模式：以固沙为主，固阻结合；以生物措施为主，生物措施与工程措施相结合。

文化大革命期间几乎处于停止阶段。１９８７年吴正《风沙地貌学》问世，科学出版社，从风沙地貌形态入手，以风的动力作用为主线，探讨地貌形成的因果关系。

全书从微观的沙粒表面形态、结构；到宏观的风沙流和沙丘群体分布及沙漠形成演变、由风蚀地貌到风积地貌进行分析论证；验证和完善了拜格诺沙丘形成过程，提出由沙斑、饼状沙堆、盾状沙堆、经过雏形新月形沙丘、到新月形沙丘的发展序列是横向沙丘发育的一个重要模式。它是对全球半个世纪在风沙运动方面研究进行了全面总结。

１９8７年吴正科学出版社出版《中国沙漠与海岸沙丘研究》，汇集了发表过自１９６５年以来的论文１６篇，内容包括：沙漠及沙漠化、风沙运动和工程防沙、海岸沙丘与风成沉积等

２００３年科学出版社出版《风沙地貌学与治沙工程学》，增加了世纪之交有关沙尘暴方面的研究成果。

１９９５年刘贤万在科学出版社出版了《实验风沙物理学与风沙工程学》，以风沙危害为主线，首先论述了各种风沙现象，接着从最微观的颗粒运动着手，探讨了单个颗粒运动力学、群体颗粒即风沙流运动力学；最后风沙流搬运、堆积而成的风成基面形态的形成与运动学原理，到治沙工程的理论与实践二次流在沙丘发育过程中的作用二次流在沙堆、沙丘形成中的作用盾状沙堆表面绕流流线分布虚线为二次流，流线分离线迎面绕流区流线发散区刘贤万引入经典流体力学中的二次流理论来解释二次流在新月形沙丘形成和发展的各个阶段中所起的作用．发展趋势（1）风沙运动学研究。针对单个沙粒的运动，开展以下研究：颗粒启动（振动）、滑移、跃移以及悬移运动的动态追踪（摄影）研究；运动沙粒速度、加速度、起跳角等运动参数及沙粒运移长度、高度等运动轨迹参数的研究；运动沙粒间、运动沙粒与地表冲撞过程中的能量传输与转换过程与规律；构建沙粒运动学理论的数学表达式，寻求数学方程（组）的求解途径。（2）风沙边界层动力学研究。针对风沙流运动，基于风沙两相流体动力学开展以下研究：定沙床风速廓线特征及若干空气动力学特征参数的确定与变化规律；不同风力及沙物质条件下风沙流固体流量结构、速度场以及能量结构特征及其数学模型；风沙流中风速分布规律、风速廓线表达式及若干空气动力学特征参数的确定；风速廓线与风沙流结构的耦合研究，建立和求解风沙两相流体动力学方程组。（3）风沙动力地貌学研究。针对风沙流的搬运与再堆积过程，开展以下研究内容：通过沙丘地貌的气流场特征、风沙运动特征以及蚀积平衡研究，探索不同类型沙丘的形成与演变规律；通过沙丘与近地表气流场的反馈研究，探索二次流的形成与发育规律及其在风沙地貌及形成与演变中的作用；风沙地貌空间组合规律及其与气流场的关系；沙丘移动规律及其与沙丘形态、风况的关系。（4）沙尘扬析与传输研究。针对风沙悬移运动，开展以下研究：通过静态床面气动活化过程及活化床面气动蠕变过程的模拟实验，研究沙尘扬析过程；确定跃移层与悬移层之间的过渡关系，探讨悬移运动的空气动力学特征；通过野外观测和模拟实验，研究沙尘流量结构和沉积结构的空气动力学分布，建立沙尘输移模式。（5）土壤风蚀研究。定量土壤风蚀研究，架起风沙物理学与沙漠化研究的桥梁：土壤风蚀因子及土壤风蚀可蚀性的综合指标；土壤风蚀风力侵蚀力的评价与确定；通过自然与人为因素干扰下，土壤风蚀强度的变化，探讨沙漠化的驱动机制；建立土壤风蚀评价物理模型，预测全球变化影响下风蚀、沙漠化以及沙漠的发展趋势。（6）风沙工程学研究。针对各种风沙活动过程的控制技术，开展以下研究：不同阻沙、固沙措施工程的气流场特征、风沙流结构与蚀积规律，揭示其阻沙固沙原理；通过模拟实验与野外观测，探讨防沙工程体系的最佳模式。（7）沙漠形成演化与全球变化。研究不同时空尺度中国沙漠形成演化的过程和成因机制，其中以晚第三纪至第四纪初和末次盛冰期以来为重点研究时段；研究中国沙漠形成演化与全球变化的关系及其对全球变化的响应；建立末次盛冰期、特别是最近5ka以来中国沙漠形成演化的时空序列，区分自然因素和人为因素在其过程中的贡献率；预测未来30～50a沙漠可能变化趋势，并提出防治对策和措施。四、风沙物理学与其它课程间的关系沙漠学－－沙漠分布、形成机理，沙物质来源、沙漠环境条件等。（基础）风沙物理学－－风沙运动物理学。（纽带）荒漠化防治工程学－－应用风沙物理学理论，制定防治途径，以此为基础，探讨防治工程技术措施。（实践）空气动力学流体力学理论教学第一章、流体基本性质第二章、近地气层基本特征第三章、沙物质特性第四章、风沙流形成与运移第五章、沙坡和沙丘形成第六章、沙尘暴形成与发育第七章、土壤风蚀第八章、风沙物理学研究方法实践教学（实验只作２个）实验一、沙物质颗粒粒配分析实验二、风信资料的整理分析实验三、大气总悬浮颗粒测定教学实习：半周（nextterm）基础学科

物理学气象学流体力学五、参考教材与资料1.朱朝云《风沙物理学》

，林业出版社，19912.吴正《风沙地貌学》，科学出版社，19873.吴正《风沙地貌学与治沙工程学》，科学出版社，20034.吴正《中国沙漠与海岸沙丘研究》，科学出版社，19975.刘贤万《实验风沙物理学与风沙工程学》，科学出版社，19956.马玉明《风沙运动学》，远方出版社，20037.（美国）E.D.Mckee《AstudyofGlobalSea》－－－－世界沙海研究，赵兴梁翻译，宁夏人民出版社，19798.景爱《走近沙漠》，沈阳出版社，20029.科技期刊：《中国沙漠》、《干旱区研究》、《干旱区地理》、《干旱区资源与环境》、《世界沙漠研究》、《地球科学进展》、《中国草地》等。10.

董光荣《

中国沙漠形成演化气候变化与沙漠化研究》.北京：海洋出版社，2002

附录：我国风沙物理学研究主体

代表我国风沙物理学研究主体的中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室———通过招收有力学、物理学和数学背景的研究生来强化理论方面的研究。北京师范大学中国沙漠研究中心。兰州大学力学系。北京大学环境工程系清华大学水利水电工程系。为风沙物理研究注入力学、物理学和数学思维与方法。使近年来在理论模型和数值模拟研究方面取得了突出进展,弥补了我国以往这方面研究的薄弱。

思考题风沙物理学的主要研究内容是什么？风沙物理学在风沙治理中的地位和作用？风沙物理学的奠基人是谁？代表著作是什么？国际防治荒漠化和干旱日是那天？风沙物理学研究的主要手段是什么？风洞实验在其研究中的作用？

了解沙漠和沙地有何异同点？沙物质的主要来源？现代半干旱、亚干旱湿润地区沙地变迁的特点是什么？（干湿交替、沙地和土壤植被交替。）荒漠化与沙漠化有何区别？沙尘暴、浮沙及杨尘有何区别？第一章流体基本理论风——风沙运动的动力风——流动着的空气空气——大气：（空气动力学、大气动力学、气象学、动力气象学、大气物理学）空气——属于流体：（流体力学、工程流体力学）风沙运动的研究历史表明，不研究它的流体力学特征，不研究它的力学作用过程，其形成和发展就不可能再前进一步．第一章流体基本理论空气水平运动——风高压低压高低压的起源辐合辐散高压区低压区加热也可引起大气上升第一章流体基本理论一、流体的连续介质模型：1、流体由分子组成，分子与分子间存在空隙，从微观的角度看，流体并非是连续分布的物质。2、流体分子间的距离非常小：标准状态下，1mm3的气体包含

2.7×1016个分子。3、研究流体时取“微团”（质点），“微团”虽小，有足够多的分子，宏观物理量的统计平均值有意义。４．随机进入和飞出“微团”体积的分子数随时都是平衡的．这个微团体中所有分子的总体称质点．５、空间各点都有“微团”，流体由无数连续分布的流体微团组成，空间每一点都有宏观属性（密度、速度、压力、温度等）。６、连续介质模型，流体是由连续分布的流体质点所组成的，宏观物理量亦连续分布，它们是空间坐标和时间的单值连续可微函数，由数学工具研究。第一章流体基本理论二、流体性质：1、流动性（受微小剪切力的作用就连续流动）2、质量——密度（单位体积内流体的质量kg/m3）3、重量——重度（单位体积内流体的重量N/m3）4、压缩性与膨胀性——温度不变，流体的体积随压强增大而缩小称压缩性．5、粘性——粘度（流体层发生相对滑移时产生切向阻力的性质）

第一章流体基本理论三、作用在流体上的力：表面力：由邻近流体质点或其他物体所直接施加的表面接触力（又称近程力）。压力：垂直表面，沿表面内法线方向摩擦力：与表面平行，也叫粘性力质量力：作用流体质量上的非接触力（又称长程力）。重力：地球引力作用惯性力：加速运动向心力：沿曲线流动第一章流体基本理论四、牛顿内摩擦定律：

处于相对运动的两层流体之间的内摩擦力，其大小与立体的物理性质（μ动力粘度）有关，并于流速梯度(du/dz)和流层的接触面(A)成正比，而与接触面的压力无关。单位面积上的内摩擦力：

τ—内摩擦力；u—流动速度

μ—流体粘度；z—垂直坐标第一章流体基本理论五、流体流动的研究方法：

拉格朗日法——质点法（迹线描述）

注重个别质点的运动，综合所有质点情况，找到运动规律。方法复杂，一般不用。一叶扁舟，水中气泡等）迹线;流体质点的运动轨迹线。

欧拉法——“流场”法（流线描述）

不注重个别质点的运动，从场的观点出发。场——充满着运动的流体微团的空间，如速度场、密度场、温度场等等。流线：流场内某瞬间所有流体质点流动方向的曲线。曲线上各质点的流速矢量都与该曲线相切。（大多数流体物理量测量、烟流试验）六、流体运动的质量守恒方程

在没有质量和能量相互转换的条件下，连续介质的流体运动遵循质量守恒定律。

体积流量相等：

V1A1=

V2A2＝Q

V1，A1V2，A2流线越密集，流速就愈大。V1，A1V2，A2V3，A3V1A1=V2A2+V3A3=Q第一章流体基本理论质量守恒定理——连续性方程

A1——断面1处有效面积；

V1——断面1处流体流动速度；

A2——断面2处流体流动速度；

V2——断面2处有效面积。（峡谷风、风洞改造、沙丘、路基、乔木林边缘、峡谷水流湍急、抽刀断水水更流、）第一章流体基本理论七、能量守恒定律——伯努利方程（压力柱表示）

Z—高程；p—压强；γ—流体重度（ρg密度×加速度）解释：理想（无粘性）、不可压缩的重力流体，做定常流动时，流线上任一点的动能、压力能和位势能之和不变。第一章流体基本理论当高差可忽略时，上述方程简化为：p与V呈反相关。p大则V小，

p小则V大（碰船事件、行车尘土、两片纸吹气、细管吹球、皮托管）流线越密集；流速就愈大；压强越小。第一章流体基本理论皮托管：弯成直角的玻璃管测流速12H0hV1第一章流体基本理论总流的伯努里方程：α—动能修正系数，一般取1；hw—机械能损失（阻力）hw有两种形式：1.局部损失：流动突变产生（障碍物、方向突变、大小突变）2.沿程损失：由摩擦阻力产生第一章流体基本理论

1.局部损失：2.沿程损失：从公式中看出：确定阻力关键在于确定λ和ζλ取决于粗糙度、雷诺数、直径（当量直径）；

ζ取决于流形变化、粗糙度、雷诺数。

ζ—局部阻力系数λ—沿程阻力系数；l—行程；d—直径（当量直径）相当于动能的多少来表示总机械能损失防护林作用是增大局部阻力损失第一章流体基本理论

截面突变的局部阻力系数：A2A1V2V1A1A2V2V1当A1»

A2

时第一章流体基本理论

沿程阻力系数：

a.层流流动（理论公式）：

b.过渡区（扎依钦科公式）：c.紊流光滑区（布拉修斯公式）：d.紊流粗糙过渡区（阿里特苏里公式）：e.紊流粗糙区(希弗林松公式)：第一章流体基本理论

zV平表面风速分布廓线附面层（摩擦层）：平表面上风速从零急剧增大到与来流速度相同数量级的薄层从大气的分层上，该层的厚度约为100米。一般气象站测量风速时，风速仪的设置高度为12米。（1）转用时注意；（2）气象数据的准确性问题八、边界层（附面层）分离、物体绕流阻力边界层：边界层：流速小于主流流速９９％的流层。边界层分离：钝形体壁面附近的流体质点会在某个位置脱离壁面，在壁面附近形成回流称为边界层分离。边界层分离点第一章流体基本理论沙丘背风坡容易产生边界层分离现象。Why?V1＜V2,P1＞P2；V2;P2V3=0;P3P2＜P3＜P1

沿程阻力损失：变成热能V4=V1,P4=P1＞P3；P3‘（P３’－P３）压差力阻力物体绕流阻力由于边界层分离，物体在流场中受到流动方向上的的流动阻力主要是与物体物体表面压力的合力（压差阻力或形状阻力），压差阻力往往远远大于摩嚓阻力。——由于物体形状不同，而产生的边界层分离位置不同，压差分布不同，物体表面的压力合力自然不同。

D=CDAρU2/2ρ：流体密度U：受绕流物体扰动以前流体的流速

A：绕流物体与流向垂直的平面上的投影面积CD：绕流阻力系数－－主要取决于绕流体形状、雷诺数D：绕流体受到的阻力，包括摩擦阻力和压差阻力（流线型物体压差阻力为零）用量纲和谐原理：π定律可以理论推导出来飞机设计主要是减小绕流体所受绕流的阻力。防护林体系设计主要是增加绕流体所受绕流的阻力。但是，沙丘上的沙障若受阻力太大可能会冲垮沙障，所以设计形状如图。×九、层流和紊流流态A:水箱;

B:喇叭进口玻璃管

C:阀门；D:颜色水容器E:颜色水注入针管；F:颜色水阀门水箱水位保持恒定；玻璃管内水流恒定；调整阀门F，使颜色水注入针管E中流速与玻璃管内流体流速接近。

当阀门开度较小时，玻璃管内流速较小，注入的色水在玻璃管B内呈一条位置固定、界线明确的细股直线流束(见图b)，说明玻璃管内的水流有条不紊地呈层状运动。这种流态称为层流。若将阀门c的开度逐渐加大，玻璃管B中流速增加。当流速增大到某一临界值时，颜色水细小流束开始摆动、发生弯曲、且流束的线条沿程逐渐变粗(见图c)。随着流速继续增大，颜色水股流出针管正后流束的线条会迅速断裂，且与周围水体掺混、扩散至管内各处(见图d)，说明玻璃管内的流体质点皆作杂乱无章的掺混运动。这种流态称为紊流。颜色水还显示，紊流状态下存在很多旋涡的运动，这些旋涡不时地产生、发展与消灭，使固定点上瞬时流速的大小与方向随时间随机地变化。层流与紊流在流动结构上的差异必然会导致在能量损失上的不同。为了便于分析，选取图5—2a中玻璃管B的两个过流断面1与2，测定断面平均流速V值不同时两断面之间的水头损失hw。若将Hw-—V关系点绘在对数坐标上，能够得到图e所示的结果。由图可以看出：

(1)在ab段上V<Vc。，流动为层流流态，直线的斜率为1.０，说明Hw与V成正比。

(2)在ef段上V>Vc‘，流动为紊流流态，直线的斜率为1.75～2.0，说明Hw与V1.75~V2.0成正比。

(3)在层流流态与紊流流态之间的区域(be段)为过渡区，流动状态是不稳定的。既取决于流动的初始流态，又取决于外界扰动的大小。实验过程中流速逐渐增大时实验点将沿bce移动，流速逐渐减小时将沿edb移。vc'值的大小对外界扰动十分敏感。

雷诺实验结果不只限于圆管中的水流，同样适合于其它流动边界形状，也适合于其它液体与气体。结论：任何实际流体的流动皆具有层流与紊流两种流态。雷诺数——流态的判别不同流体临界流速不同；不同管径流体临界流速也不同。实验发现Vc=Rec.υ/d；Rec=Vcd/υ当Re小于Rec，流体层流运动；当Re大于Rec，流体紊流运动。紊流特征：流体质点以杂落无章、相互掺混与涡体旋转为特征。涡体产生：由于粘性，流体产生流速梯度差，流层上下产生摩擦力矩；外界干扰和来流残余扰动使流线变弯曲，产生横向压差。在紊流中并不是整个流场都是紊流，由于流体具有粘性，紧贴管壁或槽壁的流体质点将贴附在固体边界上，无相对滑移，流速为零；继而它们又影响到邻近流体速度也随之变小，有显著的流速梯度；在靠近流道边壁的流层内，变比约束使流体质点基本不作横向运动，粘滞力起主导作用，该薄层称粘性地层或层流底层。边界层Y层流底层与边界层的概念V0.99V层流底层以外是紊流区，包括处于发展状态的过渡区和紊流充分发展的紊流流核区。水力光滑壁面（b）：δ0层流底层厚度＞＞ks粗糙度。水力粗糙壁面(c)：δ0层流底层厚度＜＜ks粗糙度。

增加下垫面粗糙度，使层流底层厚度δ0＜＜ks粗糙度；凸出物伸出层流底层，流线绕过凸出物时发生边界层分离，凸出屋前后产生较大压差，因而形成很大阻力，对近地面层气流阻力就大。

所以用粗糙度描述不同下垫面对近地气流的不同阻碍作用。下垫面的粗糙度是衡量治沙防护效益最重要的指标之一。

零风速高度通常出现在平均表面粗糙度以上某个高度；地表越粗糙，零风速出现也越高高度。因为粗糙因素很难测定，因此，把零风速出现的高度当作粗糙性尺度的一个指标。下垫面的粗糙度是衡量治沙防护效益最重要的指标之一第一章流体基本理论平表面风速分布公式：

V—风速；u*—摩阻流速；Z—高程；k—卡门常数；

ν—空气的运动粘度；C1—积分常数

C2—积分常数，ε—粗糙度，其它同上。紊流光滑区：紊流粗糙区：流体动力学中，把固体边界附近受粘性力作用、流速显著变小、速度梯度很大的流体薄层定义为流体边界层。边界层YV一、大气边界层

0.99V在大气物理学上，把空气运动明显受到地面摩擦作用，具有很大风速垂直梯度的大气层称为大气边界层。又称摩擦层。大气边界层的厚度大致自地面致600~1000m(~1500m)热空气轻温度高冷空气不稳定空气大气边界层与流体边界层有区别，大气边界层考虑大气层结和地球自转的影响；气流（风）的产生有两个因素：１）大气中热力和气压分布不均匀；２）地球的转动对大气的影响。P=ρRT压强N/m2；绝对温度；气体常数；密度空气水平运动——风高压低压高低压的起源辐合辐散高压区低压区加热也可引起大气上升大气边界层内，高度大约在50~100m的贴近地面的副层成近地面层。二、近地面层三、近地层气流动力学特征1.近地层气流总是紊动性的——湍流Re=LV/υ（运动粘度）室外空气:Rec=1400;

对流层上线距离L=104km;υ=0.14cm2/sVc=0.2m/s空风洞内：Rec=1400;

风洞的直径L=３０cm;υ=0.14cm2/sVc=0.07m/s空气密度小、粘度低，临界雷诺数1400水密度大、粘性较高，临界雷诺系数20002.湍流切应力

推法１：气体分子运动，造成气体分子个部分之间的混合，形成气体由一地方到另一地方的迁移现象称为扩散。与分子运动一样，大气中微团的湍流交换作用也造成各种物理量的输送现象，而求湍流交换比分子交换达几千到几万倍。在单位时间内通过dxdy小面元向上输送的空气体积:V=Wdxdy

在dt时间内通过dxdy小面元向上输送的空气体积:Vt=Wdxdydt设Si为单位质量空气所具有的某物理量属性，则单位体积空气所具有的某物理量属性：ρSidxdyzyx在dt时间内通过dxdy小面元向上输送的某物理量属性：

Vt

ρSi=ρSi(Widxdydt)在单位时间内通过dxdy小面元向上输送的某物理量属性：

t+△t１／△t

(

ρSiWidxdy)dtt

=ρSiWidxdy单位时间内通过单位面积向上输送的物理属性——通量

Fs=

ρSiWi瞬时物理量:

Si=S+S’

运动参数时均化物理量平均值：

Si=S+S’任何方向物理量的输送分为两种：由平均运动引起的物理量属性的输送

ρSW

由脉动运动引起的物理量属性的输送

ρS’W’某物理量向下输送为：－ρS’W’扩散方程：

Fs=－ρS’W’Fs=

ρ(

S+S’)(W+W’)单位质量的空气微团所具有的水平运动动量（动量通量）可表示为：

τ＝－ρu’W’类推：热量和水汽通量分别为：

P＝ρCpθ’w’

E＝ρq’w’

Cp

单位物质量温度升高１度吸热量，θ’

位温脉动q’

比湿脉动推法２：

取与流向层平行A-A的面来考察.

设想在某一瞬间，原来处于a层的流体，以竖向脉动速度U’y向上运动，穿过平面A-A到达b

层；

在△

t时间内通过A-A

面中△

A面积的流体质量为:

AAU’yU’xyxab△

A△

m=ρ(U’y.△

A.△

t)

a层属于低速层，b曾属于高速层，，在比较多的机会Uxb＞Uxa；所以，从a曾出发的流体，在到达b层以后，它与附近原有的流体比较,将有较多的机会显示出负值的脉动流速Ux’。流体到达b层后，b层流体的动量变化为：

△

m.Ux’=ρ.(U’y.△

A.△

t)Ux’

根据动量定律，动量的变化应该等于在x方向上力△

F的冲量的:

△

F.△

t=△

m.Ux’=ρ.Ux’.U’y.△

A.△

t

△

F为流体质点掺混所引起的在截面A-A

的切力，作用在b层，方向与流向相反，即对b层流体起到阻碍作用；切应力为：

τyx＝

△

F／△A＝

ρ.Ux’.U’y

因为每一瞬间的ρ.Ux’.U’y大小都是随机变化的，取它的时均值进行研究。

τyx=ρ.Ux’.U’y若考察符号：当流体从a层到b层，U’y为正，Ux’为负当流体从b层到a层，U’y为负，Ux’为正;

为了使τyx以为正出现，将上式改为：

τyx=－ρ.Ux’.U’y2.混合长理论根据混合长理论，物理量S的铅垂扩散方程

Fs=

－ρL2(ds/dy)2令Ks=L2(ds/dy)Fs=

－ρKs(ds/dy)τ＝－ρu’W’=－ρKm(du/dy)

Km湍流动量交换系数＿＿＿当速度梯度等于１时，单位质量空气中，单位时间所含动量通过单位面积沿垂直方向转移的数量。类推：

P

＝ρCpθ’w’＝ρKT(dT/dy)

E＝ρq’w’＝ρKq(dq/dy)τ＝－ρu’W’=－ρKm(du/dy)３．摩阻流速U＊

τ＝－ρu’W’

τ／ρ＝u’W’＝U＊.U＊

U＊=(τ／ρ)1/2=(u’W’)½

摩阻速度描述近地层大气风速脉动的平均大小及其数量级四、近地面气流热力学特征１．状态方程

P=ρRT

P压强N/m2；T绝对温度；R气体常数；ρ密度规律：１）温度不变的情况下，密度与压强成正比；２）压强不变的条件下，密度与温度成反比。２．大气稳定度流体力学中，流体温度均一，用雷诺数判断流体的流态。大气运动中，总是在动力和热力因素共同作用下发生、发展起来的，判断大气稳定状态引入新的概念。

湍流变化主要取决于湍流运动的动能－－湍能。即取决于团能的供应和消耗。单位体积空气的动能：½ρC2

½ρC2=½ρ[U2+V2+W2]

=½ρ[(U+U’)2+(V+V’)2+(W+W’)2]

物理意义可以写成：平均运动动能＋脉动运动的动能(湍能)½ρ[U2+V2+W2]＋½ρ[U’2+V’2+W’2]湍能来源于平均运动过程中，由于空气质点碰撞，通过雷诺切应力做功转化为脉动运动的动能。湍能的变化＝湍能供应－湍能消耗Ri：理查逊数（热力因素与动力因素的对比关系）

Г：气温梯度率θ：位温：绝对温度T当当动力作用总是加强湍流发展，且加强的强度取决于平均运动所提供的动能。不稳定层结总是加强湍流发展，湍流从热力不稳定获得补充能量。＞0＞0中性层结不稳定层结当Ric＞Ri＞00＜Ric＜Ri＞0＜0动力作用大于热力作用，湍流加强。热力稳定阻碍湍流发展湍流减弱。稳定层结稳定层结条件下，往往是热力不稳定阻碍湍流的发展，但是当du/dy足够大时，湍流也可以加强。五、近地层风的基本特征１．层结对风速廓线的影响不稳定层结总是加强湍流发展，湍流从热力不稳定获得补充能量。稳定层结条件下，往往是热力不稳定阻碍湍流的发展，但是当du/dy足够大时，湍流也可以加强。中性层结动力作用总是加强湍流发展，加强的强度取决于平均运动所提供的动能。中性层结条件下，在近地层中风速受到地面摩擦阻力影响而降速，故风速随高度而增大。风速廓线是随高度成呈对数分布的。

U=U*/к.ln(z/z0)=5.57U*.ln(z/z0)

К：卡曼常数0.4不稳定层结总是加强湍流发展，湍流运动加强，上下层空气容易差生动量交换，使风速的垂直梯度减小。稳定层结条件下，往往是热力不稳定阻碍湍流的发展，上下层空气相互掺混的作用减弱，风速的垂直梯度就大。不稳定层结稳定层结迪肯（E.L.Deacon）、莱赫特曼半经验幂次公式:U=U*.[z/z0)1-β-1]/[(к(1-β)].

β=1中性层结

β＞1不稳定层结

β＜1稳定层结

野外实测资料表明，在白昼９０％以上的时间里，风速分布都遵循对数律；到了夜晚由于温度梯度比较显著，幂次式比对书式更为可靠。2．粗糙度对风速廓线的影响概念：下垫面的粗糙程度．把表面的凸出部分的平均高度称为表面的粗糙因素ε。零风速通常出现在平均表面粗糙因素以上某个高度，地表越粗糙，零风速通常出现高度也越高，因此，界定零风速通常出现高度当作下垫面粗糙尺度的一个指标。地面粗糙分类按粗糙元：沙质、雪质、水质、植被粗糙等按粗糙元移动情况：动力、非动力粗糙。按粗糙元种类多少：单粗糙元粗糙、多粗糙元粗糙。

现代研究表明，零风速高度不仅取决于下垫面的性质，而且与风速的大小有关。风速越大，零风速高度越低。所以，现在成为空气动力学粗糙度。δ＞εδ＜ε附面层分离；压差；对流动差生很大阻力。粗糙下垫面对流体的影响动沙下垫面风速分布动沙下垫面，风速分布仍然遵循对数定律。

不同风速的直线都汇聚一个焦点A，高程Zt，其风速始终保持一个定常值Ut.Why?????AU=5.57U*.ln(Z/Zt)

+UtBecause:

跃移阻力：流体因携带跃移质运动，流体损失了动量，承受一定阻力，这一阻力称跃移阻力。对于风沙运动来说，跃移阻力大到这样一个程度，以致于地表摩擦所产生的表面阻力可以忽略不计。动沙下垫面条件下，随着风力增大，跃移阻力相应增大，消耗风能，使靠近地面的风速不因风力的增强而增加。静止床面粗糙度

纯气流经固定下垫面，Z0为一个常数，不随风速变化而变化。粗糙度测算直线图解法:估算法：Z0＝d/30计算法:按照对数分布律计算１９４１年拜格诺认为，有固定不能移动的沙粒或散布在地面的均匀砾石所组成，风速为零的高度约等于砂粒或砾石的３０分之一。按照对数分布律计算粗糙度

方法和步骤选择均质、开阔的小麦地或草地等作为下垫面，观测区尽量远离建筑物等。将风速表固定在立杆上，然后将立杆插入观测地，使风叶分别离地面50厘米和200厘米。在一定风力条件下，50厘米和200厘米处，风速表对应同时测定风速，连续观测10次以上。填表记录观测数据。

以风速按对数规律分布为依据，测定任意两个高度处Z1、Z2及对应风速V1、V2，Z0是V为零时的高度。则有：V1=5.57V*log(Z1/Z0)

V2=5.57V*log(Z2/Z0)由以上两式推出：

logZ0=（V1logZ2-V2logZ1）/（V1-V2）设V2/V1=A,

上式可写成logZ0=（logZ2-AlogZ1）/（1-A）因此，测得下垫面的两个高度对应风速后，就可以按照上式求出粗糙度。计算过程如下：首先分别计算出各测次V200和V50的比值Ai,然后求A=1/n∑Ain为观测次数（例如10次）。将A值代入公式logZ0=（logZ2-AlogZ1）/（1-A）计算而求得Z0值。下垫面粗糙度测定及计算序号V200（m/s）V50（m/s）Ai=V200/V50123…………910∑AiAZ0自学——思考题（３０分钟）提问——讲解（７０分钟）５.沙物质的来源６.沙物质的颜色及其形成7.风沙土的群体特性思考题一、沙物质能够形成风沙流的所有地表固体碎屑物质。拜格诺：当颗粒的最终沉速小于平均地面风向上漩涡流速时，即为沙物质颗粒粒径的下限；当风的直接压力或其他运动中的颗粒冲击都不能够移动在地表的颗粒时，即为沙物质颗粒的上限。在这两个粒径极限之间的任何无粘性固体颗粒都称为沙物质。最主要矿物：石英和长石占90%。风速在流动风沙土整个剖面1~0.05mm颗粒达到９０％以上，由于分选程度不同，有的地区以细砂(0.25~0.05mm)为主占９０％以上，有的地区以中砂(1~0.25mm)为主占８０％以上，有的地区出现少量粗沙。地区深度/cm3~1/mm1~.25/mm0.25~0.05/mm0.05~0.01/mm.01~.005/mm.005~.001/mm.001/mm甘肃0~500163.4826.20.90.54.01.2临泽50~1000140.5847.21.41.61.92.4宁夏0~1000.8991.52.60.33.21.6中卫10~30017.0978.22.30.51.30.7宁夏30~60024.5970.82.60.61.90.6中卫60~10002.4990.43.00.50.53.2内蒙0~100522.1462.81.22.900科左30~400618.6372.80.41.11.40后旗80~1000175.1812.92.30.10.40流动风沙土的颗粒组成g/kg当量直径：具有相同体积的球体直径。粒级划分：真数／mm；φ值（＝－log2d）中值粒径：对应于重量百分数为５０％的粒径。平均粒径：do=1/3(φ16+φ50+φ84)分选系数：Sc=(d75/d25)1/2梯级频率粒配曲线：颗粒粒径为横坐标，重量或粒数的频率百分数为纵坐标得到的一系列相邻的矩形图组。累积频率粒配曲线：颗粒粒径为横坐标，以小于（或大于）某一粒径的颗粒重量占样品总重量百分数为纵坐标得到的图形。峰态（教材）偏差（教材）二、.沙颗粒大小、形状沙物质分级（mm）砾石＞2.00极粗沙2.00~1.01粗沙1.00~0.51粉沙0.05~0.01极细沙0.10~0.06细沙0.25~0.11中沙0.50~0.26粘粒＜0.01在流动风沙土整个剖面1~0.05mm颗粒达到90％以上，由于分选程度不同，有的地区以细砂(0.25~0.05mm)为主占90％以上，有的地区以中砂(1~0.25mm)为主占80％以上，有的地区出现少量粗沙。地区深度/cm3~1/mm1~.25/mm0.25~0.05/mm0.05~0.01/mm.01~.005/mm.005~.001/mm.001/mm甘肃0~500163.4826.20.90.54.01.2临泽50~1000140.5847.21.41.61.92.4宁夏0~1000.8991.52.60.33.21.6中卫10~30017.0978.22.30.51.30.7宁夏30~60024.5970.82.60.61.90.6中卫60~10002.4990.43.00.50.53.2内蒙0~100522.1462.81.22.900科左30~400618.6372.80.41.11.40后旗80~1000175.1812.92.30.10.40流动风沙土的颗粒组成g/kg分选系数分级表d75/d25(d75/d25)1/2分选度1~1.51~1.23很好1.5~21.23~1.41好2~31.41~1.74中3~41.74~2.0差＞52.0很差分选程度标准偏差φ单位福克和沃德弗力德曼分选极好＜0.35＜0.35分选好0.35~0.500.35~0.50分选较好0.50~0.710.50~0.80分选中等0.71~1.000.81~1.40分选较差1.00~2.001.41~2.00分选差2.00~4.002.00~2.60分选极差＞4.0＞2.60塔克拉玛干沙漠沙与非风成沙沙颗粒粒度对比表组别取样地点和部位含量百份比％

0.500.250.100.05mm中值粒径/mm分选系数D75/D25

中沙细沙极细沙粉沙Ⅰ塔里木共青团农场南冲积沙2.025.272.80.0521.31塔里木共青团农场南沙丘链脊6.157.626.110.20.1391.28Ⅱ柯坪阿恰附近雅丹地层2.610.087.40.0212.47柯坪阿恰附近沙丘顶部5.645.934.414.10.1141.41Ⅲ民丰坤四来特尼亚河北岸冲积沙0.623.256.819.40.0911.24民丰坤四来特尼亚河北岸沙丘沙3.066.227.13.70.1431.18Ⅳ于田城东克利雅河阶地冲积沙2.01.723.175.00.0461.55于田城东克利雅河阶地新月形沙丘沙0.223.062.114.70.0911.17风是一种有效的风选介质(1)沙漠沙中值粒径相对变粗；(2)沙漠沙主要由细沙和极细沙（0.1~0.25mm）组成，非风成沙主要由粉沙或粉沙和极细沙组成（0.05~0.1~0.25mm）；(3)各组别颗粒粒配变异范围和程度有差异。原生沙（沙源物质）在经受风的吹扬作用，由于尘埃颗粒被吹走，而使粉沙颗粒的含量减少，细沙和极细沙含量相对增加。风成沙虽然经受风长期改造，但仍然含有少量的尘埃颗粒，这是因为在吹扬时大颗粒不断磨搓碎裂而不断得到补充的结果。风成沙的粒度以细砂(0.25~0.1mm)为主，其次是极细沙和中砂；塔克拉玛干沙漠沙最细，毛乌素沙地（0.234）和巴丹吉林沙漠沙(0.208mm)最粗。风成沙（沙丘沙）与原生沙（沙源物质）相比较，风成沙变粗，分选系数变小，即沙的风选程度变好。分选系数D75/D25风成沙的粒度主要由细沙组成，粗沙和粉沙含量很低，几乎不含大于１毫米的极粗沙，粒级比较集中。塔克拉玛干沙漠沙最细(中值粒径0.093mm)，毛乌素沙地沙（中值粒径0.234mm）最粗。塔克拉玛干沙漠沙主要来源于古代河流的冲积平原、湖河相平原巨厚疏松的沉积沙层、沙源物质较细；毛乌素沙地沙来源于鄂尔多斯中西部高地的白垩纪、侏罗纪砂岩的风化残积坡积物（南部地区除外），粒径成分较粗。根据沙的产状和成分，将风成沙分为原地风成沙：和自己的原生沙（沙源物质）之间没有失去空间上的联系，并且以不同的厚度的沙层覆盖着它们。

异地风成沙：和原生沙失去空间上的联系，并被从沙源地搬运了较远距离而覆盖与其它地表面上。原地风成沙、异地风成沙和原生沙的粒径中值与风选系数相关图河道泥沙的沿程分选河道由上至下游发展，河谷坡度变化的总趋势是由陡变缓。河道中泥沙颗粒的尺寸大小亦是沿程逐渐细化。钱宁曾就黄河河床比降J与床沙中值粒径D50的关系作了统计分析，给出统计关系：

J=41D501.3长江荆江河段的经验关系：J=25D503.38河床中泥沙呈现细化的原因通常有三种类型泥沙自动分选、泥沙沿程摩损、沿程化学溶解分化；对于颗粒尺寸属于沙类的泥沙颗粒、石英为主的沿程自动分选是其主要机理，而泥沙沿程摩损可以忽略不计。泥沙在输移过程中的自动分选遵循质量守恒原理，只是将不同粒径级的泥沙在空间上重新分布。在泥沙输移磨损过程中，因较粗泥沙不断转化为较细泥沙而发生各粒径级泥沙质量的变化，若推移质变为悬移质，从而是砾石和粗粒径泥沙质量损失。河道泥沙与沙漠沙比较：粒度大、粒径跨度大，分选性较差。这与沙源、河道位置、悬移为主运动细小沙物质泻移顺河而下，河谷附近水蚀供应状况有关。粒度分析分析方法以样品粗细而定：沙粒级筛析法、粉沙和粘粒吸管法或液体比重计法。先进的方法有粒度分析仪。筛析法：50g，振摆式沙筛机，10分钟左右，分级称重。吸管法：土粒在液体中自由沉降及粒径越大沉降越快。手工振荡，按照规定时间吸取样品，计算含量。土壤颗粒分析吸管仪（原理同人工方法）。颗粒分析仪：音波筛法——日本清新公司生产的声波振荡式全自动筛分测定仪。光透射法——

日本清新公司生产的SKC-2000型、岛津公司生产的SP—CP3型光透射式粒度分析测定仪。形状：颗粒整体几何形态球度：与颗粒同体积球体的表面／颗粒的表面积之比球度：当量直径／颗粒外接的直径球体（最大直径）形状系数：SF=c/(ab)1/2

(a、b、c为最大、中间和最小直径)圆片状，球状、刃状、圆棍状圆度：颗粒棱角的尖钝程度=1/N∑(r/R)

R----颗粒最大投影平面上的最大内切圆半径

r-----颗粒最大投影平面上各棱角的曲率半径

N----颗粒棱角数风成沙较非风成沙磨圆度要好，大颗粒比小颗粒容易磨圆，滚圆的颗粒在３％以下。表面积大附面层保护絮凝粘结性强三、极细沙颗粒特性絮凝现象自由水中性层１）粘性颗粒群含有吸着水、薄膜水、毛细水、重力、水气态水等２）颗粒在水环境内，由于化学离解作用，表面带负电荷离子，土粒表面吸附水分子（吸着水和薄膜水３）吸着水：颗粒空隙中气态水分子与带电荷的泥沙颗粒接触在颗粒周围形成极薄水膜，两者结合十分紧密４）薄膜水：受颗粒表面电荷引力的作用，紧贴在吸着水外围的水膜，薄膜水可以发生慢速流动，从水膜厚的地方移动到水膜薄的地方，直到水膜厚度相等为。水颗粒表面负电荷离子颗粒表面束缚水＿双电层絮凝现象

５）颗粒间除存在引力外，细颗粒泥沙双电层使颗粒间存在相斥作用；颗粒靠得很近时引力大于斥力，土颗粒凝聚在一起呈现团粒状态称为泥沙的絮凝现象。Ⅰa--土粒表面吸附阳离子原子价较大，浓度较高的斥力分配Ⅰb--原子价较小，浓度较低的斥力分配Ⅱ--颗粒间的引力Ⅲ--合力曲线碰撞——较大颗粒经过较小颗粒磨蚀——较大颗粒表面出现麻坑。碰撞——圆度较好沙粒高速撞击其它颗粒，由于圆度较好，接触点作用力分散，尽管能量较高，也不能是砂颗粒破碎，只能形成圆盘状撞击坑。两个以上碟形坑相交，在颗粒表面形成蛇曲线四、沙颗粒表面组织特性风成砂表面微结构特征:—麻坑、碟坑和蛇曲脊—反卷薄片—溶蚀痕迹与sio2沉淀物及裂纹石英在水中溶解度很小；PH愈高，石英的溶解度愈大。在沙漠环境中，沙粒孔隙中凝结水含有盐分，因此PH升高。我国沙漠地区，由东到西沙漠沙的PH由7.2升到9.0。湿热环境沙丘水中富含氧化铝和腐植酸化合物，化学溶蚀作用强烈。从石英中分解出来的SiO2呈胶体状态，容易被水溶液搬运、凝聚、沉淀，形成硅质球、鳞片、薄膜沉淀层。

四、沙颗粒表面组织特性反卷薄片的溶解和沉淀利比亚塞卜哈地区沙丘沙扫描电镜，克林斯列等沙粒表面sio2淀积层与在其上出现的裂纹毛乌素沙地的沙丘沙扫描电镜，任明达内陆沙漠沙石英颗粒表面结构特征：

较好的磨圆度；有大量的机械撞击痕迹，撞击坑成群出现；强风暴时由一次撞击作用形成碟形撞击坑；沙粒在滚动和跃移中相互磨擦、碰撞形成麻坑。化学沉淀作用发育，沉淀多见于各类撞击坑底部成硅质球，一些砂粒表面有大量沉淀形成硅质薄膜并出现裂纹．海岸沙丘沙石英颗粒表面结构特征：

化学溶蚀作用较内陆沙明显，沿构造软弱部位发展成熔蚀沟、溶蚀洞，甚至出现方向性三角形坑等溶蚀形态。有代表海滩环境的水下撞击V型坑.具有代表风成环境的典型特征，如磨圆好、碟形坑，沉淀层和裂纹；有代表水下环境的撞击坑、化学溶蚀坑等。即具有海滩沙特征，又具有叠加其上或与其共生的风成环境特征。自学——思考题（３０分钟）提问——讲解（７０分钟）５.沙物质的颜色及其形成６.沙物质沉降规律五、沙漠沙的来源观看教学资料：居延海消失（第一章）1。河流冲积物：塔克拉玛干沙漠南部、北部；古尔班通古特沙漠大部分，库布齐沙漠西部，乌兰布和沙漠的西北。

河流是沙物质的运输线。2。湖河相沉积物：巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、毛乌素沙地等。3。洪积—-冲积物：塔里木盆地南部阿尔山等山前平原上的沙漠。4。基岩风化的残积——坡积物：沙漠沙地沙物质的组成成分。坡积洪积山前戈壁沙被运走石被留下

水力是沙物质运输的原动力河流冲积物湖河相沉积物洪积—冲积物基岩风化残积—坡积物沙物质积累（内因））沙漠绿洲干旱气候：大风，少雨，植被稀少，蒸发剧烈（外因）植被保护，多雨戈壁是水搬不远的残留物河流是沙漠沙的运输线沉积-冲积物是沙漠沙之源山地岩石风化沙源沙漠—戈壁的形成和关系示意图彩色沙漠：美国科罗拉多大峡谷所在的亚利桑那州，火山熔岩矿物质沙石，具有紫色、黄色、红色、绿色、白色和兰色。六、沙颗粒颜色—取决于矿物成分并随环境条件的改变发生变化淡黄色、黄色、黄橙色或棕红色是典型颜色。也有一些是青灰色、红色、白色、黑色。白色沙漠：美国新墨西哥州的路索罗盆地。石膏质海床几经变幻，石膏矿被风化后结晶成洁白的微小颗粒。黑色沙漠：卡拉库姆沙漠，棕黑色，黑色岩层风化形成。红色沙漠：澳大利亚辛普森沙漠等。淡黄色乌巴里沙漠木祖克沙漠TheodoreR.Walker认为：红化作用：无色沙粒表面被涂裹上一层红色物质（色料），（红色物质主要富集于沙粒表面的凹陷处，染色不均匀）使之出现红（包括黄、黄橙和棕红）颜色的作用。这是风成沙的一种普遍现象。沙丘沙具有微红色，而且搬运越远、年龄越大，也就变得越红。沙丘上的色素是化学上沉淀的氧化铁，而氧化铁一部分是来自原生沙中含铁的铁镁硅酸盐矿物的变化衍生的，一部分是由粘附在砂粒表面上的载铁粘土矿物衍生的。在载铁矿物与大气水尚未达到平衡程度的时候，就与露水、雨水和间隙水起反应，便释放出铁，在氧化和碱性化学环境下，铁作为淡黄色铁水合物(褐铁矿)即沉淀在沙粒的表面上，随后，当这些颗粒在风成搬运的过程中受到磨蚀的时候，褐铁矿及其着色的粘粒便从较粗颗粒的暴露面上脱落，但这些矿物保存在刻痕之中的却不致受到磨蚀。细颗粒比粗颗粒磨蚀得慢，因此，细颗粒趋向于有较多的刻痕得以保存色素。于是，较细的颗粒一般着色的比较粗颗粒重。如果颗粒处于静止状态，就有利于形成附加的氧化铁和颗粒表面上的粘粒胶膜。淡黄色铁水化合物是准稳定的，在荒漠地区环境下，这种化合物一经老化，就会变为赤铁矿。铁水化合物的老化伴随着变红。虽然老化是沙丘变红的一个必要条件，但是，所需要的时间受到有效水量、铁的获得量、颗粒上保存的粘土矿物量、粘土矿物类型等因素影响。原生沙中铁镁硅酸盐矿物粘附在砂粒表面上的载铁粘土矿物与层间水反应释放铁铁的氢氧化物胶体赤铁矿（红色）褐铁矿（黄橙色）风化重新沉淀重新结晶内部脱水作用脱水作用含铁矿物原地风化的赤铁矿形成过程（吴正等1995年）吴正认为我国华南沿海老红砂红化作用红色、棕红色半胶结的中细砂沉积物俗称“老红砂”分布：平行于现代海岸，多表现为单列或多列长条形沙堤；斑块状分布在近海岸的丘陵山坡上，规模不大。物质成分：陆源碎屑，生物碎屑含量很少。石英颗粒具有较好的磨圆度；表面具有典型的碟形坑、新月形、半新月形撞击坑、V形坑和SiO2沉淀。沉积构造：块状、无明显层理；从沉积物的颜色和胶结程度看，老红砂垂直剖面明显分为两层，上层为红色、棕红色或淡棕红色，胶结较硬，几十厘米到几米不等；下层黄橙色至淡黄橙色，结构松散，厚度不一。老红砂是由无色石英表面被涂裹上一层红色粘粒物质所致。红色粘粒物质并非外来的，在亚间冰期和冰后期的高温期，古风成沙中含铁硅酸盐矿物（角闪石、绿帘石、磁铁矿与黑云母等）经受风化，亚铁被氧化生成黄橙色的针铁矿，进一步脱水转化成赤铁矿。——在湿热条件下，古风成沙中含铁硅酸盐矿物氧化生成赤铁矿，而使无色石英颗粒染成红色。风成沙形成红色的时间不超过１万年。分布最广的老红砂为１～２万年，发现最早的老红砂为５万年。凋萎含水量：０.６％（黄绵土４～５％）最大田间持水量：３.３～４％休止角：３１～３４度比热比水小４倍，风沙土容易升降温度。宁夏７４度。水分在土层剖面中的变化地表干沙层０.５％；干沙层～２０厘米１％；２０～４０厘米１～２％；大于４０厘米稳沙层２～３％（～４％）七、风沙土的群体特性水分动态变化消耗时期——４～７月，干旱无雨季。补给时期——７～９月，降水供给。稳定时期——１０～３月，重力水下滲后，一部分水分保留在土壤中。思考题１。泥沙粒径分析有几类方法，各自适应分析的泥沙物质粒径范围？２。自然沙漠沙和河床泥沙颗粒粒径有何差异？为什么？３。沙漠沙颜色是怎么回事？４。沙颗粒表面组织与环境有何关系？

风沙运动表现为从单颗沙粒运动的微观过程到沙尘输送的宏观过程。风沙物理学不断地向宏观和微观两个方向发展，微观方面已深入到单颗粒运动特征的层面上，宏观方面已达到某一地块、区域甚至行星尺度上风沙输移。风沙颗粒运动学研究方向

风沙运动及风沙危害的形成在最微观的尺度上表现为单颗沙粒的运动。风沙颗粒运动学研究基于经典理论力学的理论与方法，主要研究:①风沙颗粒的起动条件、受力分析及其影响因子；②风沙颗粒运动形式及其动态追踪；③风沙颗粒运动的起跳角、速度、加速度、冲击角等运动参数及运移长度、高度等运动轨迹参数及其影响因素；④运动沙粒间、运动沙粒与地表冲撞过程中的能量传输与转换过程与规律；⑤沙粒运动学理论的数学表达式，以及数学方程(组)的求解途径；⑥风沙颗粒运动的数值模拟。

风沙运动一旦发生，即表现为由众多沙粒构成的颗粒群体运动:风沙流。所以，风沙流在风沙物理学研究中占有重要地位。主要研究：①不同风力及沙物质条件下风沙流固体流量结构、浓度分布、速度场以及能量结构特征及其数学模型；②风沙流的侵蚀能力；③风沙流的浓度、固体流量结构与单颗粒运动参数间的关联；④风沙流输沙量与各种影响因子之间的关系及输沙模型。大量沙粒在气流中运动会对气流产生阻力，从而改变了近地层气流场特征，在大气边界层内形成一层受风沙运动影响的内边界层---风沙边界层。

风沙流研究方向

主要内容一、沙粒的起动二、沙粒的起动风速三、沙粒运动的基本形式四、沙颗粒的碰撞五、沙颗粒的旋转六、风沙流的结构特征七、风沙流的固体流量八、砾石地区风沙流的特征九、气流与水流中泥沙运动的差异计划：８～１０学时一、沙粒