第1章 绪论
黄河乌兰布和沙漠段穿行于我国北方干旱区与半干旱区过渡地带，南起乌海市水利枢纽，北至磴口县的三盛公水利枢纽，全长89.6km，其中40km河道有流动沙丘直接侵入。区域内干旱少雨，且大风频繁，两岸的风沙活动强烈，沙丘密集高大，沙丘链高7～20m左右，*高达65m，西北高东南低，整个地势倾向黄河，且地势倾向与主风方向基本一致。在大风和暴雨作用下，其水土流失极其严重，大量风沙直接向黄河倾泻，成为黄河粗砂的重要策源地，致使黄河乌兰布和沙漠段的泥沙含量显著增加。黄河泥沙含量的剧增，使河床淤积抬高速度加快，形成“地上悬河”，造成该区域的黄河主流发生摆动，河岸崩塌，冲毁农田和林地，直接影响三盛公水利枢纽工程和下游其他水利工程的安全运行，严重威胁两岸人民群众的生命财产安全，给当地防凌防汛任务形成巨大的压力，极大地影响了当地和下游地区社会经济的可持续发展。因此，摸清黄河乌兰布和沙漠段的入黄风积沙量，对于推动该区域沿黄两岸恶劣生态环境的综合治理，保障黄河乌兰布和沙漠段的健康运行具有重要意义，也可为黄河上游的水沙调控提供现实科学依据。
1.1 风沙运动研究进展
风沙地貌是广泛分布于干旱、半干旱，甚至部分湿润地区的，由风力作用形成的一种地貌类型。风蚀及土地沙漠化是世界上干旱、半干旱地区的主要环境问题之一。我国的沙漠、戈壁与风蚀劣地、沙地和沙漠化土地在干旱、半干旱和部分半湿润地区广泛分布，构成北方地区主要的土地类型（王涛和赵哈林，2005）。沙漠化与沙尘暴是中国北方地区的主要环境灾害，对中国北方地区的社会与经济可持续发展造成了极大的威胁，引起了全社会和中国政府的高度重视。因此，对风沙运动机理（通常被称为风沙物理学）的研究一直是沙漠科学和防沙治沙工程关注的主要课题之一（黄宁和郑晓静，2007）。风沙物理学是研究各种风沙现象的规律和形成的物理机制及其利用与控制原理的科学，是介于沙漠科学和物理学之间的边缘科学，是沙漠科学中以基础研究和应用基础为主的重要分支学科（董治宝，2005）。风沙地貌学是研究在风力作用下物质运动形成的地表形态特征、空间组合规律及其形成演变的科学，是地貌学中以风为外营力形成的地貌为对象的分支学科。风沙地貌形态与组合特征、组成物质和形成过程是风沙地貌学研究的三大核心内容。风沙地貌的形成与演化过程、空间组合特征和形态特征是区域内部环境与外部环境相互作用的结果（张正偲和董治宝，2014）。风沙运动是气固两相流的一个重要研究分支，并作为风沙物理学研究的核心内容备受重视（吴正，2009）。风沙运动学主要开展沙尘颗粒启动、滑移、跃移以及悬移运动的动态追踪，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等方面的研究，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；开展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、能量结构特征及其数学模型和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（王涛，2011）。风沙运动是沙漠地貌学研究的一部分，也是流体力学中多相流研究的一个重要内容（董飞等，1995），因此在国内外曾引起了不同学科众多学者的重视，他们在理论探讨和室内外实验研究方面都做了大量的工作。
20世纪30～50年代是基于野外观测和实验测量的基本研究阶段，在这一阶段风沙运动研究的主体框架基本形成（黄宁和郑晓静，2007）。此研究阶段的重要代表学者是R.A.Bagnold。针对土壤风蚀研究的一些基本物理量，如未起沙地表和起沙地表上方的风速剖面、沙粒运动的临界风力、沙粒跃移运动特征轨迹和单宽输沙率等，R.A.Bagnold借鉴了空气动力学的分析手段，开展了大量的野外观测和风洞实验研究。1941年，他发表了关于风沙物理学的著名论著The Physics of Blown Sand and Desert Dune（《风沙和荒漠沙丘物理学》），把风沙运动作为一个空气动力学问题加以研究，在该书中他将风沙运动分为跃移、蠕移与悬移3种相互关联的运动形式（Bagnold，1941）。其中跃移是指沙尘颗粒在近地层做跳跃式的运动，蠕移是指颗粒在地表的滚动和滑动，而悬移是指沙尘颗粒悬浮于空气中保持一段时间而不与地面接触的运动形式。当风力很强，沙尘颗粒被输送到几百甚至几千公里时沙尘颗粒的悬移运动即为沙尘。不同大小的众多沙粒在风力作用下发生的碰撞以及在地表的蠕移运动、在近地表层的跃移运动和一定高度上方的悬移运动，构成一种典型的力学系统。他通过实验室中的风洞实验和利比亚沙漠中的野外观测来确定沙粒运动的力学机制，并指出沙粒运动主要发生在离地表不到1m的高度范围内，平均高度约为10～20cm，而且大气湍流在维持沙粒向上运动中只起着较小的作用。在这一著作中，他对未起沙地表和起沙地表上方的风速剖面、沙粒运动的临界风力、沙粒跃移运动特性轨迹、风力输沙的单宽输沙率等风沙物理学的相关问题进行了较为广泛的研究，得到了一系列非常有意义的结果。尽管以后的众多研究表明这些结果大都还需要进一步改进，但R. A. Bagnold的奠基性工作无疑对后人产生了极其深远的影响。
遵循着与R.A.Bagnold类似的理论体系，许多学者在20世纪40～60年代进行了大量的野外观测和风洞实验，对风沙运动的性状进行了多方面的描述，并利用实验数据对风沙运动、输运和沉积的机理以及风蚀率的影响因素等诸多问题进行了初步的研究。在此期间，受当时美国大平原和加拿大西部频繁发生沙尘暴的影响，美国土壤学家切皮尔（W. S. Chepil）领导的研究小组对土壤风蚀做了系统研究并提出了风蚀预报方程，他的研究既增强了对风沙运动的理解，也为风沙运动的应用研究树立了典范；苏联学者的风沙流研究以兹纳门斯基为代表，主要研究各种粗糙表面的风沙流蚀积规律；日本学者河村龙马等也对风沙运动进行了研究。这一时期内，由于人们对风沙运动的认识还处在一个较低的水平，所以有关的工作多是实验研究，目的是从中获得对风沙运动的感性认识，进而促进风沙运动理论模型的建立。
随着人们对风沙运动认识水平的提高，国内外学者从20世纪60年代后期开始致力于建立风沙流中颗粒运动的数学模型，由此风沙运动研究进入了数学建模与定量模拟阶段。此研究阶段的主要推动是由于航天领域对火星、金星等行星表面的地貌特征及其演化过程的兴趣，使得人们进行了大量的风洞实验和数值计算，以探讨不同大气环境下颗粒的起动和跃移过程及其与风成地貌的关系。各国学者利用高速摄影技术，结合理论分析与计算对单一颗粒的运动特征进行了深入细致的研究，但却没有能够将这些微观研究成果应用于定量描述风沙流整体行为的论著出现。Owen（1964）、Ungar和Haff（1987）等学者首先通过简单的单一形状轨道的假定，建立了风沙运动模型，揭示了边界层中沙粒运动的一些基本特性。如Owen（1964）求得沙粒的跃移高度正比于摩阻风速的平方，并以此来度量风沙边界层的厚度；Ungar和Haff（1987）通过数值模拟得出了风—沙粒相互耦合时风沙层里的风速廓线，以及与Bagnold（1941）的实验结果定性相同的起沙后风速沿高度分布曲线中的Bagnold“焦点”。这些基础研究成果，使人们认识到风沙边界层中沙粒对风速的反作用在风沙运动分析中是不能忽视的，亦即，在风沙流分析中必须采用风与沙粒的双向耦合模型。Owen（1964）及Ungar和Haff（1987）在模型中采用了沙粒运动的单一轨道的假定，显然这一假定与实际不完全相符，从而得到的输沙率沿高度分布也和实际情况有较大的差别。为了既能克服这个缺点，同时又能考虑沙粒的群体特性与风沙的关系，人们开始将注意力集中到了起跳沙粒的初速度分布函数上，这一时期是风沙研究蓬勃发展的时期，由解释行星地貌形成过程带动的风沙运动研究热潮一直持续到80年代初。
以1985年在丹麦Aarhus大学举行的第一届风沙物理学国际研讨会为标志，风沙运动研究进入了注重微观研究与宏观研究相结合的新阶段，对自Bagnold（1941）以来的风沙物理学研究进行了全面而系统的总结（董飞等，1995）。在此之前，理论研究主要是针对单个颗粒运动进行的，即属于细观研究的范畴。Aarhus会议之后，更多的注意力转向如何利用单个颗粒的运动特征去解释风沙流的整体特性，即开始用微观研究得到的规律去解释宏观现象。这一阶段研究有重要推动作用的是美国学者R.S.Anderson，他于1988年在著名期刊Science发表了题为“Simulation of eolian saltation”的论文，文中从单颗沙粒起跳开始，在空中吸收风能后撞击沙面，由击溅函数得到反弹沙粒和被溅起沙粒数及其速度，通过考虑沙粒对风场的反作用力，模拟了风沙跃移运动从起始阶段至风沙流达到自平衡状态的整个过程，他们的这些结果与实验结果能够在定性上相吻合，但在定量上相差较大（Anderson，1988）。第二届风沙物理学国际会议主题为“风沙过程与风蚀环境”，于1990年在丹麦召开，以纪念风沙物理学的奠基人R.A.Bagnold和另一位风沙物理学大师P.R.Owen。1991年，国际著名力学期刊Acta Mechanica为此次会议出版了题为“风沙迁移”的专辑，其中首篇即为R.S.Anderson的综述性文章“风沙运动研究的进展”，他在该文中详细介绍了风沙运动研究的进展与存在的问题，并指出“风沙运动研究中已有的定量化理论模型还远未达到能够对输沙率进行可靠预测的程度”。其后直到2002年在美国召开的第五届风沙物理学国际会议，在风沙运动基础理论，包括风沙运动数值模型和理论预测以及沙丘地貌的动力学过程等方面，没有出现突破性进展。
21世纪初，我国风沙运动研究取得若干新的进展。董玉祥（2001）通过对国内外在海岸沙丘表面气流运动与风沙流结构观测、海岸风沙运动速率观测、海岸风沙运动模拟研究方面的回顾，较为详尽地评述了近期海岸风沙运动观测与模拟研究的主要进展。我国的力学工作者进行了许多理论研究工作，还进行了卓有成效的风沙治理。以著名大气物理学家曾庆存院士为首的一批从事气象、遥感、地理和环境研究的科技工作者，在国家项目的支持下，充分发挥多学科联合攻关的优势，在沙尘暴研究方面取得了多方面的创新性研究成果（郑晓静和周又和，2003；郑晓静，2007）。郑晓静、黄宁等研究力学和地学的学者联合进行风沙运动与沙漠化方面的研究工作。郑晓静教授在2000年主持的国家重点基础研究发展规划项目（973项目）第2课题“风沙运动的力学机理与土壤风蚀的定量评价”研究中，给出了沙粒电荷与临界风速和输沙率标准方程关系的有力解释，而且在跃移输沙率和处理静电力影响方面进行了深入研究。黄宁和郑晓静（2007）通过实验研究、理论预测和计算机模拟，研究了混合粒、床碰撞问题，进而首次全面给出了包含粒径信息的随机碰撞击溅函数，在此基础上，通过考虑沙粒在风场中的动力学特性，特别是沙粒的蠕移运动，实现了对沙波纹形成过程的模拟并分析了影响沙波纹物理特性的各种因素。
除了以上兰州大学风沙环境力学研究小组在风沙运动力学机理方面取得的进展之外，我国广大地学与其他科学工作者也在风沙运动与风沙地貌等方面开展了大量的研究（董治宝，2005）。Dong等（2004a，2004b）对不同沙粒粒径在不同风速（摩阻风速）时的输沙率在风洞进行了比较全面的测定，以期寻找比较合适的输沙率计算公式，其结果表明，输沙率可用改进的Bagnold型方程来计算，但输沙率与沙粒粒径的关系与Bagnold方程不同。李振山和倪晋仁（2003）从挟沙气流中两个代表性无量纲参数—输沙率参数和特征风速参数之间的关系入手，结合大量的实测输沙率资料，对形式各异的输沙率公式进行了分析和比较，指出了现行输沙率公式适用范围的局限性。邹学勇等（1999）应用高速频闪摄影技术和理论分析相印证的方法，研究了风沙流中跃移沙粒的速度与浓度的分布。邢茂和郭烈锦（2004）运用颗粒-流体两相流的随行走扩散
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