前高后低型防風(fēng)固沙林防風(fēng)效應(yīng)及其對(duì)風(fēng)向的響應(yīng)

馬彥軍, 李雪琳, 馬 瑞, 張瑩花, 魏林源, 張統(tǒng)帥

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省治沙研究所 荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730070)

防風(fēng)固沙林的主要功能是降低風(fēng)速，防止就地起沙和阻截外來風(fēng)沙流。從造林樹種的選擇和配置來看，中國(guó)干旱沙區(qū)在立地條件較差的區(qū)域仍以單一樹種組成的純林為主，部分保護(hù)區(qū)和保護(hù)路段營(yíng)建有兩種或兩種以上樹種組成的復(fù)合林帶。在空間配置上，復(fù)合林帶有株間配置、行間配置和帶狀配置等3種模式，其中，以株間配置和行間配置較為常見。楊婷婷[1]、烏拉[2]對(duì)新疆楊(Populusbolleana)+青楊(Populuscathayana)+沙棗(Laeagnusangustifolia)、二白楊(Populusgansuensis)+杜梨(Pyrusbetulifolia)模式的林帶的防風(fēng)效能從疏透度的角度進(jìn)行了研究，所得防風(fēng)效能為11.7%～35%；彭帥[3]、付亞星等[4]對(duì)榆樹(Ulmuspumila)+檸條(Caraganakorshinskii)、楊樹(Populus)+榆樹、楊樹/榆樹+灌木模式的林帶的防風(fēng)效能從空間分布上進(jìn)行了研究，所得最大防風(fēng)效能點(diǎn)在帶后約3 H處。鄭錕[5]對(duì)木麻黃(Casuarinaequisetifolia)+濕地松(Pinuselliottii)模式的海岸防護(hù)林的防風(fēng)效能從混交比例的角度進(jìn)行了研究，所得防風(fēng)效能為49.3%～52.1%，各混交比例下的最大風(fēng)速降幅均出現(xiàn)在帶內(nèi)到帶后1 H的范圍內(nèi)。

目前對(duì)帶狀配置型防風(fēng)固沙林防風(fēng)效能的研究還未見報(bào)道。本研究擬以帶狀配置型復(fù)合林帶為研究對(duì)象，通過風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，對(duì)林帶主要影響區(qū)的風(fēng)速變化、氣流加速率、防風(fēng)效能及防護(hù)范圍等進(jìn)行分析，探索兩種不同特征的樹種經(jīng)帶狀配置后形成的復(fù)合林帶的防風(fēng)效應(yīng)及其對(duì)風(fēng)向的響應(yīng)，以期為荒漠綠洲、沙漠公路、沙漠鐵路等防護(hù)區(qū)人工防風(fēng)固沙林的營(yíng)建提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

風(fēng)洞模擬試驗(yàn)在甘肅省治沙研究所風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該風(fēng)洞由中國(guó)航空空氣動(dòng)力研究院于2013年設(shè)計(jì)建造，可用于各種沙害防治措施的模擬試驗(yàn)研究。風(fēng)洞氣流為直流下吹式，可調(diào)風(fēng)速范圍4～35 m/s。洞體總長(zhǎng)為38.9 m，由進(jìn)氣段、動(dòng)力段、整流段、收縮段、試驗(yàn)段、可調(diào)試驗(yàn)段和擴(kuò)散段組成。其中試驗(yàn)段長(zhǎng)16 m，截面為1.2 m×1.2 m，可調(diào)試驗(yàn)段長(zhǎng)2.5 m，截面1.2 m×1.3 m。

1.2 試驗(yàn)材料及林帶設(shè)計(jì)

依據(jù)梭梭(Haloxylonammodendron)、檸條的空間構(gòu)型特征及幾何相似準(zhǔn)則，依比例定制仿真植物模型A，分別記作仿真植物A(梭梭)和仿真植物B(檸條)，模型相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 研究用仿真植物模型參數(shù)

沿風(fēng)向，將2種仿真植物配置成AmBn型林帶，A表示林帶的前3行為仿真植物梭梭，m表示其株距為15 cm，行距為40 cm，B表示林帶的后3行為仿真植物檸條，n表示其株距為8.5 cm，行距為25 cm，兩種植物承接區(qū)的行距取均值，即32.5 cm，試驗(yàn)測(cè)定時(shí)，風(fēng)向垂直于林帶由A植物區(qū)吹向B植物區(qū)。將AmBn型林帶中A，B植物出現(xiàn)順序調(diào)換，即風(fēng)由B植物區(qū)吹向A植物區(qū)，此時(shí)，林帶記為BnAm型林帶。上述林帶中，行與行水平向交錯(cuò)1/2株距，形成品字形格局。

1.3 風(fēng)速觀測(cè)

測(cè)點(diǎn)沿風(fēng)洞中軸線布設(shè)，將林帶前的測(cè)點(diǎn)標(biāo)記為負(fù)值，林帶第1行之后的測(cè)點(diǎn)標(biāo)記為正值。依據(jù)預(yù)試驗(yàn)，將風(fēng)速測(cè)定區(qū)范圍確定為帶前60 cm至帶后690 cm。每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)定1，3，5，8，13，20，30，40，60 cm共9個(gè)高度的風(fēng)速值。本研究中試驗(yàn)風(fēng)速，即風(fēng)洞進(jìn)口指示風(fēng)速分別為7，10，15 m/s，以各試驗(yàn)風(fēng)速下無(wú)植物配置時(shí)測(cè)定的風(fēng)速為對(duì)照(CK)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與圖形繪制

1.4.1 氣流加速率計(jì)算 氣流加速率可以直接反映林帶對(duì)氣流的加速情況，計(jì)算公式如下：

akij=vkij/vkj

(1)

式中：k——試驗(yàn)風(fēng)速(m/s)；i——風(fēng)速測(cè)定點(diǎn)；j——風(fēng)速垂直測(cè)量高度(cm)；akij——?dú)饬骷铀俾?；vkij——坐標(biāo)(i，j)點(diǎn)在k風(fēng)速下的測(cè)量值(m/s)；vkj——在k風(fēng)速下的對(duì)照風(fēng)速值(m/s)。當(dāng)akij>1時(shí)，表示林帶對(duì)氣流有加速的作用，風(fēng)速增加；akij<1時(shí)，表示林帶對(duì)氣流有減速的作用，風(fēng)速降低；akij=1時(shí)，表示林帶對(duì)氣流沒有影響，風(fēng)速保持不變。

1.4.2 防風(fēng)效能計(jì)算 防風(fēng)效能是體現(xiàn)防護(hù)林帶防護(hù)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

Ekij=(vkj-vkij)/vkj×100%

(2)

式中：Ekij——林帶后i距離處、高度j處的防風(fēng)效能，用于反映風(fēng)速被削弱的程度；vkj，vkij——與氣流加速率公式所述一致。

1.4.3 圖形繪制 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理及風(fēng)速變化圖、防風(fēng)效能圖的繪制在Excel軟件中完成，氣流加速率等值線圖的繪制在Surfer 8.0軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速軸向變化特征

如圖1所示，各試驗(yàn)風(fēng)速下，當(dāng)風(fēng)洞內(nèi)無(wú)植物時(shí)，

測(cè)定風(fēng)速均隨高度的增加而增加，布設(shè)林帶后，各高度風(fēng)速均發(fā)生明顯變化，氣流到達(dá)林帶前速度整體降低，到達(dá)AmBn型林帶的第一行或BnAm型林帶的第4行時(shí)流速出現(xiàn)明顯分化，依據(jù)風(fēng)速變化特征，可將氣流層劃分為上(30 cm以上)、中(5—20 cm)、下(3 cm以下)3層。上部氣流層受林帶的影響相對(duì)較小，氣流受林帶抬升，速度升高，帶后速度降低并出現(xiàn)次級(jí)分化，即距冠層較近的30 cm高度處的風(fēng)速在A植物區(qū)后出現(xiàn)顯著降低，尤其在AmBn型林帶上方表現(xiàn)更為明顯，而40，60 cm高度處的風(fēng)速變化則較為緩慢；中部氣流層位于復(fù)合林帶的冠層高度，氣流到達(dá)林帶區(qū)時(shí)，受枝葉的阻滯、切割作用，能量損耗，速度出現(xiàn)大幅度波動(dòng)式降低；下部氣流層受床面和林帶的共同影響，在到達(dá)林帶背風(fēng)區(qū)之前風(fēng)速持續(xù)波動(dòng)降低，在林帶后一定距離處開始恢復(fù)，當(dāng)A植物處于上風(fēng)向時(shí)，恢復(fù)點(diǎn)在帶后的510 cm，約23 H處(H=22 cm)，而當(dāng)B 植物處于上風(fēng)向時(shí)，恢復(fù)點(diǎn)在帶后275 cm，約12.5 H處。

2.2 氣流加速率變化特征

由氣流加速率等值線(圖2)可知風(fēng)速加速區(qū)(akij>1)和減速區(qū)(akij<1)的分布范圍，可以看出，當(dāng)氣流到達(dá)AmBn型林帶后均在400 mm高度，即1.82倍梭梭樹高以上形成風(fēng)速加速區(qū)，且隨著試驗(yàn)風(fēng)速增大到10，15 m/s時(shí)，風(fēng)速加速區(qū)的起始形成點(diǎn)向下風(fēng)向位移，從而使前沿風(fēng)速減速區(qū)的影響范圍擴(kuò)大。而對(duì)于BnAm型林帶，風(fēng)速加速區(qū)在帶前-60 cm處(2.73 H)就已形成。此外，兩種林帶除了在林帶上方形成加速區(qū)外，在相鄰植株間的狹管效應(yīng)下，近地層氣流到達(dá)林帶內(nèi)也均出現(xiàn)了小范圍的加速情況。

本研究定義風(fēng)速被消弱50%以上，即akij<0.5的區(qū)域?yàn)轱L(fēng)影區(qū)；風(fēng)速被消弱80%以上，即akij<0.2的區(qū)域?yàn)轱L(fēng)影核心區(qū)。則由圖2可知，當(dāng)株高22 cm的A植物處于上風(fēng)向時(shí)，其風(fēng)影區(qū)的范圍明顯大于株高16 cm的B植物處于上風(fēng)向時(shí)，尤其是在水平范圍上。風(fēng)影核心區(qū)是受林帶影響，風(fēng)速降低幅度最大的區(qū)域，從風(fēng)影核心區(qū)的數(shù)量和高度上看，兩種配置模式下均在A，B植株區(qū)各出現(xiàn)一個(gè)風(fēng)影核心區(qū)，形成雙核模式，每個(gè)核的高度與A，B植物冠層的分布高度一致，而這一分布格局可能是影響風(fēng)速減速區(qū)分布范圍及強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。顯然，AmBn型林帶風(fēng)速減速區(qū)的范圍更廣，風(fēng)速降低幅度更大。

圖1 各試驗(yàn)風(fēng)速下不同高度層風(fēng)速軸向變化特征

2.3 防風(fēng)效能變化特征

2.3.1 平均防風(fēng)效能 防風(fēng)效能是防風(fēng)固沙林防護(hù)效益最主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。在7，10，15 m/s試驗(yàn)風(fēng)速下，AmBn型林帶考察區(qū)的平均防護(hù)效能分別為34.44%，34.98%和32.51%；BnAm型林帶考察區(qū)的平均防風(fēng)效能分別為22.62%，19.70%和19.41%，低于AmBn型林帶11.82，15.28，13.10個(gè)百分點(diǎn)。因此，就防護(hù)效能的均值來看，AmBn型林帶明顯優(yōu)于BnAm型林帶。

2.3.2 防風(fēng)效能垂直變化特征 以7 m/s試驗(yàn)風(fēng)速為例。從防風(fēng)效能的垂直分布(圖3)來看，2種防風(fēng)固沙林的防風(fēng)效能主要體現(xiàn)在A植物的植株高度(H=22 cm)以下，最大值在A植物的冠層中心高度處，分別為58.76%(AmBn型)和49.04%(BnAm型)，最小值在距床面3 cm的高度處，分別為35.25%(AmBn型)和30.25%(BnAm型)。在樹高以上，防風(fēng)效能大幅度降低，并在30～40 cm高度以上為負(fù)值，這說明林帶對(duì)氣流產(chǎn)生減速作用的垂直高度區(qū)域主要是在1.5倍樹高范圍內(nèi)，而對(duì)此范圍以上的氣流起加速作用。

2.3.3 防風(fēng)效能水平變化特征 帶前、帶后防護(hù)效能及帶后防護(hù)距離關(guān)系到防風(fēng)固沙林在建植區(qū)以外的防護(hù)效果。從7 m/s試驗(yàn)風(fēng)速下防風(fēng)效能的水平變化(圖4)來看，2種類型林帶0—60 cm高度的平均防護(hù)效能在總趨勢(shì)上均為先增后減，相比之下，AmBn型林帶在帶前、帶后的平均防風(fēng)效能均優(yōu)于BnAm型林帶。在帶后，AmBn型林帶和BnAm型林帶平均防風(fēng)效能的最大值分別出現(xiàn)在450 cm(20.5 H)和280 cm(12.7 H)處，此距離點(diǎn)之后防風(fēng)效能開始降低，從降低趨勢(shì)來看，AmBn型林帶具有較大的防護(hù)距離。

圖2 各試驗(yàn)風(fēng)速下氣流加速率等值線分布

圖3 7 m/s風(fēng)速下防風(fēng)效能垂直變化

此外，由于植株空間構(gòu)型引起不同高度層氣流能量消耗元的差異，使防風(fēng)效能水平變化特征也存在高度差異。其中，13 cm為A植物的冠層中心高度，同時(shí)也處在B植物冠層所處的高度層內(nèi)，其防風(fēng)效能在林帶背風(fēng)側(cè)單調(diào)降低；而受枝干和床面粗糙度雙重影響的近地層1 cm處的防風(fēng)效能在林帶內(nèi)均出現(xiàn)負(fù)值，其負(fù)值區(qū)即對(duì)應(yīng)于近地層風(fēng)速加速區(qū)(akij>1) (見圖2)，林帶后該高度處的防風(fēng)效能出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，BnAm型林帶遞減幅度大于AmBn型林帶。

圖4 7 m/s試驗(yàn)風(fēng)速下不同高度防風(fēng)效能水平變化

3 討 論

防護(hù)林學(xué)最核心的問題是防護(hù)林的密度、配置格局及防護(hù)效應(yīng)。大量研究表明，防護(hù)林的防護(hù)效應(yīng)與樹種的個(gè)體特征[6-7]，分布格局[8-11]、帶寬[12-14]以及林分密度[13,15-16]等多種因素有關(guān)。一般來說，由同一樹種組成的林帶由于植株個(gè)體的幾何形狀和空間構(gòu)型相近，因此，密度是影響整個(gè)防護(hù)林參數(shù)，如孔隙率、體積密度以及空間流場(chǎng)的關(guān)鍵因子，而對(duì)于由兩種及兩種以上樹種組成的防護(hù)林來說，由于不同樹種的高度、冠幅、空間構(gòu)型、枝葉量等個(gè)體特征的不同，使得林帶結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，此時(shí)，除了密度，植株的空間配置模式也必將成為影響林帶防風(fēng)效應(yīng)的關(guān)鍵因素。

本研究根據(jù)不同樹種對(duì)風(fēng)速影響的差異性，將具有不同個(gè)體特征的A，B植物沿風(fēng)向配置成前高后低的AmBn型和前低后高的BnAm型林帶，其風(fēng)速測(cè)定結(jié)果表明AmBn型林帶無(wú)論在風(fēng)速降幅上，還是在防護(hù)范圍上均明顯優(yōu)于BnAm型林帶，這說明影響該類型林帶防風(fēng)效能的因素除了上述因子外，還與該組合模式下氣流到達(dá)不同樹種的先后順序有關(guān)。顯然，當(dāng)A植物處于上風(fēng)向時(shí)，復(fù)合林帶表現(xiàn)出更為顯著的防風(fēng)效果。從氣流能量消耗的角度來看，這一影響主要是由于具有不同個(gè)體特征，尤其是高度不同的A，B植物對(duì)不同高度層氣流能量的消耗強(qiáng)度不同所致。因此，當(dāng)相反風(fēng)向作用時(shí)，初始?xì)饬鞯哪芰肯哪Ｊ桨l(fā)生了根本變化，并體現(xiàn)在風(fēng)速、氣流加速率以及防風(fēng)效能的空間變化上，正如Heisler等[17]和Zhou等[6]所指出的，林帶結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，越難在流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)間建立關(guān)系。

4 結(jié) 論

(1) 氣流到達(dá)林帶前速度整體降低，到達(dá)林帶后分化上(30 cm以上)、中(5—20 cm)、下(3 cm以下)3層。下部氣流層在AmBn型和BnAm型林帶后的風(fēng)速恢復(fù)點(diǎn)分別位于23 H處和12.5 H處。

(2) AmBn型林帶風(fēng)影區(qū)的范圍明顯大于BnAm型林帶；兩種林帶在A，B植物區(qū)的上方各出現(xiàn)一個(gè)風(fēng)影核心區(qū)(akij<0.2)，形成雙核模式，核的高度與A，B植物冠層的分布高度一致。

(3) 在7，10，15 m/s試驗(yàn)風(fēng)速下，AmBn型林帶和BnAm型林帶考察區(qū)的平均防護(hù)效能分別為34.44%，34.98%，32.51%和22.62%，19.70%，19.41%；垂直方向上，林帶對(duì)氣流產(chǎn)生減速作用的區(qū)域主要是樹高1.5倍的范圍內(nèi)，而對(duì)此范圍以上的氣流起加速作用；水平方向上，AmBn型林帶的防風(fēng)效能在帶前、帶中、帶后均優(yōu)于BnAm型林帶。

(4) 在具有明顯主導(dǎo)風(fēng)/盛行風(fēng)作用的防護(hù)區(qū)，建議按照AmBn型林帶配置模式將梭梭等高度較高、冠幅較大的樹種配置于上風(fēng)向，而將體型較小的檸條等植物配置于靠近防護(hù)對(duì)象一側(cè)的下風(fēng)向。