李思雯

(黑龍江省林業(yè)監(jiān)測規(guī)劃院，黑龍江哈爾濱150080)

風(fēng)倒是森林中的常見現(xiàn)象，研究其機理具有理論和應(yīng)用兩方面的意義。在理論研究上，風(fēng)是一個生態(tài)因子，風(fēng)倒是林隙的主要成因，林隙對森林動態(tài)有重要的影響［1-4］，研究風(fēng)倒機理有助于揭示林隙動態(tài)規(guī)律及其生態(tài)學(xué)影響［5］。在實際應(yīng)用中，風(fēng)倒是森林中多發(fā)的災(zāi)害，會造成木材產(chǎn)量和質(zhì)量的下降。英、美等國每次災(zāi)害性風(fēng)倒造成的木材損失都達數(shù)百萬立方米，每年非災(zāi)害性風(fēng)倒造成的木材減產(chǎn)均在15%以上［6］。目前我國全國風(fēng)倒造成的損失也很嚴重［7-9］，僅1996年“9615”號臺風(fēng)給湛江市林業(yè)帶來的直接損失就達21．1億元［10］。只有弄清風(fēng)倒機理，建立相關(guān)模型，建立科學(xué)的風(fēng)倒風(fēng)險評估體系［11］，才能在森林經(jīng)營中采取科學(xué)的措施來減少風(fēng)倒帶來的損失。該文對風(fēng)倒機理的研究現(xiàn)狀進行綜述，并對未來的研究提出建議。

1 風(fēng)倒機理研究現(xiàn)狀

風(fēng)倒包括干折(stem breakage)和根倒(uprooting)2種，主要受林木生物力學(xué)特性、土壤支持力(root anchorage)和風(fēng)的擾動3個因素影響［12］。其中，林木的生物力學(xué)特性與立木年齡、樹干強度、干型、樹冠形狀和大小及樹木健康狀況等因素有關(guān);土壤支持力受土壤剪切強度、含水率、樹木根系深度、寬度和重量等影響，二者決定了樹木的總抗風(fēng)性。風(fēng)的擾動主要受風(fēng)速、風(fēng)壓、頻率、不同林分密度和復(fù)雜地形下的風(fēng)場分布影響。因此，風(fēng)倒機理的研究涉及力學(xué)中的固體力學(xué)、流體力學(xué)、土力學(xué)和林學(xué)中的森林生態(tài)學(xué)、森林土壤學(xué)、森林培育學(xué)、森林氣象學(xué)、森林病理學(xué)等多個學(xué)科，需要這些學(xué)科的交叉與合作。

風(fēng)倒機理的研究在國外開展較早。英國、加拿大、美國等國家對樟子松(Pinus sylvestris)、西加云杉(Picea sitchensis)、挪威云杉(Picea abies)、西鐵杉(Tsuga heterophylla)等樹種的風(fēng)倒機理進行了深入、廣泛的研究。通過動力學(xué)理論推導(dǎo)，結(jié)合野外試驗中林木和土壤力學(xué)參數(shù)的測定、地形數(shù)字高程模型和實物模型風(fēng)洞試驗，獲得了復(fù)雜地形下和不同林分密度時的風(fēng)場分布，建立了一系列力學(xué)方程來描述林木的抗風(fēng)性［13-15］，對風(fēng)倒的力學(xué)機理進行了闡述，形成若干林木風(fēng)倒機理模型，如 MC2［16］、HWIND［17］、FORESTGALES［18］和WINDARC［19］等，它們代表了國際風(fēng)倒機理研究的先進水平。其中，典型的是Peltola［13］將樟子松簡化成一個地上的簡支梁，分析了樹木在持續(xù)穩(wěn)定風(fēng)載作用下的穩(wěn)定性，然后計算能夠?qū)浯档沟娘L(fēng)速。Gardiner［18］研究了針葉樹的樹干模型，把它等效成一個逐漸變細的懸臂梁，在樹高的70%處加一個質(zhì)量體，對系統(tǒng)進行了動力學(xué)分析，獲得系統(tǒng)的自然頻率、平均和波動位移。

我國目前還沒有系統(tǒng)的研究風(fēng)倒學(xué)機理。在國內(nèi)涉及風(fēng)倒的研究中，李國旗等［20］根據(jù)現(xiàn)有公式對不同風(fēng)壓和高度處樹木應(yīng)力的分布進行了研究。陳少雄等［21-23］采用野外調(diào)查和統(tǒng)計方法分別研究了泡桐、桉樹、木麻黃等樹種的抗風(fēng)性與個體特征、林分特征之間的關(guān)系。其他基本是從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)研究林隙的［24-26］。上述研究涉及風(fēng)倒機理較少，在2000年以前國內(nèi)關(guān)于風(fēng)倒機理的專項研究基本屬于空白。之后，開展了較多的研究，主要是利用國外模型，對國內(nèi)一些樹種，主要是對東北的云杉進行了研究［27-31］。其中宋曉鶴等［28-30］以云杉為研究對象，從不同角度研究了樹木風(fēng)倒的力學(xué)機理。他主要研究了云杉的風(fēng)倒靜力學(xué)特性，測定了相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)，建立了該樹種的風(fēng)倒靜力學(xué)模型。王琳［29］將云杉樹干看作橫截面隨高度呈冪函數(shù)的彈性桿，一端固定，一端自由并連有質(zhì)量團，分析了該彈性桿樹干的振動特性。賴秋明［30］基于經(jīng)典梁振動理論和Ansys有限元法對云杉風(fēng)倒動力學(xué)問題進行研究，得到了云杉模型的固有頻率和各階模態(tài)，分析了影響云杉模型固有頻率的幾個因子，建立了該樹種的風(fēng)倒動力學(xué)模型。賈杰等［31］在此基礎(chǔ)上，將林木進一步簡化成一根無質(zhì)量彈性桿連結(jié)，給出林木的動態(tài)微分方程以及模型邊界條件，考慮了樹干底部彎矩和風(fēng)力的關(guān)系，建立了無阻尼和有阻尼情況下林木風(fēng)倒的簡化動態(tài)模型。此外，賈杰等［27］利用Von-Karman風(fēng)譜模型，在頻率域內(nèi)分析了懸鈴木風(fēng)倒的機理，通過對力譜、基礎(chǔ)彎矩譜的理論推導(dǎo)，給出陣風(fēng)頻率的能量分配問題，從而獲得相關(guān)的參數(shù)變量，尤其是振動彎矩極值，并指出當(dāng)這個極值超過莖和根系所能承受的彎矩時，風(fēng)倒便會發(fā)生。這些研究對于森林防風(fēng)具有重要意義。

2 風(fēng)倒機理研究存在的問題

現(xiàn)有的模型正確描述了風(fēng)倒機理的許多方面，但受研究條件等限制在系統(tǒng)設(shè)計時對關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了簡化，造成模型與實際情況之間的較大誤差［14］。其中最主要的問題是:活立木具有生長適應(yīng)能力，其生物力學(xué)特性決定了它對風(fēng)的響應(yīng)。這種生物力學(xué)響應(yīng)既有彈性形變，又不完全等同。在低于臨界風(fēng)速(critical windspeed)的持續(xù)風(fēng)的作用下樹干(乃至樹冠)會發(fā)生形變積累，而不是如現(xiàn)有模型中所描述的重新回到直立平衡位置?；盍⒛驹陲L(fēng)倒時不僅發(fā)生脆性斷裂，還會出現(xiàn)塑性形變，而且這2種過程的比例和作用隨立木年齡變化而變化。以前的一些模型把樹干作為非生物彈性體、將風(fēng)倒過程僅按脆性斷裂處理而未考慮活立木的生物力學(xué)特性。因此，它們只能預(yù)測超過固定臨界風(fēng)速時發(fā)生的風(fēng)倒，而不能揭示活立木生物特性對風(fēng)倒過程的影響，也無法解釋樹木在較低風(fēng)速時發(fā)生的風(fēng)倒和形變積累對臨界風(fēng)速的影響。這是現(xiàn)有模型與實際情況出入最大的地方。國內(nèi)研究［28-30］對這方面進行了改進，將樹干看作是彈性桿，但其模型過于簡化，沒有考慮樹冠的形狀對風(fēng)倒的影響。

其他存在的問題有:①模型將樹冠看成具有連續(xù)介質(zhì)的傘蓋式形體，把復(fù)雜的根系簡化為規(guī)則幾何體，未考慮其孔性。②模型在計算土壤對林木地上部分的支持時，僅通過林木地上與地下的質(zhì)量比來估測，并未充分考慮土壤的力學(xué)特征。③模型雖然考慮了林木個體的固有頻率、阻尼系數(shù)等動力學(xué)量，但未考慮林木間共振對風(fēng)倒在林分中的傳播效應(yīng)。④模型沒有考慮動力學(xué)以及靜力學(xué)量在風(fēng)(流場)、林木和土壤(固場)等多物理場中的耦合效應(yīng)。此外，由于風(fēng)倒的突發(fā)性和危險性，其過程難以記錄。許多研究是在風(fēng)倒后才進行，往往采集不到所需的數(shù)據(jù)，這極大限制了對風(fēng)倒機理的研究并制約了風(fēng)倒機理模型在生態(tài)學(xué)研究和森林經(jīng)營中的應(yīng)用。

3 對未來研究的建議

在方法上，建議進一步開展多學(xué)科的交叉，將動力學(xué)原理和林木生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性結(jié)合，采用非線性有限元法，完善樹冠、樹根的多孔彈性介質(zhì)三維模型。合理簡化樹干模型，可以把樹干作為生物彈性體處理，模擬自然風(fēng)對樹干造成的彎曲變形累積、確定不同彎曲下的臨界風(fēng)速和年齡對風(fēng)倒中塑變和脆裂過程的影響。還應(yīng)該加強與試驗資料的結(jié)合，利用土力學(xué)計算根系中應(yīng)力與阻力彎矩間的定量關(guān)系，通過野外現(xiàn)場力學(xué)試驗和風(fēng)洞試驗對復(fù)雜地形下的風(fēng)場分布和力學(xué)方程參數(shù)化，最終揭示多物理場耦合的風(fēng)倒的非線性生物動力學(xué)機理。這種思路是一種生物動力學(xué)機理思想，可以在現(xiàn)有單純動力學(xué)基礎(chǔ)上更好地揭示風(fēng)倒的機理。

在研究對象上，建議今后應(yīng)研究不同樹種的風(fēng)倒機理。目前國際上對針葉樹的風(fēng)倒研究較多，這與一些地區(qū)針葉樹風(fēng)倒嚴重有關(guān)。但在一些地方，闊葉樹風(fēng)倒也時有發(fā)生，今后應(yīng)加強闊葉樹風(fēng)倒機理的研究。

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