周云鶴，陳 智，佟 鑫，禚春祥，劉海洋，豪寶爾

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

中國(guó)干旱、半干旱地區(qū)受到風(fēng)蝕荒漠化的威脅，土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展造成了極大的危害，并且給當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的生產(chǎn)生活帶來(lái)了諸多不便[1-2]。土壤風(fēng)蝕是荒漠草原植被退化的主要原因之一。因此，在荒漠草原種植防護(hù)林帶，可以有效改善退化草原植被的生存環(huán)境，遏制水土流失，改善生態(tài)環(huán)境，達(dá)到防治土壤風(fēng)蝕的目的[3-4]。

研究林帶結(jié)構(gòu)對(duì)空氣流場(chǎng)的影響能夠?yàn)樾迯?fù)荒漠草原提供理論依據(jù)。林帶結(jié)構(gòu)及其配置對(duì)防護(hù)效果有重要影響，合理的林帶結(jié)構(gòu)能夠有效提升防護(hù)效果[5-6]。已有研究表明，疏透度[7]、覆蓋度[8]、高度[9]、間距[10]等因素對(duì)防風(fēng)能力有很大影響。這些研究結(jié)果表明，種植植物是防治土壤風(fēng)蝕的有效方法，植物帶式配置是防風(fēng)固沙低成本、高效益的有效措施。

縱觀研究進(jìn)展，對(duì)沙漠治理、農(nóng)田防護(hù)的研究相對(duì)較多，而利用灌草帶式配置對(duì)荒漠草原的修復(fù)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。實(shí)踐證明，疏透度對(duì)草地的防護(hù)效果有很大影響。因此，合理配置灌草帶具有重要意義。植被的落葉期是土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重的季節(jié)，而落葉期林帶對(duì)空氣流場(chǎng)影響的相關(guān)研究較為少見(jiàn)。本研究利用風(fēng)蝕風(fēng)洞開(kāi)展模擬試驗(yàn)，以落葉期的檸條帶為研究對(duì)象，測(cè)定不同疏透度的“一行一帶”式林帶在不同風(fēng)速下帶后的防風(fēng)效能和風(fēng)速廓線變化，總結(jié)不同結(jié)構(gòu)灌木林帶的流場(chǎng)特征，探索科學(xué)的配置參數(shù)用以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)OFDY-1.2移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞由過(guò)渡段、整流段(包括開(kāi)孔板、蜂窩器、阻尼網(wǎng)和非均勻網(wǎng)格)、收縮段和試驗(yàn)段組成。風(fēng)洞全長(zhǎng)11.8 m，試驗(yàn)段設(shè)計(jì)為矩形無(wú)底截面，其尺寸為長(zhǎng)7.2 m、寬1 m、高1.2 m。試驗(yàn)段湍流度≤1.5%，橫向均勻性指數(shù)≤1%，風(fēng)速范圍0～20 m/s，風(fēng)速控制采用無(wú)級(jí)調(diào)速。

試驗(yàn)儀器采用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HFP-8型近地表風(fēng)速廓線儀(見(jiàn)圖1)，該風(fēng)速廓線儀主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、風(fēng)速傳感器組、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成，在垂直高度上排列8個(gè)風(fēng)速傳感器，其距地表高度分別是2、4、8、16、23、32、45、64 cm，可實(shí)時(shí)采集并無(wú)線傳輸風(fēng)速數(shù)據(jù)。

1—底板；2—風(fēng)速傳感器探頭；3—變送器；4—傳感器基板；5—無(wú)線收發(fā)模塊；6—天線；7—電池；8—電源開(kāi)關(guān)；9—充電口。

1.2 試驗(yàn)布置方法

通常計(jì)算試驗(yàn)對(duì)象的雷諾數(shù)Re作為確定風(fēng)洞測(cè)量中動(dòng)力相似性的標(biāo)準(zhǔn)[11]，計(jì)算公式為

Re=ρVL/μ

(1)

式中：ρ為空氣密度，取1.205 kg/m3；V為平均風(fēng)速，m/s；L為特征長(zhǎng)度，是指測(cè)試部分的等效橫截面直徑，m；μ為空氣的動(dòng)態(tài)黏度，取1.81×10-5Pas。

當(dāng)雷諾數(shù)Re大于1×105時(shí)，滿足自模擬要求[12]。本試驗(yàn)在所選用風(fēng)速下的雷諾數(shù)為2.47×105～4.94×105，因此測(cè)量結(jié)果符合流體動(dòng)力學(xué)相似性的要求。

試驗(yàn)材料采自四子王旗退化草地的檸條灌草帶，將檸條割下后修剪成高度50 cm、冠幅直徑約10 cm，檸條帶配置尺度因素為疏透度。檸條用膠水固定在長(zhǎng)100 cm、寬10 cm、厚1 cm的木板上，木板頂部與風(fēng)洞底板齊平。檸條株距5 cm，通過(guò)改變檸條帶排數(shù)來(lái)改變疏透度。試驗(yàn)條件設(shè)置的疏透度分別是60%、45%、35%，中心風(fēng)速分別是6、9、12 m/s。

檸條帶置于距離風(fēng)洞試驗(yàn)段入口0.5 m處，一行一帶配置3種疏透度。在檸條帶后每隔0.5 m設(shè)計(jì)1個(gè)測(cè)點(diǎn)位置。共設(shè)計(jì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置采集15個(gè)數(shù)據(jù)取平均值作為相應(yīng)高度的平均風(fēng)速。取風(fēng)速廓線儀2、4、8、16、23、32、45 cm共7個(gè)測(cè)點(diǎn)高度上的平均風(fēng)速，繪制風(fēng)速廓線曲線。通過(guò)計(jì)算防風(fēng)效能，得到檸條帶后測(cè)點(diǎn)距離與各個(gè)測(cè)點(diǎn)不同高度防風(fēng)效能的關(guān)系，確定比較科學(xué)的檸條帶配置參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)因素測(cè)定方法

疏透度[13]是表示林帶結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)，也稱透光疏透度，其公式為

β=A′/A×100%

(2)

式中：β為透光疏透度；A′為林帶縱斷面上透光孔隙的投影面積；A為林帶縱斷面面積。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

防風(fēng)效能[14]是指觀測(cè)點(diǎn)在有檸條帶覆蓋時(shí)的平均風(fēng)速比無(wú)檸條帶覆蓋時(shí)的平均風(fēng)速減少的百分比，其公式為

(3)

式中：Ux,z為距林帶距離x、高度z處的平均風(fēng)速；U0,z為無(wú)檸條帶覆蓋時(shí)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下高度z處的初始風(fēng)速；Ex,z為距檸條帶距離為x、高度z處的防風(fēng)效能。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Microsoft Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 防風(fēng)效能分析

四子王旗起沙風(fēng)速大約在6 m/s，故防風(fēng)效能以中心風(fēng)速6 m/s為例。圖2是在3種疏透度下的檸條帶后防風(fēng)效能。從圖2可看出，檸條帶下部測(cè)點(diǎn)的防風(fēng)效能出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明在此高度以下不僅沒(méi)有起到防護(hù)效應(yīng)，風(fēng)速反而增加了，且檸條帶的無(wú)效防護(hù)距離隨疏透度的增大而增加，顯然這種現(xiàn)象與局部疏透度變化有關(guān)。同時(shí)可以看出，3種疏透度下檸條帶后測(cè)點(diǎn)位置的防風(fēng)效能在帶后4 m的位置趨于穩(wěn)定，曲線變得平緩，即帶后防風(fēng)效能穩(wěn)定的位置距林帶的距離相當(dāng)于檸條帶高度的8～12倍。

圖2 不同疏透度的檸條帶防風(fēng)效能

3種疏透度下，檸條枝干下部較為稀疏，中上部枝干較為密集，防風(fēng)效能最好部位出現(xiàn)在檸條帶中上部。由圖2可知，在測(cè)點(diǎn)高度45 cm處，檸條帶疏透度為35%時(shí)，其帶后1 m處防風(fēng)效能最大，達(dá)到54.8%；疏透度為45%和60%時(shí)，其帶后0.5 m處防風(fēng)效能最大，分別達(dá)到47.2%和27.1%。林帶近林緣處風(fēng)速降低明顯，但風(fēng)速隨著離林帶后距離的增加而增加。出現(xiàn)這種情況的主要原因是林帶疏透度越小越密集，被阻擋的氣流一部分會(huì)越過(guò)林帶上方，與上方氣流匯合形成加速區(qū)，所以疏透度為35%的檸條帶在帶后1 m處才達(dá)到最大的防風(fēng)效能。通過(guò)檸條帶3種疏透度的風(fēng)洞試驗(yàn)比較，總體來(lái)說(shuō)，檸條帶疏透度越小，其防風(fēng)效能越大。

疏透度60%為通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶，本研究取林帶后風(fēng)速第一次恢復(fù)到同高度無(wú)檸條帶覆蓋時(shí)風(fēng)速80%的距離為通風(fēng)結(jié)構(gòu)林帶的有效防護(hù)距離[15]，即防風(fēng)效能達(dá)到20%左右。疏透度45%和35%為疏透結(jié)構(gòu)林帶，本研究取林帶后風(fēng)速第一次恢復(fù)到同高度無(wú)檸條帶覆蓋時(shí)風(fēng)速70%的距離為疏透結(jié)構(gòu)林帶的有效防護(hù)距離，即防風(fēng)效能達(dá)到30%左右。由圖2防風(fēng)效能分析可知，疏透度60%的林帶有效防護(hù)距離到林帶后3 m位置處，疏透度45%的林帶有效防護(hù)距離到林帶后4 m位置處，疏透度35%的林帶有效防護(hù)距離到林帶后6 m位置處。

2.2 林帶風(fēng)速廓線特征

圖3是3種中心風(fēng)速下無(wú)檸條帶覆蓋時(shí)風(fēng)洞中軸線垂直高度上的風(fēng)速廓線。從圖3可看出，近地表風(fēng)速廓線均呈指數(shù)分布規(guī)律。

圖4是中心風(fēng)速為6 m/s時(shí)3種疏透度下檸條帶后的風(fēng)速廓線。從圖4可看出，風(fēng)速廓線在帶后一定距離內(nèi)發(fā)生了變異，變異線形呈現(xiàn)“S”形，且疏透度越小，風(fēng)速廓線發(fā)生變異的帶后距離越近，且變異程度越大。3種疏透度對(duì)比，疏透度為35%時(shí)，帶后0.5 m位置處的風(fēng)速廓線變異程度最大，帶后1～6 m的風(fēng)速廓線形狀相似；疏透度為45%和60%時(shí)，帶后0.5～6 m的風(fēng)速廓線形狀均相似。從曲線形狀來(lái)看，疏透度45%和疏透度35%的風(fēng)速廓線形狀更接近。這說(shuō)明檸條帶后風(fēng)速廓線的變化與帶后距離和疏透度有關(guān)。

圖3 3種中心風(fēng)速下無(wú)檸條帶覆蓋時(shí)風(fēng)洞中軸線垂直高度上的風(fēng)速廓線

圖4 中心風(fēng)速6 m/s時(shí)檸條帶后風(fēng)速廓線

圖5是3種疏透度下的檸條帶在中心風(fēng)速9 m/s時(shí)的風(fēng)速廓線。與6 m/s時(shí)的風(fēng)速廓線比較，9 m/s時(shí)的風(fēng)速廓線曲線變化較為劇烈，帶后風(fēng)速廓線變異幅度大。雖然從2 cm到23 cm高度上5個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的變化趨勢(shì)基本相同，但35 cm高度以上的風(fēng)速值隨著疏透度的減小而減小，離檸條帶越近，風(fēng)速值越小。從圖5(a)可看出，45 cm高度的風(fēng)速值普遍較高，由于疏透度較大，檸條帶整體較為稀疏，其風(fēng)速變化相對(duì)較??；從圖5(b)可看出，其45 cm高度的風(fēng)速值比圖5(a)的45 cm高度風(fēng)速值低，疏透度為45%時(shí)，帶后0.5～6 m位置處風(fēng)速變化范圍為4.2～6.5 m/s；從圖5(c)可看出，疏透度為35%時(shí)，帶后0.5～6 m位置處45 cm高度的風(fēng)速變化范圍為3.6～6.2 m/s。

圖6是3種疏透度下的檸條帶在中心風(fēng)速12 m/s時(shí)的風(fēng)速廓線。與6 m/s和9 m/s時(shí)的風(fēng)速廓線比較，12 m/s時(shí)的圖形變化較為明顯，即隨著中心風(fēng)速的增加，風(fēng)速廓線的形狀變化更明顯。

圖6 中心風(fēng)速12 m/s時(shí)檸條帶后風(fēng)速廓線

圖4、5、6和圖3對(duì)比，近地表風(fēng)速廓線形狀發(fā)生了明顯變化。在3種中心風(fēng)速下，同種疏透度的檸條帶后風(fēng)速變化曲線形狀相似，疏透度35%和疏透度45%的風(fēng)速廓線形狀更接近；同種疏透度時(shí)，中心風(fēng)速越大，檸條帶后風(fēng)速廓線變化越大。

3 討 論

3.1 疏透度對(duì)防風(fēng)能力的影響

在退化草地生態(tài)修復(fù)中，應(yīng)該針對(duì)不同地區(qū)的環(huán)境選取適宜的耐旱、耐寒灌木。檸條帶疏透度值越小，林帶越密集，其帶后防風(fēng)效能越好，防護(hù)距離越遠(yuǎn)。在同種風(fēng)速下疏透度不同時(shí)，檸條帶后的防風(fēng)效果為疏透度35%林帶>疏透度45%林帶>疏透度60%林帶，即疏透度值越小，林帶上部越密集，帶后防風(fēng)效能越大；疏透度60%林帶有效防護(hù)距離在6倍植被高度位置處，疏透度45%林帶有效防護(hù)距離在8倍植被高度位置處，疏透度35%林帶有效防護(hù)距離在12倍植被高度位置處。因此，疏透度35%林帶的防風(fēng)效能較好，有效防護(hù)距離較遠(yuǎn)，更加有利于荒漠草原的修復(fù)。

3.2 疏透度對(duì)風(fēng)流場(chǎng)的影響

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)可知，基于灌草帶狀配置恢復(fù)退化草地植被，其灌木帶改變了地表風(fēng)速廓線的形狀與數(shù)值大小。同種風(fēng)速下檸條帶后的風(fēng)速廓線變異情況為：疏透度35%林帶>疏透度45%林帶>疏透度60%林帶。檸條帶枝干與氣流的摩擦作用，使得帶后一定范圍內(nèi)的風(fēng)速大大減小。林帶附近風(fēng)速降低明顯，但風(fēng)速隨著林帶后距離的增加而迅速恢復(fù)[16]。由于林帶配置的疏透度不同，對(duì)風(fēng)速的影響不同，因此形成了不同的風(fēng)速流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。