劉金苗， 李菊艷， 尹忠東， 關(guān)含笑， 張家偉

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.新疆維吾爾自治區(qū)水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊 830002；3.喀什大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院，新疆 喀什 844000）

受干旱半干旱氣候的影響，風(fēng)沙流成為我國西部荒漠地區(qū)近地表物質(zhì)運(yùn)動的主要表現(xiàn)形式［1］，其進(jìn)一步發(fā)展極易導(dǎo)致干旱半干旱地區(qū)生態(tài)惡化，引起風(fēng)沙災(zāi)害［2］，在這一災(zāi)害中，地面沙粒構(gòu)成了物質(zhì)基礎(chǔ)，風(fēng)提供塑造地表的動力條件，也是風(fēng)沙災(zāi)害的直接動力來源［3-4］。植被以其綜合優(yōu)勢在覆蓋地表、分解風(fēng)力、阻擋輸沙等多方面對地表土壤風(fēng)蝕和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響［5-6］，植物固沙技術(shù)作為一種可以長效改善荒漠化的措施，在防風(fēng)固沙技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

目前，對植物防風(fēng)固沙效益的研究主要采用3種方法，一是傳統(tǒng)的野外觀測，二是模擬實(shí)驗(yàn)，包括風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，三是基于遙感-地理信息系統(tǒng)的研究。數(shù)值模擬仿真技術(shù)可以大大減少實(shí)驗(yàn)工作量，同時(shí)獲取野外試驗(yàn)難以獲取的數(shù)據(jù)，隨著近些年的不斷發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)、風(fēng)沙物理學(xué)以及風(fēng)沙環(huán)境等多種領(lǐng)域。利用數(shù)值模擬研究植物防風(fēng)固沙主要通過2 種模型，一種是多孔介質(zhì)模型，主要應(yīng)用于森林、防護(hù)林的流場研究，例如毛澤魁［7］利用多孔介質(zhì)模型，對森林影響下的風(fēng)場分布特征進(jìn)行模擬，唐朝勝等［8］探討了橡膠防護(hù)林的防風(fēng)效應(yīng)，這一類研究主要是針對風(fēng)場變化進(jìn)行分析，對于沙粒的移動與沉降關(guān)注較少。另一種是采用實(shí)體幾何直接開孔建立模型，多應(yīng)用于對植株［9-10］以及植物沙障（草簾沙障、草方格沙障、蘆葦沙障等）［11-13］防風(fēng)阻沙性能的研究，例如來風(fēng)兵［9］模擬研究了單株胡楊（Populus euphratica）周圍流場結(jié)構(gòu)特征，陳柏羽等［13］根據(jù)蘆葦（Phragmites australis）形態(tài)特征，建立簡化模型，分析蘆葦沙障周圍風(fēng)速變化及積沙分布特征，并得到了合理布設(shè)間距。

駱駝刺（Alhagi camelorum）是一種典型的荒漠植物，其根系發(fā)達(dá)，生命力頑強(qiáng)，是我國西部荒漠區(qū)最常見的防風(fēng)固沙植物之一。駱駝刺以單株或者灌叢的形式存在，不同區(qū)域駱駝刺的大小具有差異，較大的駱駝刺灌叢會使大量沙粒沉降堆積，經(jīng)過長時(shí)間的風(fēng)沙活動形成灌叢沙堆。每年5—7 月是駱駝刺的生長旺季，進(jìn)入生長季的駱駝刺，新生枝芽在前一年枯死的舊枝根部重新發(fā)出，枝葉密度增加，高度和冠幅增大，區(qū)域的植被覆蓋度相應(yīng)增大，8 月以后植株的木質(zhì)化過程使得地上部分在冬季干枯后，除末端細(xì)小碎枝脫落外，大部分枝條直立不倒，直立的植株可以消耗風(fēng)動量，減小剪切力，雖然春季活體駱駝刺植株非常有限，但枯立的植株仍然可以產(chǎn)生良好的防風(fēng)阻沙效果［14-17］。根據(jù)野外調(diào)查，本文研究區(qū)春季干枯駱駝刺平均高度為30 cm 左右，分布方式為零散分布，研究表明，風(fēng)沙運(yùn)動中沙粒的運(yùn)輸主要集中在近地表30 cm內(nèi)［18-20］。通過數(shù)值模擬，對典型荒漠地帶春季干枯駱駝刺對近地表處風(fēng)沙活動的影響進(jìn)行研究，分析植株附近流場的變化，并利用野外試驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為利用駱駝刺乃至植物措施防風(fēng)治沙提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

野外試驗(yàn)在中國科學(xué)院策勒沙漠研究站實(shí)驗(yàn)觀測場進(jìn)行。策勒站位于策勒縣，在塔里木盆地南緣1400 km 風(fēng)沙線上。策勒縣位于新疆西南部，昆侖山北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，地理位置為35°18′～39°30′N、80°03′～82°10′E。氣候?yàn)闃O端干旱性大陸荒漠氣候，干燥，晝夜溫差大，日照時(shí)間長；水資源短缺，年平均降水量35.1 mm，年潛在蒸發(fā)量2595.3 mm，水資源補(bǔ)給以昆侖山區(qū)融雪為主；年均氣溫11.9 ℃，極端高溫41.9 ℃，極端低溫-23.9 ℃，無霜期209 d。生態(tài)系統(tǒng)脆弱，沙漠、戈壁面積達(dá)95%，自然植被以多年生荒漠植物為主，呈斑塊狀分布，有駱駝刺、花花柴（Karelinia caspia）、檉柳（Tamarix chinensis）等混生群落，總蓋度小于15%［21］。由于策勒處于塔里木盆地兩大主導(dǎo)風(fēng)向（NW、NE）的下風(fēng)區(qū)域，全年盛行西北風(fēng)，風(fēng)沙活動頻繁，沙塵日數(shù)多。年平均風(fēng)速1.9 m·s-1，年均8 級以上大風(fēng)為3～9 次，年起沙風(fēng)次約90 d，土壤質(zhì)地輕且易形成風(fēng)沙流，沙塵暴天氣高發(fā)，最多可達(dá)59 d，揚(yáng)沙、浮塵天數(shù)達(dá)240 d。由于春季氣溫回升快，冷空氣活動頻繁，該時(shí)期風(fēng)沙活動尤為強(qiáng)烈［22-23］。

1.2 數(shù)值模擬方法

1.2.1 幾何建模和網(wǎng)格劃分 基于前人對植被以及植物沙障的建模研究［9-13］，本文嘗試建立春季干枯狀態(tài)駱駝刺的簡化模型，由于多孔介質(zhì)模型參數(shù)不易設(shè)定，因此采用實(shí)體開孔模式，直接建立孔隙幾何模型。風(fēng)沙流是沙粒在多種作用力下的三維運(yùn)動現(xiàn)象，根據(jù)沙粒在運(yùn)動過程中主要受重力和拖拽力，作用力基本處于同一平面上，因此建立二維簡化模型。綜合考慮野外試驗(yàn)和本文的研究內(nèi)容，進(jìn)行合理試算，計(jì)算流域長度設(shè)置為20 m，高度為3 m，滿足流場發(fā)展要求；駱駝刺模型高30 cm，頂部距上邊界2.7 m，按照形態(tài)進(jìn)行簡化，經(jīng)多次建模模擬，對比計(jì)算量及計(jì)算結(jié)果得到植株模型，在距離入口5 m和6 m處各放置1株，流場模型簡圖如圖1所示。

圖1 流場模型簡圖Fig.1 Model diagram

模型計(jì)算域網(wǎng)格劃分類型采用四邊形網(wǎng)格（Quad），劃分方法采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。由于風(fēng)沙流受邊界層的影響較大，沙粒主要集中在近地表處，因此對近地面以及植株附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。近地面劃分20層邊界層網(wǎng)格，植株兩側(cè)劃分16層邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.015 mm，左右以1.05 的比例遞增。計(jì)算域共劃分網(wǎng)格數(shù)量為19500 個(gè)，最小正交質(zhì)量（Minimum Orthogonal Quality）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.99，最大正交歪斜率（Maximum Ortho Skew）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.001，網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足計(jì)算要求（圖2）。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid division of computing area

1.2.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù) 根據(jù)流體馬赫數(shù)小于0.3時(shí)為不可壓縮流的空氣動力學(xué)原理，風(fēng)沙流為不可壓縮流。計(jì)算域左側(cè)風(fēng)速進(jìn)口邊界條件為速度入口（Velocity-Inlet），風(fēng)速計(jì)算見公式（1）；由于出口流速和壓力均未知，且流動完全發(fā)展，因此右側(cè)邊界出口條件為完全發(fā)展自由出口（Out-Flow）；對稱面上不存在擴(kuò)散通量，計(jì)算域上壁面邊界采用對稱邊界（Symmetry），可以在保證精度的條件下，加快計(jì)算速度；植株模型和地面即下壁面邊界采用固體無滑移邊界（Wall），粗糙度取0.002 m［24-25］。

介質(zhì)沙粒為稀相，風(fēng)沙流攜沙粒徑一般為0.075～0.25 mm，將沙粒近似為單一的顆粒球模型，沙粒粒徑ds=0.1 mm，初始沙粒體積分?jǐn)?shù)為0.02%，類型為流體（Fluid）［26］。沙粒密度ρs=2650 kg·m-3，黏度μs=0.047 Pas?？諝饷芏圈?1.225 kg·m-3，空氣運(yùn)動黏度μ=1.7894×10-5Pas，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，重力加速度g=9.8 m·s-1。入口邊界速度為典型風(fēng)速廓線流：

式中：v0為摩阻速度；y0為粗糙長度；k為馮卡門系數(shù)，取值為0.4；y為高度；v(y)為y處的風(fēng)速值。

采用歐拉雙流體模型，附加湍流模型。氣固相之間采用Schiller-naumann 計(jì)算相互間阻力。由于需要觀測流場隨時(shí)間的變化情況，故采用非定常的瞬態(tài)求解方法來模擬，空間離散格式采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間步長取0.001 s，流場求解采用SIMPLE算法。

1.2.3 控制方程 由于風(fēng)沙流之間熱量交換可忽略不計(jì)，故不涉及能量方程。本文模擬氣流為不可壓縮流，模擬包含的控制方程主要有連續(xù)方程、動量方程和湍流模型方程。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和計(jì)算精度均較高，使用范圍廣泛，適合高雷諾數(shù)的湍流使用，滿足本文的計(jì)算要求。該模型需要求解湍動能及其耗散率方程，湍動能運(yùn)輸方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過推理以及數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到。湍動能k和耗散能ε方程如下：

湍動能k方程：

耗散能ε方程：

1.2.4 防風(fēng)效率 通過防風(fēng)效率來反映植株對氣流的削減作用，公式如下：

式中：x為距植株的水平距離；z為距地面高度；ηxz為（x，z）處的防風(fēng)效率；vxz為氣流經(jīng)植株后在（x，z）處的風(fēng)速值；vz為未經(jīng)植株在z高度處的初始風(fēng)速值。

1.3 野外現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證模擬的可靠性，在中國科學(xué)院策勒沙漠研究站實(shí)驗(yàn)觀測場開展野外試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間為3—5 月，此時(shí)該地區(qū)氣溫回升，風(fēng)沙活動尤為頻繁。選擇零散分布自然生長干枯駱駝刺的沙地以及無植被生長的裸沙地布設(shè)樣地，樣地大小為6 m×6 m，其中駱駝刺樣地以駱駝刺為中心建立，并保證該樣地內(nèi)有且只有2 個(gè)沿主風(fēng)向分布的間距為1 m的植株。在兩植株中間位置以及裸沙地樣地中心布設(shè)集沙儀（圖3）。集沙儀設(shè)置16 個(gè)集沙盒，每個(gè)集沙盒口徑為1.5 cm×3 cm，收集距地表0～48 cm 高度內(nèi)的沙粒。集沙儀的開口與觀測期間風(fēng)向正對，其底部與地面齊平。集沙時(shí)長為24 h，開始集沙時(shí)打開集沙儀進(jìn)沙口，集沙結(jié)束后將其關(guān)閉并將收集到的沙粒帶回實(shí)驗(yàn)室，用精度天平進(jìn)行分層稱重。

圖3 集沙儀Fig.3 Sand sampler

輸沙率表示在一定風(fēng)速和沙源條件下，地表的輸沙能力［27］。為表述統(tǒng)一，本研究使用輸沙率作為描述單位時(shí)間、單位面積風(fēng)蝕物質(zhì)量的物理量，單位采用g·m-2·min-1。假設(shè)某個(gè)高度處的集沙盒在某一時(shí)間段T（min）內(nèi)收集的沙子質(zhì)量為m（g），則輸沙率Q為：

式中：S為集沙盒入口面積，取值為0.00045 m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 流場模型合理性驗(yàn)證

俞明聰［28］的研究表明，風(fēng)沙運(yùn)動中沙粒體積分?jǐn)?shù)與輸沙率的分布情況一致。本文利用野外試驗(yàn)得到的輸沙率數(shù)據(jù)作為對照，通過數(shù)值模擬獲取植株1 背風(fēng)側(cè)0.5 m 處沙粒體積分?jǐn)?shù)隨高度的變化規(guī)律，兩者進(jìn)行對比驗(yàn)證。圖4、圖5顯示，植株后輸沙率和沙粒體積分?jǐn)?shù)隨高度的分布基本一致，在15～24 cm 高度處兩者均出現(xiàn)波動，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，形成此現(xiàn)象的原因與植株在不同高度處的防風(fēng)效率不同有關(guān)，同時(shí)，植株后的渦流效應(yīng)可能會產(chǎn)生一定的影響。就野外試驗(yàn)得到的輸沙率而言，相較于裸沙地近地表處的輸沙率，駱駝刺后0.5 m處30 cm高度以下的輸沙率大大降低，其阻沙能力良好。驗(yàn)證結(jié)果總體呈現(xiàn)較好的一致性，因此數(shù)值模擬中流場設(shè)置相對合理可靠，后續(xù)將采用相同的流場設(shè)置進(jìn)行模擬。

圖4 輸沙率隨高度變化（野外試驗(yàn)）Fig.4 Variation of sediment transport rate with height(field test)

圖5 沙粒體積分?jǐn)?shù)隨高度變化（數(shù)值模擬）Fig.5 Variation of sand volume fraction with height(numerical simulation)

2.2 干枯駱駝刺植株周圍流場特征

為研究植株影響下的流場特征，選擇高度2 m處風(fēng)速為6 m·s-1的風(fēng)速廓線進(jìn)行模擬（下文速度未作特別說明均為2 m高度處的風(fēng)速），流場變化云圖如圖6 所示。從圖6 可以看到，植株明顯改變了流場的分布，氣流形成分區(qū)，為遇阻減速區(qū)、抬升加速區(qū)、紊流減速區(qū)、恢復(fù)區(qū)。在植株1 前1 m 范圍內(nèi)，受植株的阻礙作用，氣流隨靠近植株速度逐漸減??；植株1 處，氣流產(chǎn)生匯聚并受到抬升，植株1 上方風(fēng)速增大，50 cm 高度處的風(fēng)速由4.63 m·s-1增大至5.01 m·s-1，增大8.21%，而植株2在植株1的有效防護(hù)距離內(nèi)，其上部并沒有形成明顯的加速區(qū)；植株1、2 之間以及植株2 之后一段距離內(nèi)風(fēng)速減小，形成明顯大范圍的紊流減速區(qū)，該區(qū)域內(nèi)沙粒所獲動能減小，易形成沉積；隨著氣流逐漸遠(yuǎn)離植株區(qū)域，氣流受到的擾動作用減弱，速度逐漸恢復(fù)。

圖6 植株周圍風(fēng)速云圖Fig.6 Cloud chart of wind speed around the plant

氣流在植株處受到擠壓，越過植株后，產(chǎn)生分離，過流斷面增大，由于能量差異，形成向下運(yùn)動的分流，靠近地面處的氣流返回入口方向，從而形成了回流，即在植株背風(fēng)側(cè)減速區(qū)產(chǎn)生反向氣流，形成渦流現(xiàn)象，但由于植株具有良好的疏透度，該現(xiàn)象并不是特別明顯。由圖7 可知，流場內(nèi)形成3 個(gè)主要渦流區(qū)域：渦流1處于兩植株之間的區(qū)域，渦流2處于植株2至距入口7.8 m處，渦流3處于7.8 m至距入口10.5 m處，3個(gè)回流范圍均較大，而強(qiáng)度均較小。渦流3 產(chǎn)生的原因可能是受渦流2 末端的影響，氣流再次受到擠壓后形成了微弱的渦流，其后氣流逐步恢復(fù)。在渦流區(qū)域，沙粒會被分成兩部分，一部分沙粒隨氣流回流并逐步沉積，另一部分隨渦旋氣流進(jìn)入氣流主流區(qū)離開?；亓鲄^(qū)的范圍越大、強(qiáng)度越弱，越多的沙粒會沉積在植株附近，阻沙能力越強(qiáng)，這也反映出植株在防風(fēng)阻沙方面遠(yuǎn)優(yōu)于無孔隙度的障礙物。

圖7 植株周圍風(fēng)速矢量圖Fig.7 Vector diagram of wind speed around the plant

2.3 干枯駱駝刺植株的防風(fēng)效果

2.3.1 速度分布特征 以6 m·s-1為入口風(fēng)速，風(fēng)速方向?yàn)檎?，提?.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、1.5 m高度處風(fēng)速的水平速度分量繪制沿程分布圖，其中，植株實(shí)體位置處風(fēng)速取值為0。由圖8 可知，1.5 m高度處的水平風(fēng)速一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，其他5個(gè)高度處的氣流受到了不同程度的擾動。0.4 m、0.5 m處的水平風(fēng)速在植株前先略微減小，經(jīng)植株抬升速度增大后，越過植株后平穩(wěn)減小，最終在距入口14 m后逐漸恢復(fù)到初始風(fēng)速。0.4 m處水平風(fēng)速沿程最大增加7.87%，最大可以降低39.93%，0.5 m處則分別為8.29%、17.99%，增幅接近，降幅則呈現(xiàn)越靠近地面越大的規(guī)律。在等于或低于植株的高度處（0.1 m、0.2 m、0.3 m），氣流受到的擾動增加，水平風(fēng)速在越過植株后呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。首先，不存在明顯高于初始水平風(fēng)速的階段，即風(fēng)速沿程整體呈現(xiàn)出被削減的狀態(tài)，這與在低于植株的高度內(nèi)產(chǎn)生了有效的防護(hù)有直接關(guān)系。當(dāng)風(fēng)速減小至負(fù)值時(shí)，表明此處產(chǎn)生回流，附近范圍內(nèi)會有渦流形成，0.1 m高度處的氣流在較大的范圍內(nèi)存在回流現(xiàn)象，該高度附近是渦流現(xiàn)象的主要回流區(qū)，沙粒的沉降也主要在該高度內(nèi)發(fā)生。其次，氣流2次越過植株后，水平風(fēng)速均呈現(xiàn)“W”型分布，在兩植株之間，風(fēng)速運(yùn)行較為穩(wěn)定。總體而言，除植株處，各高度水平風(fēng)速沿程變化整體較平緩，無劇烈擾動，同時(shí)在較大范圍內(nèi)低于入口風(fēng)速，有利于抑制風(fēng)沙流，促進(jìn)沙粒沉降。

圖8 不同高度氣流水平速度分量沿程分布Fig.8 Distribution of horizontal airflow velocity components at different heights

以6 m·s-1為入口風(fēng)速，在距入口4.5 m、5.6 m、6 m、7.2 m、7.8 m、10 m 處取垂直截面，繪制水平風(fēng)速分量隨高度分布圖。從圖9可以看到，4.5 m處的水平風(fēng)速基本以較為平穩(wěn)的趨勢增加，該位置處于植株1 前0.5 m 處，氣流受植株影響相對較小，變化的幅度也相應(yīng)的較小。5.6 m、6 m 處于兩植株之間，7.2 m處于植株2后0.6 m處，3個(gè)位置處的水平風(fēng)速在0.6 m高度以下均呈“W”型分布，隨著高度的不斷增加，水平風(fēng)速不斷減小至負(fù)值，即出現(xiàn)回流，負(fù)值主要存在于0.08～0.14 m高度內(nèi)，并在0.12 m附近出現(xiàn)第1 個(gè)極小值，即5.6 m、6 m、7.2 m 處分別為：-3.3 m·s-1、-0.23 m·s-1、-0.15 m·s-1；隨著高度增加，水平風(fēng)速增加后再次減小，并在0.27 m附近達(dá)到第2個(gè)極小值（1.09 m·s-1、1.39 m·s-1、0.58 m·s-1），該處并未產(chǎn)生回流。10 m 處的水平風(fēng)速整體呈現(xiàn)隨高度增加而增加的規(guī)律，以0.1 m高度為節(jié)點(diǎn)，其下為回流，其上為正向流動，這正是上文分析的較大范圍的渦流3?？傮w而言，0.6 m高度是風(fēng)速發(fā)展的重要分界點(diǎn)，其下風(fēng)速先被減小，到達(dá)0.3～0.6 m 處再以較大的加速度發(fā)展，其上風(fēng)速幾乎不受植株的影響，風(fēng)速恢復(fù)對數(shù)分布，各位置風(fēng)速達(dá)到一致。因此，植株的防護(hù)高度為0.6 m，同時(shí)0.3～0.6 m內(nèi)風(fēng)速急劇加速的現(xiàn)象值得引起注意。

圖9 不同高度氣流水平速度分量沿高分布Fig.9 Distribution of horizontal airflow velocity components along different heights

2.3.2 植株的防風(fēng)效率 風(fēng)沙流的運(yùn)動過程中沙粒主要集中在近地面0.3 m高度內(nèi)，因此選取風(fēng)速為6 m·s-1、10 m·s-1時(shí)，0.1 m、0.2 m、0.3 m 3 個(gè)高度處的防風(fēng)效率進(jìn)行研究。圖10顯示，不同風(fēng)速下防風(fēng)效率整體呈現(xiàn)出隨著遠(yuǎn)離植株下降的趨勢。當(dāng)入口風(fēng)速為6 m·s-1時(shí)，株后5.3 m范圍內(nèi)，0.3 m高度以下的防風(fēng)效率均高于40%，各高度處風(fēng)速在距離植株7.4 m處接近，為30%左右；0.1 m高度處的防風(fēng)效率整體較高，尤其是在距植株3.9 m范圍內(nèi)，總體高于80%，在植株后1.2～1.6 m、2.8～3.2 m 處出現(xiàn)波動，5.5 m 后降低到50%以下；0.2 m 高度處的防風(fēng)效率在1.3 m 范圍內(nèi)先減小后增大，1.3 m 后防風(fēng)效率逐漸減小并在1.75 m 處開始低于80%，植株后5 m 降低到50%。相較于0.1 m、0.2 m 處，0.3 m 高度處的防風(fēng)效率呈現(xiàn)出隨遠(yuǎn)離植株更為穩(wěn)定的減小趨勢，防風(fēng)效率低于80%，并在2.7 m 處降低到50%以下。當(dāng)入口風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，0.1 m高度內(nèi)的防風(fēng)效率在近距離內(nèi)良好，但4.26 m后迅速減小，0.2 m、0.3 m處也有類似的變化規(guī)律；株后5.3 m范圍內(nèi)，0.2 m高度以下的防風(fēng)效率均高于30%，0.3 m 處減小到16.56%?？傮w而言，風(fēng)速增大，植株的防風(fēng)效率減小，且該現(xiàn)象隨高度增加愈加明顯；當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，植株的防護(hù)范圍較大，防風(fēng)效率較高，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，貼近地面處防風(fēng)效率較高，但在達(dá)到某一距離后其減小速率增大，植株較快的失去有效的防護(hù)，防護(hù)范圍也相應(yīng)減小。

圖10 防風(fēng)效益Fig.10 Protection benefit

2.4 干枯駱駝刺植株周圍積沙特征

風(fēng)是沙粒運(yùn)動的直接動力，風(fēng)速的改變直接影響沙粒的運(yùn)動狀態(tài)。受植株的影響，一方面風(fēng)速減小，沙粒沉降，另一方面，運(yùn)動的沙粒遇植株受阻，形成積沙。為研究不同風(fēng)速條件下植株對積沙的影響，取入口風(fēng)速為6 m·s-1、10 m·s-1、20 m·s-1，模擬得到t=4 s、t=10 s 不同風(fēng)速條件下的積沙云圖（圖11）。從圖11可以看到，不同風(fēng)速條件下，隨著運(yùn)動時(shí)間的增加，積沙會不斷增加，并在某一時(shí)刻達(dá)到該風(fēng)速下的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)入口風(fēng)速為6 m·s-1時(shí)，沙粒先在植株1附近、植株2迎風(fēng)側(cè)處沉積，隨后在植株1 處及兩植株之間不斷積累，植株1 附近的積沙明顯大于植株2附近的積沙，這是由于氣流遇植株1受阻、風(fēng)速降低、搬運(yùn)沙粒能力下降導(dǎo)致的，與前文風(fēng)速分析結(jié)果相對應(yīng)。當(dāng)入口風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，同樣是在植株1 附近及兩植株之間形成積沙，但當(dāng)t=10 s時(shí)，植株1附近的積沙相較于同時(shí)刻入口風(fēng)速為6 m·s-1時(shí)減少，更多的積沙出現(xiàn)在植株2 前。隨著入口風(fēng)速增加到20 m·s-1，在2個(gè)時(shí)間點(diǎn)均呈現(xiàn)植株2處形成更多的積沙的現(xiàn)象，尤其是當(dāng)t=10 s時(shí)，植株1附近的積沙與t=4 s時(shí)無明顯差別，均存在少量積沙，而植株2前后形成大量積沙，甚至形成小沙堆。分析其原因如下：風(fēng)沙流經(jīng)過植株時(shí)氣流速度發(fā)生明顯改變，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，植株1 的削減作用，使其前后一定范圍內(nèi)的流速降低到起沙風(fēng)速以下，風(fēng)沙流處于過飽和狀態(tài)，沙粒沉降堆積，但當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，雖然植株1 對風(fēng)速有削減，但減弱能力有限，風(fēng)速仍大于起沙風(fēng)速，風(fēng)沙流處于非飽和狀態(tài)，僅小部分沙粒受阻沉積，大部分沙粒繼續(xù)運(yùn)動，植株2對氣流形成二次削減，附近風(fēng)速大大降低，此時(shí)大量沙粒沉積，形成積沙，同時(shí)，植株2 后較大范圍的回流也促進(jìn)了沙粒的沉積。

圖11 植株周圍積沙云圖Fig.11 Sand accumulation cloud atlas around the plant

研究顯示，植株具有良好的阻沙能力。在野外，隨著時(shí)間的推移，不同速度風(fēng)沙流交替運(yùn)行，植株附近沙粒不斷堆積，植物也通過生理作用適應(yīng)風(fēng)沙活動，經(jīng)過長時(shí)間的相互作用，植株附近形成沙堆，也就是常說的灌叢沙堆。灌叢沙堆或大或小，從幾十厘米到幾米不等，這與植株的大小、風(fēng)沙活動的強(qiáng)弱、當(dāng)?shù)丨h(huán)境特征等多種因素有關(guān)。由于野外風(fēng)速多變，較小風(fēng)速下，前面的植株可使沙粒沉降，但當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，則需要后面的植株進(jìn)行疊加作用，因此多植株比單植株更易形成灌叢沙堆，且其會受到植株布局的影響。通過栽種植物或者利用類似于植株的材料進(jìn)行防風(fēng)治沙時(shí)，要考慮到區(qū)域的風(fēng)速特征，在易形成高風(fēng)速風(fēng)沙流的地區(qū)，應(yīng)盡量布設(shè)雙行甚至多行來達(dá)到較好的效果。

3 討論

引起風(fēng)沙災(zāi)害、影響土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的因素有很多，包括風(fēng)場、土壤性質(zhì)、地表?xiàng)l件等，植被覆蓋是地表?xiàng)l件的主要影響因子之一。由于區(qū)域內(nèi)風(fēng)場、土壤性質(zhì)具有固定性，利用植被改變地表?xiàng)l件以達(dá)到防風(fēng)固沙、抑制風(fēng)蝕的目的是十分有效的措施，因此對植被影響下流場特征的研究尤為關(guān)鍵。但是，由于植被及其影響下的地表極其復(fù)雜，不同覆蓋度、高度、樹冠疏透度、配置模式的植被對地表物質(zhì)條件及風(fēng)速的影響均有差異［29］，使得該研究十分困難。

植被主要通過2 個(gè)機(jī)制對風(fēng)沙活動產(chǎn)生影響，學(xué)者們根據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同，針對這2 個(gè)方面分別展開研究。一方面，植物改變風(fēng)場特征，降低風(fēng)速，同時(shí)對沙粒造成阻礙，沙粒沉降。徐高興等［30］通過風(fēng)洞試驗(yàn)，模擬了4種配置模式下梭梭林（Haloxylon ammodendron）的固沙效果，研究表明不同配置模式會影響流場運(yùn)行特征，改變固沙效果，但當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到32.37%時(shí)，各配置模式下梭梭林的固沙效果差異不顯著。對于小型灌木，受植株形態(tài)的影響，枝下高度大的植株形成的“狹管效應(yīng)”會加速地表的風(fēng)蝕作用，形態(tài)低矮且疏透度小的植株防風(fēng)阻沙效果更明顯，有效防護(hù)距離更大［31］。另一方面，植物通過生物作用使土壤形成有機(jī)質(zhì)層，固定土壤，減小地表剪切力，提高地表起沙風(fēng)速，降低沙粒流動幅度，從而達(dá)到防風(fēng)固沙的效果。王佳庭等［32］對烏蘭布和沙漠不同植物群落影響下，土壤可蝕性因子的研究發(fā)現(xiàn)，不同沙地可蝕性顆粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、土壤結(jié)皮因子、土壤含水率受植被影響存在差異，梭梭、白刺（Nitraria tangutorum）等灌木植物群落比沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、鹽爪爪（Kalidium foliatum）等草本植物群落更能降低土壤風(fēng)蝕作用；吳楠等［33］的研究表明，植物作用下土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分促進(jìn)土壤結(jié)皮的形成和發(fā)育，使土壤具備更強(qiáng)的蓄水能力和抗風(fēng)蝕能力。數(shù)值模擬的方法可以較好地反映出植株第1 個(gè)防風(fēng)阻沙機(jī)制的防護(hù)效果，但難以綜合反映植物的生物作用。

不同物候期，植株的冠層形態(tài)、莖枝柔韌性、葉面積以及由此導(dǎo)致的地上生物分配模式具有差異，其阻沙能力不盡相同［34］，而灌木植株附近沙堆的高度受植物高度的控制，沙堆的半徑受冠幅的控制，沙堆的生長發(fā)育受形態(tài)參數(shù)的影響［35］?；谏L季駱駝刺與非生長季駱駝刺在高度、冠幅及孔隙度方面的差異［31］，本文的植株模型通過較小的高度和冠幅、較大的孔隙來表現(xiàn)非生長季駱駝刺的形態(tài)具有一定的可靠性。后續(xù)研究中需優(yōu)化生長季駱駝刺植株模型，同時(shí)考慮植物生物作用以及野外非定常來流因素的影響，以獲得更全面、準(zhǔn)確的結(jié)果。同時(shí)，模擬結(jié)果顯示出2 個(gè)植株附近這一極小尺度下流場的運(yùn)行情況，大尺度背景下不同覆蓋度植株的協(xié)同作用是另一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容［36］，2 個(gè)尺度關(guān)系密切，小尺度環(huán)境影響大尺度流場的運(yùn)行，大尺度又可進(jìn)一步反映小尺度，因此進(jìn)行相關(guān)研究對建立兩者相互佐證十分關(guān)鍵。

4 結(jié)論

本文對30 cm 高度駱駝刺的形態(tài)進(jìn)行簡化，建立二維模型，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對風(fēng)沙流經(jīng)過植株后的風(fēng)速特征和積沙特征展開研究，并利用野外試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性，研究結(jié)論如下：

（1）植株附近流場大致可以分為遇阻減速區(qū)、抬升加速區(qū)、紊流減速區(qū)和恢復(fù)區(qū)。植株周圍會形成3 個(gè)微弱的渦流，分別位于兩植株之間、植株后1.2 m內(nèi)以及1.2～2.7 m內(nèi)?？拷仓晏帨u流的回流區(qū)主要存在于0.09～0.14 m高度內(nèi)，遠(yuǎn)離植株處的回流區(qū)位于0.1 m以下。

（2）當(dāng)風(fēng)速為6 m·s-1時(shí)，30 cm高度植株主要影響0.6 m以下的水平風(fēng)速，在離開兩植株8 m左右恢復(fù)到初始狀態(tài)，植株附近的風(fēng)速沿程呈“W”型分布。植株后一定距離內(nèi)的水平風(fēng)速隨高度增加存在2 次減小過程，并在0.3～0.6 m 高度范圍內(nèi)，沿高度以較大的加速度增大后，逐步恢復(fù)至初始風(fēng)速廓線狀態(tài)。

（3）植株的防風(fēng)效率整體呈現(xiàn)出隨風(fēng)速增大而減小的規(guī)律，且該現(xiàn)象隨高度增加愈加明顯。由于植株具有良好的疏透度，其防風(fēng)效率整體良好，防護(hù)距離較大，當(dāng)風(fēng)速為6 m·s-1時(shí)，植株后5.3 m范圍內(nèi)，0.3 m 以下的防風(fēng)效率高于40%，當(dāng)風(fēng)速增加至10 m·s-1時(shí)，該值減小至16.56%。

（4）植株的阻沙能力良好。不同風(fēng)速條件下，隨著時(shí)間的增加，積沙會不斷增加并達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，積沙主要集中在前方植株附近以及植株之間的區(qū)域，隨著風(fēng)速的增大，氣流經(jīng)多次削減后沙粒沉積，積沙有后移的趨勢。