風倒機理研究進展

李思雯

(黑龍江省林業監測規劃院，黑龍江哈爾濱150080)

風倒是森林中的常見現象，研究其機理具有理論和應用兩方面的意義。在理論研究上，風是一個生態因子，風倒是林隙的主要成因，林隙對森林動態有重要的影響［1-4］，研究風倒機理有助于揭示林隙動態規律及其生態學影響［5］。在實際應用中，風倒是森林中多發的災害，會造成木材產量和質量的下降。英、美等國每次災害性風倒造成的木材損失都達數百萬立方米，每年非災害性風倒造成的木材減產均在15%以上［6］。目前我國全國風倒造成的損失也很嚴重［7-9］，僅1996年“9615”號臺風給湛江市林業帶來的直接損失就達21．1億元［10］。只有弄清風倒機理，建立相關模型，建立科學的風倒風險評估體系［11］，才能在森林經營中采取科學的措施來減少風倒帶來的損失。該文對風倒機理的研究現狀進行綜述，并對未來的研究提出建議。

1 風倒機理研究現狀

風倒包括干折(stem breakage)和根倒(uprooting)2種，主要受林木生物力學特性、土壤支持力(root anchorage)和風的擾動3個因素影響［12］。其中，林木的生物力學特性與立木年齡、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;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性。風的擾動主要受風速、風壓、頻率、不同林分密度和復雜地形下的風場分布影響。因此，風倒機理的研究涉及力學中的固體力學、流體力學、土力學和林學中的森林生態學、森林土壤學、森林培育學、森林氣象學、森林病理學等多個學科，需要這些學科的交叉與合作。

風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)等樹種的風倒機理進行了深入、廣泛的研究。通過動力學理論推導，結合野外試驗中林木和土壤力學參數的測定、地形數字高程模型和實物模型風洞試驗，獲得了復雜地形下和不同林分密度時的風場分布，建立了一系列力學方程來描述林木的抗風性［13-15］，對風倒的力學機理進行了闡述，形成若干林木風倒機理模型，如 MC2［16］、HWIND［17］、FORESTGALES［18］和WINDARC［19］等，它們代表了國際風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，分析了樹木在持續穩定風載作用下的穩定性，然后計算能夠將樹吹倒的風速。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%處加一個質量體，對系統進行了動力學分析，獲得系統的自然頻率、平均和波動位移。

我國目前還沒有系統的研究風倒學機理。在國內涉及風倒的研究中，李國旗等［20］根據現有公式對不同風壓和高度處樹木應力的分布進行了研究。陳少雄等［21-23］采用野外調查和統計方法分別研究了泡桐、桉樹、木麻黃等樹種的抗風性與個體特征、林分特征之間的關系。其他基本是從生態學角度出發研究林隙的［24-26］。上述研究涉及風倒機理較少，在2000年以前國內關于風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倒的力學機理。他主要研究了云杉的風倒靜力學特性，測定了相應的力學性能參數，建立了該樹種的風倒靜力學模型。王琳［29］將云杉樹干看作橫截面隨高度呈冪函數的彈性桿，一端固定，一端自由并連有質量團，分析了該彈性桿樹干的振動特性。賴秋明［30］基于經典梁振動理論和Ansys有限元法對云杉風倒動力學問題進行研究，得到了云杉模型的固有頻率和各階模態，分析了影響云杉模型固有頻率的幾個因子，建立了該樹種的風倒動力學模型。賈杰等［31］在此基礎上，將林木進一步簡化成一根無質量彈性桿連結，給出林木的動態微分方程以及模型邊界條件，考慮了樹干底部彎矩和風力的關系，建立了無阻尼和有阻尼情況下林木風倒的簡化動態模型。此外，賈杰等［27］利用Von-Karman風譜模型，在頻率域內分析了懸鈴木風倒的機理，通過對力譜、基礎彎矩譜的理論推導，給出陣風頻率的能量分配問題，從而獲得相關的參數變量，尤其是振動彎矩極值，并指出當這個極值超過莖和根系所能承受的彎矩時，風倒便會發生。這些研究對于森林防風具有重要意義。

2 風倒機理研究存在的問題

現有的模型正確描述了風倒機理的許多方面，但受研究條件等限制在系統設計時對關鍵環節進行了簡化，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能力，其生物力學特性決定了它對風的響應。這種生物力學響應既有彈性形變，又不完全等同。在低于臨界風速(critical windspeed)的持續風的作用下樹干(乃至樹冠)會發生形變積累，而不是如現有模型中所描述的重新回到直立平衡位置?；盍⒛驹陲L倒時不僅發生脆性斷裂，還會出現塑性形變，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、將風倒過程僅按脆性斷裂處理而未考慮活立木的生物力學特性。因此，它們只能預測超過固定臨界風速時發生的風倒，而不能揭示活立木生物特性對風倒過程的影響，也無法解釋樹木在較低風速時發生的風倒和形變積累對臨界風速的影響。這是現有模型與實際情況出入最大的地方。國內研究［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倒的影響。

其他存在的問題有:①模型將樹冠看成具有連續介質的傘蓋式形體，把復雜的根系簡化為規則幾何體，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量比來估測，并未充分考慮土壤的力學特征。③模型雖然考慮了林木個體的固有頻率、阻尼系數等動力學量，但未考慮林木間共振對風倒在林分中的傳播效應。④模型沒有考慮動力學以及靜力學量在風(流場)、林木和土壤(固場)等多物理場中的耦合效應。此外，由于風倒的突發性和危險性，其過程難以記錄。許多研究是在風倒后才進行，往往采集不到所需的數據，這極大限制了對風倒機理的研究并制約了風倒機理模型在生態學研究和森林經營中的應用。

3 對未來研究的建議

在方法上，建議進一步開展多學科的交叉，將動力學原理和林木生物學、生態學特性結合，采用非線性有限元法，完善樹冠、樹根的多孔彈性介質三維模型。合理簡化樹干模型，可以把樹干作為生物彈性體處理，模擬自然風對樹干造成的彎曲變形累積、確定不同彎曲下的臨界風速和年齡對風倒中塑變和脆裂過程的影響。還應該加強與試驗資料的結合，利用土力學計算根系中應力與阻力彎矩間的定量關系，通過野外現場力學試驗和風洞試驗對復雜地形下的風場分布和力學方程參數化，最終揭示多物理場耦合的風倒的非線性生物動力學機理。這種思路是一種生物動力學機理思想，可以在現有單純動力學基礎上更好地揭示風倒的機理。

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

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