3種配置防護林防風效能的風洞模擬實驗

李亞琦，馬瑞，劉虎俊，，劉淑娟，萬翔，劉開琳，李菁菁，李學敏

(1.甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070)

防護林是設置在防護對象周圍或流沙地段，具有阻滯風害和風沙流侵襲的障礙物，具有防風和阻沙作用，對于防治風沙危害區域生態安全和工農業生產具有不可替代的作用。影響防護林建設的因素主要是樹種、土壤和水分，而其效益則決定于其結構和配置[1-3]。林帶的有效防護范圍是評價防護林效益的重要指標之一，是指使林帶背風面指定防護對象不受害風危害間距，也是確定林帶建設最主要的數量指標之一，有效防護范圍包括水平距離和垂直方向[3,4]。有效防護范圍的大小和許多因子有關，但最主要的是林帶的疏透度和高度[5]。當林帶達到適宜疏透度和最大高度時，林帶就能達到最大有效防護距離，而影響林帶疏透度的主要是林帶結構和配置[1,3]。林帶配置受樹種及林帶的株行距及其帶寬影響，研究表明林帶組成行數6行和9行影響風速差異不顯著[6,7]。而且，不均勻結構可能提高防護林的防護效益[8]。近年來，隨著實驗材料和儀器的發明應用，仿真模擬研究已成為研究防護林的重要方法，對防護林結構和效能等進行了風洞實驗[9-11]，為研究防護林提供了大量參考。本文通過風洞模擬試驗，分析不同配置的仿真防護林對風速的作用，對防護林帶降低風速的距離和位置進行觀測分析，以期為防護林的規劃設計提供依據。

1 試驗材料與方法

1.1 仿真灌木

本試驗選取2種不同類型的仿真植物模型。其中，A 植株高H=22 cm，冠幅15 cm×15 cm，冠厚14 cm，冠下高 8 cm，分枝角度30°～40°，枝長 9.5～20 cm；B 植株h=16 cm，冠幅7 cm×7 cm，冠厚13 cm，冠下高3 cm，分枝角度20°～35°，枝長9～14 cm。

1.2 風洞試驗布置

風洞模擬試驗在甘肅省治沙研究所―風沙環境風洞實驗室進行，該風洞為直流下吹式，洞體總長為 38.9 m，可調風速范圍 4～35 ms-1。其中實驗段長16 m，截面為1.2 m×1.2 m，可調實驗段長2.5 m，截面1.2 m×1.3 m。為獲得穩定氣流并防止因床面厚度產生的前沿附面層分離，在林帶前鋪空白床面，并在空白床面前端鋪設流線型氣流抬升板。

試驗模擬防護林結構分為3種配置模式，一種為同種仿真植物組成的均勻結構仿真防護林，另兩種非均勻結構是兩種仿真植物組成的行內植物相同，每三行植物前后不同的仿真防護林。

(1)非均勻結構仿真防護林分為：A+B型(前高后低結構)，林帶配置為前三行為植物A，株行距為15 cm×40 cm， 后三行為B植物，株行距為8.5 cm×25 cm。 另一種仿真防護林為B+A型(前低后高結構)：林帶配置為前三行為植物B，株行距為8.5 cm×25 cm，后三行為A植物，株行距為15 cm×40 cm；單株植物模型呈“品”字形布設，將仿真植物的基部固定在木質床面上(床面之上樹高分別是A株高H=20 cm，B株高h=15 cm)，并用膠結物將根與水平面的縫隙填充好后抹平，將其枝條和葉片全部均勻的分散開，形成空間水平方向高度和林帶疏透度不同的非均勻結構仿真防護林，兩種仿真防護林的林帶總寬度和覆蓋度相同，都是 25.02%。

(2)均勻結構仿真防護林：將仿真植物A配置成株行距為15 cm×40 cm 的六行一帶的仿真林帶，簡稱 A 型防護林，蓋度為 29.43%，此結構仿真防護林作為對照。

1.3 風速觀測與變化分析

大風的危害更大[12]，且林帶防護距離會縮短[6,7]。參考前期[6,7,13]結論確定本試驗的風速為15 ms-1，水平觀測距離為200 cm，垂直觀測高度為60 cm。用皮托管測定仿真防護林帶前、林帶中間和林帶后風速值。水平測點均分布在中軸線上，仿真防護林前測點距林帶為-60 cm(3 H)、-40 cm(2 H)、-20 cm(1 H)的3個測點，林中的測點為第1行與第2行之間1H(A+B型0+20 cm和A型0+20 cm，B+A型0+12.5 cm )、第2行與第3行之間2 H(A+B型0+40 cm和A型0+40 cm，B+A型0+25 cm)、第3行與第4行之間3 H(A+B型0+60 cm和A型0+60 cm，B+A型0+37.5 cm)、第4行與第5行之間4 H(A+B型0+72.5 cm，A型0+80 cm，B+A型0+57.5 cm)、第5行與第6行之間5 H(A+B型0+87.5 cm，A型0+100 cm，B+A型0+79.5 cm)，林帶后20 cm (6 H，A+B型+107.5 cm，A型+120 cm，B+A型+99.5 cm)、40 cm(7 H，A+B型+127.5 cm，A型+140 cm，B+A型+119.5 cm)、60 cm(8 H，A+B型+147.5 cm，A型+160 cm，B+A型+139.5 cm)、80 cm(9 H，A+B型+167.5 cm，A型+180 cm，B+A型+159.5 cm) 和100 cm(10 H，A+B型+187.5 cm，A型+200 cm，B+A型+179.5 cm)，共有11個測點位置。垂直測點分別從底部起高度依次為1 cm(5%A樹高0.05 H)、2 cm(10%A樹高0.1 H)、3 cm(15%A樹高0.15 H)、5 cm(25%A樹高0.25 H)、8 cm(40%A樹高0.4 H)、15 cm(75%A樹高0.75 H)、20 cm(A樹高1 H)、30 cm(1.5倍A樹高1.5 H)、40 cm(2倍A樹高2 H)、60 cm(3倍A樹高3 H)，共10個測點位。

利用所觀測風速計算風速變化率(VΔ)，以此比較防護林帶防護效能，計算公式如下:

式中：VΔ為被測相對風速的變化率，Vo為對照風速，VS為林內或林前后的觀測風速。

采用Excel2010完成風速計算，并繪制風速變化圖，通過Surfer8.0繪制流場結構和風速變化率(防風效能)等值線圖，以風速降低率50%為準，分析防風效能。

2 結果與分析

2.1 水平方向的風速變化

在水平方向，A+B型的風速降低率最大區域出現在林帶后40～80 cm(2～4 H)，B+A型仿真防護林則在帶后20～40 cm(1～2 H)之間(圖1，圖2)。A+B型林帶形成了2個較為明顯的減速區：一個是在林前-20 cm(1 H)附近，平均降低風速19.74%，最大54.79%；另一個是林帶第5行之后，即距第1行林帶40～80 cm(2～4H)附近，平均降低風速38.12%，最大降低風速區位于林帶第5行和第6行之間，降低風速率達到86.86%，20 cm高度以下的風速降到8 ms-1以下，15 cm和20 cm高度的風速則降到6 ms-1以下(圖4)。

B+A型只有1個較為明顯的減速區：是林帶第4行之后，即距第1行林之后30～40 cm(1～2 H)范圍，平均降低風速18.92%，最大降低風速區位于林帶第3行和第5行之間，第1行林帶后30～40 cm(1.5～2 H)范圍，降低風速率達到85.53%，20 cm高度以下的風速降到9 ms-1以下，15 cm和20 cm高度的風速則降到7 ms-1左右(圖5)。

A型有1個較為明顯的減速區，在林帶內第二行內也有一個明顯加速區。明顯減速區在第4行和第6行之間的高度80～100 cm(4～5 H)范圍，平均降低風速45.09%，最大降低風速率90.59%，風速降到8 ms-1以下，在林帶第5行以后，15 cm和20 cm高度的風速則降到7 ms-1以下(圖6)。

2.2 垂直方向風速的變化

在垂直方向，風速降低集中區高度為A>A+B>B+A，3種防護林的風速變化較大的高度均為15 cm，風速降低區域的高度小于30～40 cm高度以上，順著風向其速增加(圖1～圖3)。

A+B型的風速降低率達50%以上的點共有34個點(圖4)，風速降低率最大的高度為15 cm(變異系數56%)，平均降低風速率50.90%，最大降低率78.66%。在40 cm高度(樹高2 H)以上風速增加。在高度1 cm，在林帶后40 cm高度(2倍A樹高2 H)的風速降低率達50%以上；2、3和5 cm高度的風速降低率達50%的水平距離在林帶后80 cm(4倍A樹高)；8 cm和15 cm高度的風速降低率達50%的水平距離在林帶則自第5行和第6行之間(約4倍A樹高)；20 cm高度的風速降低率達50%的水平距離則自林帶第1行之后；30 cm高度的風速在第1行至第3行之間增加，其余各點風速降低，但風速降低率小于20%；40和60 cm (2和3 H倍A樹高)高度以上，自林帶第1行之后則風速增加(圖1)。

B+A型的風速降低率達50%以上的點共有22個點(圖5)。風速降低率最大的高度為20 cm(變異系數143%)，平均降低風速率24.21%，最大降低率85.53%。在40 cm高度(2倍A樹高)以上風速增加。在高度1、2、3和5 cm高度的風速降低率達50%的水平距離在林帶后距離分別是80 cm(4倍A樹高4H)之后；8 cm高度的風速降低率達50%的水平距離則是在林帶第2行和第3行之間以及林帶80 cm之后。在15 cm高度的風速降低率達50%的水平距離在林帶自第1行之后；20 cm高度的風速降低率達50%的水平距離則自林帶第5行與林帶后40 cm之間；40 cm和60 cm高度的所有觀測點風速都增加(圖5)。

A型的風速降低率達50%以上的點共有22個點(圖6)。風速降低率最大的高度為20 cm(1 H，變異系數80%)，平均降低風速率44.70%，最大降低率90.59%。在高度1 cm，在林帶前20～40 cm(1～2倍A樹高)以及林帶后80 cm(4倍A樹高4 H)的風速降低率達50%以上；2、3、5和8 cm高度的風速降低率最大只有47.60%，只有一個觀測點的風速大于50%；15 cm自第1行與第2行之間以及第4行之后的觀測點風速降低了50%，20 cm高度的則自第2行(2倍A樹高2 H)之后各點降低風速率都大于50%，最大降低率為90.59%，林前風速則增加；30 cm高度的風速在林內第5行至林后100 cm(5倍A樹高5 H)降低；40和60 cm(2～3倍A樹高)高度以上，只有林帶第5行和第6行之間一個點風速降低，其余各點風速增加。

3 討論與結論

3.1 在相同覆蓋度和密度條件下，前高后低配置的仿真防護林防風效能較大。兩種非均勻結構防護林(前高后低結構和前低后高結構防護林)和均勻結構防護林比較，3種類型的仿真防護林平均降低風速率分別為28.15%，18.92%和19.57%。在相同風速條件下，非均勻結構防護林帶有84.61%和82.00%的觀測點的風速降低，而均勻結構防護林則只有74.61%的觀測點的風速降低。非均勻結構防護林帶防護林發揮防風效能較大。防護林結構與配置是其發揮防風效能的關鍵因素，國內外防護林帶大多都是均勻結構林帶[1,2]，相比較1行和3行配置的防護林，6行防護林組成的林帶相對防護效能較大[6,7]。本試驗兩種非均勻結構的覆蓋度相同，但是，降低風速的水平距離和垂直高度都不同，這主要兩種植物每3行一帶前后配置，改變了林帶的總體結構，形成疏透度不同的仿真防護林，非均勻結構可以增加其防風固沙效能[8]，本試驗人結果也說明非均勻配置防護林帶有增強防擴效能作用。將6行防護林組成前高(3行)后低(3行)配置的仿真防護林，其防風效能相對均勻結構較大，是一種相對較優防護林結構。

3.2 非均勻結構的防護林的水平方向風速降低較大的區域相對均勻結構防護林距林帶較近：在水平方向，非均勻結構防護林的前高后低型(A+B)的風速降低率最大區域出現在林帶后樹高的2～4倍，形成了2個較為明顯的減速區；前低后高型(B+A)仿真防護林風速降低率最大區域則在樹高的1～2倍之間，而均勻結構林帶(A)的風速降低率最大區域在林帶后樹高的5倍范圍。防護林的有效防護距離與其高度和疏透度等因子有關，野外觀測的最大防護距離可達到樹高的10～15倍，有些研究結果的防護距離更大[1]，比較均勻的農田防護林帶的有效防護距離較長[5]。這不僅與防護林結構有關，還受風速和判定標準影響。以降低風速50%為標準，本實驗均勻結構仿真防護林的有效防護距離為其樹高的5倍，小于野外實驗結果，但與風洞仿真模擬實驗結果相近[7,14]。

3.3 非均勻結構的防護林的垂直方向風速明顯降低區相對均勻結構防護林的較低：在垂直方向，3種防護林的風速變化較大的高度均為15 cm，風速降低的高度小于1.5倍樹高，這個高度大約是林冠層中部，是仿真防護林疏透度相對較大區域。均勻結構防護林的風速降低較大區域的高度大于非均勻結構的，而前高后低型防護林的風速降低較大區域高于前低后高防護林的。前高后低型林帶的風速降低較大區域位于1～2倍樹高處，前低后高型林帶的風速明顯降低區在0.75倍樹高范圍，均勻型林帶的風速降低較大區域高度為0.75～1倍樹高范圍。野外實驗的防護林風速明顯降低高度可達到14倍樹高以內[13]，而本實驗的防護林防護效益較低，這與部分風洞實驗結果相近[6,7,14]。防護林降低風速程度不僅受觀測的防護林樹種、高度、冠層高度及其結構影響，也與觀測環境相關。