3種配置模式固沙林內(nèi)風(fēng)速流場(chǎng)和防風(fēng)效果比較

3種配置模式固沙林內(nèi)風(fēng)速流場(chǎng)和防風(fēng)效果比較

低覆蓋植被是中國(guó)干旱和半干旱區(qū)經(jīng)過長(zhǎng)期自然演替后，逐漸形成并廣泛分布的植被類型。覆蓋率通常為10%30%（吳正宇，1980；邱明新，2000；韓德如等，1994）。研究認(rèn)為:植被覆蓋度低于40%,不能完全固定流沙和阻止風(fēng)沙流的形成(朱震達(dá)等,1981;1994;高尚武,1984),只能形成半固定、半流動(dòng)沙地(馬世威,1988;董治寶,2005)。但在實(shí)際觀察中發(fā)現(xiàn),當(dāng)覆蓋度低于40%時(shí),灌叢在水平空間分布格局的差異,嚴(yán)重影響低覆蓋度植被的防風(fēng)效果(屈建軍等,1992;Wassonetal.,1986;vandenvenetal.,1989;Wolfetal.,1993;凌裕泉等,2003;楊文斌等,2004;2006a)。在點(diǎn)格局的研究中,基本上把種群的空間分布確定為3種類型:隨機(jī)分布(randomdistribution)、均勻分布(regulardistribution)和集群分布(clumpeddistribution)(Tsoaretal.,1986),行帶式格局是一種特殊的集群分布。已有研究得出:在覆蓋度低于20%時(shí),行帶式配置格局的灌木群叢能夠很好地固定流沙,比同覆蓋度等株行距均勻分布和隨機(jī)不規(guī)則分布格局的防風(fēng)效果顯著增高(楊文斌等,2006b;2007;朱朝云等,1991;胡孟春等,2002)。但是,由于喬木與灌木的冠形差異顯著,在垂直空間的分布不同,對(duì)風(fēng)和沙的阻礙作用和方式不同(朱朝云等,1991;楊文斌等,1997;2006b),使得低覆蓋度下喬木疏林產(chǎn)生與灌木群叢完全不同的流場(chǎng)分布特征,進(jìn)而使林分內(nèi)地表蝕積的關(guān)系發(fā)生變化。因此,本文進(jìn)一步針對(duì)覆蓋度為20%和25%的兩行一帶式喬木固沙林,在風(fēng)洞內(nèi)研究其風(fēng)速流場(chǎng)規(guī)律及降低風(fēng)速的效果。探討低覆蓋度喬木行帶式固沙林能夠完全固定流沙的基本原理,為我國(guó)建立低覆蓋度高固沙效果的人工固沙植被提供科學(xué)依據(jù)。1試驗(yàn)設(shè)備、材料和方法1.1試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)本試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院蘭州沙漠研究所的野外試驗(yàn)沙風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞是直流閉口吹氣式風(fēng)洞,主體結(jié)構(gòu)由3mm厚的硬質(zhì)鋁合金板建成,風(fēng)洞全長(zhǎng)為37m,試驗(yàn)段長(zhǎng)21m,截面為1.2m×1.2m。試驗(yàn)采用防沙風(fēng)速廓線皮托管采集儀自動(dòng)采集風(fēng)速,采集周期為2s,每輪風(fēng)速采集時(shí)長(zhǎng)為30s。模擬溫度為22℃,氣壓為87.3kPa(韓致文等,2000)。1.2試驗(yàn)材料和方法1.2.1枝下高5.5m本試驗(yàn)以白榆(Ulmuspumila)為原料,單株白榆株高H0=6.5m,冠幅5.1m×5.5m,枝下高2.5m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)物比為1∶50。采用現(xiàn)采的檉柳(Tamarixchinensis)枝條制成白榆樣株,模型株高H=0.13m(模型高度),樹干高度為0.04~0.06m,冠幅為0.102m×0.11m。1.2.2模型覆蓋度計(jì)算本試驗(yàn)在20%和25%2種覆蓋度下,設(shè)置了3種兩行一帶模式,3種模式的植株為交錯(cuò)排列。其中覆蓋度為20%的模型為帶間距D為5H且行距L為0.04m的兩行一帶模式,覆蓋度為25%的模型為帶間距D為5H且行距L為0.08m和帶間距D為4H且行距L為0.04m的兩行一帶模式。以覆蓋度為20%的兩行一帶模式為例,來說明模型覆蓋度的計(jì)算方法。如圖1所示,整個(gè)模型的覆蓋度可以用林帶寬度與模型總面積的比值來計(jì)算,即:覆蓋度(%)=(林帶寬度/模型總寬度)×100%=100%×[(0.102+L)×2]/(5H+2.5H+2.5H+2L)=100%×[(0.102+0.04)×2]/(1.3+0.08)=20.6%。模型林帶為疏透結(jié)構(gòu),疏透度在0.3~0.4范圍內(nèi)。通過測(cè)定林帶背風(fēng)面林冠頂部、林冠中部和近地表處與相應(yīng)3個(gè)高度的對(duì)照風(fēng)速,用其比值來計(jì)算透風(fēng)系數(shù),得出林帶的透風(fēng)系數(shù)在0.41~0.48范圍內(nèi)。1.2.3測(cè)點(diǎn)設(shè)置和測(cè)量原理平面風(fēng)速測(cè)量采用防沙風(fēng)速廓線皮托管自動(dòng)記錄風(fēng)速。平面測(cè)點(diǎn)呈網(wǎng)格狀分布,在模式內(nèi)設(shè)置規(guī)格為0.1m×0.1m的網(wǎng)絡(luò)測(cè)點(diǎn),測(cè)量高度為0.31H(模型樹高H=0.13m)。在空洞條件下,在模型位置測(cè)定風(fēng)洞中心點(diǎn)測(cè)定0.31H高度的風(fēng)速作為對(duì)照風(fēng)速。1.2.4模型材料高度風(fēng)速測(cè)量剖面風(fēng)速測(cè)量采用風(fēng)速廓線儀(鄧湘雯等,2005)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)點(diǎn)高度為:從地表算起0.03H,0.06H,0.09H,0.12H,0.23H,0.46H,0.92H,1.54H,2.0H,3.9H(模型樹高H=0.13m)。在模式中央縱剖面軸線上,沿迎風(fēng)方向每隔0.1m布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn),同時(shí)測(cè)定上述10個(gè)高度處的風(fēng)速。在空洞條件下測(cè)定風(fēng)洞中部某點(diǎn)上述各高度的風(fēng)速作為對(duì)照風(fēng)速。1.2.5試驗(yàn)風(fēng)速條件將來風(fēng)剛進(jìn)入試驗(yàn)段軸心處的風(fēng)速作為試驗(yàn)風(fēng)速,共設(shè)定10和15m·s-12種試驗(yàn)風(fēng)速條件。同一測(cè)點(diǎn)的平行風(fēng)速值10~12個(gè),求出算術(shù)平均值后采用Sufer8.0進(jìn)行制圖,采用SAS軟件進(jìn)行結(jié)果分析。2結(jié)果與分析2.110ms-1試驗(yàn)風(fēng)速下的兩個(gè)階段模型的比較2.1.1各模式的最大風(fēng)速圖2為3種不同模式在10m·s-1試驗(yàn)風(fēng)速下0.31H高度的風(fēng)速流場(chǎng)圖。圖中顏色逐漸加深表示相對(duì)風(fēng)速Ex逐漸降低,即防風(fēng)效果漸增。3種模式都形成了風(fēng)影區(qū)(背風(fēng)側(cè)形成的風(fēng)速顯著降低區(qū))與風(fēng)速加速區(qū)相互組合的復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。從圖中看出:覆蓋度為20%的模式中相對(duì)風(fēng)速Ex>50%所占的比例較多于覆蓋度為25%的2種模式,即覆蓋度為20%的模式整體的防風(fēng)效果低于覆蓋度為25%的2種模式。覆蓋度為25%的2種模式相比較,D=4H,L=0.04m模式的最大風(fēng)速為7.5m·s-1,低于D=5H,L=0.08m模式的最大風(fēng)速;另外,前一種模式中相對(duì)風(fēng)速Ex<50%所占的比例要高于后一種模式,且在一定位置相對(duì)風(fēng)速Ex<20%,因此D=4H,L=0.04m模式防風(fēng)效果高于D=5H,L=0.08m模式。D=5H,L=0.08m模式在第一帶前后出現(xiàn)了一個(gè)風(fēng)速加強(qiáng)區(qū),而D=4H,L=0.04m模式在林帶處未出現(xiàn)類似地流場(chǎng)結(jié)構(gòu),這可以得出D=4H,L=0.04m模式防風(fēng)效果高于D=5H,L=0.08m模式,同時(shí)也可以得出風(fēng)速的林帶對(duì)風(fēng)速的影響不僅與覆蓋度有關(guān),而且與林帶行間距有關(guān),行間距越大阻風(fēng)能力越弱,林帶處出現(xiàn)風(fēng)速加速區(qū)的可能性越大。2.1.2風(fēng)速水平變化的特征圖3中可以看出3種兩行一帶模式風(fēng)速水平分布隨高度變化趨勢(shì)相近。觀察2H處的風(fēng)速曲線,覆蓋度為20%的模式沿來風(fēng)方向未發(fā)生變化,而2種覆蓋度為25%的模式有上升的趨勢(shì),但變化趨勢(shì)較小;3種模式在1.54H處的風(fēng)速曲線的變化過程為先增加后減少,且該層風(fēng)速變化不隨林帶而變化;0.92~0.06H的風(fēng)速曲線沿來風(fēng)方向有較大變化,不同高度的風(fēng)速水平分布都是一個(gè)逐漸減小的過程,且在靠近林帶處先增大后減少。比較不同高度的風(fēng)速變化趨勢(shì)看出,0.92H和0.46H高度的風(fēng)速曲線變化最大,這是由于0.92H和0.46H高度正處于模型設(shè)計(jì)的樹冠高度,樹冠的阻風(fēng)作用導(dǎo)致0.92H和0.46H2層的風(fēng)速變化最大。由以上分析可以將風(fēng)速水平分布隨高度變化劃分為微變化層(1.54H和2H)、顯著變化層(0.46H和0.92H)和穩(wěn)定變化層(0.06~0.12H)3個(gè)層次。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)覆蓋度為20%(D=5H,L=0.04m)和覆蓋度為25%(D=5H,L=0.08m)模式同一高度相同位置的風(fēng)速值均小于覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式,這說明后一種模式降低同一高度風(fēng)速的效果高于前2種模式。2.1.3降低水平空間風(fēng)速能力對(duì)10m·s-1試驗(yàn)風(fēng)速下2種覆蓋度水平空間和垂直空間風(fēng)速值采用SAS軟件進(jìn)行方差分析,分析采用F檢驗(yàn)過程。1)降低0.31H高度風(fēng)速效果3種模式在10m·s-1試驗(yàn)風(fēng)速下的4cm高度的風(fēng)速值檢驗(yàn)。覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式與覆蓋度為25%(D=5H,L=0.08m)及覆蓋度為20%(D=5H,L=0.04m)2種模式存在顯著性差異(F=9.97,顯著水平小于0.0001),后2種模式無顯著性差異。檢驗(yàn)給出了3種模式的平均風(fēng)速,覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式平均風(fēng)速為4.21m·s-1,覆蓋度為25%(D=5H,L=0.08m)和覆蓋度20%(D=5H,L=0.04m)模式平均風(fēng)速分別為4.77和5.09m·s-1。因此可知前一種模式降低風(fēng)速效果優(yōu)于后2種模式,后2種模式降低風(fēng)速效果相同。在10m·s-1試驗(yàn)風(fēng)速下,對(duì)照點(diǎn)的平均風(fēng)速為6.6m·s-1,對(duì)3種兩行一帶模式風(fēng)速值和對(duì)照風(fēng)速進(jìn)行處理后繪制出表1。分析表1可以看出覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式在第一帶前和一二帶間降低對(duì)照風(fēng)速的比率分別為13.48%和41.06%,大于覆蓋度為25%(D=5H,L=0.08m)和覆蓋度為20%(D=5H,L=0.04m)模式,第二帶后3種模式降低對(duì)照風(fēng)速的比率相同。這說明前一種模式在第二帶前降低風(fēng)速的能力要遠(yuǎn)高于后2種模式,而后2種模式雖然覆蓋度不同,但是后2種模式降低風(fēng)速的效果相同;由于林帶的累加作用3種模式第二帶后降低風(fēng)速的效果相同。對(duì)表1中2種覆蓋度下3種模式內(nèi)的最大風(fēng)速和最小風(fēng)速進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式在第一帶前最大風(fēng)速和最小風(fēng)速都低于后2種模式,而在一二帶間最小風(fēng)速但最大風(fēng)速仍舊明顯的低于后2種模式,第二帶后3種模式內(nèi)的最大風(fēng)速和最小風(fēng)速無明顯的變化,這可以說明前一種模式第二帶前的風(fēng)速高于后2種模式是由于降低最大風(fēng)速的能力較強(qiáng)的原因。根據(jù)以上分析結(jié)果可以說明兩行一帶模式降低水平空間風(fēng)速的能力不僅與林地的覆蓋度有關(guān),而且與林帶行距有關(guān)。2)降低不同高度風(fēng)速效果對(duì)0.03~3.9H高度在10m·s-1的試驗(yàn)風(fēng)速下測(cè)得的風(fēng)速值檢驗(yàn)可知:覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式與覆蓋度為25%(D=5H,L=0.08m)和覆蓋度為20%(D=5H,L=0.04m)2種模式存在顯著性差異(F=6.63,顯著水平為0.0015),而后2種模式無顯著性差異。檢驗(yàn)給出了3種模式垂直空間風(fēng)速的平均風(fēng)速,覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式的平均風(fēng)速為4.68m·s-1,覆蓋度為25%(D=5H,L=0.04m)模式的平均風(fēng)速為5.53m·s-1,覆蓋度為25%(D=5H,L=0.08m)模式平均風(fēng)速為5.8m·s-1。因而,前一種模式降低風(fēng)速效果優(yōu)于后2種模式,后2種模式降低風(fēng)速效果相同。比較10m·s-1試驗(yàn)風(fēng)速下兩行一帶模式與對(duì)照不同高度的垂直空間風(fēng)速(圖4),3種模式隨高度的增加降低風(fēng)速的效果為先增加后減少的趨勢(shì),在0.46H和0.92H處達(dá)到極大值,1.5H處急劇降低,且在2.0H和3.9H處為負(fù)值。0.46H和0.92H降低風(fēng)速的效果最大是由于0.46~0.92H位于林帶樹冠層,樹冠層對(duì)風(fēng)速的阻擋和抬升作用導(dǎo)致這一層風(fēng)速降低較大,同樣由于樹冠層抬升作用的影響,導(dǎo)致了通過2.0H和3.9H風(fēng)速的增大。進(jìn)一步觀察看出,覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式降低同一高度風(fēng)速的效果要高于其他2種模式。2.215ms-1試驗(yàn)風(fēng)速下的兩個(gè)階段模型的比較2.2.1空間水平風(fēng)速流場(chǎng)特征2.2.2來風(fēng)方向風(fēng)速變化從圖6中可以看出3種兩行一帶模式在15m·s-1的試驗(yàn)風(fēng)速下的垂直空間風(fēng)速與10m·s-1試驗(yàn)風(fēng)速下變化情況類似。3種模式2H高度的風(fēng)速曲線沿來風(fēng)方向均有上升的趨勢(shì),但變化趨勢(shì)較小。1.54H高度風(fēng)速沿來風(fēng)方向風(fēng)速變化為先增加后減少的過程,與林帶位置無關(guān)。0.8~0.92H高度的風(fēng)速曲線沿來風(fēng)方向有較大變化,且0.46H和0.92H高度的風(fēng)速曲線變化最大。沿來風(fēng)方向,0.06~0.92H高度風(fēng)速是一個(gè)漸減的過程,除覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)的模式在第二帶前后風(fēng)速變化趨于穩(wěn)定外,在林帶前后都出現(xiàn)風(fēng)速先增大后減少的現(xiàn)象。同樣可以將風(fēng)速水平分布隨高度變化劃分為微變化層(1.54H和2H)、顯著變化層(0.46H和0.92H)和穩(wěn)定變化層(0.06~0.23H)3個(gè)層次。2.2.3降低水平空間風(fēng)速試驗(yàn)1)降低0.31H高度風(fēng)速效果在試驗(yàn)風(fēng)速為15m·s-1,對(duì)3種模式0.03H高度的風(fēng)速進(jìn)行方差檢驗(yàn)。覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式同覆蓋度為25%(D=5H,L=0.08m)和覆蓋度為20%(D=5H,L=0.04m)模式存在顯著性差異(F=6.71,顯著水平為0.0013),后2種模式無顯著性差異。檢驗(yàn)同時(shí)給出了3種模式的平均風(fēng)速,覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式平均風(fēng)速為6.63m·s-1,覆蓋度為25%(D=5H,L=0.08m)和覆蓋度為20%(D=5H,L=0.04m)模式平均風(fēng)速分別為7.2和7.72m·s-1。在15m·s-1試驗(yàn)風(fēng)速下,對(duì)照風(fēng)速為9.85m·s-1,對(duì)3種兩行一帶模式內(nèi)的風(fēng)速和對(duì)照風(fēng)速進(jìn)行處理后得出表2。分析表2可以看出覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式在第一帶前、一二帶間、第二帶后的降低對(duì)照風(fēng)速的比率為8.12%,35.23%和49.04%,高于覆蓋度為25%(D=5H,L=0.08m)和覆蓋度為20%(D=5H,L=0.04m)2種模式,而后2種模式基本相同,因此可以說明前一種模式每一帶林帶降低水平空間風(fēng)速的效果都高于后2種模式,而后2種模式在降低水平空間風(fēng)速的效果相同。對(duì)表2中2種覆蓋度下3種模式內(nèi)的最大風(fēng)速和最小風(fēng)速進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式內(nèi)的最大風(fēng)速都小于后2種模式對(duì)應(yīng)林帶處的最大風(fēng)速,后2種模式對(duì)應(yīng)林帶處的最大風(fēng)速相同。2)降低不同高度風(fēng)速效果(圖7)在15m·s-1的試驗(yàn)風(fēng)速下,對(duì)0.03~3.9H處的垂直空間風(fēng)速值檢驗(yàn)可知,當(dāng)F=3.63時(shí)顯著水平為0.0263。由檢驗(yàn)結(jié)果可知:覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式與覆蓋度為25%(D=5H,L=0.08m)和覆蓋度為20%(D=5H,L=0.04m)2種模式存在顯著性差異,而后2種模式無顯著性差異,即前一種模式降低風(fēng)速效果優(yōu)于后2種模式,后2種模式降低風(fēng)速效果相同。檢驗(yàn)給出了3種模式垂直空間風(fēng)速的平均風(fēng)速,覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式的平均風(fēng)速為7.5m·s-1,覆蓋度為20%(D=5H,L=0.04m)模式的平均風(fēng)速為8.4m·s-1,覆蓋度為25%(D=5H,L=0.08m)模式平均風(fēng)速為8.75m·s-1。風(fēng)速增大為15m·s-1后,3種模式隨高度的增加降低風(fēng)速的效果為先增加后減少的趨勢(shì),同樣在0.46H和0.92H處達(dá)到極大值,1.5H處急劇降低,且在2.0H和3.9H處為負(fù)值。進(jìn)一步觀察看出,覆蓋度為25%(D=4H,L=0.04m)模式降低同一高度風(fēng)速的效果要高于其他2種模式。3同模式2種模式10和15ms-1和10.31h高度風(fēng)速的比較1)在10和15m·s-12種試驗(yàn)風(fēng)速下,3種模式在0.31H高度都形成了風(fēng)影區(qū)(即背風(fēng)側(cè)形成的風(fēng)速顯著降低區(qū))與風(fēng)速加速區(qū)相互組合的水平風(fēng)速流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。且覆蓋度為20%的模式相對(duì)風(fēng)速Ex大于50%的所占的面積要高于2種覆蓋度為25%的模式,即覆蓋度為20%的模式防風(fēng)效果較低。2)在10和15m·s-12種試驗(yàn)風(fēng)速下,3種兩行一帶模式風(fēng)速水平分布隨高度變化規(guī)律基本相同,可劃分為3層:微變化層(1.54H和2H)、顯著變化層(0.46H和0.92H)和穩(wěn)定變化層(0.03~0.23