风吹雪灾害防护林格局及配置研究

2012-09-20包岩峰丁国栋赵媛媛高广磊冯莎莎

东北农业大学学报 2012年11期

包岩峰，丁国栋，赵媛媛，高广磊，冯莎莎，石星，冯颖

（水土保持与荒漠化教育部重点实验室，北京林业大学水土保持学院，北京 100083）

风吹雪作为一种自然现象广泛分布在我国寒冷地区。当降雪过程中或降雪过后，风力达到一定的强度，风吹起雪粒一起运动即形成了风雪流。风雪流是气流挟带着分散雪粒的非典型两相流[1]。风雪流包括低吹雪、高吹雪和暴风雪三种，对自然积雪有重新分配的作用[2]。积雪容易引发多种灾害（风吹雪和雪崩），而风雪流形成的积雪深度能够达到一般积雪深度3～8倍[3]，风雪流问题研究已经成为当前学界研究的热点问题之一。20纪70年代中期国际风雪流研究处于加速发展阶段，实现了由对风雪流的定性描述到定量研究突破[4-7]。我国在20世纪70年代后对风雪流的研究与灾害防治开始投入大量的资金，针对中国风吹雪雪害区划、风雪流形成的物理过程、分布规律以及吹蚀与堆积转化机制、防灾减灾等方面做了较为详细研究，先后在天山、西藏东南、滇北等地开展雪崩、公路风吹雪调查与防治研究[8-11]。同时也对我国西北、华北、东北和西南地区雪害严重地区雪粒的起动、时空分布与运动规律进行了较为全面的研究，完成了对我国雪害、风雪流的区划，把中国风吹雪区划分为2个区域、3个大区、13个地带、39个地区和131个区[3,8,12-13]。一些学者通过西部山区公路风雪流灾害防治的研究，利用野外观测和风洞模拟实验，成功研究不同地带的风雪流流场的结构和多种防雪技术的作用机制，提出了山区道路雪害防治的措施和方法[9]。并通过野外实验的方法检验了挡雪墙、导风板、防雪栅栏、储雪沟等一系列工程措施在防治风雪灾害过程中的应用效果[3,8-9,13]。纵观国内外大部分研究，发现针对风吹雪灾害的研究主要集中在风雪流形成机理以及通过工程措施对山区公路风吹雪防治等方面，采用生物措施特别是防雪林配置技术对风吹雪防治方面的研究还未见报道。

我国西部地区面临风雪及风沙灾害危害严重，所以对高寒地带较大面积上重点区域的风雪防治尤为重要。与工程措施不同，营造结构合理、配置科学的防雪林不仅有效增加了防护面积，而且更加经济、有效和持久。本文以新疆吉木乃县为研究区，通过对该地区多年风信资料、土壤情况及乡土树种的调查分析，同时结合该地区风雪灾害成灾致灾原理和机制的相关研究，以研究区立地条件特点为基础，提出几种不同配置结构的防雪林营造技术模式，为风吹雪地区防治风雪灾害提供理论依据与实践参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

吉木乃县（地理坐标为：北纬47°00′～47°59′，东经85°33′～87°09′）位于新疆伊犁哈萨克自治州阿勒泰地区。地处准葛尔盆地北缘，萨吾尔山北麓，额尔齐斯河南岸，地势南高北低，南陡北缓。远离海洋，属大陆性北温带寒冷气候区，春旱多风，夏季凉爽，秋季短暂，冬季寒冷而漫长。降水量少，蒸发量大，气候干燥，日照充足。年平均气温3.5℃，气温分布趋势由北向南随海拔高度的增加而逐渐降低。年日照时数2 940.8 h，无霜期151 d，年平均降水量为202.2 mm，夏季降水量占全年降水量的34.9%，秋季占16.8%，春季占20.7%，冬季占27.5%，蒸发量是降水量的10.5倍。土壤类型与地貌类型相对应，由南向北垂直分布可分为萨吾尔山山地土壤和平原农区土壤，土壤类型包括荒漠土壤、草原土壤、草地草甸和草甸草原土壤、盐碱土壤及风沙土壤。吉木乃县是典型的内陆干旱地区，地被植物种类较少。乔木多为人工防护林，灌木与草本植物以典型荒漠植物为主。

1.2 研究方法

1.2.1 研究区多年风速、风向测定

风速、风向数据均来自新疆吉木乃县气象站，取吉木乃2001～2010年10年日平均风速进行统计分析，风向数据以2005～2010年5年最大风速的风向数据进行分析。雪粒起动风速及林带间风速通过手持风速仪（FC-16025）、HOBO小型气象站三杯风速仪进行观测。

1.2.2 研究区立地现状分析

实地踏勘研究区，了解造林地地貌类型，并通过在造林地内挖土壤剖面，提取分析土壤各层0～10 cm、10～30 cm、30～50以及50～90 cm 土壤含水率和土壤养分含量。

1.2.3 研究区植被调查

通过对研究区现有植被的调查，选取适宜造林的树种。防雪林树种选择条件为树体高大、树冠较窄，根深，不易风倒、风折；速生，尤其是树干生长快、干直兼有经济效益及观赏性；具有较强的抗寒、抗旱、抗高温、抗病虫害、耐水湿、耐盐碱等能力，在当地已有成功造林经验的乡土树种。

2 结果与分析

2.1 风速分析

通过统计分析吉木乃县近5年（2005～2010年）日平均风速，筛选出大于等于5 m·s-1的风速即雪粒的起动风速。得出月平均大于等于5 m·s-1的风速为1月21 d，2月20 d，3月28 d，4月30 d，5月31 d，6月30 d，7月31 d，8月31 d，9月30 d，10月29 d，11月23 d，12月22 d（见表1）。可见研究区每月发生大于起动风速的天数均大于20 d，表明，降雪易引发风吹雪灾害。

吉木乃县年平均风速为4.4 m·s-1，最大年平均为5.1 m·s-1，最小年平均为3.8 m·s-1。风速的日变化是：一般早上风速小，午后最强，日落后逐渐减弱。若在寒潮等天气的影响下，风速变化随天气强度而变化。

大风（大于17 m·s-1的风速）是决定一个地区风雪灾害程度的动力基础，统计分析吉木乃县10年（2001～2010年）的风速数据，得到近10年月平均大风天数为：1月2 d，2月2 d，3月4 d，4月7 d，5月9 d，6月8 d，7月6 d，8月5 d，9月5 d，10月4 d，11月3 d，12月2 d；年平均大风日数为32 d，最多年份2005年达到42 d，最少年份2009年22 d，最大风速27.4 m·s-1（风向ESE）。在风雪同期的11月至翌年3月，当风速达到大于等于17 m·s-1时所形成的风雪流直接造成灾害或者通过对降雪的再分配造成二次风雪灾害。而由特殊的地形地貌引起风速的“峡谷效应”可以使风速加剧，这种现象在当地俗称“诺海风”，所造成的风雪灾害将更加严重。

表1 2005～2010年各月日平均风速大于等于5 m·s-1的统计表Table1 Statistical table about daily average wind speed of each month greater than or equal to 5 m·s-1from 2005～2010

2.2 风向分析

分析吉木乃2005～2010年近5年大于等于起动风速的风向数据，得出该地区风向多数以西北风为主导，其中西北偏西风（WNW）年均出现为111 d，西北风（NW）年均出现为49 d，西风（W）年均出现40 d，而南风（S）、东风（E）以及北风（N）年均出现频率不多。风向年均日数大于等于20 d的频率依次为：WNW＞NW＞S＞SSW＞W＞E。

由于风吹雪大多在每年的冬春季节，满足一定的动力条件以及有丰富的降雪时发生。所以分析风雪同发期的有害风向对营造“因害设防”的防雪林有着至关重要的意义。因此筛选出2005～2010年各年11月到翌年3月大于等于起动风速的风向数据（见表2），并绘制了2006，2007，2008，2009年近4年的风向玫瑰图（见图1）来分析研究区主要成灾风向，做到因害布设防护林带。

由图1和表2分析可知，吉木乃县近几年在风雪同发期11月到翌年3月，南风（S）为主导风，西北偏西风（WNW）和东风（E）次之。风向出现频率较多为：S＞SSW＞WNW＞NW≥ESE＞E，有害风向为西北偏北风（WNW）和东风（E）。虽然南风（S）在风雪期为主导风，但是由于吉木乃县南部建设布局及地貌特征，不具备形成风雪流的开阔平坦地势和丰富雪源，所以由南风（S）引发的风吹雪危害并不大。而西北偏北风（WNW）和东风（E）是造成吉木乃县风雪灾害的主要风向，其中东风（E）虽然出现频率相对少，但由于吉木乃县东部山脉特殊的地貌形态，使风速加剧形成了“峡谷效应”，产生了强劲的东风（E），一般风力达5～6级，最大可达12级，在当地称之为“诺海风”。在布设防雪林时注意防护林带走向应与有害风方向保持垂直，若不能垂直也应当将林带与风向间的夹角控制在45°至90°范围内，不能小于45°。

结果见表2。

表2 2005～2010年11月1日～3月31日风向统计分析表Table2 Statistical table about daily wind direction from 2005～2010 between 11.1～3.31

2.3 立地条件及植被调查情况分析

2.3.1 土壤立地类型

研究区土壤类型为荒漠土壤、草原土壤、草地草甸和草甸草原土壤、盐碱土壤及风沙土壤。通过对研究区内多个位置上土壤剖面的分析，建立立地条件质量评价表（见表4）。选取土壤厚度（A）-植被类型（B）两个立地因子对本区立地类型进行描述，本研究在营造防雪林时涉及立地类型为A2-B1、A2-B2、A2-B33种类型（见表3）。

防雪林主要营造在A2-B1、A2-B2、A2-B3这3种立地类型上，由于这几种立地类型主要是弃耕地和耕地，其中荒滩地很少，土层较深厚，一般在40 cm以上，土壤养分条件中等偏上（见表5），所以常规乔木造林可行。对于土壤养分条件一般的卵石荒滩地以及个别退耕地和荒草地采用灌木造林。

表3 研究区立地类型划分表Table3 Table about site type of the study area

2.3.2 防雪林树种的选择

通过野外植被调查研究，结合吉木乃地区气候条件，以及林木的适应性和滞雪、抗雪性能等分析得出，营造防雪林尽量选择乡土树种或者在当地有成功造林经验的树种为主要树种。乔木选用俄罗斯杨（Populus.Russkii Jabl）、新疆白榆（Ulmus pumila L.）、沙枣（Elaeagnus angustifolia L.）、小叶白蜡（Fraxinus bungeana DC.）作为主栽树种，灌木选用柠条（Caragana intermedia intermedia）、柽柳（Tamarix ramosissima Ledeb）、沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）、黄刺玫（Rosa xanthina Lindl.）。

图1 2006～2010年11月1日～3月31日风向频率玫瑰图Fig.1 Wind roses of daily wind direction from 2005-2010 between 11.1-3.31

表4 研究区立地条件质量评价Table4 Quality evaluation of site conditions on study area

2.4 防雪林林带滞雪能力分析

防雪林林带间距及防雪林空间结构配置对削弱风能，降低风速，滞留风雪等有着至关重要的作用。由于与树高和林带疏透度关系密切，在疏透度一定的情况下，原则上树高越高，防护距离越远，林带间距越宽。根据关于林带的高度与防雪效果的关系，有学者做过相关研究，并提出如下回归方程：D=1.9919e0.0347H其中H为植被高度，D为积雪深度[14]。按上述方程，根据植被高度可以计算出积雪深度。若吉木乃县最大降雪深度如为50 cm，则整个防护林带可以积储3倍于该宽度的来雪，即防护距离达6 km。然而林带的防雪能力不仅仅与林带的高度有关，防护林结构能够直接影响防雪林的滞雪多少，根据野外观测，疏透结构的防护林带防风的有效距离一般为树高的15～20倍，但冬季由于树木落叶，林带很难达到疏透结构（疏透度0.3～0.5），基本都是透风结构（疏透度＜0.5），有效防护距离要小得多，观测结果为树高的8～10倍。也就是说，营造5 m高的林带，其有效防护距离约为40～50 m。本着最大限度滞留来雪的原则，并结合防雪林结构配置，研究得出该配置下30 m的防雪林林带间距能够有效的降低风速，滞留风雪流中的雪粒，使其沉积在林带内或林带间达到最大限度的防雪效果。

表5 不同立地类型土壤养分分析Table5 Soil nutrient analysis of different site types

2.5 防雪林结构与配置

综合考虑吉木乃县气候及立地条件，结合物种多样性，乔灌结合，林木空间结构配置对防治风雪灾害的积极影响。得出以下几种不同配置结构的防雪林设计：

①选择俄罗斯杨（Populus.Russkii Jabl）、小叶白蜡（Fraxinus bungeana DC.）、为乔木主要建设树种，灌木树种为黄刺玫（Rosa xanthina Lindl.）。采用乔灌结合的行带式造林配置，6行一带，乔木4行，灌木2行，乔木林带靠近下风侧，株行距为3 m×3 m，灌木林带靠近上风侧，株行距为1 m×2 m，林带间距为30 m。林带长度及宽度可以根据防护目标的面积大小来进行调整，林木采用“品”字型布设，该设计乔木景观基干林带树种的选择是考虑了抗性的同时也考虑了景观效果。可以应用在城乡人居环境风吹雪灾害防治等方面。

②乔木树种选择俄罗斯杨（Populus.Russkii Jabl）和沙枣（Elaeagnus angustifolia L.）为主栽树种，灌木树种为柽柳（Tamarix ramosissima Ledeb）。采用乔灌结合的行带式造林配置，6行一带，乔木四行，灌木两行，乔木林带靠近下风侧，株行距为3 m×3 m，灌木林带靠近上风侧，株行距为1 m×2 m，林带间距为30 m。该防护林配置模式能够在中等偏上的立地条件下较好发挥防治风雪灾害的作用。

③乔木选用俄罗斯杨（Populus.Russkii Jabl）和新疆白榆（Ulmus pumila L.），灌木选用沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）。防护林采用行带式造林配置，乔灌结合，6行一带，乔木4行、灌木2行，株行距为3 m×3 m，乔木林带靠近下风侧，灌木林带靠近上风侧。该防雪林兼备良好的防风雪效益与经济效益。

④对于立地条件一般不能直接种植乔木树种的地区，通过营造树体高大，树冠较稀疏的耐寒耐旱灌木树种来完成风雪灾害的防治，并通过调整林带配置来最大限度的削弱风速，滞留积雪。其中灌木林带树种选用梭梭（Haloxylon ammodendron）和柽柳（Tamarix ramosissima Ledeb），采用两行一带造林模式，株行距为1.0 m×1.5 m，两个树种隔带混交配置，带距10 m。

3 讨论与结论

新疆吉木乃县风雪活动频繁，2005～2010年≥5 m·s-1年平均起动风速全年有326 d。年平均大风（＞17 m·s-1）日数为31.5 d，且大风多发生在风雪同发期（11月至翌年3月），为该地区造成风雪灾害提供基础。在吉木乃风雪同发期，有害风向为西北偏西风（WNW）和东风（E），其中东风（E）在“峡谷效应”作用下成灾更严重。

目前对于风吹雪的防治研究，绝大部分是应用挡雪墙、导风板、防雪栅栏等工程措施来实施对点和线的防治，尤其是针对公路防雪方面的研究，而采用防雪林防治风雪灾害的研究很少。西部地区大部分地处风雪灾害频发带，饱受风雪灾害的侵袭，给当地居民生活及经济带来诸多影响。营造结构合理，配置科学的防雪林可以对较大面积的重点地区起到有效防护作用。相比较其他措施防雪林是经济、有效和持久的方法。防雪林体系的建设应本着“因害设防，因地制宜，适地适树”的原则，紧密结合区域气候特点和土壤特点，选择抗逆性强的乡土乔灌木树种，高效利用水土资源，营造健康稳定的防护林体系。研究完成了几种不同空间配置结构的防雪林技术模式，分别为采用乔灌结合的行带式造林配置，6行一带，乔木4行，灌木2行，乔木林带靠近下风侧，株行距为3 m×3 m，灌木林带靠近上风侧，株行距为1 m×2 m，林带间距为30 m。以及灌木林采用两行一带造林模式，株行距为1.0 m×1.5 m，两个树种隔带混交，带距10 m。

本研究以风速、风向等气象资料为基础，充分分析气候特征和土壤立地条件，从生物防治措施即防雪林体系建立的角度，对风吹雪灾害的防治提供了理论依据并提出几种防护林营造技术模式，为风吹雪地区减轻风雪灾害提供理论依据和实践参考。

[1]王文颖,王中隆,仇家淇.“从运动中的雪讨论”看国际积雪研究[J].冰川冻土,1980,2(3):61-64.

[2]王中隆,白重瑗,陈元.天山地区风雪流运动特征及预防研究[J].地理学报,1982,37(1):51-64.

[3]王中隆.中国风雪流及其防治研究[M].甘肃:兰州大学出版社,2001.

[4]Jumikis A R.Aerodynamic Snow fences to control Snowdrifting on roads[J].Highwayres Board,1970,115:210-219.

[5]Kobayashi Dziji,et al.Studies of Snow transport in low-level drifting Snow[J].Low Temp Sci,1972,12(29):73-79.

[6]Martinelli M J.Snow-fence experiments in alpine areas[J].Journal of Glaciology,1973,12(65):291-303.

[7]Radok V.Snow drift[J].Journal of Glaciology,1977,19(81):123-129.

[8]王中隆,我国雪害及防治研究[J].山地研究,1983,1(3):22-31.

[9]胡汝骥.山区道路雪害防治[M].科学技术文献出版社,1990:30-33.

[10]李长林,陈晓光.公路雪害防治[J].公路,2000(1):5-8.

[11]马东涛,崔鹏,王忠华.中尼公路雪害及防灾对策[J].山地学报,2000(20):59-63.