3种配置防护林防风效能的风洞模拟实验

李亚琦，马瑞，刘虎俊，，刘淑娟，万翔，刘开琳，李菁菁，李学敏

(1.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070)

防护林是设置在防护对象周围或流沙地段，具有阻滞风害和风沙流侵袭的障碍物，具有防风和阻沙作用，对于防治风沙危害区域生态安全和工农业生产具有不可替代的作用。影响防护林建设的因素主要是树种、土壤和水分，而其效益则决定于其结构和配置[1-3]。林带的有效防护范围是评价防护林效益的重要指标之一，是指使林带背风面指定防护对象不受害风危害间距，也是确定林带建设最主要的数量指标之一，有效防护范围包括水平距离和垂直方向[3,4]。有效防护范围的大小和许多因子有关，但最主要的是林带的疏透度和高度[5]。当林带达到适宜疏透度和最大高度时，林带就能达到最大有效防护距离，而影响林带疏透度的主要是林带结构和配置[1,3]。林带配置受树种及林带的株行距及其带宽影响，研究表明林带组成行数6行和9行影响风速差异不显著[6,7]。而且，不均匀结构可能提高防护林的防护效益[8]。近年来，随着实验材料和仪器的发明应用，仿真模拟研究已成为研究防护林的重要方法，对防护林结构和效能等进行了风洞实验[9-11]，为研究防护林提供了大量参考。本文通过风洞模拟试验，分析不同配置的仿真防护林对风速的作用，对防护林带降低风速的距离和位置进行观测分析，以期为防护林的规划设计提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 仿真灌木

本试验选取2种不同类型的仿真植物模型。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°，枝长 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°，枝长9～14 cm。

1.2 风洞试验布置

风洞模拟试验在甘肃省治沙研究所―风沙环境风洞实验室进行，该风洞为直流下吹式，洞体总长为 38.9 m，可调风速范围 4～35 ms-1。其中实验段长16 m，截面为1.2 m×1.2 m，可调实验段长2.5 m，截面1.2 m×1.3 m。为获得稳定气流并防止因床面厚度产生的前沿附面层分离，在林带前铺空白床面，并在空白床面前端铺设流线型气流抬升板。

试验模拟防护林结构分为3种配置模式，一种为同种仿真植物组成的均匀结构仿真防护林，另两种非均匀结构是两种仿真植物组成的行内植物相同，每三行植物前后不同的仿真防护林。

(1)非均匀结构仿真防护林分为：A+B型(前高后低结构)，林带配置为前三行为植物A，株行距为15 cm×40 cm， 后三行为B植物，株行距为8.5 cm×25 cm。 另一种仿真防护林为B+A型(前低后高结构)：林带配置为前三行为植物B，株行距为8.5 cm×25 cm，后三行为A植物，株行距为15 cm×40 cm；单株植物模型呈“品”字形布设，将仿真植物的基部固定在木质床面上(床面之上树高分别是A株高H=20 cm，B株高h=15 cm)，并用胶结物将根与水平面的缝隙填充好后抹平，将其枝条和叶片全部均匀的分散开，形成空间水平方向高度和林带疏透度不同的非均匀结构仿真防护林，两种仿真防护林的林带总宽度和覆盖度相同，都是 25.02%。

(2)均匀结构仿真防护林：将仿真植物A配置成株行距为15 cm×40 cm 的六行一带的仿真林带，简称 A 型防护林，盖度为 29.43%，此结构仿真防护林作为对照。

1.3 风速观测与变化分析

大风的危害更大[12]，且林带防护距离会缩短[6,7]。参考前期[6,7,13]结论确定本试验的风速为15 ms-1，水平观测距离为200 cm，垂直观测高度为60 cm。用皮托管测定仿真防护林带前、林带中间和林带后风速值。水平测点均分布在中轴线上，仿真防护林前测点距林带为-60 cm(3 H)、-40 cm(2 H)、-20 cm(1 H)的3个测点，林中的测点为第1行与第2行之间1H(A+B型0+20 cm和A型0+20 cm，B+A型0+12.5 cm )、第2行与第3行之间2 H(A+B型0+40 cm和A型0+40 cm，B+A型0+25 cm)、第3行与第4行之间3 H(A+B型0+60 cm和A型0+60 cm，B+A型0+37.5 cm)、第4行与第5行之间4 H(A+B型0+72.5 cm，A型0+80 cm，B+A型0+57.5 cm)、第5行与第6行之间5 H(A+B型0+87.5 cm，A型0+100 cm，B+A型0+79.5 cm)，林带后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个测点位置。垂直测点分别从底部起高度依次为1 cm(5%A树高0.05 H)、2 cm(10%A树高0.1 H)、3 cm(15%A树高0.15 H)、5 cm(25%A树高0.25 H)、8 cm(40%A树高0.4 H)、15 cm(75%A树高0.75 H)、20 cm(A树高1 H)、30 cm(1.5倍A树高1.5 H)、40 cm(2倍A树高2 H)、60 cm(3倍A树高3 H)，共10个测点位。

利用所观测风速计算风速变化率(VΔ)，以此比较防护林带防护效能，计算公式如下:

式中：VΔ为被测相对风速的变化率，Vo为对照风速，VS为林内或林前后的观测风速。

采用Excel2010完成风速计算，并绘制风速变化图，通过Surfer8.0绘制流场结构和风速变化率(防风效能)等值线图，以风速降低率50%为准，分析防风效能。

2 结果与分析

2.1 水平方向的风速变化

在水平方向，A+B型的风速降低率最大区域出现在林带后40～80 cm(2～4 H)，B+A型仿真防护林则在带后20～40 cm(1～2 H)之间(图1，图2)。A+B型林带形成了2个较为明显的减速区：一个是在林前-20 cm(1 H)附近，平均降低风速19.74%，最大54.79%；另一个是林带第5行之后，即距第1行林带40～80 cm(2～4H)附近，平均降低风速38.12%，最大降低风速区位于林带第5行和第6行之间，降低风速率达到86.86%，20 cm高度以下的风速降到8 ms-1以下，15 cm和20 cm高度的风速则降到6 ms-1以下(图4)。

B+A型只有1个较为明显的减速区：是林带第4行之后，即距第1行林之后30～40 cm(1～2 H)范围，平均降低风速18.92%，最大降低风速区位于林带第3行和第5行之间，第1行林带后30～40 cm(1.5～2 H)范围，降低风速率达到85.53%，20 cm高度以下的风速降到9 ms-1以下，15 cm和20 cm高度的风速则降到7 ms-1左右(图5)。

A型有1个较为明显的减速区，在林带内第二行内也有一个明显加速区。明显减速区在第4行和第6行之间的高度80～100 cm(4～5 H)范围，平均降低风速45.09%，最大降低风速率90.59%，风速降到8 ms-1以下，在林带第5行以后，15 cm和20 cm高度的风速则降到7 ms-1以下(图6)。

2.2 垂直方向风速的变化

在垂直方向，风速降低集中区高度为A>A+B>B+A，3种防护林的风速变化较大的高度均为15 cm，风速降低区域的高度小于30～40 cm高度以上，顺着风向其速增加(图1～图3)。

A+B型的风速降低率达50%以上的点共有34个点(图4)，风速降低率最大的高度为15 cm(变异系数56%)，平均降低风速率50.90%，最大降低率78.66%。在40 cm高度(树高2 H)以上风速增加。在高度1 cm，在林带后40 cm高度(2倍A树高2 H)的风速降低率达50%以上；2、3和5 cm高度的风速降低率达50%的水平距离在林带后80 cm(4倍A树高)；8 cm和15 cm高度的风速降低率达50%的水平距离在林带则自第5行和第6行之间(约4倍A树高)；20 cm高度的风速降低率达50%的水平距离则自林带第1行之后；30 cm高度的风速在第1行至第3行之间增加，其余各点风速降低，但风速降低率小于20%；40和60 cm (2和3 H倍A树高)高度以上，自林带第1行之后则风速增加(图1)。

B+A型的风速降低率达50%以上的点共有22个点(图5)。风速降低率最大的高度为20 cm(变异系数143%)，平均降低风速率24.21%，最大降低率85.53%。在40 cm高度(2倍A树高)以上风速增加。在高度1、2、3和5 cm高度的风速降低率达50%的水平距离在林带后距离分别是80 cm(4倍A树高4H)之后；8 cm高度的风速降低率达50%的水平距离则是在林带第2行和第3行之间以及林带80 cm之后。在15 cm高度的风速降低率达50%的水平距离在林带自第1行之后；20 cm高度的风速降低率达50%的水平距离则自林带第5行与林带后40 cm之间；40 cm和60 cm高度的所有观测点风速都增加(图5)。

A型的风速降低率达50%以上的点共有22个点(图6)。风速降低率最大的高度为20 cm(1 H，变异系数80%)，平均降低风速率44.70%，最大降低率90.59%。在高度1 cm，在林带前20～40 cm(1～2倍A树高)以及林带后80 cm(4倍A树高4 H)的风速降低率达50%以上；2、3、5和8 cm高度的风速降低率最大只有47.60%，只有一个观测点的风速大于50%；15 cm自第1行与第2行之间以及第4行之后的观测点风速降低了50%，20 cm高度的则自第2行(2倍A树高2 H)之后各点降低风速率都大于50%，最大降低率为90.59%，林前风速则增加；30 cm高度的风速在林内第5行至林后100 cm(5倍A树高5 H)降低；40和60 cm(2～3倍A树高)高度以上，只有林带第5行和第6行之间一个点风速降低，其余各点风速增加。

3 讨论与结论

3.1 在相同覆盖度和密度条件下，前高后低配置的仿真防护林防风效能较大。两种非均匀结构防护林(前高后低结构和前低后高结构防护林)和均匀结构防护林比较，3种类型的仿真防护林平均降低风速率分别为28.15%，18.92%和19.57%。在相同风速条件下，非均匀结构防护林带有84.61%和82.00%的观测点的风速降低，而均匀结构防护林则只有74.61%的观测点的风速降低。非均匀结构防护林带防护林发挥防风效能较大。防护林结构与配置是其发挥防风效能的关键因素，国内外防护林带大多都是均匀结构林带[1,2]，相比较1行和3行配置的防护林，6行防护林组成的林带相对防护效能较大[6,7]。本试验两种非均匀结构的覆盖度相同，但是，降低风速的水平距离和垂直高度都不同，这主要两种植物每3行一带前后配置，改变了林带的总体结构，形成疏透度不同的仿真防护林，非均匀结构可以增加其防风固沙效能[8]，本试验人结果也说明非均匀配置防护林带有增强防扩效能作用。将6行防护林组成前高(3行)后低(3行)配置的仿真防护林，其防风效能相对均匀结构较大，是一种相对较优防护林结构。

3.2 非均匀结构的防护林的水平方向风速降低较大的区域相对均匀结构防护林距林带较近：在水平方向，非均匀结构防护林的前高后低型(A+B)的风速降低率最大区域出现在林带后树高的2～4倍，形成了2个较为明显的减速区；前低后高型(B+A)仿真防护林风速降低率最大区域则在树高的1～2倍之间，而均匀结构林带(A)的风速降低率最大区域在林带后树高的5倍范围。防护林的有效防护距离与其高度和疏透度等因子有关，野外观测的最大防护距离可达到树高的10～15倍，有些研究结果的防护距离更大[1]，比较均匀的农田防护林带的有效防护距离较长[5]。这不仅与防护林结构有关，还受风速和判定标准影响。以降低风速50%为标准，本实验均匀结构仿真防护林的有效防护距离为其树高的5倍，小于野外实验结果，但与风洞仿真模拟实验结果相近[7,14]。

3.3 非均匀结构的防护林的垂直方向风速明显降低区相对均匀结构防护林的较低：在垂直方向，3种防护林的风速变化较大的高度均为15 cm，风速降低的高度小于1.5倍树高，这个高度大约是林冠层中部，是仿真防护林疏透度相对较大区域。均匀结构防护林的风速降低较大区域的高度大于非均匀结构的，而前高后低型防护林的风速降低较大区域高于前低后高防护林的。前高后低型林带的风速降低较大区域位于1～2倍树高处，前低后高型林带的风速明显降低区在0.75倍树高范围，均匀型林带的风速降低较大区域高度为0.75～1倍树高范围。野外实验的防护林风速明显降低高度可达到14倍树高以内[13]，而本实验的防护林防护效益较低，这与部分风洞实验结果相近[6,7,14]。防护林降低风速程度不仅受观测的防护林树种、高度、冠层高度及其结构影响，也与观测环境相关。