不同疏透度的柠条带防风效果研究

周云鹤，陈 智，佟 鑫，禚春祥，刘海洋，豪宝尔

(内蒙古农业大学 机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

中国干旱、半干旱地区受到风蚀荒漠化的威胁，土壤风蚀现象严重，对国民经济和社会发展造成了极大的危害，并且给当地农牧民的生产生活带来了诸多不便[1-2]。土壤风蚀是荒漠草原植被退化的主要原因之一。因此，在荒漠草原种植防护林带，可以有效改善退化草原植被的生存环境，遏制水土流失，改善生态环境，达到防治土壤风蚀的目的[3-4]。

研究林带结构对空气流场的影响能够为修复荒漠草原提供理论依据。林带结构及其配置对防护效果有重要影响，合理的林带结构能够有效提升防护效果[5-6]。已有研究表明，疏透度[7]、覆盖度[8]、高度[9]、间距[10]等因素对防风能力有很大影响。这些研究结果表明，种植植物是防治土壤风蚀的有效方法，植物带式配置是防风固沙低成本、高效益的有效措施。

纵观研究进展，对沙漠治理、农田防护的研究相对较多，而利用灌草带式配置对荒漠草原的修复研究鲜见报道。实践证明，疏透度对草地的防护效果有很大影响。因此，合理配置灌草带具有重要意义。植被的落叶期是土壤风蚀严重的季节，而落叶期林带对空气流场影响的相关研究较为少见。本研究利用风蚀风洞开展模拟试验，以落叶期的柠条带为研究对象，测定不同疏透度的“一行一带”式林带在不同风速下带后的防风效能和风速廓线变化，总结不同结构灌木林带的流场特征，探索科学的配置参数用以指导生产实践。

1 材料与方法

1.1 试验设备

试验在内蒙古农业大学OFDY-1.2移动式风蚀风洞中进行。该风洞由过渡段、整流段(包括开孔板、蜂窝器、阻尼网和非均匀网格)、收缩段和试验段组成。风洞全长11.8 m，试验段设计为矩形无底截面，其尺寸为长7.2 m、宽1 m、高1.2 m。试验段湍流度≤1.5%，横向均匀性指数≤1%，风速范围0～20 m/s，风速控制采用无级调速。

试验仪器采用内蒙古农业大学研制的HFP-8型近地表风速廓线仪(见图1)，该风速廓线仪主要由机械结构、风速传感器组、单片机数据采集控制系统和无线数据传输系统等组成，在垂直高度上排列8个风速传感器，其距地表高度分别是2、4、8、16、23、32、45、64 cm，可实时采集并无线传输风速数据。

1—底板；2—风速传感器探头；3—变送器；4—传感器基板；5—无线收发模块；6—天线；7—电池；8—电源开关；9—充电口。

1.2 试验布置方法

通常计算试验对象的雷诺数Re作为确定风洞测量中动力相似性的标准[11]，计算公式为

Re=ρVL/μ

(1)

式中：ρ为空气密度，取1.205 kg/m3；V为平均风速，m/s；L为特征长度，是指测试部分的等效横截面直径，m；μ为空气的动态黏度，取1.81×10-5Pas。

当雷诺数Re大于1×105时，满足自模拟要求[12]。本试验在所选用风速下的雷诺数为2.47×105～4.94×105，因此测量结果符合流体动力学相似性的要求。

试验材料采自四子王旗退化草地的柠条灌草带，将柠条割下后修剪成高度50 cm、冠幅直径约10 cm，柠条带配置尺度因素为疏透度。柠条用胶水固定在长100 cm、宽10 cm、厚1 cm的木板上，木板顶部与风洞底板齐平。柠条株距5 cm，通过改变柠条带排数来改变疏透度。试验条件设置的疏透度分别是60%、45%、35%，中心风速分别是6、9、12 m/s。

柠条带置于距离风洞试验段入口0.5 m处，一行一带配置3种疏透度。在柠条带后每隔0.5 m设计1个测点位置。共设计12个测点位置，每个测点位置采集15个数据取平均值作为相应高度的平均风速。取风速廓线仪2、4、8、16、23、32、45 cm共7个测点高度上的平均风速，绘制风速廓线曲线。通过计算防风效能，得到柠条带后测点距离与各个测点不同高度防风效能的关系，确定比较科学的柠条带配置参数。

1.3 试验因素测定方法

疏透度[13]是表示林带结构特征的重要参数，也称透光疏透度，其公式为

β=A′/A×100%

(2)

式中：β为透光疏透度；A′为林带纵断面上透光孔隙的投影面积；A为林带纵断面面积。

1.4 评价指标

防风效能[14]是指观测点在有柠条带覆盖时的平均风速比无柠条带覆盖时的平均风速减少的百分比，其公式为

(3)

式中：Ux,z为距林带距离x、高度z处的平均风速；U0,z为无柠条带覆盖时，试验转速下高度z处的初始风速；Ex,z为距柠条带距离为x、高度z处的防风效能。

1.5 数据处理

运用Microsoft Excel 2019软件进行数据汇总并作图。

2 结果与分析

2.1 防风效能分析

四子王旗起沙风速大约在6 m/s，故防风效能以中心风速6 m/s为例。图2是在3种疏透度下的柠条带后防风效能。从图2可看出，柠条带下部测点的防风效能出现负值，说明在此高度以下不仅没有起到防护效应，风速反而增加了，且柠条带的无效防护距离随疏透度的增大而增加，显然这种现象与局部疏透度变化有关。同时可以看出，3种疏透度下柠条带后测点位置的防风效能在带后4 m的位置趋于稳定，曲线变得平缓，即带后防风效能稳定的位置距林带的距离相当于柠条带高度的8～12倍。

图2 不同疏透度的柠条带防风效能

3种疏透度下，柠条枝干下部较为稀疏，中上部枝干较为密集，防风效能最好部位出现在柠条带中上部。由图2可知，在测点高度45 cm处，柠条带疏透度为35%时，其带后1 m处防风效能最大，达到54.8%；疏透度为45%和60%时，其带后0.5 m处防风效能最大，分别达到47.2%和27.1%。林带近林缘处风速降低明显，但风速随着离林带后距离的增加而增加。出现这种情况的主要原因是林带疏透度越小越密集，被阻挡的气流一部分会越过林带上方，与上方气流汇合形成加速区，所以疏透度为35%的柠条带在带后1 m处才达到最大的防风效能。通过柠条带3种疏透度的风洞试验比较，总体来说，柠条带疏透度越小，其防风效能越大。

疏透度60%为通风结构林带，本研究取林带后风速第一次恢复到同高度无柠条带覆盖时风速80%的距离为通风结构林带的有效防护距离[15]，即防风效能达到20%左右。疏透度45%和35%为疏透结构林带，本研究取林带后风速第一次恢复到同高度无柠条带覆盖时风速70%的距离为疏透结构林带的有效防护距离，即防风效能达到30%左右。由图2防风效能分析可知，疏透度60%的林带有效防护距离到林带后3 m位置处，疏透度45%的林带有效防护距离到林带后4 m位置处，疏透度35%的林带有效防护距离到林带后6 m位置处。

2.2 林带风速廓线特征

图3是3种中心风速下无柠条带覆盖时风洞中轴线垂直高度上的风速廓线。从图3可看出，近地表风速廓线均呈指数分布规律。

图4是中心风速为6 m/s时3种疏透度下柠条带后的风速廓线。从图4可看出，风速廓线在带后一定距离内发生了变异，变异线形呈现“S”形，且疏透度越小，风速廓线发生变异的带后距离越近，且变异程度越大。3种疏透度对比，疏透度为35%时，带后0.5 m位置处的风速廓线变异程度最大，带后1～6 m的风速廓线形状相似；疏透度为45%和60%时，带后0.5～6 m的风速廓线形状均相似。从曲线形状来看，疏透度45%和疏透度35%的风速廓线形状更接近。这说明柠条带后风速廓线的变化与带后距离和疏透度有关。

图3 3种中心风速下无柠条带覆盖时风洞中轴线垂直高度上的风速廓线

图4 中心风速6 m/s时柠条带后风速廓线

图5是3种疏透度下的柠条带在中心风速9 m/s时的风速廓线。与6 m/s时的风速廓线比较，9 m/s时的风速廓线曲线变化较为剧烈，带后风速廓线变异幅度大。虽然从2 cm到23 cm高度上5个测点风速的变化趋势基本相同，但35 cm高度以上的风速值随着疏透度的减小而减小，离柠条带越近，风速值越小。从图5(a)可看出，45 cm高度的风速值普遍较高，由于疏透度较大，柠条带整体较为稀疏，其风速变化相对较小；从图5(b)可看出，其45 cm高度的风速值比图5(a)的45 cm高度风速值低，疏透度为45%时，带后0.5～6 m位置处风速变化范围为4.2～6.5 m/s；从图5(c)可看出，疏透度为35%时，带后0.5～6 m位置处45 cm高度的风速变化范围为3.6～6.2 m/s。

图6是3种疏透度下的柠条带在中心风速12 m/s时的风速廓线。与6 m/s和9 m/s时的风速廓线比较，12 m/s时的图形变化较为明显，即随着中心风速的增加，风速廓线的形状变化更明显。

图6 中心风速12 m/s时柠条带后风速廓线

图4、5、6和图3对比，近地表风速廓线形状发生了明显变化。在3种中心风速下，同种疏透度的柠条带后风速变化曲线形状相似，疏透度35%和疏透度45%的风速廓线形状更接近；同种疏透度时，中心风速越大，柠条带后风速廓线变化越大。

3 讨 论

3.1 疏透度对防风能力的影响

在退化草地生态修复中，应该针对不同地区的环境选取适宜的耐旱、耐寒灌木。柠条带疏透度值越小，林带越密集，其带后防风效能越好，防护距离越远。在同种风速下疏透度不同时，柠条带后的防风效果为疏透度35%林带>疏透度45%林带>疏透度60%林带，即疏透度值越小，林带上部越密集，带后防风效能越大；疏透度60%林带有效防护距离在6倍植被高度位置处，疏透度45%林带有效防护距离在8倍植被高度位置处，疏透度35%林带有效防护距离在12倍植被高度位置处。因此，疏透度35%林带的防风效能较好，有效防护距离较远，更加有利于荒漠草原的修复。

3.2 疏透度对风流场的影响

通过风洞试验可知，基于灌草带状配置恢复退化草地植被，其灌木带改变了地表风速廓线的形状与数值大小。同种风速下柠条带后的风速廓线变异情况为：疏透度35%林带>疏透度45%林带>疏透度60%林带。柠条带枝干与气流的摩擦作用，使得带后一定范围内的风速大大减小。林带附近风速降低明显，但风速随着林带后距离的增加而迅速恢复[16]。由于林带配置的疏透度不同，对风速的影响不同，因此形成了不同的风速流场结构。