基于流场分析的不同规格防护林防风效能研究

桑巴叶，陈启民

(新疆林业科学院造林治沙研究所，新疆 乌鲁木齐 830063；新疆精河荒漠生态系统国家定位观测研究站，新疆 博尔塔拉 833300)

农田防护林是减少农作物遭受风沙危害的一道重要屏障，对农田生态环境稳定和田间小气候改善具有十分重要的作用，主要体现在削减绿洲内的风速，阻止流沙危害，保障绿洲生态安全。国内外有关防护林风速分布的研究较多，主要围绕防护林的结构、疏透度、透风系数、树种组成及配置方式、林带行数、林带高度、与风向夹角和空间配置等方面做了大量工作。目前，不同带距防护林风速流场研究很少，因此，为进一步掌握不同带距防护林对整个林网内近地面风速影响，通过风洞模拟试验，分析农田防护林高度范围内的风速流场及防风效能，揭示农田防护林对风速变化的影响，以期为今后绿洲防护林建设与完善提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设备

本试验在中国科学院新疆生态与地理研究所风洞实验室进行。该实验室位于莫索湾沙漠研究站。风洞为直流开口吹气式，全长16.2 m，试验段长8 m，试验段截面为矩形，宽1.3 m，高1 m，宽高比为1.3，试验段采用侧壁扩散式结构，每侧壁扩散角0.2°，动力装置采用变频电动机，通过调节电流频率来调节风速。风速采用毕托管(KIMO TPL-03-300)、微压传感器(C239)和风洞系统配套软件进行测量。

模型固定于试验段入口下风向1 m处风洞底板中轴线上，垂直及45°于来流方向。以模型迎风坡坡脚所在位置为0，在其上风向、林网和下风向观测点布设移测架，试验条件下附面层厚度 ()大于15 cm，模型高度均在附面层内。

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料 试验模型由柔性塑料花制成。本试验防护林树种为新疆杨(var.)，单株杨树模型高16.0 cm，冠幅为2.5 cm×2.5 cm。株行距为1.5 cm×2 cm，为4行杨树。模型均设计为生长季处于全展叶状态，模型与实物的尺寸比例1∶100。

1.2.2 模型设置 主林带间距为150、200和300 m，设置风速为8 m·s。

主林带间距300 m的林网设置风速分别为8、10和14 m·s。

1.2.3 测点布设 移测架上皮托管安装中心距风洞底板距离分别为1、2、3、5、7、10、15和30 cm。林网前后水平测点分别设置在-10、-5、-2、-1、0(为第一道林带，林带中有3个测点)、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20 H(150 m和300 m带距防护林测点布设至20 H，200 m带距布设至18 H)处。150 m带距防护林第2道林带位于9 H，200 m带距位于12 H，300 m带距位于18 H，林带中设有3个测点(H为林带高度，“-”符号为林带前)。

1.2.4 数据处理 防风效能利用公式(1)计算，计算结果(平均值)为该点防风效能。

=(-)/×100%

1.2.4 健康教育 积极宣传这两种疾病的相关知识，包含发病原因、二者间作用、治疗方案等，相关注意事项详细的告知患者，保证治疗的顺利开展，患者如需使用胰岛素治疗，将胰岛素的使用方法指导给患者，并讲解相应的治疗知识，让患者足够认识胰岛素，从而正确的使用。除口头宣教外，还要结合视频教育、健康讲座等多种形式，便于患者理解，促进患者形成正确的认知。

(1)

式中：,—距离林带为、高度为处的平均风速；0,—试验转速下高度的初始风速；—距离林带为、高度为处的防风效能。

在设定的风速条件下采集风速数据，同一测点停留5 min，每1 s记录一次数据，求出平均值，并用防风效能公式计算出防风效能。根据试验结果，采用Sufer 11绘制风速流场图和防风效能等值线图。

2 结果与分析

2.1 不同带距防护林风速流场及防风效能差异

2.1.1 风速流场分布差异 在影响防护林体系防风作用的许多因素中，林带间距是最重要的因素之一。由图1可以看出，由于林带疏透度相同，在8 m·s风速下，3种带距林网风速流场基本规律相似，大部分气流被迫抬升，从林带上空越过，形成风速的增值区，在林带背风面的风速出现明显的降低。由于林带间距不同而组成了不同规格的林网系统，网格内风速的降低情况差异明显。

图1 不同带距防护林风速流场

由图1可见：150 m带距间距较短，风速处在低值，低于林带高度(16 cm)范围内，全线风速为0.46～6.33 m·s，最低风速从5 H开始一直延伸到第2道林带处(9 H)，带前风速为1.2 m·s；200 m带距林带最低风速出现在6 H，风速为1.2 m·s，8 H、9 H开始上升，第2道林带前(12 H)风速为2.3 m·s，是试验风速的28.8%，风速稍有上升；300 m带距林带最低风速出现在5 H，风速为1.0 m·s，第2道林带位于18 H，林带前风速为3.5 m·s，为试验风速的44.8%。

防护林网的防风作用，不同于孤立的林带。运行中的气流，受到林网中第1道林带的阻挡后，气流被削弱，当气流还未恢复到空旷地风速以前，又遇到第2道林带的阻挡，气流运动的动能再次被削弱，所以多条林带的互相影响，从而表现了林网综合防风效果。150 m带距林网第2道林带后1～2 H处平均风速为试验风速的74.4%，较第1道林带相同位置降低46.15%；200 m带距和300 m带距林网情况相同，第2道林带后1～2 H处风速分别为试验风速的74.7%和71.2%，较第1道林带分别降低32.4%和26.0%。

2.1.2 防风效能 为了掌握试验风速8 m·s条件下，3种带距防护林网低于林带高度范围内的防风效能的空间变化情况，绘制了风效能等值线图(图2)。由图2可见，3种带距林网防风效能趋势基本相同，林带后均急剧上升，达到高峰后再缓慢下降。150 m带距林网中7～16 cm高度全区段防风效能均在60%以上，1～5 cm高度4～9 H(第2道林带)范围防风效能也高于60%；200 m带距林网中5～16 cm高度全区段防风效能均在63%以上，1～3 cm高度3～12 H(第2道林带)范围防风效能高于64%；300 m带距林网3～18 H(第2道林带)防风效能基本高于50%。

图2 不同带距防护林防风效能

图3 不同带距防护林背风面防风效能

2.2

2.2.1 风速流场分布差异 试验风速为8、10和14 m·s条件下，300 m带距防护林风速流场见图4。

图4 不同试验风速下林网内风速流场

在3个试验风速下，对林带高度范围内平均风速变化进行了详细分析和比较。由图4可见，随着风速的逐渐增加，风速等值线更加密集。在8 m·s风速下，4 H处风速已降低至1.5 m·s，最低风速出现在5 H，一直到9 H风速均处于较低值，此后开始上升；10 m·s风速下，最低风速出现在4 H、5 H处，6～9 H除了林冠层外其他区域均低于3 m·s，风速降低50%以上；14 m·s风速下，同样是4～9 H范围风速较低，3～12 H范围内除了冠层外其他区域风速降低50%以上。

风速经过第1道林带到达第2道林带时削弱程度各有差异，14 m·s风速下，第2道林带1～2 H处风速较第一道林带相同位置降低19.1%；10 m·s风速下，降低21.3%；8 m·s风速下，降低22.9%。

2.2.2 防风效能 低于林带高度范围内的防风效能等值线图见图5。1、2 cm高度处防风效能曲线图见图6。

图5 不同试验风速下林网内防风效能

图6 不同风速下林带背风面不同观测位置防风效能

由图5可看出，不同风速条件下，防护林网均可有效降低风速，并发挥着较高的防护效能。3种风速下林网内不同区段防风效能趋势基本相同，林带后均急速上升，达到高峰后呈逐渐下降趋势。比较3种风速条件下的防风效能，8 m·s风速下，防护林网防风效能较高，相比之下，虽然风速14 m·s时防风效能较低，但最低值也达40%，出现在林带前林冠层位置。就林网中每一层高度防风效能而言，1 cm处防效最高，2 cm次之，林冠层(10～16 cm)防效最低。

由图6可看出，林带后4 H处防风效能达80%以上，此后一直持续到8 H处，不同风速条件下，下降程度略有不同。8 m·s风速下，防风效能基本在50%以上，14 m·s风速下林网防风效能较低，最低值出现在14～18 H，为39～55%；8和10 m·s风速下，13～18 H防风效能有所不同，8 m·s风速下防风效能略高于10 m·s风速，其他区段基本相同。

3 结论与讨论

3.1 在同一风速下，3种带距林网最低风速基本都出现在5.5～7.5 H处，平均风速为1.0～1.7 m·s。150和200 m带距林带背风面风速尚未上升或稍有上升就进入下一道林带，300 m带距上升至试验风速的44.3%时进入第2道林带。3种带距林网平均防护效能排序为200 m带距(70.9%)>300 m带距(64.1%)>150 m带距(60.7%)。

3.2 风速从第1道林带进入后，逐层削弱，多条林带协同防护，从而表现了林网整体防风效果。150 m带距林网第2道林带后1～2 H处平均风速较第1道林带相同位置降低46.2%，防风效能达78.0%，比第1道增加5.7倍；200 m带距和300 m带距第2道林带风速分别降低32.4%和26.0%，防风效能均高于第1道林带后相同位置。

3.3 风速对林网内防风效能的影响比较复杂，并不是单一的随着风速的增大而增大或减小。300 m带距林网内，随着风速的增加，在林网内大部分区段防风效能有所减弱，小部分区段则增大。

3.4 本研究表明，就林网内整体风速而言，小网格的防风作用明显优于大网格。基于增加农作物种植面积，减少林带用地，提高经济效益考虑，在绿洲内部配置300 m带距防护林综合效应最佳，既能发挥较好的防风效能，又能兼顾农业效益。在绿洲外围可适当考虑配置带距较小的防护林。