三種典型地表風(fēng)速廓線的試驗(yàn)研究

常佳麗，陳 智，陳 燕，仇 義，商曉彬

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

三種典型地表風(fēng)速廓線的試驗(yàn)研究

常佳麗，陳 智，陳 燕，仇 義，商曉彬

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

風(fēng)速廓線；空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度；抗風(fēng)蝕能力

針對(duì)北方土壤風(fēng)蝕問題，用RMTO型多通道無線風(fēng)速廓線儀對(duì)內(nèi)蒙古四子王旗3種典型地表——天然草地、灌草帶狀修復(fù)草地和傳統(tǒng)秋翻耕農(nóng)田的近地表風(fēng)速廓線進(jìn)行研究，定量分析了3種不同地表的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度及其抗風(fēng)蝕能力。結(jié)果表明：不同地表的近地表風(fēng)速廓線形態(tài)不一，風(fēng)速都隨測(cè)點(diǎn)高度的增加而增大，符合指數(shù)分布規(guī)律；粗糙度越大的地表其表面抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)；灌草帶狀修復(fù)草地的粗糙度分別是天然草地和傳統(tǒng)秋翻耕農(nóng)田粗糙度的2.1和5.0倍。

內(nèi)蒙古陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)長(zhǎng)期不合理的土地利用方式，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，風(fēng)蝕、干旱與土地荒漠化進(jìn)一步加劇，嚴(yán)重影響地區(qū)資源開發(fā)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[1]。

提高地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度是防治土壤風(fēng)蝕的主要措施之一[2-3]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的影響進(jìn)行了大量研究[4-8]，結(jié)果表明，不同保護(hù)性農(nóng)耕方式對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響效果不同，土壤風(fēng)蝕率隨著地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的減小而增大。但是，已有研究的對(duì)象集中在農(nóng)田地表，研究方法多是通過采集土壤風(fēng)蝕量來評(píng)價(jià)地表風(fēng)蝕強(qiáng)度，而對(duì)天然草地、帶狀修復(fù)草地抗風(fēng)蝕能力的研究相對(duì)較少。近地表風(fēng)速廓線可間接地反映地表土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度。基于此，本研究以位于內(nèi)蒙古陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗為研究區(qū)，采用RMTO型多通道無線風(fēng)速廓線儀分別對(duì)天然草地和灌草帶狀修復(fù)草地的近地表風(fēng)速廓線進(jìn)行定量測(cè)試，以傳統(tǒng)秋翻耕農(nóng)田為對(duì)照，計(jì)算地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，進(jìn)而分析不同地表對(duì)近地表風(fēng)速廓線的影響及其抗風(fēng)蝕能力。

1 試驗(yàn)區(qū)概況與研究方法

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗，地理坐標(biāo)為E110°20′～113°00′、N41°10′～43°22′，海拔1 000～2 100 m，全年干旱少雨，年平均降水量110～350 mm，春秋兩季6級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)和沙塵天氣頻繁，土壤風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈[3,9]。

選擇較為典型的天然草地、灌草帶狀修復(fù)草地和傳統(tǒng)秋翻耕農(nóng)田，分別對(duì)其近地表風(fēng)速廓線和地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度進(jìn)行計(jì)算。天然草地的草株平均高度為15 cm，植被覆蓋度為83%～90%。灌草帶狀修復(fù)草地平均帶間距為6 m，灌草帶寬約1.5 m、高約70 cm，草株平均高度為2 cm，植被覆蓋度小于10%。傳統(tǒng)秋翻耕農(nóng)田的植被覆蓋度幾乎為零。

2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)儀器

RMTO型多通道無線風(fēng)速廓線儀的外殼采用楔形結(jié)構(gòu)，整體高度為90 cm，楔形測(cè)量部分高度為70 cm，固定底盤高度為20 cm，傳感器探頭長(zhǎng)10 cm，整體結(jié)構(gòu)見圖1。由于導(dǎo)致土壤風(fēng)蝕的風(fēng)沙主要集中在距地表60 cm高度范圍內(nèi)，其近地表風(fēng)速分布在高度上符合指數(shù)分布規(guī)律[9]，因此8路風(fēng)速傳感器被分別固定在距固定底盤2、4、8、16、23、32、45、64 cm的位置，從而實(shí)現(xiàn)近地表風(fēng)速廓線的實(shí)時(shí)測(cè)量。該儀器具有硬件溫度補(bǔ)償、無線數(shù)據(jù)傳輸和自動(dòng)風(fēng)向識(shí)別功能，還集成了溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器和單片機(jī)控制系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)點(diǎn)處環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力等信息的測(cè)量。當(dāng)風(fēng)速在0～16 m/s時(shí)，各風(fēng)速傳感器的測(cè)量誤差在±0.13 m/s范圍內(nèi)。

圖1 RMTO型多通道無線風(fēng)速廓線儀整體結(jié)構(gòu)

2.2 試驗(yàn)方法

將風(fēng)速廓線儀分別置于灌草帶狀修復(fù)草地、天然草地和傳統(tǒng)秋翻耕農(nóng)田等3種不同地表進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)比距地表2和64 cm高度處的風(fēng)速，分析不同地表的粗糙度，判斷不同地表的抗風(fēng)蝕能力。試驗(yàn)過程中，為了使所測(cè)數(shù)據(jù)具有可比性，選取距離地面2 m處的瞬時(shí)風(fēng)速(9 m/s)作為參照。

將風(fēng)速廓線儀置于灌草帶狀修復(fù)草地，分別測(cè)量距灌草帶內(nèi)邊緣1、2、3、4、5、6 m且平行于保護(hù)帶的6個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速廓線，并計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度。數(shù)據(jù)采集時(shí)，選取距地表2 m高處風(fēng)速為5 m/s時(shí)的數(shù)據(jù)作為參考風(fēng)速進(jìn)行比較，判斷距灌草帶不同位置處地表的抗風(fēng)蝕能力。

近地表風(fēng)速與距地表高度成正比，近地表風(fēng)速在距地表高度上符合指數(shù)分布規(guī)律。風(fēng)速廓線的擬合方程主要有對(duì)數(shù)規(guī)律和指數(shù)規(guī)律兩種。本試驗(yàn)采取指數(shù)規(guī)律對(duì)風(fēng)速廓線進(jìn)行擬合，即用指數(shù)廓線方程的最小二乘法來逼近實(shí)際的風(fēng)速廓線[10]。

地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度是指近地表平均風(fēng)速為0處的高度，野外3種不同地表粗糙度Z0的確定是以風(fēng)速按對(duì)數(shù)規(guī)律分布為依據(jù)的[11]。理論上某一固定地表的粗糙度應(yīng)該是一個(gè)定值，然而在實(shí)際測(cè)定時(shí)，由于影響粗糙度的因素比較多，所以在同一地點(diǎn)測(cè)定多次，每次的結(jié)果都不相同。經(jīng)過長(zhǎng)期的野外觀測(cè)和整理分析大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，即使是同一組數(shù)據(jù)，用不同的計(jì)算方法所得的結(jié)果差異也較大[12]。經(jīng)過分析研究，最終認(rèn)為先對(duì)風(fēng)速求平均值然后計(jì)算粗糙度的方法是比較合理、精確和科學(xué)的[13]。測(cè)定距地面任意兩個(gè)高度Z1、Z2及它們對(duì)應(yīng)的風(fēng)速V1、V2，則有

lgZ0=(lgZ2-AlgZ1)/(1-A)

(1)

A=V2/V1

(2)

式中：A為風(fēng)速比。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)速廓線

測(cè)試時(shí)，環(huán)境溫度15～17 ℃，濕度21.4%～23.6%，大氣壓力852 hPa，最大風(fēng)速11.5 m/s，最小風(fēng)速1.8 m/s，保持風(fēng)速廓線儀最下方風(fēng)速傳感器距離地表高度2 cm。風(fēng)速廓線儀設(shè)置見圖2，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、2。

圖2 風(fēng)速廓線儀設(shè)置(不同視角)

表1 不同地表風(fēng)速隨距地面高度的變化規(guī)律

注：灌草帶狀修復(fù)草地的風(fēng)速廓線儀置于距灌草帶內(nèi)邊緣1 m處。

表2 灌草帶狀修復(fù)草地風(fēng)速隨距地面高度的變化規(guī)律

為了進(jìn)一步直觀討論不同地表所測(cè)試的風(fēng)速廓線隨距地面高度的變化規(guī)律，對(duì)表1、2所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行近地表風(fēng)速廓線的擬合(圖3、4)。由表1和圖3可知：灌草帶狀修復(fù)草地、天然草地和傳統(tǒng)秋翻耕農(nóng)田，距離地面2 cm處的風(fēng)速相較64 cm處的風(fēng)速降低幅度分別為86.7%、72.5%、59.1%；傳統(tǒng)秋翻耕農(nóng)田的風(fēng)速廓線變化最緩慢，當(dāng)高度從64 cm降到2 cm時(shí)，風(fēng)速?gòu)?.95 m/s下降到3.25 m/s，風(fēng)速降幅最小，抗風(fēng)蝕能力最弱；灌草帶狀修復(fù)草地的風(fēng)速廓線變化最明顯，當(dāng)高度從64 cm降到2 cm時(shí)，風(fēng)速?gòu)?.12 m/s下降到0.95 m/s，降幅最大，抗風(fēng)蝕能力最強(qiáng)。由表2可知：當(dāng)灌草帶高度一定時(shí)，距離灌草帶1～6 m各測(cè)點(diǎn)處距離地面2 cm處的風(fēng)速相較64 cm處的風(fēng)速降低幅度分別為82.5%、80%、76.2%、74.3%、70.8%和67.7%，即隨著風(fēng)速廓線儀位置與灌草帶距離的增大，風(fēng)速降低幅度減小。隨著風(fēng)速廓線儀位置與灌草帶距離的增加，灌草帶狀修復(fù)草地距地表2 cm處的風(fēng)速明顯增加，而距地表64 cm處的風(fēng)速提升幅度則較為緩慢。由圖4可知，當(dāng)灌草帶高度一定時(shí)，風(fēng)速廓線儀位置距離灌草帶越近，近地表風(fēng)速廓線的變化越明顯，近地表風(fēng)速越小，地表抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)，即風(fēng)速廓線的變化程度與風(fēng)速廓線儀位置有關(guān)。測(cè)點(diǎn)高度在32 cm以下的風(fēng)速廓線的斜率小于測(cè)點(diǎn)高度在32 cm以上的風(fēng)速廓線的斜率。試驗(yàn)結(jié)果基本符合帶狀修復(fù)地表的風(fēng)速變化規(guī)律。

圖3 不同地表風(fēng)速廓線

圖4 風(fēng)速廓線儀與灌草帶內(nèi)邊緣不同距離處灌草帶狀修復(fù)草地風(fēng)速廓線

3.2 地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度

地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度值越大，意味著土壤表面對(duì)風(fēng)速的削弱作用越明顯，抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)；土壤風(fēng)蝕率越大，抗風(fēng)蝕能力越弱；地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度隨著土壤風(fēng)蝕率的增大而減小，可見地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度與土壤抗風(fēng)蝕能力關(guān)系密切。因此，通過對(duì)3種不同地表和距灌草帶內(nèi)邊緣不同位置處的灌草帶狀修復(fù)草地的地表粗糙度進(jìn)行計(jì)算，可研究不同地表粗糙度對(duì)近地表風(fēng)速廓線的影響程度。分別選取距地表4 cm和64 cm兩個(gè)高度的風(fēng)速來計(jì)算3種不同地表的地表粗糙度見表3，距灌草帶內(nèi)邊緣不同距離處的灌草帶狀修復(fù)草地地表粗糙度見表4。

由表3可知，試驗(yàn)得到的灌草帶狀修復(fù)草地、天然草地、傳統(tǒng)秋翻耕農(nóng)田的地表粗糙度依次減小，符合實(shí)際地表情況。進(jìn)一步試驗(yàn)表明，灌草帶高度為70 cm左右時(shí)，灌草帶狀修復(fù)草地地表粗糙度最大，土壤風(fēng)蝕率最小，抗風(fēng)蝕能力最強(qiáng)；天然草地的草株平均高度不超過20 cm時(shí)，其地表粗糙度較灌草帶狀修復(fù)草地的低，抗風(fēng)蝕能力也較弱；傳統(tǒng)秋翻耕農(nóng)田無任何保護(hù)措施，土壤完全裸露，受風(fēng)力影響最大，土壤風(fēng)蝕率最大，抗風(fēng)蝕能力最弱?？梢?，提高地表的粗糙度是降低土壤風(fēng)蝕的有效措施。由表4可知，距灌草帶內(nèi)邊緣不同距離的灌草帶狀修復(fù)草地地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度存在著一定的差異，距灌草帶內(nèi)邊緣越近，地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度越大，土壤風(fēng)蝕率越小，抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)。

表3 3種不同地表的粗糙度

注：風(fēng)速比A=V60/V4。

表4 距灌草帶內(nèi)邊緣不同距離灌草帶狀修復(fù)草地地表粗糙度

4 結(jié) 論

(1)不同地表的近地表風(fēng)速廓線均符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律，近地表風(fēng)速廓線的變化程度和地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度間接反映其地表的抗風(fēng)蝕能力。風(fēng)速廓線斜率越大，抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)；地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度越小，抗風(fēng)蝕能力越弱。

(2)灌草帶狀修復(fù)草地、天然草地、傳統(tǒng)秋翻耕農(nóng)田等3種地表的風(fēng)速降幅因其地表粗糙度不同而不同，在距離地表2 cm處最低測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速相較64 cm處最高測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速降低幅度分別為86.7%、72.5%和59.1%。

(3)當(dāng)灌草帶高度一定時(shí)，距灌草帶內(nèi)邊緣越遠(yuǎn)的地表粗糙度越小，對(duì)應(yīng)的近地表風(fēng)速廓線越平緩，抗風(fēng)蝕能力越弱，帶間風(fēng)速廓線的變化程度隨著距離灌草帶內(nèi)邊緣距離的增加而變平緩。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41361058，41161045)

S157.1

A

1000-0941(2017)03-0041-04

常佳麗(1991—)，女，山西大同市人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)試及其技術(shù)裝備研究；通信作者陳智(1962—)，男，內(nèi)蒙古察右前旗人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闇y(cè)試控制技術(shù)及其自動(dòng)化。

2016-08-30