基于流場分析的不同規(guī)格防護(hù)林防風(fēng)效能研究

桑巴葉，陳啟民

(新疆林業(yè)科學(xué)院造林治沙研究所，新疆 烏魯木齊 830063；新疆精河荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，新疆 博爾塔拉 833300)

農(nóng)田防護(hù)林是減少農(nóng)作物遭受風(fēng)沙危害的一道重要屏障，對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定和田間小氣候改善具有十分重要的作用，主要體現(xiàn)在削減綠洲內(nèi)的風(fēng)速，阻止流沙危害，保障綠洲生態(tài)安全。國內(nèi)外有關(guān)防護(hù)林風(fēng)速分布的研究較多，主要圍繞防護(hù)林的結(jié)構(gòu)、疏透度、透風(fēng)系數(shù)、樹種組成及配置方式、林帶行數(shù)、林帶高度、與風(fēng)向夾角和空間配置等方面做了大量工作。目前，不同帶距防護(hù)林風(fēng)速流場研究很少，因此，為進(jìn)一步掌握不同帶距防護(hù)林對整個林網(wǎng)內(nèi)近地面風(fēng)速影響，通過風(fēng)洞模擬試驗，分析農(nóng)田防護(hù)林高度范圍內(nèi)的風(fēng)速流場及防風(fēng)效能，揭示農(nóng)田防護(hù)林對風(fēng)速變化的影響，以期為今后綠洲防護(hù)林建設(shè)與完善提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備

本試驗在中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所風(fēng)洞實驗室進(jìn)行。該實驗室位于莫索灣沙漠研究站。風(fēng)洞為直流開口吹氣式，全長16.2 m，試驗段長8 m，試驗段截面為矩形，寬1.3 m，高1 m，寬高比為1.3，試驗段采用側(cè)壁擴(kuò)散式結(jié)構(gòu)，每側(cè)壁擴(kuò)散角0.2°，動力裝置采用變頻電動機(jī)，通過調(diào)節(jié)電流頻率來調(diào)節(jié)風(fēng)速。風(fēng)速采用畢托管(KIMO TPL-03-300)、微壓傳感器(C239)和風(fēng)洞系統(tǒng)配套軟件進(jìn)行測量。

模型固定于試驗段入口下風(fēng)向1 m處風(fēng)洞底板中軸線上，垂直及45°于來流方向。以模型迎風(fēng)坡坡腳所在位置為0，在其上風(fēng)向、林網(wǎng)和下風(fēng)向觀測點布設(shè)移測架，試驗條件下附面層厚度 ()大于15 cm，模型高度均在附面層內(nèi)。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗材料 試驗?zāi)Ｐ陀扇嵝运芰匣ㄖ瞥?。本試驗防護(hù)林樹種為新疆楊(var.)，單株楊樹模型高16.0 cm，冠幅為2.5 cm×2.5 cm。株行距為1.5 cm×2 cm，為4行楊樹。模型均設(shè)計為生長季處于全展葉狀態(tài)，模型與實物的尺寸比例1∶100。

1.2.2 模型設(shè)置 主林帶間距為150、200和300 m，設(shè)置風(fēng)速為8 m·s。

主林帶間距300 m的林網(wǎng)設(shè)置風(fēng)速分別為8、10和14 m·s。

1.2.3 測點布設(shè) 移測架上皮托管安裝中心距風(fēng)洞底板距離分別為1、2、3、5、7、10、15和30 cm。林網(wǎng)前后水平測點分別設(shè)置在-10、-5、-2、-1、0(為第一道林帶，林帶中有3個測點)、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帶距防護(hù)林測點布設(shè)至20 H，200 m帶距布設(shè)至18 H)處。150 m帶距防護(hù)林第2道林帶位于9 H，200 m帶距位于12 H，300 m帶距位于18 H，林帶中設(shè)有3個測點(H為林帶高度，“-”符號為林帶前)。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 防風(fēng)效能利用公式(1)計算，計算結(jié)果(平均值)為該點防風(fēng)效能。

=(-)/×100%

1.2.4 健康教育 積極宣傳這兩種疾病的相關(guān)知識，包含發(fā)病原因、二者間作用、治療方案等，相關(guān)注意事項詳細(xì)的告知患者，保證治療的順利開展，患者如需使用胰島素治療，將胰島素的使用方法指導(dǎo)給患者，并講解相應(yīng)的治療知識，讓患者足夠認(rèn)識胰島素，從而正確的使用。除口頭宣教外，還要結(jié)合視頻教育、健康講座等多種形式，便于患者理解，促進(jìn)患者形成正確的認(rèn)知。

(1)

式中：,—距離林帶為、高度為處的平均風(fēng)速；0,—試驗轉(zhuǎn)速下高度的初始風(fēng)速；—距離林帶為、高度為處的防風(fēng)效能。

在設(shè)定的風(fēng)速條件下采集風(fēng)速數(shù)據(jù)，同一測點停留5 min，每1 s記錄一次數(shù)據(jù)，求出平均值，并用防風(fēng)效能公式計算出防風(fēng)效能。根據(jù)試驗結(jié)果，采用Sufer 11繪制風(fēng)速流場圖和防風(fēng)效能等值線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同帶距防護(hù)林風(fēng)速流場及防風(fēng)效能差異

2.1.1 風(fēng)速流場分布差異 在影響防護(hù)林體系防風(fēng)作用的許多因素中，林帶間距是最重要的因素之一。由圖1可以看出，由于林帶疏透度相同，在8 m·s風(fēng)速下，3種帶距林網(wǎng)風(fēng)速流場基本規(guī)律相似，大部分氣流被迫抬升，從林帶上空越過，形成風(fēng)速的增值區(qū)，在林帶背風(fēng)面的風(fēng)速出現(xiàn)明顯的降低。由于林帶間距不同而組成了不同規(guī)格的林網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)格內(nèi)風(fēng)速的降低情況差異明顯。

圖1 不同帶距防護(hù)林風(fēng)速流場

由圖1可見：150 m帶距間距較短，風(fēng)速處在低值，低于林帶高度(16 cm)范圍內(nèi)，全線風(fēng)速為0.46～6.33 m·s，最低風(fēng)速從5 H開始一直延伸到第2道林帶處(9 H)，帶前風(fēng)速為1.2 m·s；200 m帶距林帶最低風(fēng)速出現(xiàn)在6 H，風(fēng)速為1.2 m·s，8 H、9 H開始上升，第2道林帶前(12 H)風(fēng)速為2.3 m·s，是試驗風(fēng)速的28.8%，風(fēng)速稍有上升；300 m帶距林帶最低風(fēng)速出現(xiàn)在5 H，風(fēng)速為1.0 m·s，第2道林帶位于18 H，林帶前風(fēng)速為3.5 m·s，為試驗風(fēng)速的44.8%。

防護(hù)林網(wǎng)的防風(fēng)作用，不同于孤立的林帶。運(yùn)行中的氣流，受到林網(wǎng)中第1道林帶的阻擋后，氣流被削弱，當(dāng)氣流還未恢復(fù)到空曠地風(fēng)速以前，又遇到第2道林帶的阻擋，氣流運(yùn)動的動能再次被削弱，所以多條林帶的互相影響，從而表現(xiàn)了林網(wǎng)綜合防風(fēng)效果。150 m帶距林網(wǎng)第2道林帶后1～2 H處平均風(fēng)速為試驗風(fēng)速的74.4%，較第1道林帶相同位置降低46.15%；200 m帶距和300 m帶距林網(wǎng)情況相同，第2道林帶后1～2 H處風(fēng)速分別為試驗風(fēng)速的74.7%和71.2%，較第1道林帶分別降低32.4%和26.0%。

2.1.2 防風(fēng)效能 為了掌握試驗風(fēng)速8 m·s條件下，3種帶距防護(hù)林網(wǎng)低于林帶高度范圍內(nèi)的防風(fēng)效能的空間變化情況，繪制了風(fēng)效能等值線圖(圖2)。由圖2可見，3種帶距林網(wǎng)防風(fēng)效能趨勢基本相同，林帶后均急劇上升，達(dá)到高峰后再緩慢下降。150 m帶距林網(wǎng)中7～16 cm高度全區(qū)段防風(fēng)效能均在60%以上，1～5 cm高度4～9 H(第2道林帶)范圍防風(fēng)效能也高于60%；200 m帶距林網(wǎng)中5～16 cm高度全區(qū)段防風(fēng)效能均在63%以上，1～3 cm高度3～12 H(第2道林帶)范圍防風(fēng)效能高于64%；300 m帶距林網(wǎng)3～18 H(第2道林帶)防風(fēng)效能基本高于50%。

圖2 不同帶距防護(hù)林防風(fēng)效能

圖3 不同帶距防護(hù)林背風(fēng)面防風(fēng)效能

2.2

2.2.1 風(fēng)速流場分布差異 試驗風(fēng)速為8、10和14 m·s條件下，300 m帶距防護(hù)林風(fēng)速流場見圖4。

圖4 不同試驗風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)風(fēng)速流場

在3個試驗風(fēng)速下，對林帶高度范圍內(nèi)平均風(fēng)速變化進(jìn)行了詳細(xì)分析和比較。由圖4可見，隨著風(fēng)速的逐漸增加，風(fēng)速等值線更加密集。在8 m·s風(fēng)速下，4 H處風(fēng)速已降低至1.5 m·s，最低風(fēng)速出現(xiàn)在5 H，一直到9 H風(fēng)速均處于較低值，此后開始上升；10 m·s風(fēng)速下，最低風(fēng)速出現(xiàn)在4 H、5 H處，6～9 H除了林冠層外其他區(qū)域均低于3 m·s，風(fēng)速降低50%以上；14 m·s風(fēng)速下，同樣是4～9 H范圍風(fēng)速較低，3～12 H范圍內(nèi)除了冠層外其他區(qū)域風(fēng)速降低50%以上。

風(fēng)速經(jīng)過第1道林帶到達(dá)第2道林帶時削弱程度各有差異，14 m·s風(fēng)速下，第2道林帶1～2 H處風(fēng)速較第一道林帶相同位置降低19.1%；10 m·s風(fēng)速下，降低21.3%；8 m·s風(fēng)速下，降低22.9%。

2.2.2 防風(fēng)效能 低于林帶高度范圍內(nèi)的防風(fēng)效能等值線圖見圖5。1、2 cm高度處防風(fēng)效能曲線圖見圖6。

圖5 不同試驗風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)防風(fēng)效能

圖6 不同風(fēng)速下林帶背風(fēng)面不同觀測位置防風(fēng)效能

由圖5可看出，不同風(fēng)速條件下，防護(hù)林網(wǎng)均可有效降低風(fēng)速，并發(fā)揮著較高的防護(hù)效能。3種風(fēng)速下林網(wǎng)內(nèi)不同區(qū)段防風(fēng)效能趨勢基本相同，林帶后均急速上升，達(dá)到高峰后呈逐漸下降趨勢。比較3種風(fēng)速條件下的防風(fēng)效能，8 m·s風(fēng)速下，防護(hù)林網(wǎng)防風(fēng)效能較高，相比之下，雖然風(fēng)速14 m·s時防風(fēng)效能較低，但最低值也達(dá)40%，出現(xiàn)在林帶前林冠層位置。就林網(wǎng)中每一層高度防風(fēng)效能而言，1 cm處防效最高，2 cm次之，林冠層(10～16 cm)防效最低。

由圖6可看出，林帶后4 H處防風(fēng)效能達(dá)80%以上，此后一直持續(xù)到8 H處，不同風(fēng)速條件下，下降程度略有不同。8 m·s風(fēng)速下，防風(fēng)效能基本在50%以上，14 m·s風(fēng)速下林網(wǎng)防風(fēng)效能較低，最低值出現(xiàn)在14～18 H，為39～55%；8和10 m·s風(fēng)速下，13～18 H防風(fēng)效能有所不同，8 m·s風(fēng)速下防風(fēng)效能略高于10 m·s風(fēng)速，其他區(qū)段基本相同。

3 結(jié)論與討論

3.1 在同一風(fēng)速下，3種帶距林網(wǎng)最低風(fēng)速基本都出現(xiàn)在5.5～7.5 H處，平均風(fēng)速為1.0～1.7 m·s。150和200 m帶距林帶背風(fēng)面風(fēng)速尚未上升或稍有上升就進(jìn)入下一道林帶，300 m帶距上升至試驗風(fēng)速的44.3%時進(jìn)入第2道林帶。3種帶距林網(wǎng)平均防護(hù)效能排序為200 m帶距(70.9%)>300 m帶距(64.1%)>150 m帶距(60.7%)。

3.2 風(fēng)速從第1道林帶進(jìn)入后，逐層削弱，多條林帶協(xié)同防護(hù)，從而表現(xiàn)了林網(wǎng)整體防風(fēng)效果。150 m帶距林網(wǎng)第2道林帶后1～2 H處平均風(fēng)速較第1道林帶相同位置降低46.2%，防風(fēng)效能達(dá)78.0%，比第1道增加5.7倍；200 m帶距和300 m帶距第2道林帶風(fēng)速分別降低32.4%和26.0%，防風(fēng)效能均高于第1道林帶后相同位置。

3.3 風(fēng)速對林網(wǎng)內(nèi)防風(fēng)效能的影響比較復(fù)雜，并不是單一的隨著風(fēng)速的增大而增大或減小。300 m帶距林網(wǎng)內(nèi)，隨著風(fēng)速的增加，在林網(wǎng)內(nèi)大部分區(qū)段防風(fēng)效能有所減弱，小部分區(qū)段則增大。

3.4 本研究表明，就林網(wǎng)內(nèi)整體風(fēng)速而言，小網(wǎng)格的防風(fēng)作用明顯優(yōu)于大網(wǎng)格?；谠黾愚r(nóng)作物種植面積，減少林帶用地，提高經(jīng)濟(jì)效益考慮，在綠洲內(nèi)部配置300 m帶距防護(hù)林綜合效應(yīng)最佳，既能發(fā)揮較好的防風(fēng)效能，又能兼顧農(nóng)業(yè)效益。在綠洲外圍可適當(dāng)考慮配置帶距較小的防護(hù)林。