干枯駱駝刺對(duì)風(fēng)沙流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬研究

劉金苗， 李菊艷， 尹忠東， 關(guān)含笑， 張家偉

（1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.新疆維吾爾自治區(qū)水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，新疆 烏魯木齊 830002；3.喀什大學(xué)生命與地理科學(xué)學(xué)院，新疆 喀什 844000）

受干旱半干旱氣候的影響，風(fēng)沙流成為我國(guó)西部荒漠地區(qū)近地表物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的主要表現(xiàn)形式［1］，其進(jìn)一步發(fā)展極易導(dǎo)致干旱半干旱地區(qū)生態(tài)惡化，引起風(fēng)沙災(zāi)害［2］，在這一災(zāi)害中，地面沙粒構(gòu)成了物質(zhì)基礎(chǔ)，風(fēng)提供塑造地表的動(dòng)力條件，也是風(fēng)沙災(zāi)害的直接動(dòng)力來源［3-4］。植被以其綜合優(yōu)勢(shì)在覆蓋地表、分解風(fēng)力、阻擋輸沙等多方面對(duì)地表土壤風(fēng)蝕和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響［5-6］，植物固沙技術(shù)作為一種可以長(zhǎng)效改善荒漠化的措施，在防風(fēng)固沙技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

目前，對(duì)植物防風(fēng)固沙效益的研究主要采用3種方法，一是傳統(tǒng)的野外觀測(cè)，二是模擬實(shí)驗(yàn)，包括風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，三是基于遙感-地理信息系統(tǒng)的研究。數(shù)值模擬仿真技術(shù)可以大大減少實(shí)驗(yàn)工作量，同時(shí)獲取野外試驗(yàn)難以獲取的數(shù)據(jù)，隨著近些年的不斷發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)、風(fēng)沙物理學(xué)以及風(fēng)沙環(huán)境等多種領(lǐng)域。利用數(shù)值模擬研究植物防風(fēng)固沙主要通過2 種模型，一種是多孔介質(zhì)模型，主要應(yīng)用于森林、防護(hù)林的流場(chǎng)研究，例如毛澤魁［7］利用多孔介質(zhì)模型，對(duì)森林影響下的風(fēng)場(chǎng)分布特征進(jìn)行模擬，唐朝勝等［8］探討了橡膠防護(hù)林的防風(fēng)效應(yīng)，這一類研究主要是針對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化進(jìn)行分析，對(duì)于沙粒的移動(dòng)與沉降關(guān)注較少。另一種是采用實(shí)體幾何直接開孔建立模型，多應(yīng)用于對(duì)植株［9-10］以及植物沙障（草簾沙障、草方格沙障、蘆葦沙障等）［11-13］防風(fēng)阻沙性能的研究，例如來風(fēng)兵［9］模擬研究了單株胡楊（Populus euphratica）周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征，陳柏羽等［13］根據(jù)蘆葦（Phragmites australis）形態(tài)特征，建立簡(jiǎn)化模型，分析蘆葦沙障周圍風(fēng)速變化及積沙分布特征，并得到了合理布設(shè)間距。

駱駝刺（Alhagi camelorum）是一種典型的荒漠植物，其根系發(fā)達(dá)，生命力頑強(qiáng)，是我國(guó)西部荒漠區(qū)最常見的防風(fēng)固沙植物之一。駱駝刺以單株或者灌叢的形式存在，不同區(qū)域駱駝刺的大小具有差異，較大的駱駝刺灌叢會(huì)使大量沙粒沉降堆積，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)沙活動(dòng)形成灌叢沙堆。每年5—7 月是駱駝刺的生長(zhǎng)旺季，進(jìn)入生長(zhǎng)季的駱駝刺，新生枝芽在前一年枯死的舊枝根部重新發(fā)出，枝葉密度增加，高度和冠幅增大，區(qū)域的植被覆蓋度相應(yīng)增大，8 月以后植株的木質(zhì)化過程使得地上部分在冬季干枯后，除末端細(xì)小碎枝脫落外，大部分枝條直立不倒，直立的植株可以消耗風(fēng)動(dòng)量，減小剪切力，雖然春季活體駱駝刺植株非常有限，但枯立的植株仍然可以產(chǎn)生良好的防風(fēng)阻沙效果［14-17］。根據(jù)野外調(diào)查，本文研究區(qū)春季干枯駱駝刺平均高度為30 cm 左右，分布方式為零散分布，研究表明，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)中沙粒的運(yùn)輸主要集中在近地表30 cm內(nèi)［18-20］。通過數(shù)值模擬，對(duì)典型荒漠地帶春季干枯駱駝刺對(duì)近地表處風(fēng)沙活動(dòng)的影響進(jìn)行研究，分析植株附近流場(chǎng)的變化，并利用野外試驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為利用駱駝刺乃至植物措施防風(fēng)治沙提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

野外試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院策勒沙漠研究站實(shí)驗(yàn)觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行。策勒站位于策勒縣，在塔里木盆地南緣1400 km 風(fēng)沙線上。策勒縣位于新疆西南部，昆侖山北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，地理位置為35°18′～39°30′N、80°03′～82°10′E。氣候?yàn)闃O端干旱性大陸荒漠氣候，干燥，晝夜溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)；水資源短缺，年平均降水量35.1 mm，年潛在蒸發(fā)量2595.3 mm，水資源補(bǔ)給以昆侖山區(qū)融雪為主；年均氣溫11.9 ℃，極端高溫41.9 ℃，極端低溫-23.9 ℃，無(wú)霜期209 d。生態(tài)系統(tǒng)脆弱，沙漠、戈壁面積達(dá)95%，自然植被以多年生荒漠植物為主，呈斑塊狀分布，有駱駝刺、花花柴（Karelinia caspia）、檉柳（Tamarix chinensis）等混生群落，總蓋度小于15%［21］。由于策勒處于塔里木盆地兩大主導(dǎo)風(fēng)向（NW、NE）的下風(fēng)區(qū)域，全年盛行西北風(fēng)，風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，沙塵日數(shù)多。年平均風(fēng)速1.9 m·s-1，年均8 級(jí)以上大風(fēng)為3～9 次，年起沙風(fēng)次約90 d，土壤質(zhì)地輕且易形成風(fēng)沙流，沙塵暴天氣高發(fā)，最多可達(dá)59 d，揚(yáng)沙、浮塵天數(shù)達(dá)240 d。由于春季氣溫回升快，冷空氣活動(dòng)頻繁，該時(shí)期風(fēng)沙活動(dòng)尤為強(qiáng)烈［22-23］。

1.2 數(shù)值模擬方法

1.2.1 幾何建模和網(wǎng)格劃分 基于前人對(duì)植被以及植物沙障的建模研究［9-13］，本文嘗試建立春季干枯狀態(tài)駱駝刺的簡(jiǎn)化模型，由于多孔介質(zhì)模型參數(shù)不易設(shè)定，因此采用實(shí)體開孔模式，直接建立孔隙幾何模型。風(fēng)沙流是沙粒在多種作用力下的三維運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，根據(jù)沙粒在運(yùn)動(dòng)過程中主要受重力和拖拽力，作用力基本處于同一平面上，因此建立二維簡(jiǎn)化模型。綜合考慮野外試驗(yàn)和本文的研究?jī)?nèi)容，進(jìn)行合理試算，計(jì)算流域長(zhǎng)度設(shè)置為20 m，高度為3 m，滿足流場(chǎng)發(fā)展要求；駱駝刺模型高30 cm，頂部距上邊界2.7 m，按照形態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化，經(jīng)多次建模模擬，對(duì)比計(jì)算量及計(jì)算結(jié)果得到植株模型，在距離入口5 m和6 m處各放置1株，流場(chǎng)模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 流場(chǎng)模型簡(jiǎn)圖Fig.1 Model diagram

模型計(jì)算域網(wǎng)格劃分類型采用四邊形網(wǎng)格（Quad），劃分方法采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。由于風(fēng)沙流受邊界層的影響較大，沙粒主要集中在近地表處，因此對(duì)近地面以及植株附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。近地面劃分20層邊界層網(wǎng)格，植株兩側(cè)劃分16層邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.015 mm，左右以1.05 的比例遞增。計(jì)算域共劃分網(wǎng)格數(shù)量為19500 個(gè)，最小正交質(zhì)量（Minimum Orthogonal Quality）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.99，最大正交歪斜率（Maximum Ortho Skew）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.001，網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足計(jì)算要求（圖2）。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid division of computing area

1.2.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù) 根據(jù)流體馬赫數(shù)小于0.3時(shí)為不可壓縮流的空氣動(dòng)力學(xué)原理，風(fēng)沙流為不可壓縮流。計(jì)算域左側(cè)風(fēng)速進(jìn)口邊界條件為速度入口（Velocity-Inlet），風(fēng)速計(jì)算見公式（1）；由于出口流速和壓力均未知，且流動(dòng)完全發(fā)展，因此右側(cè)邊界出口條件為完全發(fā)展自由出口（Out-Flow）；對(duì)稱面上不存在擴(kuò)散通量，計(jì)算域上壁面邊界采用對(duì)稱邊界（Symmetry），可以在保證精度的條件下，加快計(jì)算速度；植株模型和地面即下壁面邊界采用固體無(wú)滑移邊界（Wall），粗糙度取0.002 m［24-25］。

介質(zhì)沙粒為稀相，風(fēng)沙流攜沙粒徑一般為0.075～0.25 mm，將沙粒近似為單一的顆粒球模型，沙粒粒徑ds=0.1 mm，初始沙粒體積分?jǐn)?shù)為0.02%，類型為流體（Fluid）［26］。沙粒密度ρs=2650 kg·m-3，黏度μs=0.047 Pas?？諝饷芏圈?1.225 kg·m-3，空氣運(yùn)動(dòng)黏度μ=1.7894×10-5Pas，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，重力加速度g=9.8 m·s-1。入口邊界速度為典型風(fēng)速廓線流：

式中：v0為摩阻速度；y0為粗糙長(zhǎng)度；k為馮卡門系數(shù)，取值為0.4；y為高度；v(y)為y處的風(fēng)速值。

采用歐拉雙流體模型，附加湍流模型。氣固相之間采用Schiller-naumann 計(jì)算相互間阻力。由于需要觀測(cè)流場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況，故采用非定常的瞬態(tài)求解方法來模擬，空間離散格式采用二階迎風(fēng)格式，時(shí)間步長(zhǎng)取0.001 s，流場(chǎng)求解采用SIMPLE算法。

1.2.3 控制方程 由于風(fēng)沙流之間熱量交換可忽略不計(jì)，故不涉及能量方程。本文模擬氣流為不可壓縮流，模擬包含的控制方程主要有連續(xù)方程、動(dòng)量方程和湍流模型方程。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和計(jì)算精度均較高，使用范圍廣泛，適合高雷諾數(shù)的湍流使用，滿足本文的計(jì)算要求。該模型需要求解湍動(dòng)能及其耗散率方程，湍動(dòng)能運(yùn)輸方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到，但耗散率方程是通過推理以及數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到。湍動(dòng)能k和耗散能ε方程如下：

湍動(dòng)能k方程：

耗散能ε方程：

1.2.4 防風(fēng)效率 通過防風(fēng)效率來反映植株對(duì)氣流的削減作用，公式如下：

式中：x為距植株的水平距離；z為距地面高度；ηxz為（x，z）處的防風(fēng)效率；vxz為氣流經(jīng)植株后在（x，z）處的風(fēng)速值；vz為未經(jīng)植株在z高度處的初始風(fēng)速值。

1.3 野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證模擬的可靠性，在中國(guó)科學(xué)院策勒沙漠研究站實(shí)驗(yàn)觀測(cè)場(chǎng)開展野外試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間為3—5 月，此時(shí)該地區(qū)氣溫回升，風(fēng)沙活動(dòng)尤為頻繁。選擇零散分布自然生長(zhǎng)干枯駱駝刺的沙地以及無(wú)植被生長(zhǎng)的裸沙地布設(shè)樣地，樣地大小為6 m×6 m，其中駱駝刺樣地以駱駝刺為中心建立，并保證該樣地內(nèi)有且只有2 個(gè)沿主風(fēng)向分布的間距為1 m的植株。在兩植株中間位置以及裸沙地樣地中心布設(shè)集沙儀（圖3）。集沙儀設(shè)置16 個(gè)集沙盒，每個(gè)集沙盒口徑為1.5 cm×3 cm，收集距地表0～48 cm 高度內(nèi)的沙粒。集沙儀的開口與觀測(cè)期間風(fēng)向正對(duì)，其底部與地面齊平。集沙時(shí)長(zhǎng)為24 h，開始集沙時(shí)打開集沙儀進(jìn)沙口，集沙結(jié)束后將其關(guān)閉并將收集到的沙粒帶回實(shí)驗(yàn)室，用精度天平進(jìn)行分層稱重。

圖3 集沙儀Fig.3 Sand sampler

輸沙率表示在一定風(fēng)速和沙源條件下，地表的輸沙能力［27］。為表述統(tǒng)一，本研究使用輸沙率作為描述單位時(shí)間、單位面積風(fēng)蝕物質(zhì)量的物理量，單位采用g·m-2·min-1。假設(shè)某個(gè)高度處的集沙盒在某一時(shí)間段T（min）內(nèi)收集的沙子質(zhì)量為m（g），則輸沙率Q為：

式中：S為集沙盒入口面積，取值為0.00045 m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 流場(chǎng)模型合理性驗(yàn)證

俞明聰［28］的研究表明，風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)中沙粒體積分?jǐn)?shù)與輸沙率的分布情況一致。本文利用野外試驗(yàn)得到的輸沙率數(shù)據(jù)作為對(duì)照，通過數(shù)值模擬獲取植株1 背風(fēng)側(cè)0.5 m 處沙粒體積分?jǐn)?shù)隨高度的變化規(guī)律，兩者進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。圖4、圖5顯示，植株后輸沙率和沙粒體積分?jǐn)?shù)隨高度的分布基本一致，在15～24 cm 高度處兩者均出現(xiàn)波動(dòng)，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，形成此現(xiàn)象的原因與植株在不同高度處的防風(fēng)效率不同有關(guān)，同時(shí)，植株后的渦流效應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。就野外試驗(yàn)得到的輸沙率而言，相較于裸沙地近地表處的輸沙率，駱駝刺后0.5 m處30 cm高度以下的輸沙率大大降低，其阻沙能力良好。驗(yàn)證結(jié)果總體呈現(xiàn)較好的一致性，因此數(shù)值模擬中流場(chǎng)設(shè)置相對(duì)合理可靠，后續(xù)將采用相同的流場(chǎng)設(shè)置進(jìn)行模擬。

圖4 輸沙率隨高度變化（野外試驗(yàn)）Fig.4 Variation of sediment transport rate with height(field test)

圖5 沙粒體積分?jǐn)?shù)隨高度變化（數(shù)值模擬）Fig.5 Variation of sand volume fraction with height(numerical simulation)

2.2 干枯駱駝刺植株周圍流場(chǎng)特征

為研究植株影響下的流場(chǎng)特征，選擇高度2 m處風(fēng)速為6 m·s-1的風(fēng)速廓線進(jìn)行模擬（下文速度未作特別說明均為2 m高度處的風(fēng)速），流場(chǎng)變化云圖如圖6 所示。從圖6 可以看到，植株明顯改變了流場(chǎng)的分布，氣流形成分區(qū)，為遇阻減速區(qū)、抬升加速區(qū)、紊流減速區(qū)、恢復(fù)區(qū)。在植株1 前1 m 范圍內(nèi)，受植株的阻礙作用，氣流隨靠近植株速度逐漸減小；植株1 處，氣流產(chǎn)生匯聚并受到抬升，植株1 上方風(fēng)速增大，50 cm 高度處的風(fēng)速由4.63 m·s-1增大至5.01 m·s-1，增大8.21%，而植株2在植株1的有效防護(hù)距離內(nèi)，其上部并沒有形成明顯的加速區(qū)；植株1、2 之間以及植株2 之后一段距離內(nèi)風(fēng)速減小，形成明顯大范圍的紊流減速區(qū)，該區(qū)域內(nèi)沙粒所獲動(dòng)能減小，易形成沉積；隨著氣流逐漸遠(yuǎn)離植株區(qū)域，氣流受到的擾動(dòng)作用減弱，速度逐漸恢復(fù)。

圖6 植株周圍風(fēng)速云圖Fig.6 Cloud chart of wind speed around the plant

氣流在植株處受到擠壓，越過植株后，產(chǎn)生分離，過流斷面增大，由于能量差異，形成向下運(yùn)動(dòng)的分流，靠近地面處的氣流返回入口方向，從而形成了回流，即在植株背風(fēng)側(cè)減速區(qū)產(chǎn)生反向氣流，形成渦流現(xiàn)象，但由于植株具有良好的疏透度，該現(xiàn)象并不是特別明顯。由圖7 可知，流場(chǎng)內(nèi)形成3 個(gè)主要渦流區(qū)域：渦流1處于兩植株之間的區(qū)域，渦流2處于植株2至距入口7.8 m處，渦流3處于7.8 m至距入口10.5 m處，3個(gè)回流范圍均較大，而強(qiáng)度均較小。渦流3 產(chǎn)生的原因可能是受渦流2 末端的影響，氣流再次受到擠壓后形成了微弱的渦流，其后氣流逐步恢復(fù)。在渦流區(qū)域，沙粒會(huì)被分成兩部分，一部分沙粒隨氣流回流并逐步沉積，另一部分隨渦旋氣流進(jìn)入氣流主流區(qū)離開。回流區(qū)的范圍越大、強(qiáng)度越弱，越多的沙粒會(huì)沉積在植株附近，阻沙能力越強(qiáng)，這也反映出植株在防風(fēng)阻沙方面遠(yuǎn)優(yōu)于無(wú)孔隙度的障礙物。

圖7 植株周圍風(fēng)速矢量圖Fig.7 Vector diagram of wind speed around the plant

2.3 干枯駱駝刺植株的防風(fēng)效果

2.3.1 速度分布特征 以6 m·s-1為入口風(fēng)速，風(fēng)速方向?yàn)檎?，提?.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、1.5 m高度處風(fēng)速的水平速度分量繪制沿程分布圖，其中，植株實(shí)體位置處風(fēng)速取值為0。由圖8 可知，1.5 m高度處的水平風(fēng)速一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，其他5個(gè)高度處的氣流受到了不同程度的擾動(dòng)。0.4 m、0.5 m處的水平風(fēng)速在植株前先略微減小，經(jīng)植株抬升速度增大后，越過植株后平穩(wěn)減小，最終在距入口14 m后逐漸恢復(fù)到初始風(fēng)速。0.4 m處水平風(fēng)速沿程最大增加7.87%，最大可以降低39.93%，0.5 m處則分別為8.29%、17.99%，增幅接近，降幅則呈現(xiàn)越靠近地面越大的規(guī)律。在等于或低于植株的高度處（0.1 m、0.2 m、0.3 m），氣流受到的擾動(dòng)增加，水平風(fēng)速在越過植株后呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。首先，不存在明顯高于初始水平風(fēng)速的階段，即風(fēng)速沿程整體呈現(xiàn)出被削減的狀態(tài)，這與在低于植株的高度內(nèi)產(chǎn)生了有效的防護(hù)有直接關(guān)系。當(dāng)風(fēng)速減小至負(fù)值時(shí)，表明此處產(chǎn)生回流，附近范圍內(nèi)會(huì)有渦流形成，0.1 m高度處的氣流在較大的范圍內(nèi)存在回流現(xiàn)象，該高度附近是渦流現(xiàn)象的主要回流區(qū)，沙粒的沉降也主要在該高度內(nèi)發(fā)生。其次，氣流2次越過植株后，水平風(fēng)速均呈現(xiàn)“W”型分布，在兩植株之間，風(fēng)速運(yùn)行較為穩(wěn)定。總體而言，除植株處，各高度水平風(fēng)速沿程變化整體較平緩，無(wú)劇烈擾動(dòng)，同時(shí)在較大范圍內(nèi)低于入口風(fēng)速，有利于抑制風(fēng)沙流，促進(jìn)沙粒沉降。

圖8 不同高度氣流水平速度分量沿程分布Fig.8 Distribution of horizontal airflow velocity components at different heights

以6 m·s-1為入口風(fēng)速，在距入口4.5 m、5.6 m、6 m、7.2 m、7.8 m、10 m 處取垂直截面，繪制水平風(fēng)速分量隨高度分布圖。從圖9可以看到，4.5 m處的水平風(fēng)速基本以較為平穩(wěn)的趨勢(shì)增加，該位置處于植株1 前0.5 m 處，氣流受植株影響相對(duì)較小，變化的幅度也相應(yīng)的較小。5.6 m、6 m 處于兩植株之間，7.2 m處于植株2后0.6 m處，3個(gè)位置處的水平風(fēng)速在0.6 m高度以下均呈“W”型分布，隨著高度的不斷增加，水平風(fēng)速不斷減小至負(fù)值，即出現(xiàn)回流，負(fù)值主要存在于0.08～0.14 m高度內(nèi)，并在0.12 m附近出現(xiàn)第1 個(gè)極小值，即5.6 m、6 m、7.2 m 處分別為：-3.3 m·s-1、-0.23 m·s-1、-0.15 m·s-1；隨著高度增加，水平風(fēng)速增加后再次減小，并在0.27 m附近達(dá)到第2個(gè)極小值（1.09 m·s-1、1.39 m·s-1、0.58 m·s-1），該處并未產(chǎn)生回流。10 m 處的水平風(fēng)速整體呈現(xiàn)隨高度增加而增加的規(guī)律，以0.1 m高度為節(jié)點(diǎn)，其下為回流，其上為正向流動(dòng)，這正是上文分析的較大范圍的渦流3。總體而言，0.6 m高度是風(fēng)速發(fā)展的重要分界點(diǎn)，其下風(fēng)速先被減小，到達(dá)0.3～0.6 m 處再以較大的加速度發(fā)展，其上風(fēng)速幾乎不受植株的影響，風(fēng)速恢復(fù)對(duì)數(shù)分布，各位置風(fēng)速達(dá)到一致。因此，植株的防護(hù)高度為0.6 m，同時(shí)0.3～0.6 m內(nèi)風(fēng)速急劇加速的現(xiàn)象值得引起注意。

圖9 不同高度氣流水平速度分量沿高分布Fig.9 Distribution of horizontal airflow velocity components along different heights

2.3.2 植株的防風(fēng)效率 風(fēng)沙流的運(yùn)動(dòng)過程中沙粒主要集中在近地面0.3 m高度內(nèi)，因此選取風(fēng)速為6 m·s-1、10 m·s-1時(shí)，0.1 m、0.2 m、0.3 m 3 個(gè)高度處的防風(fēng)效率進(jìn)行研究。圖10顯示，不同風(fēng)速下防風(fēng)效率整體呈現(xiàn)出隨著遠(yuǎn)離植株下降的趨勢(shì)。當(dāng)入口風(fēng)速為6 m·s-1時(shí)，株后5.3 m范圍內(nèi)，0.3 m高度以下的防風(fēng)效率均高于40%，各高度處風(fēng)速在距離植株7.4 m處接近，為30%左右；0.1 m高度處的防風(fēng)效率整體較高，尤其是在距植株3.9 m范圍內(nèi)，總體高于80%，在植株后1.2～1.6 m、2.8～3.2 m 處出現(xiàn)波動(dòng)，5.5 m 后降低到50%以下；0.2 m 高度處的防風(fēng)效率在1.3 m 范圍內(nèi)先減小后增大，1.3 m 后防風(fēng)效率逐漸減小并在1.75 m 處開始低于80%，植株后5 m 降低到50%。相較于0.1 m、0.2 m 處，0.3 m 高度處的防風(fēng)效率呈現(xiàn)出隨遠(yuǎn)離植株更為穩(wěn)定的減小趨勢(shì)，防風(fēng)效率低于80%，并在2.7 m 處降低到50%以下。當(dāng)入口風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，0.1 m高度內(nèi)的防風(fēng)效率在近距離內(nèi)良好，但4.26 m后迅速減小，0.2 m、0.3 m處也有類似的變化規(guī)律；株后5.3 m范圍內(nèi)，0.2 m高度以下的防風(fēng)效率均高于30%，0.3 m 處減小到16.56%?？傮w而言，風(fēng)速增大，植株的防風(fēng)效率減小，且該現(xiàn)象隨高度增加愈加明顯；當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，植株的防護(hù)范圍較大，防風(fēng)效率較高，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，貼近地面處防風(fēng)效率較高，但在達(dá)到某一距離后其減小速率增大，植株較快的失去有效的防護(hù)，防護(hù)范圍也相應(yīng)減小。

圖10 防風(fēng)效益Fig.10 Protection benefit

2.4 干枯駱駝刺植株周圍積沙特征

風(fēng)是沙粒運(yùn)動(dòng)的直接動(dòng)力，風(fēng)速的改變直接影響沙粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。受植株的影響，一方面風(fēng)速減小，沙粒沉降，另一方面，運(yùn)動(dòng)的沙粒遇植株受阻，形成積沙。為研究不同風(fēng)速條件下植株對(duì)積沙的影響，取入口風(fēng)速為6 m·s-1、10 m·s-1、20 m·s-1，模擬得到t=4 s、t=10 s 不同風(fēng)速條件下的積沙云圖（圖11）。從圖11可以看到，不同風(fēng)速條件下，隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加，積沙會(huì)不斷增加，并在某一時(shí)刻達(dá)到該風(fēng)速下的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)入口風(fēng)速為6 m·s-1時(shí)，沙粒先在植株1附近、植株2迎風(fēng)側(cè)處沉積，隨后在植株1 處及兩植株之間不斷積累，植株1 附近的積沙明顯大于植株2附近的積沙，這是由于氣流遇植株1受阻、風(fēng)速降低、搬運(yùn)沙粒能力下降導(dǎo)致的，與前文風(fēng)速分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。當(dāng)入口風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，同樣是在植株1 附近及兩植株之間形成積沙，但當(dāng)t=10 s時(shí)，植株1附近的積沙相較于同時(shí)刻入口風(fēng)速為6 m·s-1時(shí)減少，更多的積沙出現(xiàn)在植株2 前。隨著入口風(fēng)速增加到20 m·s-1，在2個(gè)時(shí)間點(diǎn)均呈現(xiàn)植株2處形成更多的積沙的現(xiàn)象，尤其是當(dāng)t=10 s時(shí)，植株1附近的積沙與t=4 s時(shí)無(wú)明顯差別，均存在少量積沙，而植株2前后形成大量積沙，甚至形成小沙堆。分析其原因如下：風(fēng)沙流經(jīng)過植株時(shí)氣流速度發(fā)生明顯改變，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，植株1 的削減作用，使其前后一定范圍內(nèi)的流速降低到起沙風(fēng)速以下，風(fēng)沙流處于過飽和狀態(tài)，沙粒沉降堆積，但當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，雖然植株1 對(duì)風(fēng)速有削減，但減弱能力有限，風(fēng)速仍大于起沙風(fēng)速，風(fēng)沙流處于非飽和狀態(tài)，僅小部分沙粒受阻沉積，大部分沙粒繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，植株2對(duì)氣流形成二次削減，附近風(fēng)速大大降低，此時(shí)大量沙粒沉積，形成積沙，同時(shí)，植株2 后較大范圍的回流也促進(jìn)了沙粒的沉積。

圖11 植株周圍積沙云圖Fig.11 Sand accumulation cloud atlas around the plant

研究顯示，植株具有良好的阻沙能力。在野外，隨著時(shí)間的推移，不同速度風(fēng)沙流交替運(yùn)行，植株附近沙粒不斷堆積，植物也通過生理作用適應(yīng)風(fēng)沙活動(dòng)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的相互作用，植株附近形成沙堆，也就是常說的灌叢沙堆。灌叢沙堆或大或小，從幾十厘米到幾米不等，這與植株的大小、風(fēng)沙活動(dòng)的強(qiáng)弱、當(dāng)?shù)丨h(huán)境特征等多種因素有關(guān)。由于野外風(fēng)速多變，較小風(fēng)速下，前面的植株可使沙粒沉降，但當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，則需要后面的植株進(jìn)行疊加作用，因此多植株比單植株更易形成灌叢沙堆，且其會(huì)受到植株布局的影響。通過栽種植物或者利用類似于植株的材料進(jìn)行防風(fēng)治沙時(shí)，要考慮到區(qū)域的風(fēng)速特征，在易形成高風(fēng)速風(fēng)沙流的地區(qū)，應(yīng)盡量布設(shè)雙行甚至多行來達(dá)到較好的效果。

3 討論

引起風(fēng)沙災(zāi)害、影響土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度的因素有很多，包括風(fēng)場(chǎng)、土壤性質(zhì)、地表?xiàng)l件等，植被覆蓋是地表?xiàng)l件的主要影響因子之一。由于區(qū)域內(nèi)風(fēng)場(chǎng)、土壤性質(zhì)具有固定性，利用植被改變地表?xiàng)l件以達(dá)到防風(fēng)固沙、抑制風(fēng)蝕的目的是十分有效的措施，因此對(duì)植被影響下流場(chǎng)特征的研究尤為關(guān)鍵。但是，由于植被及其影響下的地表極其復(fù)雜，不同覆蓋度、高度、樹冠疏透度、配置模式的植被對(duì)地表物質(zhì)條件及風(fēng)速的影響均有差異［29］，使得該研究十分困難。

植被主要通過2 個(gè)機(jī)制對(duì)風(fēng)沙活動(dòng)產(chǎn)生影響，學(xué)者們根據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同，針對(duì)這2 個(gè)方面分別展開研究。一方面，植物改變風(fēng)場(chǎng)特征，降低風(fēng)速，同時(shí)對(duì)沙粒造成阻礙，沙粒沉降。徐高興等［30］通過風(fēng)洞試驗(yàn)，模擬了4種配置模式下梭梭林（Haloxylon ammodendron）的固沙效果，研究表明不同配置模式會(huì)影響流場(chǎng)運(yùn)行特征，改變固沙效果，但當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到32.37%時(shí)，各配置模式下梭梭林的固沙效果差異不顯著。對(duì)于小型灌木，受植株形態(tài)的影響，枝下高度大的植株形成的“狹管效應(yīng)”會(huì)加速地表的風(fēng)蝕作用，形態(tài)低矮且疏透度小的植株防風(fēng)阻沙效果更明顯，有效防護(hù)距離更大［31］。另一方面，植物通過生物作用使土壤形成有機(jī)質(zhì)層，固定土壤，減小地表剪切力，提高地表起沙風(fēng)速，降低沙粒流動(dòng)幅度，從而達(dá)到防風(fēng)固沙的效果。王佳庭等［32］對(duì)烏蘭布和沙漠不同植物群落影響下，土壤可蝕性因子的研究發(fā)現(xiàn)，不同沙地可蝕性顆粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、土壤結(jié)皮因子、土壤含水率受植被影響存在差異，梭梭、白刺（Nitraria tangutorum）等灌木植物群落比沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、鹽爪爪（Kalidium foliatum）等草本植物群落更能降低土壤風(fēng)蝕作用；吳楠等［33］的研究表明，植物作用下土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分促進(jìn)土壤結(jié)皮的形成和發(fā)育，使土壤具備更強(qiáng)的蓄水能力和抗風(fēng)蝕能力。數(shù)值模擬的方法可以較好地反映出植株第1 個(gè)防風(fēng)阻沙機(jī)制的防護(hù)效果，但難以綜合反映植物的生物作用。

不同物候期，植株的冠層形態(tài)、莖枝柔韌性、葉面積以及由此導(dǎo)致的地上生物分配模式具有差異，其阻沙能力不盡相同［34］，而灌木植株附近沙堆的高度受植物高度的控制，沙堆的半徑受冠幅的控制，沙堆的生長(zhǎng)發(fā)育受形態(tài)參數(shù)的影響［35］?；谏L(zhǎng)季駱駝刺與非生長(zhǎng)季駱駝刺在高度、冠幅及孔隙度方面的差異［31］，本文的植株模型通過較小的高度和冠幅、較大的孔隙來表現(xiàn)非生長(zhǎng)季駱駝刺的形態(tài)具有一定的可靠性。后續(xù)研究中需優(yōu)化生長(zhǎng)季駱駝刺植株模型，同時(shí)考慮植物生物作用以及野外非定常來流因素的影響，以獲得更全面、準(zhǔn)確的結(jié)果。同時(shí)，模擬結(jié)果顯示出2 個(gè)植株附近這一極小尺度下流場(chǎng)的運(yùn)行情況，大尺度背景下不同覆蓋度植株的協(xié)同作用是另一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容［36］，2 個(gè)尺度關(guān)系密切，小尺度環(huán)境影響大尺度流場(chǎng)的運(yùn)行，大尺度又可進(jìn)一步反映小尺度，因此進(jìn)行相關(guān)研究對(duì)建立兩者相互佐證十分關(guān)鍵。

4 結(jié)論

本文對(duì)30 cm 高度駱駝刺的形態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立二維模型，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)風(fēng)沙流經(jīng)過植株后的風(fēng)速特征和積沙特征展開研究，并利用野外試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性，研究結(jié)論如下：

（1）植株附近流場(chǎng)大致可以分為遇阻減速區(qū)、抬升加速區(qū)、紊流減速區(qū)和恢復(fù)區(qū)。植株周圍會(huì)形成3 個(gè)微弱的渦流，分別位于兩植株之間、植株后1.2 m內(nèi)以及1.2～2.7 m內(nèi)?？拷仓晏帨u流的回流區(qū)主要存在于0.09～0.14 m高度內(nèi)，遠(yuǎn)離植株處的回流區(qū)位于0.1 m以下。

（2）當(dāng)風(fēng)速為6 m·s-1時(shí)，30 cm高度植株主要影響0.6 m以下的水平風(fēng)速，在離開兩植株8 m左右恢復(fù)到初始狀態(tài)，植株附近的風(fēng)速沿程呈“W”型分布。植株后一定距離內(nèi)的水平風(fēng)速隨高度增加存在2 次減小過程，并在0.3～0.6 m 高度范圍內(nèi)，沿高度以較大的加速度增大后，逐步恢復(fù)至初始風(fēng)速廓線狀態(tài)。

（3）植株的防風(fēng)效率整體呈現(xiàn)出隨風(fēng)速增大而減小的規(guī)律，且該現(xiàn)象隨高度增加愈加明顯。由于植株具有良好的疏透度，其防風(fēng)效率整體良好，防護(hù)距離較大，當(dāng)風(fēng)速為6 m·s-1時(shí)，植株后5.3 m范圍內(nèi)，0.3 m 以下的防風(fēng)效率高于40%，當(dāng)風(fēng)速增加至10 m·s-1時(shí)，該值減小至16.56%。

（4）植株的阻沙能力良好。不同風(fēng)速條件下，隨著時(shí)間的增加，積沙會(huì)不斷增加并達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，積沙主要集中在前方植株附近以及植株之間的區(qū)域，隨著風(fēng)速的增大，氣流經(jīng)多次削減后沙粒沉積，積沙有后移的趨勢(shì)。