全 文 ：第2 卷 第1 期
1 9 8 9 年 2 月
林业 科学研 究
FOR EST R ESE A R CH
Vo l
.
2
, 廊 。 1
Fe b
。 , 1 9 8 9
林网方位与防风效应野外模拟试验研究 ‘
宋兆民 孟 平
(中国林业科学研 究院林业研究所 )
张 翼 刘德胜
(中国科学院地理所 ) 【(安微省林业研究所 )
关键词 黄淮海 , 林网方位 , 防风效能 ; 野外模拟
我国早在建国初期就开始有计划地发展农 田防护林 , 其林带结构与方位多以宽行并与主
害风方向垂直的设计方案为主。 自70 年代以后 , 逐渐发展窄林带小网格的农田防 护 林 网 模
式 [‘] 。 据初步统计 , 目前全国已有 1 / 5 的耕地实现了此种类型的农 田林网 [s] 。 但至今对农田
林网与主害风向方位(即林网与风偏角的关系)关系的认识还不 统一〔’一 3 ][ . J , 为 此 , 我 们 于
198 4年 5 月至 7 月在安徽省宿县新河乡黄淮海平原综合防护林体系试验示范区 , 通过野外模
型实验和理论推导 , 对窄林带小网格的农田防护林网的透风度叫 、 方位与防风效应进行了较
深入的探讨 , 为黄淮海平原综合防护林体系的建设提供规划设计的理论依据 。
一 、 观 测 实 验
实验场地东西长 6 k m , 南北宽最小 3 k m , 地势开阔平坦 , 下垫面为麦茬和豆苗覆盖 ,
来流路径不小于 1 . 5 k m , 测杆高 3 m , 模型采用木栅栏 。 根据实验要求 , 将透风度用塑料布
分别调成0 . 4 4 、 0 . 2 5 、 0 . 0 8 , 栏高 1 . 2 m , 栅栏围成2 5 x 2 4 m 2 、 3 o x Z om Z和3 5 x z 7 . i m , 的
林网 。 林网内均匀设置 16 个测点 , 在每个测点上观测0 . 5 m 和 1 . 5 m 高度的风速、 温度、 湿
度 。 对照点 (随风向改变移动)选在迎风面10 H (林高)处 , 平均采样时间为20 m in , 本文所使
用的是仅限于三种形状林网不同风偏角情况下的林网平均防风效应的资料。
二 、 理 论 计 算
(一) 林带防护区中风速分布规律
林网是由林带组成的 , 研究林网的防风效应可以将林网的防风效应看成 4 条林带综合作
用的结果 , 因此首先来看林带的防护区中风速分布规律 。
在自然条件下透风林带背风面防护区中风速廊线基本上服从误差函数分布规律 , 满足当
风偏角 a = O 。 时 , 有 :
本文于 1 9 8 8年 4 月 8 日收到 。
· 本文属黄淮海平原综合防护林体系课题内容之一 ,
林 业 科 学 研 究 2卷
u ‘x , : ) =合‘: + 。。)“ + ‘e r‘: ) (1 )
、J产户,自noJ‘、矛
式 (1 )中 u( x , 劝 为林带背风防护区中 , 与林带垂直的水平距离 x 、 高度 : 处的风速 ,
带上部空气自由流速 , 一般为 4 H 高度的风速 [ ’〕。 u ‘是林带下部透过的气流的速度 ,
林后 3 H 处的风速〔? 1 。
丸= (“。 一 : 6 ) / (: . + 。。)
“是林
一般取
卜 Z心 = U 一一
一
X
这里 省是依赖于 z 和 x 的无量纲变量 , er f (如是占的误差函数 , 久、 a 是经验常数 。
透风林带迎风防护区中相对风速 。 , (x , 约 满足二元幂函数的对数形式的模式〔. 〕, 即 :
。 , (x , z ) = In (}x IP + 之Q + 0
.
5 ) (4 )
或 : (x , : ) = : 。(z ) In (卜IP + z Q + 0 . 5 ) (5 )
式 (5) 中 : 。(z) 是武 x , 劝同高度迎风面 一 6H 水平距离处 的水平风速 , 尸、 Q为参变量 。
(二 ) 风偏角 0 = 0 。 时 , 林网中风速分布规伸
令旷野风速为W (z) , 当W (z) 垂直吹向迎风主林带 1 和主林带 2 时 , 有 :
u (x
. 二) = 卫兰~竺响(1 、 , e r f。兰、 二镇 5 1 一 6 、
z 、 x , }
: (x
, z ) = “[ (S : 一 6 ) , : 〕ln (lx !尸 + z 。 + 0 。 5 ) x > S : 一 6 夕
(6 )
S :一
式 (6) 中 S : 为主林带 1 和主林带 2 之间 的 距
离。
(三) 风偏角 。今。。 时 , 林网中风速 分 布
规律
林网中的风速分布是由四条林带共同作用
V (又 , y , : )W (x
,
y
, : )
工
}
;
}
主 : v
’‘”
{
一
/
‘ 匕鱼- 一}
W
。 (乞 )
而形成的 , 如图 1 所
示 , 将林网分成四个
区域 , 每个区域中的
风速分布是由于不同
林带的作用占主导地
位的结果 。
在区域 I 中任一
点上 x 方 向 的 风 速
为 l, ] :
!
.一姚u (笼 , y , : )
舀1 : s卜 。
飞I r 〔Z )
图 1 林网中风遨分布规律示 t 田
、.尸、、刀夕,,‘OU公了气
‘‘、了.、·(· , ·) 2 带丝(l + ‘1 e r‘a !蚤)
其中: : . 二 W . e o s a
. 。 = u o . o . 1 5 7 9巴卜 . 2 1. :
u。 = W
。 e o s s
这里 : . 、 。。分别为旷野风速万 . 、 评 。在 x 轴方向的分里 , 同样在
(1 0 )
‘轴方向的分量为 ,
主期 宋兆民等 : 林网方位与防风效应野外模拟试验研究 夕息
V . = 平 . sin s (1 1 )
V
。二万0 s in 口 (1 2 )
V 。= V o . 0 。 1 5 7 9 e ,
·
8 2‘“三 (1 3 )
上式中 al 、 口: 为主林带 1 和副林带 1 的透风度 , 久, 、 a , 是相应于主林带 1 的透风 度 “ , 的 参
数。 在 万方向风速分量 为 :
。(, , : ) = 工竺牛互(1 + ; : 。r f 。 2冬、
石 、 吕 I
(1 4 )
久2 、 姚 为相应于副林带 1 透风度 a : 的参数 。
对于区域 工中任一点 , 风矢量平(x , g , 力 , 根据矢量合成法则有 :
!谛(x , ; , : ) l= 扩云厄又不万万百下厄.硬不万
=
;/A
, :「1 + * , 。r f(。, 兰、1‘ + , , : r; 十 , , 。r ffa , 兰、12 (1 5 )
V
‘
L
‘ 、 . X , 」 一 L 一 、 一 梦 / 」
其中 A l = 平 . e o s 口+ 0
。
1 5 7 9W
o e o s se
l
‘
8 2 1“ :
2
(1 6 )
平 . s in o + 0 。 1 5 7 9W 。 s in 6 e , ·8 2 1“
2
(1 7 )
平 0 e o s o 一 0 。 1 5 7 9W 。 e o s
不。 e o S S + 0 。 1 5 7 9W o e o s
2
.
8 2 1 . 1
1
.
8 2 1 . 1
(1 8 )0e一矢
平 . s in s 一 0 。 1 5 7 9评。s in 6 e , · 8 2 1 . 王
万 ao sin 口+ 0 。 1 5 7 9平0 sin oe ‘· 8 2 ’“: (1 9 )
==儿从人
而合成的风矢量的偏角 0, 有 :
。_ = 。 , c 。。丛里些色翅
一 ‘r 一 A 王〔‘+ ‘王e r f(。1号)」 (2 0 )
(1 6)和(2 0 )式是在区域 I 中 , 即 0 ( x ( (S : 一 6 )和 0< 夕镇 (S : 一 6 )中成立 , S : 是副林带 1 与
副林带 2 的间距 。 同理对区域 亚中任一点风矢量W (x , 召, 劝为 :
}帝(x , ; , 二 )一了。2〔(s : 一 6 ) , : : 。2 〔(s , 一 二) , : + 二。: + 。. 5 : + , 2 2「l 、 * : 。r f(。李、12
, L 、 万 I J
8甲 = a r e tg
A
Z「‘+ “2 e r‘(、奇)}
赵〔(S , 一 6 ) , z 〕in 〔(S ; 一 x ) p : + z 。 , + 0 . 5〕
(2 1 )
(2 2 )
这里P : 和口:是相对于主林带 2 迎风防护区中 , 二元幂函数对数风速分布模式中的经验参数。
(2 1)和(2 2 )式在区域 (S : 一 6 ) ( x ( S : 和 0 < 召( (S : 一 6 )中成立 。
对于区域 l 有 :
希‘X , , , ·)卜沂’〔‘S广 6 , , ‘〕in “〔‘5 2 一 ; , P‘+ ‘Q‘+ ”· 5〕+ A ! 21‘+ , ! e r ‘(a l圣)」
叹2子2
夕4 林 业 科 李 研 究 仑卷
8甲 = a r c tg
V [ (S
: 一 6 ) , 之] In 〔(S : 一 夕) p ; + 之Q‘+ 0 . 5〕
A l【‘+ ‘1 e r‘(· :圣)〕 (2 4 )
式中尸: 、 Q Z是相对于副林带 2 透风度 a . 的迎风防护区中二元幂函数风速分布模式中的 经 验
参数。 (2 3 )、 (2 4 )式在区域 0 ( x ( (S : 一 6 )和 (5 2 一 6 ) < y( S : 区域中成立。
对于区域 万 , 任一点风矢量W (x , 夕, z) 有 :
!W (
x , , , z )卜 了 : 2 [(S : 一 6), z」In , [(S , 一 x) p : + : Q : + 0 . 5 ] + V Z [(S : 一 6 ), z ] . In ‘[(5 2 一 万)p : + : Q : + 0 . 5 [
(2 5 )
8甲 二 a r e tg V [ (S
: 一 6 ) , : ] in [ (5 2 一 万)尸‘+ 之o ; + 0 . 5 ) ]
. [ (S : 一 6 ) , z 〕In [ (S : 一 x ) p : + 2 0 : + 0 . 5 )〕 (2 6 )
(2 5 )
、
(2 6 )式在区域 (S ; 一 6 ) < x < S , 和 (5 2 一 6 )( 召( S : 中成立 。 这样从已知旷野风速分布中
确定的万和W 。 (对平均情况而言应为中性层结对数分布) , 林带的高度H 及透风度 a : 、 a : 、 a 3、
: . , 林网面积 , 形状及风偏角 a , 根据 (1 1 ) 、 (2 1 ) 、 (2 3 ) 、 (2 5 )式及有关确定参数的表达式 ,
就可求出网格内的风速分布 。 可以事先估算出任意林带特征 (高度和透风度 ) 、 任意林网面积
和形状 、 任意风偏角情况下的风速分布。
(四 ) 林网的防风效应
将林网内的风速平均降低值称为林网的防风效应 (相对旷野风速 ) , 记为 刀 , 将林网内的
平均相对风速记为W , , 平均风速记为W 。, 则有 .
: 二 叮
W 二 咬竺 望
.
‘
J:
’、(X , ; , ·)‘X、*
然 ’J: ’dx、 (2 7 )
这是林网内H 高度 以下整个防护空间的平均风速 , 由于防护林的主要目的是保护较低高
度处的农作物 , 因此林网区域内的平均风速为 :
、(z , 二
f
‘
J:
’
, (X
, ; , ·)、、;
l)
’
1:
’
dx 、
I:
‘
J:
’
平(x , 夕, z )d x d ,
而 W 刀(Z ) = 二。(z )
J:
’
1:
’
d ·‘,
J
S ’万(x , 夕, z )己x d g
所以 r s . r名二一
(2 8 )
(2 9 )
(3 0 )
甘吧”J一
r..J工
勺(Z ) “ 1 一
W
。 (Z )J:
’
{:
’‘xd ,
「S ; r s .
(2 “一“”)式中积分 J。
一
J
。 一万 (‘ , “, ‘)‘xd “需要将林网分为上述四个区域来积分·
这样 , 根据平 和平。 , 林高H 及透风度 a : 、 az 、 a 3 、 a’ , 林网面积和形状 (s : , 凡 ) , 以及
风偏角 口 , 可事先估算出林网网格的防风效应 。
1 期 宋兆民等 : 林网方位与防风效应野外模拟试验研究 7 5
三 、 实验和理论模式的计算结果
(一) 正方形林网条件下防风效应与风偏翔的关系
表 1 说明当林网近似为正方形(2 只 2 1 . 2 H o 2 )时 , W , 、 粉与 口的关系 , 其中平矿和 丫是
根据矢量合成模式计算出来的理论值 , 平左和 刀是实际观测值。 平。是按中性层结对数分布计
算的 4 H 高度的旷野风速 , H 。取 1 . 13 7 m (木栅栏高减去下垫面上零平面位移高度 o . o63 m ,
H
。称为林带 (此处为模型 )的空气动力学高度 , H 。二 H 一 D , D 为零平面位移高度 。 D 是 按
M o此e ith的经验公式 , 即 :
D = 0
。
6 3h
Z
。 = 0 。 1 3h }
(3 1 )
计算得到的 h 为下垫面作物高度 , 这里取麦茬为。。 lm 。
表 2 为一般麦田林网防风效应的理论值和相对风速平均值。 林带高取 1 . s m , 小麦高取
l m
, 林网为正方形 , 旷野风速为 平。(Z )(Z 二 O。 2 5H )
表 1 正 方 形 林 网 丽: 、 勺 与 6 的 关 系
W
R
、V a ,
刀
n
,
3 0
.
60
.
9 0
.
0
。
7 3 4
0
。
6 8 7
0
。
2 6 6
3 13
0
。
7 0 4
0
。
6 9 5
0
。
2 9 6
0
.
3 0 5
0
。
7 3 3
0
。
7 0 1
0
。
2 6 7
0
。
2 9 9
0
.
7 3 3
0
,
68 8
0
‘
2 6 7
0
。
3 1 2
0
.
7 60
。
7 3 0
0
。
2 40
0
。
2 70
0
。
80 3
0
。
7 28
0
。
1 97
0
。
2 72
0
.
7 6 9
0
。
7 3 1
0
。
2 31
0
。
2 69
0
.
74 7
0
,
73 0
0
。
2 5 3
0
.
2 7 0
裹 2 理论数字模拟丽R ‘、 丫 与0的关系
1 5 3 0 4 5 6 0 75
口 = 0 。 0
勺,
0
.
8 9 9
0
.
10 1
0
.
9 00
0
。
10 0
0
.
90 1
0
。
0 9 9
0
。
9 0 1
0
。
0 9 9
0
。
9 0 1
0
。
0 9 9
0
。
9 0 1
0
。
0 9 9
a = 0
。
1
W
R ,
n
,
0
.
7 5 5
0
.
2 4 4
0
.
7 5 6
0
.
2 4 3
0
。
7 5 9
0
。
24 1
0
。
7 6 0
0
。
2 4 0
0
.
7 6 0
0
。
2 4 0
0
。
7 5 9
0
。
2 4 0
区 = O 。 2 W
a
刀,
0
。
68 7
0
。
3 1 3
0
。
6 8 9
0
。
3 1 1
0
。
69 4
0
。
3 0 6
0
。
6 9 5
0
。
3 0 5
0
。
6 9 4
0
。
30 6
0
,
6 9 1
0
。
30 3
; 呱 , }
口 , 0 。 3
刀,
.
6 6 2
0
.
3 3 8
0
.
6 6 4
0
。
3 3 6
0
。
6 6 8
0
。
3 3 2
0
。
6 7 0
O
。
3 3 0
0
。
6 6 9
0
。
3 3 1
0
。
6 6 6
0
。
3 3 4
W
B
口 = 0 。 4 月,
0 6 6 5
0
。
3 3 5
0
.
6 6 7
0
,
3 33
0
。
6 7 1
0
.
32 9
0
。
6 7 3
0
。
3 2 7
6 72
3 3 8
0
。
6 6 9
0
。
3 3 1
7 6 林 业 科 学 研 究 2 卷
从表 1 和表 2 中可以看到 : (1 ) 实验和理
论计算均表明 , 正方形林网中的平均相对风速
和防风效应与风偏角基本上没有什么关系 。 表
1 实测值中除 a = 0 . 08 、 0 = 3 0 “ 的结果离散较
大外 , 一般在不同风偏角时 , 正方形林网防风
效应偏差不超过 5 % ; (2 )当 a = 0 。时 , 叮最小 ,
当 a 为0 . 3一。. 4时 , 防风效应最佳 。
(二 ) 长方形林网中 , 和 O 的关系
表 3 长 方 形 林 网 丽卜
W
: ‘、 ”、 丫 与 。的关系¹
匕竺{-
0
。
7 8 7
0
.
2 13
0
。
7 6 5
0
。
2 35
0
。
71 7
0
.
28 3
0
。
720
0
.
28 0
0
.
6 6 0
0
.
340
0
.
6 18
0
。
38 4
R一W,丫
¹ “ = 0一 。
表 3 、 4 中的风偏角均为短边法线与风向的夹角。 林高为 15 m , 小麦高为 l m 。这两个
表说明了一般麦田林网防风效应 的理论值和风偏角的关系 。
裹 4 长 方 形 林 网 中 的 丫 位
N
l
·
1
。· ⋯
⋯ 。·。 } 。· 。了‘ {⋯ ”· 1 1 。· 1 7 0 }
N ’ “ ⋯ “· 2 ⋯ “· 2‘2 ⋯
}
”· 3
}
“ ’ 2 5 9
}
} ”
·
4 } 。
·
25 3 }
⋯ 。· 0 {. 。·0 “, 」
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·
l ⋯ “· 1 6 2 }
N 二 3 ⋯ “ ·2 ⋯ 。· 20 5 ⋯
}
” · 3 一 。 · 2 , 8 }
{ “
· 弓 一 。· 211 {
0
。
0 8 1
0
.
19 8
0
。
25 1
0
.
2 69
0
。
2 64
0
。
0 . 1
0
。
221
0
。
27 9
O
。
30 0
O
。
29 5
0
。
10 6
0
。
254
0
。
321
0
.
345
0
。
342
0
。
121
0
。
29 1
0
。
36 8
0
.
39 6
0
.
39 5
0
。
138
0
。
321
0
。
4 0 7
0
。
4 40
0
。
4 40
0
。
0 7 2
0
.
17 8
0
.
219
0
.
234
0
.
226
0
。
0 8 7
0
。
20 7
0
.
26 0
0
.
27 7
0
.
27 1
0
.
10 5
0
。
25 7
0
.
321
0
。
343
0
。
339
。. 131 } 0
.
1一,
0
。
311
0
.
39 0
0
。
419
0
.
4 17
0
。
3 55
0
。
448
O
。
48 4
0
。
4吕3
四 、 结论 和 讨论
根据表 1 一 4 的计算结果 , 综合出以下几点结论 :
1 . 在相同条件下 (林网面积 、 林高 、 透风度 、 零平面位移高度 ) , 对于短边法线与风向夹
角为风偏角的长方形林网来说 , 风偏角增大防风效应增大 , 风偏角在45 。一90 “范围时 , 防风
效应优于相同条件下的正方形林网的防风效应 ; 在 O 。一45 。范围内劣于正方形林网的防风效
应 , 风偏角为 90 。时防风效应最佳。
2 . 林网长宽比增加时 , 上述结论中防风效应增加或下降的程度加强 。
3
. 相同条件下的正方形林网的防风效应不受风偏角的影响。
4 . 透风度对林网的防风效应有明显的影响 , 在其它条件相同时 , a = 0 . 0的林网防风效
应最小 , a 在 0 . 3一 0 . 4时防风效应最佳 。
5 . 根据以上结论 , 建议在黄淮海平原对有明显主害风地区 , 应采取长边与主害风垂直的
长方形林网 , 长宽比的限度应 以不妨碍其它条件保持正常为宜 。 长边法线与主害风向的夹角
需要变化时 , 应控制在 。一45 。之内 ; 若无明显主害风地区可采用正方形或近似正 方 形的林
网 , 因正方形林网防风效应随风偏角变化比较平缓 。 故可不考虑方位 , 在规划设计时可因地
制宜进行 ,
1 期 宋兆民等 : 林网方位与防风效应野外模拟试验研究 7 7
参 考 文 献
〔i 」 E im e r n , J . V a n e t a l . , 10 6 4 , W in d b r e a k e a n d S h e lte r b e lt s , W M O T e e h n 宜e a l N o te , 5 9 : 1 2
一2 8 。
〔2 」 C o b o r n , J . M . , 1 , 5 7 , S h e lte r be lt a n d m ie r o e lim a te , B u ll. Fo r . C o m m . , 2 , .
〔3 〕 Je s e n , M . , 1 9 6 2 , S h e lte r be lt e ffe e t , D a n is h T e e h n ie a l P re s s C o Pe n h a g e n , 2 1一7 6 .
〔4 」 宋兆民等 , 19 8 1 , 河北深县农田林 网气象效 应研究 , 林业科学 , 17 ( 1 ) : 8 一 190
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〔9 1 宋兆民等 , 1 9 8 7 , 林带的透风度与林 网的防风效应 , 林业科学 , (4) . 39 8 一4 0 20
A ST UD Y ON TH E MOD EL E X PE R IME NT OF
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1
。
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2
。
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,
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, the w ind
re d u ct io n
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3
。
U nd
e r th e sa m e c o n d ition 3
,
fo r a sh e it e r b elt rec ta n g le
,
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w ind 1
5 fr o m th e sh o r t s ide o f t he rec ta ng l
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inc rea s e as t h e w in d in elina tio n a馆le be e o m e la r郎 r 。
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