全 文 ：第 5 卷 第 2 期
1 9 9 2 年 4 月
林 业 科 学研 究
FO R E S T R E S E A R CH
V o l
。
5
,
N o
。
2
A P r
。 ,
1 9 9 2
防风固沙林阻沙效果的风洞模拟实验
沈晓东 程致力
(中国林业科学研究院林业研究所 )
区柏森 俞学曾
(中国环境科学研究院)
关扭饲 防风固沙林 , 紧密结构 , 通风结构 , 透风系数
1 研究方法
按照一般野外采用的防风固沙林结构 , 设计出 9 种实验模型 (表 1 ) 。模型是用直径4 c m 、
高 4 c m 的塑料松针和直径3 . 5 刀Q力Q 的铅丝制成 。 林带模型高 16 c m , 枝下高 4 c m , 灌 木 片
林高4 c m , 模型缩比为 1 : 50 。
表 1 摸型类型和主要今数 流场测点布置 : 水平方 向(H
序号 名 称
覆盖度
(% )
透风 株行距
行 数
系数 (c m x e m )
紧密结构林带
通风结构林带 工
通风结构林 带兀
灌木片林 工
灌木片林 l
灌木片林 工 + 通风
结构林带 工
灌木片林 工 + 通风
结构林 带亚
灌木片林 亚 + 通风
结构林带 I
灌木片林 亚 + 通风
结构林带 五
;:
4 X 4
4 X 4
8 汉 4
4 X 4
8 X C
4 X 4
4 X 4
4 X 4
8 X 4
8 X 6
4 X 4
8 X 6
8 X 4
5
5
5
3 0
2 0
3 O
5
忿O
5
2 0
5
2 0
5
为林带或片林的平均高度 , “ 一 ”表
示林带或片林的迎风面 ; “ + ”表示
林带或片林背风面 )为 一 3 H 、 一 2
H
、 一 I H 、 一 OH (灌木片林 中距
前缘ZH 、 1 5 H 和2 8H )、 + OH 、 IH 、
ZH
、
3 H
、
S H
、
7 H
、 1 0 H
、
1 5 H ;
在垂直梯度上对于林带 : H / 50 、 H /
8
、
H / 2
、
I H
、 ZH ; 对于 片林 :
2 / 2 5 H
、
H / 2
、
I H
、
ZH
。
来流风速廓线按沙区平坦地表
参数确定 , 在风洞中人工形成边界
层 。 在实验模型上风处放置 3 m 长
的沙盘 , 实验采用粒 径 。. 1~ 。. 25
斤才
07
月自几口
6
m m 为主的天然沙 。
实验于 1 9 8 9年在中国环境科学研究院一座中性低湍流环境风洞中进行。 用 日本 产 D A花
20 。型超声风速仪监测实验段来流和校正热线风速仪; 用丹 麦 产 D IS A 56 C0 0 型恒温热线
风速仪测量流场的平均风速和湍流强度。 另有吸沙器 、 秤等。
本文于1 9 9 0 年 8 月 8 日收到。
林 业 科 学 研 究 5 卷
2 实验的相似性
按照相似理论 , 模拟实验首先应该满足几何相似这一基本条件 , 同时还应满足相似 的边
界条件 , 使得运动相似 。
2
。
1 运动相似
依照气象学在中性条件下 , 近地边界层速
度分布一般呈对数分布 :
·
V
.
r 1 . 、= - - -二二二一式
飞
N
4 6
V ( m /
s )
图 1 来流风脚线
一般的风洞模拟实验中 ,
一致 。 在以往的研究中得出,
数 R . = 5 . S X i o 4 大于临界值 。
式中 Z 。是租糙度 , V * 为 摩擦速度 , 卡门常数
K 二 O 。 4 , V (z) 为高度 Z 上的风速 。 在风洞中 ,
人工形成模拟实验的边界层 , 图 1 为风洞中模
拟风速廓线与拟合廓线的对比 , 小圆点表示实
测值 。 线性回归得出 Z 。 = o . 1 2 6 c m , 在沙区实
测值在 0 . 0 0 4 7 ~ 0 . 1 3 10 e m 范围 内1‘] , 符合
沙区自然条 件 。 摩 擦 速度 V * = 。. 2 31 m /s’
略高于沙粒起动摩擦速度。. 1 92 m /s [’] 。
2
.
2 , 诺数位洲
雷诺数是惯 性 力 与 粘 性 力 之 比 : R . =
V H / 丫 , H 是模型的特征高度 , V 为气流速度 ,
丫为空气运动粘性系数 , 在常温常压下 为1 . 4 67
x 1 0
一 ‘ m Z / s
。
由于模型尺寸比实物小得多 , 因此很难做到雷诺数与野外现场
当 R . 妻 2 . s x lo‘ , 雷诺数进入 自准区〔3 ] 。 经检测模型特征雷诺
0,曰月,一
:
矛Z‘.几.盆,立山
8
口七O.Q
.
/
咭工尸JS,二月矛了/J了产口
心工,人,
2
.
3 吹沙实验的摸拟
风洞中模拟风沙现象难以严格满足相似条件 , 其原因是按 比例缩小的沙粒粒径会导致模
拟现象违反风沙流自然规律 I‘l。 为此 , 对紧密结构和通风结构 1 林带做了 连 续 60 m in 的吹
沙实验 。 图 2 给出两种不同结构林带60 m in 吹沙后 , 林带前后每H 距离段内的相对积沙量分
布 , Q 为各段实验的积沙量 , W 为模型前后的总积沙量 。 图 2 反映 出不同结构的林带具有各
自的积沙分布规律 。 自然界风沙流移动 , 绝大多数集中在 。~ 1 0 c m 高 度 内[ 6 ] , 在风洞中采
用的模型高度为 16 c m , 而且实验摩擦速度略高于沙粒起动摩擦速度 , 沙粒起跃高 度低 , 沙
流基本上被模型阻挡 。 图 3 、图 4 为野外调查的紧密结构林带和通风结构林带的阻积沙特征 。
图 2 的实验结果与之相比较 , 显示出两者具有相似的积沙分布规律 。
综合以上几点 , 在一定模型缩比和风速条件下 , 采用原风速 、 原沙 , 在雷诺数自准的前
提下 , 模拟吹沙实验以比较不同结构模型的阻沙效果是可行的。
2 期 沈晓东等 : 防风固沙林阻沙效果的风洞模拟实验 2 2 1
-
- 一.J 巨
风向 一 紧密结构~ 一峨升- ~ 3五风结构 狂3021次汪、O
0 十 5
水平距离( H )
图 2 两种不 同结构林带前后的积沙分布
风向 (单位 : . )
3
。
5
3
.
7
4
.
6 6
‘
9
图 3 野外紧密结构林带 的阻积沙特征 1》
卜一 1魂. 7 一刁_ ’ (单位 : m )
2
月〔.
1
.
1
一一4 7 耘 . , 丰一~ 。。 一点一习仁 , . 5
娜犷叹.35.一‘、r一丁0.3军
图 4 野外通风结构林带 的阻积沙特征。
3 分析与结果
从表 2 看出 , 两种不同覆盖度片林的阻积沙量基本相 同, 这说明当片林覆盖度达到一定
时 , 阻沙效果没有明显区别 。 这是由于贴地的风沙流 , 遇到灌木片林的阻挡 , 风速下降 , 使
得沙粒损失运动的能量 , 从而绝大多数流沙
沉积在林前和林中。 表 2 显示三种不同结构
的林带在阻积沙分布上有很大的差别。
从图 5 可以看出不同结构的林带具有不
同的阻积沙分布特征 。 紧密结构林带将来沙
量的94 %阻积于迎风面的一定范围内 , 只有
约 6 % 的来沙越过林带 , 分布在背风 面 3 H
以内 ; 通风结构林带 , 来沙在迎风面和背风
面堆积成不连续的两部分 , 只是在堆积部位
和数量上存在着明显的差异 , 这些主要取决
于林带的透风系数 。
表 2 各种实验镇型阻积沙分布特征
相 对 积 沙 量 ( % )
模 型 结 构 灌木林前 灌木 林带前缘 林带及 林 中 林后 及 林 中 后缘
紧密 结构林带
通风结构林带 工
通风结构林带 1
灌木片林 工
灌木片林 亚
灌木片林 l 十 通
风结构林带 工
灌木 片林 1 + 通
风给构林带 兀
9 4
.
12 5
.
8 8
5 2
.
38 4 7
.
6 2
2
.
C6 9 7
.
9 4
048398
.
9 6
9 9
.
1 7
96
.
2 0
9 6
.
5 6
劝图 3 、 图 4 引自新孤林业科学院刘任华 、 张纯等的野外调查资料 。
2 22 林 业 科 学 研 究 5 卷
紧密结 {勺
通风结构 工
通风结钩 n0U口,‘%)沃\O
一 5 一 2 一 0 + O
水平距离 ( H )
不 同结构林带的阻积沙分布特征
找 一紧锡结构林带
b 一通 风结构林带 I160l20
次抽匡有契
0 L- e ‘~ 曰~ we ‘e ‘~‘‘一孟~ _ ~ _ _ 一_ _ _ _ _一一 4 一 2 一 0 + 0 1 2 3 几 7 王0
水 平距离 ( H )
图 6 不 同结构林带的防风柞 用
图 6 给出 3 种 结构林带 H / 8 !高度上相对风速变化曲线。 风速在紧密结构林带 迎风愧面 前
缘大幅度降低 (约40 % ) , 加上枝叶的阻挡 , 使来沙大量沉降堆积 , 达到一定高 度 后 才越过
林带分布在弱风区 (3 H ) 以内。 通风结构林带 , 气流遇到林冠层的阻挡 , 在林缘迎风面形成反
向涡旋 , 这个涡旋尺度 的大小受林带透 风系数大小的影响 , 进而影响到林带前缘风速降低的
程度 , 使得一部分来沙沉降堆积在林带前缘 , 之心流通过树冠下的通道被加速 , 在背风面后缘
形成高风速区 , 将另一部分来沙吹到背风面弱风区沉降堆积 。 透风系数越大 , 迎风面林缘积
沙量越少 , 背风面沙粒堆积部位也越向后推移 , 积沙覆盖面积也越大 (通风结构 工为1 0 . 5 H 一
2
.
5 H = SH
, 通风结构 亚12 H 一 2 . 5 H = 。. S H ) 。 如图 5 所示 , 其积沙峰值均 出现在弱 风 区
稍前的位置上 。
两种不同覆盖度灌木片林分别与通风结构林带 I 组合形成紧密结构 , 与通风结构林带 l
组合形成近似疏透结构 。 图 7 给出灌木片林 兀 + 通风结构林带H /s 高 度上相对风速变 化 曲
线 。 图中片林 五 + 通风结构林带 工显示 出紧密结构背风面风速变化特征 , 在2 . 5 H ~ g H 间 ,
相对风速小于0 . 7 , 而片林 1 + 通风结构林带 亚背风面风速变化较为平缓 , 在 3 H ~ 12 H 间 ,
相对风速小于0 . 7 , 贴地层风速降低的范围大于前一种组合。 图 8 给出片林 兀 + 通风结 构 林
带的相对积沙分布特征。 从图中可看出, 96 % 的沙粒沉降在片林林中 , 片林 亚 十 通风结构林
带 1 背风面 , 沙粒堆积较为平缓 , 而且面积较大。 两种组合形成林带背风面 的积沙峰值 , 均
出现在弱风区前缘 0 . 5 ~ I H 的位置 , 这是地面积沙后由于沙面的摩阻作用所致。
2 期 沈晓东等 : 防风固沙林阻沙效果的风洞模拟实验 22 3
a 一片林 皿 + 透 风结构林带 I
b 一片林 n + 通风结构林带 l60即助的
次)侧城货孚
。瓦 一 2 一 0 + 0 2 客 6水平距离( H )
图 7 灌木片林 兀 十林带对 风速的影响
州- 如之卜. ~ .
.一~ 亡尸 ~ ,
风向 片林 亚 + 通风结构林带 1
片林 皿 + 通 风结构林带 江12a-八次)汪己
一 2 一 0 4 已 1 2 1 8 24 一 0 + 0 1 2 3 5 6
水平距离( H )
图 8 灌木片林 皿 + 林带的阻积沙分布
4 结 论
( 1) 风洞模拟实验和野外对不同结构防风 固沙林带的观测研究结果 , 具有一致的规律性 ,
因此在一定模型缩比和风速条件下 , 采用原沙并在雷诺数自准的前提下 , 模拟吹沙实验用以
在不同结构模型间比较阻沙效果 , 是可行的。
(2 ) 当灌木片林覆盖度达到一定时 , 其覆盖度的变化对阻沙效果影响不大 。
( 3) 在林带的影响下 , 流沙的堆积分布特征主要取决于林带的结构 。这样可以根据防护对
象 , 选用相应类型的林带和最适宜的透风系数 , 在一定范围内可使林带达到最佳的防护效果 。
( 4) 紧密结构林带、 灌木片林 + 林带具有近似的防风阻沙效果 , 是最好的防风固沙林模
式 。
参 考 文 献
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林 业 科 学 研 究 5 卷
夕tu d 夕 o f 附公。d T 。。。e l S fo u la 才fo n E 、Pe r i, e o t
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the s t r u e tu r e o f fo r e s t b e lt
.
T h e e o r r e sPo n d in g t yP e o f fo r e s t b e lt a n d t he
m o s t su it a b le e o e ffi e ie n t o f Po r o s ity e a n b e s e le e t e d a e e o r d in g t o d iffe r e n t
P ro t e e t e d o bje e ts
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