风洞模拟“攀援植物-围栏”...沙障不同疏透度下的防风效果_赵淳宇.pdf

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2022-0036赵淳宇，李生宇，郑伟，范敬龙，王海峰，程锋梅.风洞模拟“攀援植物围栏”复合沙障不同疏透度下的防风效果.草业科学,2022,39(11):2273-2283.ZHAOCY,LISY,ZHENGW,FANJL,WANGHF,CHENGFM.Windtunnelsimulationofthewind-breakingeffectof“climbingplantfence”compositesandbarrierswithdifferentpermeabilities.PrataculturalScience,2022,39(11):2273-2283.风洞模拟“攀援植物围栏”复合沙障不同疏透度下的防风效果赵淳宇1,2,3，李生宇2,3，郑伟1，范敬龙2,4，王海峰2,3，程锋梅1,2,3（1.新疆农业大学草业学院,新疆乌鲁木齐830052；2.中国科学院新疆生态与地理研究所国家荒漠绿洲生态建设工程技术研究中心,新疆乌鲁木齐830011；3.中国科学院新疆生态与地理研究所莫索湾沙漠研究站,新疆石河子832000；4.中国科学院新疆生态与地理研究所塔克拉玛干沙漠研究站,新疆库尔勒841000）摘要：为探索受风蚀影响围封区域的新型治理技术措施，本研究对不同疏透度()“攀援植物围栏”复合沙障的防风作用进行了风洞模拟试验。分别在 6、8 和 10ms1净风条件下对模型 A(网围栏，：96%98%)与 4 种复合沙障 模型 B(无叶期，：59%64%)、模型 C(无叶期，：50%55%)、模型 D(有叶期，：40%45%)、模型 E(有叶期，：30%35%)进行试验。结果表明：1)不同类型复合沙障流场结构均呈“减增减”的变化趋势，障体背风侧存在风影减速区，网围栏前后流场结构一致，不存在减速区。2)不同风速条件下，无叶期复合沙障(模型B、模型C)在10ms1风速下近地表平均防风效能最低，分别为 18.55%与 18.38%，有叶期复合沙障(模型 D、模型 E)则在 6ms1风速下最低，分别为 44.03%与 45.42%，有叶期复合沙障防风效应随风速的增大而增强，无叶期复合沙障则相反。3)综合分析表明，当障体疏透度为 59%64%时便可产生防风效果，复合沙障防风效果优于网围栏，障体有叶期防风效果优于无叶期，可测范围内无叶期复合沙障防护距离为 0.6H15H(H 表示障体高度，1H=15cm)，有叶期复合沙障防护距离为 0H15H，复合沙障防风效果与疏透度呈反比。因而，“攀援植物围栏”复合沙障可以提高围封区域的防风效果，降低风力作用下的地表物质流失。关键词：复合沙障；疏透度；防风效能；风蚀防治；风洞模拟文献标志码：A文章编号：1001-0629(2022)11-2273-11Wind tunnel simulation of the wind-breaking effect of“climbing plantfence”composite sand barriers with different permeabilitiesZHAOChunyu1,2,3,LIShengyu2,3,ZHENGWei1,FANJinglong2,4,WANGHaifeng2,3,CHENGFengmei1,2,3(1.CollegeofGrasslandScience,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,Xinjiang,China;2.NationalEngineeringTechnologyResearchCenterforDesert-OasisEcologicalConstruction,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,Xinjiang,China;3.MosuowanDesertResearchStation,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Shihezi832000,Xinjiang,China;4.TaklimakanDesertResearchStation,XinjiangInstituteofEcologyandGeographyChineseAcademyofSciences,Korla841000,Xinjiang,China)Abstract:To explore new treatment technology measures for enclosed areas affected by wind erosion,wind tunnelsimulationexperimentswereconductedtodeterminethewindprotectioneffectofthe“climbingplant-fence”compositesand收稿日期：2022-01-13接受日期：2022-04-22基金项目：中国科学院 A 类战略性科技先导专项子课题(XDA20030202)；国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项(2017YFE0109200)；中国科学院关键技术人才项目；新疆维吾尔自治区高校科研计划重点项目(XJEDU2019I013)；草原生态修复治理补助监测及科技支撑项目(XJCYZZ202006)第一作者：赵淳宇(1997-)，男，河南襄城人，在读硕士生，研究方向为草地荒漠化防治。E-mail:通信作者：李生宇(1975-)，男，河北宣化人，正高级工程师，博士，研究方向为风沙地貌与荒漠化防治。E-mail:第39卷第11期草业科学2273-2283Vol.39,No.11PRATACULTURALSCIENCE11/2022http:/barrierwithdifferentporosities().Experimentswereconductedunder6,8,and10ms1netwindconditionsusingmodelA(fence,:96%98%)withfourcompositesandbarriers:ModelB(non-leafystage,:59%64%),modelC(non-leafystage,:50%55%),modelD(leafystage,:40%45%),modelE(leafystage,:30%35%).Theresultsshowthat:1)Theflowfieldstructureofcompositesandbarriersofdifferenttypesshoweda“decrease-increase-decrease”trend,andtherewasawindshadowdecelerationzoneontheleewardsideofthebarrier.Theflowfieldstructureinfrontandbehindthefencewasconsistentwiththenodecelerationzones.2)Fordifferentwindspeeds,theaveragenear-surfacewindprotectioneffectivenessofcompositesandbarriersinthenon-leafystage(modelsBandC)reachedthelowestatawindspeedof10ms1,at18.55%and18.38%,respectively.Theleafystagecompositesandbarriers(modelsDandE)hadthelowesteffectivenessatawindspeedof6ms1at44.03%and45.42%,respectively.Thewindprotectioneffectofcompositesandbarriersintheleafystageincreasedwithincreasingwindspeed.Thewindprotectioneffectofcompositesandbarriersduringthenon-leafystagedecreasedwithincreasingwindspeed.3)Thecombinationshowedthatwindprotectioncanbeachievedwhenthebarrieris59%to64%permeable.Compositesandbarriersprovidedbetterwindprotectionthandidfences.Windprotectionattheleafystageofthebarrierwasbetterthanthatatthenon-leafystage.Withinthemeasurablerange,theprotectivedistancewas0.6H15H(H:heightofthesandbarrier,1H=15cm)and0H15Hforthecompositesandbarriersinthenon-leafyandleafystages,respectively.Theeffectivenessofcompositesandbarriersagainstwindwasinverselyproportionaltothedegreeofpermeability.Therefore,the“climbingplant-fence”compositesandbarriercanimprovetheprotectionoftheenclosedareaandreducethelossofsurfacematerialbywindaction.Keywords:compositesandbarrier;porosity;windbreakefficiency;winderosioncontrol;windtunnelsimulationCorresponding author:LIShengyuE-mail:草地作为重要的自然资源，不仅是畜牧业发展的关键物质基础，同时发挥着防风固沙、水土保持等重要的生态功能1，但受气候因素、土壤条件、人类活动等多重影响，草地荒漠化日益加剧2-3。因此，草地资源保护和荒漠化防治已成为当前生态文明建设的重大任务4-5。新疆地区荒漠化土地总面积为 107.06 万 km2，草地作为新疆主要的生态系统类型，其荒漠化面积已达 46.89 万 km26。新疆地区草地受人为因素与水文地质共同驱动，其荒漠化过程包括两大类：一是低山和平原荒漠化类型草地的沙化、盐碱化退化过程；二是山地草地类型的退化过程3,6。围栏封育作为退化草地恢复技术之一，投资小、见效快7，且具有提高草地群落地上生物量与植被盖度8、改善植物群落结构9-10、提高草地生产力11-12的优势，所以应用更普遍。由于围栏孔隙度较大，仅能通过阻挡牧群进入来促进植被自然恢复，对风沙流扰动很小，所以在受风沙影响较大的围封地区，减少风沙侵蚀、提高植被自然恢复进程变得尤为重要。野外调查发现，高速公路的安全围栏或小区栏杆在攀援植物依附生长的条件下(图 1)，茂密的枝叶使原有栏杆疏透度下降，可对地表气流产生一定扰动。基于此现象，可利用攀援植物特性，将植物与封育围栏搭配形成一种机械生物复合沙障，来达到对封育围栏生态功能的补充，从而减少围封地区的风蚀问题，进而推动草地保护与退化草地恢复进程。目前，通过野外观测与风洞模拟等手段对沙障的材料类型13-16、结构17-18、孔隙19-21、高度22等方面进行研究并得出诸多成果。如，通过对尼龙网栅栏防风效应的研究发现最佳孔隙度为 40%45%，障体具备疏透和通