栅栏对颗粒起动风速影响的实验研究

气流对栅栏的响应可以定量地用沙粒的起动风速来表征。通过风洞模拟实验研究了栅栏两侧不同距离处沙粒的起动风速及运动特征随疏透度和高度的变化关系。根据颗粒运动的不同典型特征,栅栏附近的水平区域可划分为5个区。栅栏的疏透度是决定其最终防护效果的关键因素,紧密型栅栏,尤其是不透风栅栏,其迎风侧脚容易形成堆积。栅栏疏透度为0.3～0.4时相对起动风速最大,疏透度0.3～0.6时能产生最大的有效防护距离。栅栏越低,产生最佳的防护效果所要求的疏透度就相对越小,反之亦然。疏透度0.3～0.4的栅栏在实际应用中可以起到最佳的防风阻沙效果。     

不同带宽的防风固沙林流场结构及防风效能风洞实验

林带宽度是防风固沙林建植时要考虑的基本参数,研究不同带宽林带的防护效果对防风固沙林配置及构建具有重要的指导意义。通过风洞模拟实验,在7、10、15 m·s^-1风速条件下,对单行一带（Ⅰ型）、三行一带（Ⅱ型）、六行一带（Ⅲ型）和九行一带（Ⅳ型）共4种带宽的林带的迎风面、带中和背风面的风速进行了测定,分析了4种林带的风速流场、风速加速率和防风效果。结果表明：（1）4种林带流场结构和垂直风速变化规律相似,沿来风向均形成了林带上方和迎风面林缘附近的小范围高风速区及其后的风影区相互组合的流场结构;依据风速垂直变化规律划分为上部变化层（高度30~60 cm,受林带的影响最小）、中间变化层（高度5~20 cm,风速受林冠遮蔽作用,影响最大,且为风影区形成层）和近床面变化层（高度1~3 cm）。（2）4种林带在垂直纵剖面上的平均风速加速率随林带宽度的增大而减小,即Ⅰ型（0.90） > Ⅱ型（0.87） > Ⅲ型（0.79） > Ⅳ型（0.78）。（3）4种林带的防风效果为Ⅰ型和Ⅱ型林带相同,Ⅲ型和Ⅳ型林带相同,后2种林带的防风效果优于前2种林带,且4种林带的防风效能均随着风速的增大而减小。     

不同类型林带防护效应的数值模拟

分别对紧密、疏透、通风型林带绕林流场进行了数值模拟,分析了林带结构特征对绕林带流场的影响,比较了不同林带结构在同一高度上的沿流相对风速变化情况,并指出了它们各自的适用范围和在防沙治沙中的作用。     

梭梭(Haloxylon anmodendron)林带防风效果的风洞试验

梭梭(Haloxylon anmodendron)是荒漠地区重要的固沙灌木,株高、构型与防风固沙乔木具有明显差异。通过风洞模拟实验,在12 m·s~(-1)风速条件下,对3种高度和密度的梭梭林带模型的风速流场和防风效果进行了研究。结果表明:不同配置的梭梭林带模型后风速流场差异显著。1～2 cm高的梭梭林带后风速频数集中在8～8.7 m·s~(-1);4 cm高的梭梭林带后风速频数集中在7～8 m·s~(-1),平均防风效能分别为38.49%、32.29%、26.88%,有效防护距离分别为10H、7.5H、5H,优于1～2 cm高的配置类型。其中4 cm高、株行距2 cm×2 cm的林带后风速恢复迅速,最大风速大于等高度其他两种株行距的林带;高度1 cm、株行距2 cm×2 cm林带防风效果优于同高度密度稀疏的林带;2 cm高、株行距4 cm×4 cm的林带与1 cm高、株行距2 cm×2 cm的林带后的最小风速接近,表明随着梭梭林带高度的增加,林带密度优势开始减弱。因此合理的株行距有助于梭梭林带长期发挥最大防风效益。     

不同结构林带防风效能风洞模拟

防风林带结构是影响防风效能的主要因素。建立不同宽度、不同株行距林带防风效能与林带后距离之间的统计模型，可以为防风林建设提供指导性意见。通过风洞实验，在11 m·s^-1风速下，对4种宽度、5种株行距林带的背风面0~10H（H为林带高度）的风速进行测定，采用曲线参数估计法、傅立叶模型、SSF模型（Sum of Sin Functions），构建了不同结构林带防风效能与林带后距离间的统计模型。结果表明：傅立叶模型拟合不同宽度林带的防风效能与林带后距离的关系效果最优，可决系数（R²）均在98%以上；SSF模型拟合不同株行距林带的防风效能与林带后距离的关系效果最优（R²>0.98）。根据构建的统计模型，风速为11 m·s^-1左右时，林带宽度8 m（两行一带）的防风林的防风效能存在明显优势；5种株行距的林带中，株行距为8 m×8 m的防风林带本试验条件下防风效果最好。     

直立阻沙栅栏流场特征的风洞模拟实验

直立栅栏作用于地表深刻地影响了周围气流的流动特性,使原来流经地表的气流成为一种特殊形式的“次生流”。根据PIV所测的非对数-线性风速廓线形态及风速廓线所表现的不同速度梯度,栅栏周围的流场可以划分为6个典型区域。随着栅栏疏透度的增加,流动的区域会随着下风向距离的增加逐渐合并,划分的区域越来越少。这些典型的区域分别表现了气流的不同运移行为及能量传输特征,对栅栏周围的风沙沉积有很大的影响。     

敦煌莫高窟窟前林带防护效应的风洞实验

洞窟环境包括窟内的温度、湿度、光照、气流等环境因素的适宜程度,对保护洞窟内的壁画和彩塑是十分重要的。洞窟环境不仅因洞窟所处的位置、大小、型制、有无窟门及窟门形式等而异,而且与窟外整个大环境密切相关。不同风况对洞窟内的气流交换起着重要的作用,也是造成石窟壁画彩塑风沙尘粒沉积、崖面风蚀的主要原因。通过风洞模拟实验,从窟前流场、洞窟环流、崖角形状及其受力等几个方面研究了窟前林带的防护效应和崖角防风蚀机理。结果表明：从控制洞窟水汽因素来讲,窟前以通风结构林带最佳,疏透结构林带次之,紧密结构林带欠佳。控制窟前林带灌溉强度,建立多次、少量的窟前林带灌溉制度,同时,在偏东风条件下尽量减少对窟前林带的灌溉,是控制林带生长和底层洞窟侧渗的重要一环。考虑到促进洞窟自然通风的需求,采用一定疏透度的窟门和采取必要的强迫通风,能够较大改善洞窟的自然通风和环境适宜状况。     

农田防护林林带疏透度数字化测定方法及其应用

疏透度不仅是评价防护林林带结构的定量化指标和表征林带结构的重要特征参数,同时也是区别林带结构优劣的最主要指标之一。通过运用“数码相机”与“遥感图像处理软件”(ENVI)相结合的林带疏透度数字化测定方法,表明其是一种操作程序简便,实用性强,能够快速、准确地测定林带相片疏透度的方法。得出将该方法应用于新疆克拉玛依农业综合开发区农田防护林疏透度的测定,通过逐步回归分析得出,林带疏透度(β)与林带行数(N)和树木株距×行距(Q)之间存在显著的相关关系。     

层次分析法在民勤绿洲农田防护林生态效益评价中的应用

基于防护林的定位观测数据,利用AHP法建立了防护林生态效益评价指数,并用该指数评价了民勤绿洲不同状态防护林的生态效益。结果表明,防风效益是决定民勤农田防护林的关键因素,林网内温湿度改变率、土壤有机质和土壤水分的改变率等因素对防护效益的影响也较大。防护林层次结构和疏透度是影响防护效益的主要参数。综合评价结果表明,疏透结构、林下乔灌草结构完整的林网防护效益相对较高,而通风结构或紧密结构、林下层次结构不完整的防护效益并不高。     

栅栏最佳疏透度的空气动力学评价

为研究栅栏防沙的动力学机制,运用风洞中PIV所测风速资料,从空气动力学角度对直立栅栏的最佳疏透度范围进行了讨论与评价。结果表明,不同研究者所得栅栏的最佳疏透度范围不尽相同,大致范围在0.2～0.6之间,结果非常分散。PIV资料评价的栅栏最佳疏透度在0.2～0.3之间,该疏透度范围的栅栏周围气流湍流度较低,对风能的耗散较大,能有效抑制过境风沙流,理论上属于防沙的最佳疏透度,但实践操作中为了降低成本,阻沙栅栏的实际疏透度可适度增大,放宽到0.3~0.4左右。栅栏绕流的复杂性,使得众多研究都运用了过多的简化与假设,而且研究者们对于栅栏防护过程的不同理解以及所强调的保护侧重点不同导致评判的标准也各不相同,最终得到的最佳疏透度范围也有所差异。     

不同类型防沙堤流场的风洞实验模拟研究

防沙堤在风沙防护体系中发挥着重要的作用。对不同形状、不同倾角和不同高度防沙堤的流场结构进行风洞模拟实验,对不同类型防沙堤的防护效益进行评价。研究结果表明:①防沙堤强烈地影响了周围的气流流动特性,根据不同流场特征将其划分为5个典型区域:迎风坡脚低速区、遇阻抬升区、集流加速区、减速沉降区和消散恢复区,其中迎风坡脚低速区和背风侧减速沉降区能有效降低风速、阻滞风沙流。②梯形较三角形防沙堤形成的迎风坡脚低速区范围更大,而三角形较梯形防沙堤形成的有效防护距离更大。③三角形防沙堤的防护范围随风速的增大而减小。三角形防沙堤形成的有效防护距离随迎风坡倾角的增加而增大;迎风坡脚低速区范围随倾角增大而减小。④倾角40°的三角形防沙堤模型在各组风速下均形成最大的有效防护距离。⑤防沙堤背风侧的有效防护距离与沙堤高度呈正相关。     

柽柳灌丛沙堆三维流场随背景植被变化的风洞实验

以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带广泛分布的柽柳灌丛沙堆及丘间地植物为原型,依据风沙运动相似理论,制作5组背景植被盖度灌丛沙堆模型,在风洞中进行风流场变化规律模拟实验。结果表明:柽柳沙堆三维流场结构可划分为6个区域,即沙堆前减速区、沙堆迎风坡加速区、沙堆两侧急流区、沙堆背风侧强涡流区、沙堆后尾流恢复区和沙堆上空混合加速区。灌丛沙堆对流场结构影响范围为沙堆前10H到沙堆后14H区段,旁侧影响宽度不超过沙堆宽度的3/4,垂直方向上主要影响灌丛沙堆总高度相对应的下方区域,最大不超过灌丛沙堆总高度的2倍。风速变化不构成对流场结构的影响,但背景植被变化对流场结构影响明显。随着植被盖度增大,沙堆前减速区和沙堆后尾流恢复区范围扩大,两侧急流区和背风侧涡流区范围缩小。背景植被的出现明显降低了其所在高度层的风速,柽柳沙堆各分区地表加速率均随背景植被盖度呈指数规律下降,当植被盖度在16%时加速率变化趋于平缓。从维护绿洲安全的角度出发,根据风沙动力学原理可将16%视为灌丛沙堆科学保育中可能的临界背景植被覆盖值。     

The effect of wind barriers on airflow in a wind tunnel

Porous wind barriers are widely used and proven more efficient than solid barriers. In this study, the shelter quality of wind barriers of different porosity, row space and row number was compared based on wind-tunnel measurements. The 14 cm-high (H) scaled models of wind barriers were placed perpendicularly to the wind direction in the wind tunnel, and rough elements were placed upwind of the models to obtain a reasonable self-simulation zone and Reynolds number. The results show that the airflow field changes little in the area above one-row wind barriers. In the area below the models, the airflow field is rearranged into four energy regions. The best shelter effect achieved downwind is always obtained using a 0.35-porosity wind barrier, so we suggest the optimal porosity of 0.3–0.4 for wind barriers in sand-control engineering. The shelter effect comparison of two-row 0.35-porosity wind barriers indicates that 6 H is the optimum row space. Two-row and three-row wind barriers obviously provide better shelter than one-row barriers. Therefore, we suggest 5–7 H as the optimal row spacing for multi-row wind barriers. Our results indicated good agreement with previous studies regarding porosity, row number and row space, with some exceptions about wind barrier design regarding porosity.     

地形对包兰铁路沙坡头段防护体系的影响

选择沙坡头铁路防护体系典型断面,利用野外风场观测与风洞模拟,讨论地形在道路防沙体系中的作用。结果表明,防护体系前沿栅栏沙丘下风向10倍沙丘高度的水平范围内,地表摩阻风速通常小于临界值;风速递减系数随防护距离的增大而增大,地形倾斜和起伏对贴地层风力减弱的贡献占防护体系风速削弱程度的43%。自流沙区至铁路路基,潜在输沙率迅速波动降低,其中地形变化使得防护体系内潜在输沙率降低50%以上。这表明,地形是沙坡头铁路防护体系发挥卓越功能的重要因素,栅栏沙丘已成为防护体系的重要构成部分。     

防护林疏透度对近地层大气降尘的影响——以新疆策勒为例

防护林在削弱风速、减少风蚀的同时又可以影响近地层的大气降尘。为探讨防护林疏透度（β）对大气降尘的影响,对新疆杨防护林庇护区0.5 m和3 m高度降尘进行野外观测,并分析了两个高度降尘量空间分布。结果表明：β大于0.47时,防护林对降尘空间分布没有明显影响,0.5 m高度降尘量大于3 m高度,且林后3 m高度降尘量比较平稳,而林后0.5 m高度降尘量出现较大波动;β从0.47下降到0.2时,防护林可以明显影响林后降尘,两个高度降尘量变化趋势相似且平均降尘量差距减小;此段时间,林后两个高度均出现高降尘区,且0.5 m高度的高降尘区滞后于3 m高度。防护林在中等疏透度时（0.2～0.47）可以明显影响林后水平和垂直方向大气降尘,导致林后出现高降尘区,并促进3 m高度降尘,减小两个高度降尘量的差距。因此,应避免将易受降尘危害的作物种植在林后高降尘区。     

塔克拉玛干沙漠沙垄区公路防护带内风场特征研究

塔克拉玛干沙漠公路是世界上穿越流沙区最长的公路,公路两侧防沙治沙工程体系是公路正常运行的关键因素。以塔克拉玛干沙漠沙垄区的公路防护林带为研究对象,结合野外地形测量、防护工程调查以及风沙数据观测,分析沙垄不同地貌部位防护林带内气流特征,揭示防护林带内风场变化规律,探讨不同地貌部位防护林带的防护效果。主要结论是:①垂直于公路的防护林带断面风场存在3个区(防护林带前部风速迅速降低区、防护林带中部风速低值区、防护林带工程后部风速恢复区),气流穿过公路路面时风速呈增大趋势,利于公路防护;②现有防护林带具有较好的防护效果,相对于防护林带上风向流沙区的风速,防护林带中部风速降低幅度在80%以上,多数断面在林带前缘10H后（H为植株平均高度）风速降低至最小;③沙垄不同地貌部位的工程防护效益存在显著差异,迎风坡底部防护效果最好,迎风坡中部防护最差。其研究结果可为塔克拉玛干沙漠公路防沙治沙工程体系优化提供科学依据。     

民勤绿洲边缘带灌丛沙丘防风作用研究

对民勤天然绿洲边缘带的固定、半固定及半流动风速灌丛沙丘实地观测表明,气流通过单个固定灌丛沙丘时,近地面平均风速降低4.4%,在965 m观测样线内降低57%,且风是连续降低的,愈靠近内侧降低得愈多,到绿洲内部农田边缘处时,平均风速仅有对照点的21%。深入了解灌丛沙丘对绿洲的防护机理,对于合理保护和恢复绿洲边缘带灌丛沙丘,避免绿洲遭受风沙侵袭具有重要意义。     

半隐蔽式草方格沙障凹曲面形成的流场解析及沉积表征

利用野外风沙观测、沉积物粒度分析和等比例实体草方格风洞流场模拟,解析了草方格沙障内部凹曲面形成的风沙流场过程。草方格分别作为疏透沙障和地表粗糙元对贴地层和近地层风沙流具有不同的影响：床面蚀、积分布和方格中心凹曲面的形成发展,以及沉积物粒度变化,取决于草带之间的贴地层流场分布格局以及草带对风沙流中固体物质的截留;近地层风力普遍受到草方格粗糙元的削弱,促进了沙面稳定。高风速下输沙率垂向分布的“象鼻”结构,体现了草方格对促使风沙流结构变异、形成和维持草方格凹曲面的重要性。沙丘不同部位草方格沉积物粒度分布模式不同,显示沙丘部位也是影响草方格内部流场的一个因素,以迎风坡中部最有利于方格内凹曲面的形成。