閆 晴，李菊艷，尹忠東，劉金苗，柳宏才

（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)測總站，新疆 烏魯木齊 830002）

植被對地表起到保護(hù)作用，增加植被覆蓋率是防風(fēng)固沙的主要手段［1］。然而，在干旱、半干旱地區(qū)，由于水分條件的限制，植被主要以低蓋度沙旱生灌木為主，許多灌木以單株或單叢的形式存在，其與風(fēng)蝕關(guān)系的研究可簡化為單植株的防風(fēng)固沙研究［2］。但不同類型植株對周圍氣流場的影響存在差異［3］。因此，研究不同株型單株植被周圍的風(fēng)速與輸沙特征，對干旱、半干旱區(qū)合理選擇風(fēng)蝕防治中的植被類型具有重要意義，同時也對建設(shè)不同形態(tài)的稀疏灌叢防護(hù)林工程具有一定的參考意義。

株型會顯著影響植株的防風(fēng)固沙效益，目前有關(guān)植株形態(tài)與風(fēng)蝕關(guān)系的研究主要存在兩種方法，一類是采用傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗或野外試驗探究植株形態(tài)對風(fēng)蝕影響的差異，如亢力強等［4］通過風(fēng)洞試驗測量了細(xì)長狀植株和上大下小形狀植株對空氣動力學(xué)粗糙度的影響；Abbas等［5］對兩種株型植株進(jìn)行研究，指出在不同風(fēng)速條件下，女貞（Ligustrum lu?cidum）對強風(fēng)的抵抗力大于秋英（Cosmos bipinna?tus）。此類研究主要探究了單株植物對周圍風(fēng)場特征的影響，對于沙粒的運動及植株周圍輸沙特征關(guān)注較少。另一類是利用數(shù)值模擬探究單一植被要素周圍的流場變化，相比野外試驗或風(fēng)洞試驗，數(shù)值模擬在數(shù)據(jù)獲取及工作量等方面具有明顯優(yōu)勢。李正農(nóng)等［6］將豆瓣黃楊（Buxus sinica）簡化為3D對稱模型，有效模擬了樹木對于風(fēng)場的影響；Liu等［7］通過CFD軟件研究了不同形狀單株植物周圍的流場，指出底部大而頂部小的植物具有更好的防風(fēng)效率。以上研究增強了人們對植株形態(tài)影響單株植被防風(fēng)效果的認(rèn)識，但在現(xiàn)有單一植被要素數(shù)值模擬中，更側(cè)重探究喬木等高大植株周圍的風(fēng)場變化，對于灌叢及不同株型灌叢周圍風(fēng)速與輸沙特征的研究較少。

沙生灌叢在沙質(zhì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位，維持了干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定［8］。沙生灌叢根系發(fā)達(dá)，生命力頑強，在生長季枝葉密度較大，區(qū)域植被蓋度相應(yīng)增加，可有效降低風(fēng)動量，從而起到防風(fēng)阻沙作用。植被形態(tài)和結(jié)構(gòu)是控制風(fēng)蝕的優(yōu)先參數(shù)［9-11］，不同株型灌叢的防風(fēng)阻沙效益存在顯著差異。本文基于數(shù)值模擬，以3 種典型株型的荒漠灌叢為研究對象，通過分析不同類型灌叢前后風(fēng)速、空氣動力學(xué)粗糙度、沙粒體積分?jǐn)?shù)等變化規(guī)律，探討不同株型植被的防風(fēng)阻沙效益，對比得出優(yōu)勢灌叢株型，并利用已有風(fēng)洞試驗進(jìn)行驗證，旨在揭示不同植株形態(tài)對風(fēng)沙流活動的影響存在差異，促進(jìn)干旱、半干旱地區(qū)防風(fēng)固沙工程設(shè)計中對灌叢株型的重視，為防風(fēng)固沙工程及生態(tài)恢復(fù)工程中合理選擇不同株型的防風(fēng)沙植被提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究對象

本文研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部，區(qū)域內(nèi)生長著不同株型的荒漠沙生灌叢，以壇形、梭形、帚形居多，如白刺（Nitraria sphaerocarpa）、檸條（Cara?gana Korshinskii）、霸王（Sarcozygium Bunge）、楊柴（Hedysarum mongolicum）、沙拐棗（Calligonum mon?golicum）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、花棒（He?dysarum scoparium）等［12］，對比選取白刺、梭梭以及沙拐棗作為3種典型株型參照。模擬所需植被特征參數(shù)源于已有野外調(diào)查試驗［13］，調(diào)查于灌叢生長季進(jìn)行，在林場灌叢均勻分布地帶設(shè)置3 個100 m×100 m 的樣方，抽取20 株高度在1 m 左右的同齡灌木，記錄高度、冠幅等植被特征參數(shù)，計算平均值作為確定3 類株型模型的參考依據(jù)，結(jié)果如表1 所示。本文主要探究二維尺度下植株周圍的流場特征，為便于植株建模，對植株高度、冠幅進(jìn)行均值處理及整數(shù)化處理。經(jīng)過試算與模擬，確定3 類株型模型植被參數(shù)如表2所示。

表1 已有野外調(diào)查結(jié)果Tab.1 Field survey results available

表2 植株模型參數(shù)Tab.2 Model plant parameters

由表1可知，白刺的最大側(cè)影面積出現(xiàn)在0.10～0.30 m 處，呈現(xiàn)底部大、頂部較窄的壇形，枝下高度較低，整體貼近地面，重心偏低；梭梭整體呈現(xiàn)中間寬兩頭窄的梭形，形態(tài)較為高大，重心在植株中間；沙拐棗的枝下高度最大，最大側(cè)影面積出現(xiàn)在植株上部，呈現(xiàn)帚形，重心偏高。

1.2 數(shù)值模擬方法

1.2.1 植株建模 由于沙粒在風(fēng)沙流運動中所受的拽力、重力基本在同一平面內(nèi)，故本文采用二維簡化模型。根據(jù)表2 及前人建模經(jīng)驗［14］，采用GAM?BIT 軟件，充分利用灌叢形態(tài)的對稱性，建立了白刺、梭梭、沙拐棗的孔隙幾何模型，依次為壇形、梭形、帚形。簡化植株模型是植株形態(tài)的近似和概化，通過較小的植株孔隙度以及各類實測植被特征參數(shù)來表現(xiàn)生長季灌叢的植株形態(tài)，因此，模擬結(jié)果具有一定的可靠性。通過多次試算和模擬，流域長度設(shè)置為30 m，計算高度為10 m，沙床厚度為0.05 m；植株簡化模型距入口5 m，計算域簡化圖如圖1所示。

圖1 流場簡化圖Fig.1 Model diagram

模型形狀較為規(guī)則，故網(wǎng)格劃分類型采用Quad形式(四邊形網(wǎng)格)，網(wǎng)格劃分方法采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。本文主要討論沙粒的流場特征以及植株前后沙粒和沙床表面的相互作用，因此，對地面及植株附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，經(jīng)過多次模擬和調(diào)整，確定網(wǎng)格尺寸增長率為1.04，計算域網(wǎng)格總數(shù)為44647個，最小正交質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.99，最大正交歪斜率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.001，網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足計算要求。

1.2.2 參數(shù)設(shè)置 結(jié)合前人［14］模擬參數(shù)設(shè)置，本文將風(fēng)沙流視為不可壓縮流體。模型左側(cè)入口處采用速度邊界條件，右側(cè)采用壓力出口邊界條件，上壁面采用對稱邊界，下壁面及植株模型采用固體無滑移邊界。風(fēng)沙流粒徑一般為0.075～0.25 mm，沙粒粒徑設(shè)置為ds=0.1 mm，沙粒密度ρs=2650 kg·m-3，初始沙粒體積分?jǐn)?shù)為0.02%，沙床初始沙床堆積率α=0.625，黏度μs=0.047 Pas，空氣密度ρ=1.225 kg·m-3，空氣運動黏度μ=1.7894×10-5Pas。入口邊界速度為典型風(fēng)速廓線流如下式所示：

式中：v0為摩阻速度（m·s-1）；y0為粗糙長度（m）；k為馮卡門系數(shù)，取值為0.4；y為高度（m）；v(y)為y處的風(fēng)速值（m·s-1）。

求解模型采用歐拉雙流體模型，附加湍流模型。由于需要考慮流場中速度變化、求解精度問題，故采用非定常瞬態(tài)求解方法來模擬，流場求解采用Phase Coupled SIMPLE 算法，空間離散格式采用二階迎風(fēng)格式，時間步長取0.001 s。

1.2.3 基本方程 本文模擬氣流為不可壓縮流，主要包含的控制方程有連續(xù)方程、動量方程和湍流模型方程，根據(jù)模擬需要，湍流模型選擇適合高雷諾數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

連續(xù)性方程為：

式中：ux、uy分別為兩個方向的速度矢量；ρ為密度（kg·m-3）；t為時間（s）。

動量方程為：

式中：p為流體微元體上的壓強（Pa）；ū為速度矢量；τxx、τxy、τyx、τyy都是因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力τ的分量（Pa）；g為重力加速度（m·s2）。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動能k以及耗散率方程為：

1.3 分析方法

空氣動力學(xué)粗糙度是近地表風(fēng)速為零的高度，是反映地表對風(fēng)阻抗的重要參數(shù)［15］，粗糙度越大，表明地面對風(fēng)的削弱能力越強。其計算公式如下：

式中：Z0為空氣動力學(xué)粗糙度（cm）；V1、V2分別是Z1、Z2兩個高度的風(fēng)速（m·s-1）。

植株防風(fēng)效能計算公式如下：

式中：ηxz為(x，z)處的防風(fēng)效率；x為距植株的水平距離（m）；z為距地面高度（m）；vxz為植株前后(x，z)處的風(fēng)速值（m·s-1）；vz為裸沙地在z高度處的初始風(fēng)速值（m·s-1）。

1.4 風(fēng)洞試驗概述

為驗證模擬結(jié)果的可靠性，本文利用已有風(fēng)洞試驗［13］驗證相關(guān)結(jié)論。該試驗在中國林業(yè)科學(xué)院沙漠林業(yè)實驗中心進(jìn)行，采用直流開口吹氣式風(fēng)洞，寬、高均為2 m，試驗段為30 m。風(fēng)洞通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)速，本文設(shè)計風(fēng)速為6 m·s-1。由于本文主要利用風(fēng)洞試驗測定的各株型灌叢阻沙效益來驗證相關(guān)模擬結(jié)果，因此，以下內(nèi)容主要詳述了有關(guān)風(fēng)洞試驗中測定植株阻沙效益的試驗布置。采用階梯式集沙儀測定灌叢周圍不同高度層的輸沙量。選擇具有代表性的白刺、梭梭、沙拐棗灌叢，在樣方內(nèi)篩選高1 m 左右的同齡單株灌木，并將具有代表性的植株取回試驗地，精確測定其植被特征參數(shù)。將采集到的3類生長季灌叢單株固定在風(fēng)洞試驗區(qū)的中軸線處，在株后1 H處布設(shè)一個1 m高、50層的階梯式積沙儀，每層入口截面為2 cm×2 cm。為確保沙源充足，在試驗段布設(shè)5 cm 厚的沙床，沙樣經(jīng)70 目篩網(wǎng)過濾。每種灌叢單株在6 m·s-1風(fēng)速下進(jìn)行吹蝕試驗，吹蝕時間為2 min。吹蝕結(jié)束后取出各高度層的集沙槽，用精度為千分之一的天平測定各個高度層的積沙量，并計算輸沙率。每類灌叢試驗重復(fù)3 次，并在每次吹蝕試驗結(jié)束后補充沙量并平整沙面。同時設(shè)置空白對照組，即在試驗段不放任何植株的條件下，測得輸沙率作為對照，對比分析各灌叢的阻沙效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)沙兩相流場合理性驗證

為驗證本文風(fēng)沙流場設(shè)置的合理性，將模擬結(jié)果與已有風(fēng)洞試驗結(jié)果［13］進(jìn)行對比。研究表明風(fēng)沙運動中沙粒體積分?jǐn)?shù)與輸沙率的分布狀況一致［16］。因此，本文將風(fēng)洞試驗中6 m·s-1（即摩阻風(fēng)速為0.3752 m·s-1）風(fēng)速下，株后1 H處白刺和裸沙地的輸沙率數(shù)據(jù)作為對照，分析同條件下數(shù)值模擬所得白刺沙粒體積分?jǐn)?shù)隨高度的分布值，結(jié)果如圖2 所示。株后1 H處輸沙率與沙粒體積分?jǐn)?shù)隨高度變化規(guī)律大體一致，均表現(xiàn)為隨高度層的增加逐漸減小，總體呈現(xiàn)對數(shù)減小趨勢，此規(guī)律符合沙粒運移特征和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特點，說明模擬結(jié)果具有較高的可靠性，可以較為準(zhǔn)確地反映植株周圍的流場特征。

圖2 輸沙率和沙粒體積分?jǐn)?shù)隨高度分布Fig.2 Distribution of sand transport rate and sand volume fraction with height

2.2 單株灌木的防風(fēng)效果

2.2.1 植株周圍風(fēng)速流場特征比較 為了對比3種株型植被對流場的影響，選擇2 m 高度處風(fēng)速為6 m·s-1的風(fēng)速廓線進(jìn)行模擬（下文速度均與此相同，不再贅述），圖3展示了3種株型灌叢的風(fēng)速分布特征。由圖3 可知，在相同來流條件下，3 種植株上方均出現(xiàn)了加速區(qū)，迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)遇阻減速區(qū)，同時背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)了紊流減速區(qū)、渦旋加速區(qū)以及恢復(fù)區(qū)。氣流在株前-2 H 處出現(xiàn)擾動，形成遇阻減速區(qū)，其原因為灌叢枝型較為密集，枝條叢生增加受風(fēng)面積，加速了風(fēng)能的損耗。氣流到達(dá)植株前方時，一部分氣流匯聚抬升并在植株上方形成加速區(qū)；另一部分氣流穿過植株，經(jīng)過渦旋作用，在植株背風(fēng)側(cè)風(fēng)速急劇下降，從而形成了紊流減速區(qū)，該區(qū)是植株的主要防護(hù)區(qū)，其大小直接影響植株的防護(hù)效果。株后，隨著株距的增加，風(fēng)速逐漸恢復(fù)至正常水平，從而植株失去防護(hù)能力。值得注意的是，植株周圍出現(xiàn)了明顯的渦旋加速區(qū)，3 類植株渦旋加速區(qū)的范圍大小表現(xiàn)為沙拐棗＞梭梭＞白刺，而3者對應(yīng)枝下高度依次為0.12 m、0.08 m、0.03 m，表明渦旋加速區(qū)呈現(xiàn)隨枝下高度增加而明顯增大的趨勢，與已有研究結(jié)論相似［13］。

圖3 灌木周圍風(fēng)速云圖Fig.3 Cloud chart of wind speed around shrubs

2.2.2 株后渦流分析 已有研究表明，植株防沙的氣動性原理主要是局部風(fēng)速的降低和氣流的循環(huán)泡（即渦旋流）［17］。圖4展示了不同株型灌叢周圍的風(fēng)速矢量。從圖中可以看出背風(fēng)側(cè)主要存在3個渦流，其中渦流I、II是主要防護(hù)區(qū)域，且受灌叢株型影響，兩渦流的位置不同。白刺、梭梭及沙拐棗的渦流Ⅰ分別位于株后0.5～3.5 H、0.5～5 H、0.5～5.5 H處，渦流II 的位置依次為4～5 H、6～7 H、6.5～7.5 H。分析3 個渦流的形成原因如下：由于氣流穿過植株時受到枝葉擠壓，越過植株后過流斷面突然增大，從而形成向上、向下運動的分流，向下運動的部分氣流在距離植株不遠(yuǎn)處抬升，又返回植株方向，從而形成渦流I，并成為植被積沙的主要區(qū)域；渦流II形態(tài)雖較小，但強度較弱，也會導(dǎo)致大量沙粒在此沉積，其形成與渦流I 的下沉氣流與渦旋加速區(qū)的氣流相碰撞有關(guān)，氣流擠壓后形成渦流II；受渦流I、II 末端影響，氣流再次被擠壓形成渦流Ⅲ。植株阻沙能力與渦流的強度及尺度有直接關(guān)系，渦流范圍越大、強度越弱，沙粒越易沉積，從而植株的阻沙效益越好。3 類植株渦流I 范圍大小依次為梭梭＞沙拐棗＞白刺，強度依次為沙拐棗>梭梭>白刺。梭梭與沙拐棗受渦旋加速區(qū)的影響，渦流I雖范圍大，但強度也較大。因此，在積沙初始階段，流經(jīng)梭梭、沙拐棗的挾沙氣流主要在株后6～7 H 處積沙，而白刺主要沉積在株后3 H附近。

圖4 灌木周圍風(fēng)速矢量圖Fig.4 Vector diagram of wind speed around shrubs

2.2.3 植株后方風(fēng)速廓線對比分析 為進(jìn)一步探究3 類株型灌叢在垂直方向上的防護(hù)效果，在6 m·s-1風(fēng)速條件下，提取3類株型株后1 H處垂直截面，繪制風(fēng)速廓線圖，并以裸沙地為對照。根據(jù)圖5可知，3類株型的風(fēng)速輪廓線存在明顯差異。首先表現(xiàn)在近地表起始風(fēng)速不同，白刺的起始風(fēng)速最小，為1.57 m·s-1，梭梭與沙拐棗的起始風(fēng)速均大于裸沙地，表明在株后1 H處的近地表區(qū)域，白刺具有抗風(fēng)蝕作用，而梭梭、沙拐棗反而會促進(jìn)植株周圍發(fā)生風(fēng)蝕，此現(xiàn)象值得在生態(tài)恢復(fù)工程中進(jìn)一步研究。此外，3類株型的防護(hù)高度也存在明顯差異，白刺、梭梭、沙拐棗的防護(hù)高度依次為1.1 m、1.5 m、1.65 m，沙拐棗的防護(hù)高度最高，與其植株高度相呼應(yīng)。

圖5 單株灌木后1 H處風(fēng)速廓線圖Fig.5 Wind speed profile of a single shrub 1 H later

進(jìn)一步分析3類株型灌叢與裸沙地的風(fēng)速廓線還可以發(fā)現(xiàn)，裸沙地風(fēng)速輪廓線基本呈現(xiàn)對數(shù)形式增長，而灌叢株后風(fēng)速輪廓線并沒有形成規(guī)律的對數(shù)函數(shù)曲線，而是隨高度增加呈現(xiàn)豎向“W”變化的趨勢，氣流垂向分布可依據(jù)其變化趨勢劃為低空減速區(qū)、渦旋區(qū)、高空加速區(qū)。受植株的阻擋作用，白刺風(fēng)速廓線在0.05～0.3 m 高度范圍內(nèi)逐漸減小，并在0.3 m 高度處達(dá)到風(fēng)速極小值，風(fēng)速由1.57 m·s-1降低至0.18 m·s-1，風(fēng)速降幅為88.53%，該區(qū)域即為低空減速區(qū)；隨后氣流在0.3～0.8 m高度層內(nèi)進(jìn)入渦旋區(qū)，風(fēng)速隨高度增加呈現(xiàn)先小幅度增大后減小的趨勢；在0.8 m高度處以后，風(fēng)速以較大的加速度呈現(xiàn)快速增長的趨勢，植株也逐漸失去防護(hù)能力，此區(qū)即為高空加速區(qū)。與白刺不同，梭梭的低空減速區(qū)出現(xiàn)在0.1～0.4 m 高度層內(nèi)，風(fēng)速從3.81 m·s-1降低至0.18 m·s-1，風(fēng)速降幅為95.27%，并在0.4 m高度出現(xiàn)風(fēng)速極小值；隨后出現(xiàn)渦旋區(qū)，風(fēng)速在0.4～0.8 m 出現(xiàn)小范圍波動，并在0.8 m 處風(fēng)速達(dá)到次小值；氣流在0.8 m 以上呈現(xiàn)隨高度增加而增大，即高空加速區(qū)。沙拐棗具有相似的變化規(guī)律，其低空減速區(qū)為0.05～0.4 m，風(fēng)速降幅為64%，0.4～0.8 m為渦旋區(qū)，風(fēng)速出現(xiàn)先增長后降低的特征，并在0.8 m高度出現(xiàn)風(fēng)速極小值，隨后進(jìn)入高空加速區(qū)?？傮w而言，不同株型的風(fēng)速輪廓線存在差異，風(fēng)速極小值出現(xiàn)高度不同，各植株最優(yōu)防護(hù)高度也存在明顯區(qū)別，白刺、梭梭、沙拐棗的最優(yōu)防護(hù)高度依次為0.2～0.4 m、0.3～0.6 m、0.8～1 m。值得注意的是，0.8 m 以上高度，各植株均呈現(xiàn)風(fēng)速隨高度增加而增大的趨勢，表明0.8 m處是風(fēng)速發(fā)展的重要分界點，此現(xiàn)象值得進(jìn)一步探究。

2.2.4 株后空氣動力學(xué)粗糙度分析 由公式（7）可知，觀測高度和風(fēng)速的選擇是計算空氣動力學(xué)粗糙度的關(guān)鍵。根據(jù)前文分析可知，0.5～2 m間風(fēng)速輪廓線的變化可以代表整個灌叢層的風(fēng)速特征，故選擇3類株型植被背風(fēng)側(cè)和裸沙地0.5 m和2 m兩個高度的風(fēng)速值，并計算得出3 類株型株后不同株距處的空氣動力學(xué)粗糙度，計算結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6可知，隨株距增大，3 類株型株后的粗糙度逐漸減小，并在15 H 處與裸沙地粗糙度基本持平。3 類株型在株后1 H 處的粗糙度最大，白刺、梭梭、沙拐棗的粗糙度依次是裸沙地的26倍、20倍、13倍。白刺的空氣動力學(xué)粗糙度明顯高于其他兩種株型，沙拐棗的粗糙度最小，表明白刺削弱近地表風(fēng)力的能力更強，具有更好的防風(fēng)作用。

圖6 灌叢株后空氣動力學(xué)粗糙度Fig.6 Aerodynamic roughness of shrub plants

2.2.5 植株防風(fēng)效能分析 分別提取6 m·s-1風(fēng)速條件下各高度層不同株距下的風(fēng)速值，通過公式（8）計算單株灌木的防風(fēng)效能。分析圖7，株前水平防風(fēng)效益隨株距減小而增大，尤其在-2～0 H 范圍內(nèi)，防風(fēng)效益劇增；垂向防風(fēng)效益隨高度增加而減小，但不存在負(fù)值，表明各灌叢在其高度范圍內(nèi)對風(fēng)速均具有明顯的削弱作用。株后根據(jù)各高度層防風(fēng)效益的變化趨勢，可將其分為近地表區(qū)（0.1 m、0.2 m、0.3 m）和中高空區(qū)（0.5 m、0.7 m、0.9 m）。在近地表區(qū)，株后水平防風(fēng)效率隨株距增加呈現(xiàn)波浪式變化；垂向防風(fēng)效益在株后5 H范圍內(nèi)，呈現(xiàn)隨高度增加而增大的趨勢。在中高空區(qū)的垂向防風(fēng)效益上，白刺、梭梭防風(fēng)效益隨高度增加呈現(xiàn)波動式降低，而沙拐棗呈現(xiàn)波動式增大；在水平方向上整體呈現(xiàn)隨株距增加而降低的趨勢，白刺、梭梭、沙拐棗的防風(fēng)效益分別在12 H、11 H、13 H處基本下降至50%，且在該區(qū)內(nèi)，株后1 H 處防風(fēng)效果最好。以沙拐棗為例，3 個高度層最大防風(fēng)效益依次為89.8%、98.1%、94.4%，均出現(xiàn)在株后1 H處。

圖7 灌木植株防風(fēng)效益Fig.7 Protection benefit of shrub plants

進(jìn)一步分析圖7 可知，除梭梭、沙拐棗在0.1 m高度層防風(fēng)效益出現(xiàn)負(fù)值外，各株型在低于其高度內(nèi)均產(chǎn)生了有效的防護(hù)，但各灌叢的最優(yōu)防護(hù)區(qū)域存在明顯差異。白刺最優(yōu)防護(hù)區(qū)域出現(xiàn)在0.3 m高度層、株后5 H范圍內(nèi)，此區(qū)域內(nèi)植株防風(fēng)效益均大于90%；梭梭最優(yōu)防護(hù)區(qū)域出現(xiàn)在0.5 m 高度層、株后4 H 范圍內(nèi)，而沙拐棗則出現(xiàn)在0.9 m 高度層、株后2～5 H 范圍內(nèi)?？傮w而言，各株型在-2～10 H 范圍內(nèi)均可有效降低風(fēng)速，但3 類株型灌叢的區(qū)域防風(fēng)效益顯著不同，白刺在近地表區(qū)具有較好的防風(fēng)效果，而梭梭、沙拐棗在植株中高區(qū)域具有較好的防風(fēng)效益。

2.3 單株灌木周圍沙粒運動特征分析

2.3.1 植株前后輸沙特征分析 當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起沙風(fēng)速時，地表沙粒就會在風(fēng)力作用下開始以蠕移、躍移、懸移的形式運動，進(jìn)而形成風(fēng)沙流。灌叢能夠攔蓄風(fēng)沙流中的沙粒，使其沉積在植株周圍，從而形成相應(yīng)的灌叢沙丘，但不同株型灌叢的阻沙能力不同。為了探究3 種典型株型荒漠灌叢的阻沙作用，圖8給出了3類株型植株在6 m·s-1風(fēng)速條件下，T=4 s、T=10 s的積沙云圖。白刺前期迎風(fēng)坡積沙量較少，沙粒主要沉積在背風(fēng)坡，但與植株保持一定距離；隨時間增加，背風(fēng)坡積沙點逐漸向植株方向靠近，T=10 s 時，株后積沙點已從0.5 H 處蔓延至植株底部，且背風(fēng)坡積沙長度由3 H 變化至5 H，株前積沙長度由0.5 H增加至3.5 H，此時株前、株后總積沙長度為8.5 H。梭梭迎風(fēng)坡整體積沙量較少且主要集中在植株附近，背風(fēng)坡積沙量較多，積沙距離同樣表現(xiàn)出隨時間增加逐漸靠近植株的趨勢，T=10 s 時，株后積沙點已從2 H 處到達(dá)1 H 處，株后積沙長度大致從4 H 變化至5 H，最大積沙高度從3 cm增長至6 cm，10 s時總積沙長度為6 H。沙拐棗迎風(fēng)坡積沙最少，背風(fēng)坡在4 s 時存在較大的積沙距離，表現(xiàn)為在距植株2.5 H 處積沙，隨時間增加至10 s，株后積沙點到達(dá)1 H 處，總積沙長度增加量為1.5 H，積沙高度增加量為5 cm，10 s 時總積沙長度為4.5 H，相比其他株型，沙拐棗的阻沙效益相對較差。

圖8 灌叢周圍積沙云圖Fig.8 Sand accumulation cloud atlas around shrubs

2.3.2 植株前后地表蝕積特征分析 在6 m·s-1的風(fēng)速條件下，氣流與沙床相互作用，撞擊和擠壓使得沙床上的沙粒以多種形式運動，從而導(dǎo)致沙床上的沙粒發(fā)生重排列，進(jìn)而使沙床堆積率發(fā)生變化。在實際工作中，沙床堆積率不易精準(zhǔn)檢測，但數(shù)值模擬可以解決這一難點。為了探究不同形態(tài)灌叢植株前后的地表蝕積狀況，本文初始條件設(shè)置了厚度0.05 m 且均勻的沙床，單一粒徑初始堆積率為0.625，通過提取T=10 s 時刻的沿程沙床堆積率，反映不同株型對區(qū)域蝕積狀況的影響。根據(jù)植株周圍風(fēng)沙運移規(guī)律以及前人相關(guān)研究［18］，文中提出假設(shè)：若0.05 m 以下高度層沙粒體積分?jǐn)?shù)低于0.625，且同時滿足0.05 m以上高度層沙粒體積分?jǐn)?shù)在0.02附近，則表明該區(qū)域發(fā)生風(fēng)蝕；若0.05 m 以上高度層體積分?jǐn)?shù)均大于0.02，且此刻0.05 cm以下高度層的沙粒體積分?jǐn)?shù)在0.625 附近，則說明該區(qū)域出現(xiàn)風(fēng)積現(xiàn)象。

從圖9a 可以明顯看出，風(fēng)沙流在距入口3 m 左右處受到白刺影響，0.05 m 及以下高度層沙粒體積分?jǐn)?shù)始終保持在0.625 左右，0.05 cm 以上高度層沙粒堆積率隨株距縮短而增加，表明株前發(fā)生了風(fēng)積作用。在白刺周圍，0.05 cm以上高度層沙床堆積率發(fā)生輕微擾動，但其堆積率始終高于0.5，表明植株附近發(fā)生了風(fēng)積作用。隨后氣流逐漸恢復(fù)，但受渦流區(qū)II、Ⅲ的影響形成弱風(fēng)蝕區(qū)、風(fēng)積區(qū)。梭梭和沙拐棗在株前一定范圍內(nèi)也存在不同程度的風(fēng)積作用，但與白刺不同的是，兩者在植株下方或株后一定范圍內(nèi)，高空沙粒堆積率雖增加，但梭梭在株下0.04 m 高度層、沙拐棗在株下0.04 m、0.05 m 高度層，沙粒體積分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)低于0.02 的狀況，表明該區(qū)域發(fā)生風(fēng)蝕作用，風(fēng)蝕區(qū)域范圍分別距入口5～5.5 m、4.5～6 m；氣流穿越植株后，兩者分別在株后距入口約6～10 m、6～9 m發(fā)生風(fēng)積作用。總體而言，3類株型灌叢對地表蝕積微地貌的影響存在顯著差異，株前、株后方均存在一定程度的風(fēng)積狀況，但除白刺外，其他兩種植株周圍出現(xiàn)不同程度的風(fēng)蝕現(xiàn)象。

圖9 灌木周圍蝕積狀況Fig.9 Erosion around shrubs

3 討論

3.1 不同株型灌叢防風(fēng)能力差異的原因

沙生灌叢的形態(tài)差異是不同灌叢對空間、光、水等資源的適應(yīng)策略，灌叢在適應(yīng)不同生存環(huán)境時的反應(yīng)特征主要體現(xiàn)在其外部形態(tài)上［19］。生存環(huán)境影響植株形態(tài)的發(fā)育進(jìn)程，而植株形態(tài)也會影響其自身的防風(fēng)阻沙效益［20］。本文通過模擬發(fā)現(xiàn)，單株灌叢周圍的流場可以劃分為5 個區(qū)域：遇阻減速區(qū)、上方加速區(qū)、紊流減速區(qū)、渦旋加速區(qū)、恢復(fù)區(qū)。其中，渦旋加速區(qū)的形成與植株枝下高度相關(guān)。較大的枝下高度會使風(fēng)沙流穿過時，附近流場產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”［21］。各株型灌叢的枝下高度不同，導(dǎo)致渦旋加速區(qū)范圍存在明顯差異，并呈現(xiàn)隨枝下高度增加而增大的趨勢。各株型背風(fēng)側(cè)均存在3個渦流，渦流強度影響沙粒的沉積位置。由于壇形灌叢的枝葉密集，迎風(fēng)面透風(fēng)系數(shù)較小，導(dǎo)致渦流Ⅰ強度較小，即在風(fēng)影區(qū)風(fēng)速降幅較大，并在風(fēng)影區(qū)形成風(fēng)影堆積。因此，在積沙初始階段，白刺主要在株后3 H 處積沙。梭形、帚形植株底部枝葉分布稀疏，疏透度較大，氣流經(jīng)過植株孔隙時受到擠壓而加速，形成強度較大的渦流Ⅰ。相比渦流Ⅰ，渦流Ⅱ的強度較小，從而導(dǎo)致梭形、帚形植株最初在株后6～7 H處積沙。

3 類灌叢株后1 H 處的風(fēng)速廓線圖呈現(xiàn)豎向“W”變化趨勢，氣流垂向分布可劃分為低空減速區(qū)、渦旋區(qū)、高空加速區(qū)，其分布規(guī)律與植株形態(tài)相關(guān)。受枝下高度的影響，起始風(fēng)速較大，后受植株、沙粒蠕移、躍移等因素影響，風(fēng)速隨高度增加而減小，從而出現(xiàn)低空減速區(qū)；渦旋區(qū)的出現(xiàn)與植株本身的復(fù)雜枝系結(jié)構(gòu)相關(guān)，使氣流穿過復(fù)雜孔隙時出現(xiàn)小尺度湍流；高空加速區(qū)則是受植株阻擋影響，風(fēng)速隨高度增加而增大。3 類株型灌叢株后1 H 處的風(fēng)速極小值依次出現(xiàn)在0.3 m、0.4 m、0.8 m 高度處，最優(yōu)防護(hù)高度依次為0.2～0.4 m、0.3～0.6 m、0.8～1 m，不同株型的防護(hù)范圍及最優(yōu)防護(hù)高度均存在顯著差異。研究表明，防風(fēng)效應(yīng)取決于迎風(fēng)面?zhèn)扔懊娣e的大小，植株形態(tài)決定其側(cè)影面積大小及分布，從而影響其防護(hù)范圍及最優(yōu)防護(hù)高度［22-23］。白刺形態(tài)低矮，呈現(xiàn)上窄下寬的壇形，近地表區(qū)域枝系繁茂，最大側(cè)影面積出現(xiàn)在0.1～0.3 m 高度層，因此白刺可以有效降低近地表區(qū)風(fēng)速，其最優(yōu)防護(hù)高度為0.2～0.4 m。梭梭整體形態(tài)呈現(xiàn)中間寬兩頭窄的梭形，具有一定的枝下高度，植株底部形成渦旋加速區(qū)，從而容易導(dǎo)致局部風(fēng)速變大，但由于其迎風(fēng)面?zhèn)扔懊娣e較大，且最大側(cè)影面積出現(xiàn)在0.3～0.6 m 高度層，因此，其具有較好的防風(fēng)效果，最優(yōu)防風(fēng)高度出現(xiàn)在植株中間高度處。沙拐棗呈現(xiàn)上寬下窄的帚形，具有較大的枝下高度，導(dǎo)致其在近地表的防風(fēng)能力較弱，且容易引起植株根部周圍的侵蝕，但由于它形態(tài)高大，最大側(cè)影面積出現(xiàn)在0.6～1 m高度，導(dǎo)致其在0.6 m以上高度層具有較好的防風(fēng)效果，并在0.8～1 m表現(xiàn)出最優(yōu)防護(hù)高度。

總體而言，各株型灌叢的防風(fēng)能力存在顯著差異。壇形植株具有較為緊密的枝葉結(jié)構(gòu)，且其底部側(cè)影面積較大，可以有效降低近地表風(fēng)速；梭形、帚形植株雖然底部枝葉相對稀疏，容易形成“狹管效應(yīng)”，但兩者形態(tài)高大，冠層中高部分透風(fēng)系數(shù)小，因此，其在中高區(qū)域具有較好的防風(fēng)效益。

3.2 不同株型灌叢阻沙能力差異的原因

3類株型灌叢的阻沙能力呈現(xiàn)白刺＞梭梭＞沙拐棗，總積沙長度依次為8.5 H、6 H、4.5 H。與防風(fēng)效益相似，株型也會影響植株的阻沙能力。已有研究表明，半球形冠形植株比錐體冠形及梭形冠形植株的截沙能力更強［24］。本文通過研究發(fā)現(xiàn)白刺的積沙范圍最大，梭梭次之，沙拐棗最小，且梭梭、沙拐棗在植株周圍存在明顯風(fēng)蝕區(qū)，因此，相較于梭梭、沙拐棗，白刺具有更好的防風(fēng)阻沙能力，此結(jié)論與已有試驗結(jié)果相似［25-26］。其原因為風(fēng)沙活動主要發(fā)生在近地表0～0.3 m 處，而白刺呈現(xiàn)下寬上窄的壇形，貼近地面生長，當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)白刺時，底部枝系結(jié)構(gòu)緊密，對沙粒有明顯的阻擋作用，導(dǎo)致越過和透過植株的沙粒減少，起到良好的阻沙作用，與其容易形成沙堆的特點一致［27］。沉積在3類灌叢周圍的積沙量始終表現(xiàn)出背風(fēng)側(cè)高于迎風(fēng)側(cè)，產(chǎn)生上述積沙遷移規(guī)律的主要原因為：植株前后對風(fēng)沙流的削減能力存在差異，風(fēng)沙流流至植株時，迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速雖有所降低，但大部分氣流受擠壓抬升，此時部分動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，加之風(fēng)沙流流經(jīng)植株內(nèi)部孔隙時與植株相撞，損失的動能較大，氣流挾沙能力進(jìn)一步降低，因此，更多沙粒堆積在背風(fēng)坡，甚至形成小沙堆。

就灌叢對地表蝕積微地貌影響的研究中，本研究發(fā)現(xiàn)3 類株型灌叢株前、株后方均存在一定程度的風(fēng)積狀況，但梭梭、沙拐棗分別在距入口5～5.5 m、4.5～6 m處存在不同程度的風(fēng)蝕現(xiàn)象，這與兩者存在較大的枝下高度有關(guān)。白刺株前部分風(fēng)沙流從植株周圍加速通過，帶走部分沙粒，但由于白刺近地表區(qū)冠層側(cè)影面積大，導(dǎo)致植株下方沙粒沉積量遠(yuǎn)大于吹蝕量，因此，其株下并未發(fā)生風(fēng)蝕而是出現(xiàn)沙粒沉積。而流經(jīng)梭梭、沙拐棗的風(fēng)沙流受“狹管效應(yīng)”的影響，在植株下方加速通過并帶走大部分沙粒，說明兩類灌叢根部及周圍存在一定的風(fēng)蝕現(xiàn)象。

在土壤風(fēng)蝕防治研究中，研究單一灌木或灌叢防護(hù)效益的同時，還要考慮灌木林帶的群體防護(hù)效應(yīng)和機制［28-29］。合理配置灌叢可以使水分條件限制下的有限植被達(dá)到良好的防治風(fēng)蝕效果。利用數(shù)值模擬研究單一植株周圍流場的目的之一是設(shè)計更有效的稀疏灌叢防護(hù)林，如Guo 等［30］通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)行距在2.5～3 H 的沙蒿防護(hù)林防護(hù)效益最好，而柳樹防風(fēng)林的最優(yōu)間距為1～1.5 H。本研究發(fā)現(xiàn)白刺、梭梭、沙拐棗的最優(yōu)防護(hù)高度依次為0.2～0.4 m、0.3～0.6 m、0.8～1 m，而3者的阻沙能力依次為白刺＞梭梭＞沙拐棗。綜上所述，在實際風(fēng)蝕防治工程中，可采用白刺與梭梭、沙拐棗相結(jié)合的配置方式，既能發(fā)揮白刺的阻沙作用，又能利用梭梭、沙拐棗在中高空區(qū)較大的防風(fēng)效應(yīng)。

4 結(jié)論

本文利用歐拉雙流體非定常模型，對3 種典型株型荒漠灌叢周圍的風(fēng)沙流場進(jìn)行了研究，并通過已有風(fēng)洞試驗驗證了流場合理性，得出以下結(jié)論：

（1）單株灌叢周圍的流場可分為5 個區(qū)域，其中，渦旋加速區(qū)呈現(xiàn)隨枝下高度增加而增大的趨勢。株后均出現(xiàn)3 個渦流，但同一渦流的強度存在差異，導(dǎo)致在積沙初始階段，梭形、帚形植株主要在株后6～7 H處積沙，而壇形主要在株后3 H處積沙。

（2）3 類株型株后1 H 處的風(fēng)速輪廓線呈現(xiàn)豎向“W”變化趨勢。受植株最大側(cè)影面積高度層的影響，壇形、梭形、帚形的風(fēng)速極小值依次出現(xiàn)在0.3 m、0.4 m、0.8 m 高度處，最優(yōu)防護(hù)高度依次為0.2～0.4 m、0.3～0.6 m、0.8～1 m。3 類株型株后的空氣動力學(xué)粗糙度逐漸減小，且壇形植株的粗糙度明顯高于其他兩種株型。

（3）3 類株型在-2～10 H 范圍內(nèi)均可有效降低風(fēng)速，株后近地表區(qū)防風(fēng)效益表現(xiàn)為壇形＞梭形＞帚形；中高空區(qū)防風(fēng)效益均隨株距增加而減小。3類株型最優(yōu)防護(hù)范圍存在明顯差異，壇形植株最優(yōu)防護(hù)區(qū)域出現(xiàn)在0.1～0.3 m 高度、株后5 H 范圍內(nèi)；梭形最優(yōu)防護(hù)區(qū)域在0.3～0.6 m高度、株后4 H范圍內(nèi)；而在0.6～1 m、株后2～5 H 范圍內(nèi)帚形防風(fēng)效益均高于90%。

（4）在T=10 s時，灌叢株前、株后方均存在一定程度的風(fēng)積狀況，白刺、梭梭、沙拐棗周圍總積沙長度分別為8.5 H、6 H、4.5 H。受“狹管效應(yīng)”的影響，梭梭、沙拐棗分別在距入口5～5.5 m、4.5～6 m處存在不同程度的風(fēng)蝕現(xiàn)象。相比而言，白刺的阻沙效果較好，但在實際防風(fēng)固沙工程建設(shè)中應(yīng)使其與梭梭、沙拐棗結(jié)合，既能發(fā)揮白刺的阻沙作用，又能利用梭梭、沙拐棗在中高區(qū)較大的防風(fēng)效果。