交错和矩形布置对树状植被地表剪应力和输沙率的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00074

摘要/Abstract

摘要：

植被布置方式是影响风对地表剪切作用的重要因素，进而影响植被的防沙效应。在风洞内测量了刚性树状植株模型在交错布置和矩形布置条件下的地表剪应力分布、总剪应力和输沙率，并分析了它们在两种布置方式下的差异。结果表明，在3种植株密度（18、32、50株·m^-2）下，交错布置时植株周围平均地表剪应力比矩形布置时分别减小8.5%~11.9%、13.8%~16.5%、15.3%~17.2%。交错布置时剪应力分解模型参数β值（平均值220）大于矩形布置（平均值180），而两种布置的m值非常接近。在相同来流风速和植株密度下，交错布置时植被地表输沙率均小于矩形布置情况，平均减小值为24%，而输沙率随平均地表摩阻风速的变化规律不受植被排列方式的影响。本文结果有助于从地表剪应力角度理解布置方式在植被防风蚀研究中的作用。

关键词: 地表剪应力, 输沙率, 布置方式, 树状植株模型, 风洞实验

Abstract:

Vegetation arrangement is an important factor affecting the wind shear action on the surface， and then affects the sand-proof effect. In this paper， the surface shear stress distribution， total shear stress and sand transport rate of rigid tree models in staggered and square arrangements are measured in wind tunnel， and the differences between the two arrangements are analyzed. The results show that under three plant densities （18， 32， 50 plants·m^-2）， the average surface shear stress in staggered arrangement is 8.5%-11.9%， 13.8%-16.5%， 15.3%-17.2% lower than that in square arrangement， respectively. In the shear-stress partitioning model， the parameter β of staggered arrangement （mean=220） is larger than that of square arrangement （mean=180）， while the parameter m of the two arrangements is very close. Under the same incoming wind speed and plant density， the sand transport rate in staggered arrangement is lower than that in square arrangement with an average reduction of 24%. However， the variation of sand transport rate with the average surface friction velocity is not affected by arrangement. The results of this paper are helpful to understand the role of vegetation arrangement in wind erosion control from the perspective of surface shear stress.

Key words: surface shear stress, sand transport rate, arrangement mode, tree model, wind tunnel tests

中图分类号:

X169

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图/表 16

图1 风洞内风速廓线

Fig.1 Wind speed profiles in wind tunnel

图2 刚性塑料植株模型（h0=9 cm， σ=0.01）

Fig.2 Rigid plastic plant model （h0=9 cm， σ=0.01）

图3 交错布置（A）和矩形布置（B）时植株位置示意图（32株·m-2）

Fig.3 Sketch of plant positions in staggered （A） and square （B） arrangements （32 plants per square meter）

表1 不同植株密度和排列方式下植株的行距和株距

Table 1 The row spacing and plant spacing under different plant densities and arrangements

排列方式	植株密度/（株·m^-2）	行距/m	株距/m
交错	18	0.167	0.333
	32	0.125	0.250
	50	0.100	0.200
矩形	18	0.236	0.236
	32	0.177	0.177
	50	0.141	0.141

图4 地表剪应力（A）和总剪应力（B）测量系统

Fig.4 Measurement system of surface shear stress （A） and total shear stress （B）

图5 交错布置（A）和矩形布置（B）时地表剪应力测点分布（气流方向从左到右）

Fig.5 Measurement points of surface shear stress in staggered （A） and square （B） arrangements （air flows from left to right）

图6 不同植株密度下交错布置（A、C、E）与矩形布置（B、D、F）时地表剪应力分布的比较（黑色圆点为植株位置，uf0为来流风速，τs为地表剪应力）

Fig.6 Comparison of surface shear stress distribution between staggered （A， C， E） and square （B， D， F） arrangements in different plant densities （the black dot is the position of plant model， uf0 is the incoming wind speed， τs is the surface shear stress）

图7 交错布置和矩形布置时平均地表剪应力（τs'）随来流风速的变化

Fig.7 Variation of average surface shear stress （τs'） with incoming wind speed in staggered and square arrangements

表2 交错布置时平均地表剪应力、粗糙元分担的剪应力和总剪应力与矩形布置的比值

Table 2 Ratios of average surface shear stress， shear stress acting on roughness elements and total shear stress in staggered array to that in square array

植株密度 /(株·m^-2)	u_f0 /(m·s^-1)	$τ s, 交错' τ s, 矩形'$	$τ R, 交错 τ R, 矩形$	$τ 交错 τ 矩形$
18	8.0	0.915	1.035	1.017
	9.3	0.899	1.038	1.017
	10.8	0.902	1.037	1.018
	12.2	0.903	1.037	1.018
	13.6	0.881	1.040	1.017
32	8.0	0.862	1.071	1.050
	9.3	0.844	1.064	1.042
	10.8	0.836	1.055	1.035
	12.2	0.839	1.049	1.029
	13.6	0.835	1.043	1.024
50	8.0	0.828	1.101	1.081
	9.3	0.833	1.102	1.083
	10.8	0.846	1.103	1.086
	12.2	0.835	1.105	1.088
	13.6	0.847	1.105	1.089

表2 交错布置时平均地表剪应力、粗糙元分担的剪应力和总剪应力与矩形布置的比值

Table 2 Ratios of average surface shear stress， shear stress acting on roughness elements and total shear stress in staggered array to that in square array

植株密度 /(株·m^-2)	u_f0 /(m·s^-1)	$τ s, 交错' τ s, 矩形'$	$τ R, 交错 τ R, 矩形$	$τ 交错 τ 矩形$
18	8.0	0.915	1.035	1.017
	9.3	0.899	1.038	1.017
	10.8	0.902	1.037	1.018
	12.2	0.903	1.037	1.018
	13.6	0.881	1.040	1.017
32	8.0	0.862	1.071	1.050
	9.3	0.844	1.064	1.042
	10.8	0.836	1.055	1.035
	12.2	0.839	1.049	1.029
	13.6	0.835	1.043	1.024
50	8.0	0.828	1.101	1.081
	9.3	0.833	1.102	1.083
	10.8	0.846	1.103	1.086
	12.2	0.835	1.105	1.088
	13.6	0.847	1.105	1.089

图8 交错布置和矩形布置时最大地表剪应力（τs″）随来流风速的变化

Fig.8 Variation of maximum surface shear stress （τs″） with incoming wind speed in staggered and square arrangements

图9 交错布置和矩形布置时剪应力分解的比较

Fig.9 Comparison of shear stress partitioning between staggered and square arrays

图10 交错布置和矩形布置时拟合参数β和m随来流风速的变化

Fig.10 Variation of fitting parameters β and m with the incoming wind speed in staggered and square arrays

图11 本文剪应力分解数据与已有研究的比较

Fig.11 Comparison of the present data of shear stress partitioning with previous studies

图12 交错布置和矩形布置时植被地表输沙率随来流风速的变化（图中拟合曲线为式（3））

Fig.12 Variation of sand transport rate on vegetated surface with the incoming wind speed in staggered and square arrays （the fitting curve is Eq.（3））

图13 交错布置和矩形布置时f （λ）随侧影盖度的变化

Fig.13 Variation of f （λ） with lateral cover in staggered and square arrays

图14 交错布置和矩形布置时树状植被地表输沙率随平均地表摩阻风速的变化（图中拟合曲线为式（4））

Fig.14 Variation of sand transport rate on vegetated surface with the average surface friction velocity in staggered and square arrays （the fitting curve is Eq.（4））

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