固沙植物梭梭（ Haloxylon ammodendron ）对风沙流场影响的数值模拟

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00247

摘要/Abstract

摘要：

植物固沙是干旱、半干旱地区防治风沙灾害的重要措施，梭梭（Haloxylon ammodendron）作为干旱区典型的抗旱、耐盐碱、抗风蚀的荒漠植物，防风固沙效果显著，在黑河中游荒漠-绿洲过渡带被广泛栽植。本文通过Fluent计算平台对梭梭植物附近的风沙流场进行三维数值模拟，分析梭梭周围风速特征和积沙特征，并利用野外试验数据进行验证。结果表明：（1）不同风速条件下，梭梭周围风沙流场均可形成4个分区，但各区流场结构尺度和扰动强度均存在显著差异。入口风速为6 m·s^-1时，梭梭背风面存在3个涡流区，静风区范围可延伸至3H（H为株高），气流动能恢复较慢；而在12 m·s^-1时，背风面仅有较弱的2个涡流区，静风区范围缩减至1.2H，动能恢复更快。（2）梭梭防风效果与其冠幅呈正相关关系，冠幅越宽，防风效果越好。梭梭不同位置处的防风效率总体表现为背风面>迎风面>侧风面，背风面风速降低50%~90%；迎风面风速降低30%~60%；而侧面风速降幅仅为10%~30%。（3）不同风速条件下，梭梭的阻沙能力显著不同。当入口风速为6m·s^-1时，沙粒沉积在-0.75H~1H；而当风速增至12 m·s^-1时，沙粒沉积在0~1H。（4）增加植株排数与优化行间距可提升梭梭植物的阻沙能力，其中梭梭行间距为5 m时整体阻沙效果最优。该研究结果可为黑河中游荒漠-绿洲过渡带土壤风蚀防治提供参考。

关键词: 梭梭（Haloxylon ammodendron）, 防风固沙, 数值模拟, 风沙流场, 沙粒体积分数

Abstract:

Plant sand fixation is one of the important measures to prevent and control sandstorms in arid and semi-arid areas. As a typical drought-resistant， saline-alkalinity-resistant and wind-erosion-resistant desert plant in arid zones， Haloxylon modendron， with its remarkable effect of wind and sand fixation， has been widely planted in the middle reaches of the Heihe River in the transition zone of deserts-oasis. In this paper， we numerically simulate the wind and sand flow field near H. modendron by Fluent computing platform， analyze the wind speed characteristics and sand accumulation characteristics around H. modendron， and use the field test data for verification. The results show that：（1）Under the conditions of different wind speeds， the wind-sand flow field around H. modendron can form four partitions， but there are significant differences in the structural scale and disturbance intensity of the flow field in each area. When the inlet wind speed was 6 m·s^-1， there were three vortex zones on the leeward side of H. modendron， and the range of the static wind zone could be extended to 3H （H is the height of the plant）， and the kinetic energy of the airflow recovered slowly； while at 12 m·s^-1， there were only two weak vortex zones on the leeward side， and the range of the static wind zone was narrowed down to 1.2H， and the kinetic energy recovered more quickly. （2）The windproof effect of H. modendron is positively correlated with its crown width， the wider the crown width， the better the windproof effect. The overall performance of windproof efficiency at different locations of H. modendron is that the leeward face>windward face>side wind face， and the reduction of wind speed on the leeward face can reach 50%-90%； the reduction of wind speed on the windward face is 30%-60%； and the reduction of wind speed on the side is only 10%-30%.（3）The sand-blocking ability of H. modendron was significantly different under different wind speed conditions. When the inlet wind speed was 6 m·s^-1， the sand particles were deposited at -0.75H-1H； while when the wind speed increased to 12 m·s^-1， the sand particles were deposited at 0-1H. （4）Increasing the number of rows and optimizing the row spacing can improve the sand blocking ability of H. modendron， of which the overall sand blocking effect is optimal when the pike rows are spaced 5m apart.

Key words: Haloxylon ammodendron, windbreak and sand fixation, numerical simulation, sandstorm field, volume fraction

中图分类号:

S157.2

胡广录, 何娜娜, 张叶叶, 陈坤, 靳涛阳, 王佳琦, 田凯夫. 固沙植物梭梭（ Haloxylon ammodendron ）对风沙流场影响的数值模拟[J]. 中国沙漠, 2026, 46(3): 304-317.

Guanglu Hu, Nana He, Yeye Zhang, Kun Chen, Taoyang Jin, Jiaqi Wang, Kaifu Tian. Numerical simulation of the effect of sand-fixing plant Haloxylon ammodendron on the wind-sand flow field[J]. Journal of Desert Research, 2026, 46(3): 304-317.

图/表 13

表1 植物参数

Table 1 Statistical table of plant parameters

	最大值	最小值	平均值
冠幅/m	1.8	1.4	1.6
株高/m	2.0	1.5	1.8
枝下高度/m	0.13	0.08	0.10
盖度/%	25	20	22

图1 几何模型简化图

Fig.1 Simplified diagram of the geometric model

图2 野外试验现场照片（H为株高）

Fig.2 Photographs of the field test site （H is the height of plant）

表2 不同高度梭梭周围水平风速实测值与模拟值对比

Table 2 Comparison of measured and simulated horizontal wind speeds around Haloxylon ammodendron at different heights

高度/m	项目	迎风面		侧风面		背风面			R²
高度/m	项目	1H	2H	1H	2H	1H	2H	3H	R²
0.5	实测值/（m·s^-1）	5.39	5.44	5.76	5.81	1.16	1.55	2.03	0.9993
	模拟值/（m·s^-1）	5.63	5.78	6.10	6.02	1.27	1.70	2.24
	相对误差/%	4.41	6.25	5.86	3.56	10.16	9.76	10.04
1.0	实测值/（m·s^-1）	5.09	5.38	5.40	5.30	1.65	1.87	2.43	0.9923
	模拟值/（m·s^-1）	5.29	5.42	5.77	5.60	1.811	2.03	2.29
	相对误差/%	3.93	0.79	6.73	5.80	9.65	8.98	5.73
1.5	实测值/（m·s^-1）	5.53	5.74	5.96	5.91	2.20	2.87	4.93	0.9972
	模拟值/（m·s^-1）	5.83	5.95	6.24	6.23	2.45	3.13	5.40
	相对误差/%	5.49	3.77	4.78	5.44	11.71	9.23	9.58

图3 输沙率随高度变化（野外试验）

Fig.3 Variation of sand transport rate with altitude

图4 沙粒体积分数随高度变化（数值模拟）

Fig.4 Sand volume fraction variation with height （numerical simulation）

图5 植物周围风速流场和压力分布（X-Z剖面）

Fig.5 wind velocity components and pressure distribution around plants（X-Z profile）

图6 梭梭周围不同高度的风速分布特征（X-Y剖面）

Fig.6 Characteristics of wind speed distribution at different heights around Haloxylon ammodendron （X-Y profile）

图7 植物周围风速廓线变化

Fig.7 Changes in wind speed contours around plants

图8 梭梭周围积沙云图（X-Z剖面）

Fig.8 Cumulus cloud map around Haloxylon ammodendron （X-Z profile）

图9 双排梭梭周围积沙云图（h为行间距）

Fig.9 Cumulus cloud map around double-rowed Haloxylon ammodendron （h is the line spacing）

图10 三排梭梭周围积沙云图（h为行间距）

Fig.10 Cloud map of sand accumulation around three rows of Haloxylon ammodendron（h is the line spacing）

图11 梭梭周围风速矢量云图

Fig.11 Vector cloud image of wind speed around Haloxylon ammodendron

参考文献 38

[1]	Bhutto S L， Miri A， Zhang Y，et al.Experimental study on the effect of four single shrubs on aeolian erosion in a wind tunnel［J］.Catena，2022，212：106097.
[2]	Han Y，Zhao，W W， Ding J Y，et al.Soil erodibility for water and wind erosion and its relationship to vegetation and soil properties in China's drylands［J］.Science of the Total Environment，2023，903：166639.
[3]	Zhou A， Zhao W， Han Y，et al.Effects and benefits of wind erosion prevention in China's dryland and surrounding countries［J］.Catena，2025，251：108812.
[4]	李映坤，李锦荣，董雷，等.乌兰布和沙漠周边典型植物群落防风阻沙效果［J］.中国沙漠，2022，42（6）：65-73.
[5]	周炎广，武子丰，胡日娜，等.毛乌素沙地新垦地土壤风蚀特征［J］.农业工程学报，2020，36（1）：138-147.
[6]	董治宝，陈渭南，董光荣，等.植被对风沙土风蚀作用的影响［J］.环境科学学报，1996（4）：437-443.
[7]	陈海志.黑河中游荒漠—绿洲过渡带斑块状灌丛植被生态环境效应［D］.兰州：兰州交通大学，2023.
[8]	Fu G， Xu X， Qiu X，et al.Wind tunnel study of the effect of planting Haloxylon ammodendron on aeolian sediment transport［J］.Biosystems Engineering，2021，208：234-245.
[9]	黄雅茹，马迎宾，郝需婷，等.不同留茬高度对固沙植物梭梭光合特性和水分利用效率的影响［J］.东北林业大学学报，2025，53（1）：105-111.
[10]	余沛东，陈银萍，李玉强，等.植被盖度对沙丘风沙流结构及风蚀量的影响［J］.中国沙漠，2019，39（5）：29-36.
[11]	张奕，肖辉杰，辛智鸣，等.乌兰布和沙区典型灌木防风阻沙效益［J］.中国水土保持科学（中英文），2021，19（1）：87-96.
[12]	智丹，王京学，肖辉杰，等.乌兰布和荒漠绿洲过渡带白刺灌丛沙堆防风效应风洞模拟［J］.农业工程学报，2024，40（3）：147-155.
[13]	王萍，王燕.民勤荒漠-绿洲过渡带不同下垫面条件的土壤风蚀特征［J］.农业工程学报，2012，28（11）：138-145.
[14]	李秀明，贾文茹，王翠.垄状微地形对近地表空气动力学特征的影响［J］.干旱区资源与环境，2024，38（4）：105-113.
[15]	贾光普，左合君，王海兵，等.高立式尼龙网沙障周围风沙运动特性的数值模拟与试验［J］.农业工程学报，2020，36（18）：109-117.
[16]	闫晴，李菊艳，尹忠东，等.典型株型沙生灌丛对风沙流场影响的数值模拟［J］.干旱区研究，2023，40（5）：785-797.
[17]	金子皓，王京学，任一凡，等.不同林带结构的刺槐林防风效应［J］.北京林业大学学报，2022，44（8）：39-47.
[18]	胡广录，陈海志，麻进，等.黑河中游荒漠绿洲过渡带典型灌丛植物防风固沙效应［J］.中国沙漠，2023，43（5）：31-40.
[19]	廖承贤.戈壁砾石床面风沙运动过程的模拟研究［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2023.
[20]	俞明聪.风沙流对准朔铁路路堑响应规律及防风沙措施效果数值研究［D］.北京：北京交通大学，2017.
[21]	Liu C， Zheng Z， Cheng H，et al.Airflow around single and multiple plants［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2018，252：27-38.
[22]	Lima I A， Parteli E J R， Shao Y，et al.CFD simulation of the wind field over a terrain with sand fences：Critical spacing for the wind shear velocity［J］.Aeolian Research，2020，43：100574.
[23]	胡广录，樊立娟，王德金，等.荒漠-绿洲过渡带斑块植被表层土壤颗粒的空间异质性［J］.兰州交通大学学报，2013，32（6）：159-164.
[24]	王康龙，武建军，罗生虎.风沙运动的欧拉双流体模型参数研究［J］.中国沙漠，2014，34（6）：1461-1468.
[25]	Jiang H， Huang N， Zhu Y J.Analysis of wind-blown sand movement over transverse dunes［J］.Scientific Reports，2014，4：1-14.
[26]	Du W， Bao X， Xu J，et al.Computational fluid dynamics （CFD） modeling of spouted bed：Influence of frictional stress，maximum packing limit and coefficient of restitution of particles［J］.Chemical Engineering Science，2006，61（14）：4558-4570.
[27]	刘政和.荒漠绿洲过渡带典型防风固沙植被生长特征及其防风固沙效能研究［D］.兰州：兰州大学，2024.
[28]	晏致涛，李杰，张璞，等.基于FLUENT的直流漏沙式风沙风洞研究［J］.西南交通大学学报，2020，55（5）：994-1000.
[29]	张伟，杨淑敏.风速及碰撞系数对风沙流输沙率沿流向变化规律的影响［J］.科学技术与工程，2016，16（30）：142-147.
[30]	胡广录，王德金，廖亚鑫，等.荒漠-绿洲过渡带斑块植被区起沙风对风蚀积沙量的影响［J］.中国沙漠，2016，36（4）：902-910.
[31]	Abbasi H， Gohardoust A， Mohammadpour F，et al.Erosive wind characteristics and aeolian sediment transport and dune formation in Makran Region of Baluchistan，Iran［J］.Atmosphere，2025，16（6）：650-650.
[32]	Yan Y， Xu X， Xin X，et al.Effect of vegetation coverage on aeolian dust accumulation in a semiarid steppe of northern China［J］.Catena，2011，87（3）：351-356.
[33]	郑旭，张倪斌，孙桂丽，等.吐鲁番市高昌区不同固沙植物的防风固沙效益［J］.东北林业大学学报，2024，52（7）：44-50.
[34]	Raupach M， Woods N， Dorr G，et al.The entrapment of particles by windbreaks［J］.Atmospheric Environment，2001，35（20）：3373-3383.
[35]	Cheng H， He W， Liu C，et al.Transition model for airflow fields from single plants to multiple plants［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2019，266-267：29-42.
[36]	刘金苗，李菊艳，尹忠东，等.干枯骆驼刺对风沙流场影响的数值模拟研究［J］.干旱区研究，2022，39（5）：1514-1525.
[37]	Taylor A P， Shao Y P.Physics and modelling of wind erosion［J］.Boundary-Layer Meteorology，2001，101（1）：127-128.
[38]	贾丽娜.几种不同灌木矮林防风阻沙效能对比研究［D］.北京：北京林业大学，2010.