基于野外移动风洞实验的沙打旺植被空气动力学特征研究

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00102

摘要/Abstract

摘要：

空气动力学粗糙度（Z₀）和摩阻速度（u^* ）是反映下垫面与大气相互作用的空气动力学参数，植被对Z₀和u^* 的调节起着重要作用。通过在野外种植沙打旺植被，设置4种植被盖度和3种植被布局，利用移动风洞进行原位测试。结果表明：（1）随着风速增大，Z₀和u^* 存在负相关，即随着u^* 增大Z₀呈线性减小趋势；相同输入风速下，随着植被盖度的增加，Z₀和u^* 存在正相关，两者增加趋势符合对数函数形式。（2）Z₀与植被盖度符合对数函数变化规律，随着植被盖度增大Z₀出现阈值现象。（3）不同植被布局的Z₀为两行一带>交叉布局>一行一带。（4）从空气动力学角度提出沙打旺植被盖度为30%，布局为两行一带布局时，防风蚀效能较强。

关键词: 空气动力学粗糙度, 摩阻速度, 植被盖度, 植被布局, 移动风洞

Abstract:

Aerodynamic roughness （Z₀） and friction velocity （u^* ） reflect the interaction between underlying surface properties and the atmosphere， and vegetation plays an important role in regulating Z₀ and u^* . This experiment was conducted by planting vegetation（Astragalus adsurgens）in the field， setting up four vegetation coverage and three vegetation layouts， and using a mobile wind tunnel for field experiments. The experimental results showed that：（1） As the input wind speed increases， there is a negative correlation between Z₀and u^*， that is， as u^* increases， Z₀ shows a linear decreasing trend； Under the same input wind speed， as vegetation coverage increases， there is a positive correlation between Z₀ and u^*， which conforms to the logarithmic function form. （2） Z₀ follows a logarithmic function variation pattern with vegetation coverage， and as vegetation coverage increases， there is a threshold phenomenon in Z₀. （3）The size of Z₀ with different vegetation layouts is in the order of two rows>cross layout>one row. （4） From the perspective of aerodynamics， it is proposed that Astragalus adsurgens vegetation coverage is 30%， and its wind erosion prevention efficiency is strong when the layout is two rows and one belt.

Key words: aerodynamic roughness, friction velocity, vegetation coverage, vegetation layout, mobile wind tunnel

中图分类号:

K903

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图/表 10

图1 风洞实验段布置概况

Fig.1 Overview of wind tunnel experimental section

图2 实验设备与实验样地概况

Fig.2 Overview of experimental equipment and experimental places

图3 不同风速下u* 与Z0（3种布局，4种盖度）

Fig.3 Variation of u* and Z0 under different wind speeds （three layouts， four coverage）

图4 不同植被盖度下空气动力学粗糙度与摩阻速度（4种风速）

Fig.4 Variation of Z0 and u* under different vegetation coverage （four wind speeds）

图5 不同植被盖度下摩阻速度与空气动力学粗糙度（3种布局，4种风速）

Fig.5 Variation of u* and Z0 under different vegetation coverage （three layouts， four wind speeds）

图6 不同风速下摩阻速度与空气动力学粗糙度（3种布局，4种盖度）

Fig.6 Variation of u* and Z0 under different wind speeds （three layouts， four coverage）

图7 空气动力学粗糙度随植被盖度的变化情况（3种布局，4种风速）

Fig.7 Variation of aerodynamic roughness with vegetation coverage （three layouts， four wind speeds）

表1 空气动力学粗糙度与植被盖度的拟合函数

Table 1 Fitting function of aerodynamic roughness and vegetation coverage

风速/(m·s^-1)	一行一带	两行一带	交叉布局
7	y = 3.6385ln(x) + 10.099	y = 5.6949ln(x) + 14.364	y = 5.2472ln(x) + 12.557
7	R2 = 0.7574	R2 = 0.9573	R2 = 0.9951
9	y = 4.1391ln(x) + 10.239	y = 5.5931ln(x) + 13.987	y = 4.9812ln(x) + 12.093
9	R2 = 0.8839	R2 = 0.968	R2 = 0.9995
11	y = 4.2854ln(x) + 10.201	y = 5.4816ln(x) + 13.664	y = 4.9067ln(x) + 11.905
11	R2 = 0.8627	R2 = 0.9661	R2 = 0.998
13	y = 4.3141ln(x) + 10.149	y = 5.8139ln(x) + 14.036	y = 5.3915ln(x) + 12.475
13	R2 = 0.8387	R2 = 0.95	R2 = 0.9998

图8 空气动力学粗糙度随植被盖度的变化情况（3种布局，4种风速均值）

Fig.8 Variation of aerodynamic roughness with vegetation coverage （three layouts， four mean wind speeds）

图9 不同布局下的空气动力学粗糙度随植被盖度的变化（4种风速）

Fig.9 Variation of aerodynamic roughness with vegetation coverage under different layouts （four wind speeds）

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