基于流场分析的绿洲防护林防风效果研究

发布时间：2017-04-29 05:00

  本文关键词：基于流场分析的绿洲防护林防风效果研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：乌兰布和沙漠绿洲天然荒漠植被退化、湿地萎缩、土壤盐渍化加剧、土地风蚀等问题十分严重,是沙漠中脆弱的生态系统之一。在绿洲及外围营建防护林体系对保护绿洲生态安全,维护绿洲生产建设稳定发展等具有重要意义。乌兰布和沙漠绿洲具有多年的防护林建设经验,对绿洲现有的防护林体系进行全面、系统、准确的评价,可以为营建新的防护林体系提供示范样板及实践模式,对进一步丰富和完善受损的生态系统具有十分重要的科学价值和现实意义。本研究以乌兰布和沙漠绿洲初叶期5种不同配置结构的防护林带(网)模式为研究对象,通过对各林网内空间多点风速的同步观测,分析不同林网内的风速流场、风速统计及频数分布、风速半方差变异函数模型以及基于有效防护面积的防风效能,探究不同防护林带(网)模式的防风效果,并筛选出具有较好防风效果的防护林林带(网)模式。通过风洞模拟试验,进一步对选取的防护林带(网)模式在不同风速下单林带、单林网及多林网叠加的防风效果进行比较分析,提出具有高防风效能的防护林带(网)新模式。本研究主要结论如下：(1)野外实验得出疏透结构大网格林网2,窄林带小网格乔灌混交林网3和窄林带小网格乔木纯林林网4均发挥着较好的防风效果。林网2内96.4%土地面积上的防风效能在70%以上,林网3内92%土地面积上的防风效能在55%以上,在60%防风效能以上,乔灌混交配置的林网3的有效防护比约为纯林林网4的2.5倍。(2)野外实验得出风向变化使5种典型林网内的防风效能分别减少了约5%、10%、18%、15%及0%,对大网格林网内的风速流场分布及防风效能影响较大,对窄林带小网格影响并不明显。“U”配置林网其开口处要避免朝向主害风向,以免扰乱、降低林网内的防风效能。“□”型配置的纯林林网可以将风向夹角带来的影响降到最低,充分发挥长副林带的防护作用,林网内的风速流场及防风效能较为稳定。(3)风洞模拟实验得出紧密结构的林带及高度较高的林带发挥着较好的防护效应,在相对较高防风效能以上,林带的有效防护面积及防护比大小均为6 cm紧密林带8 cm疏透林带6 cm疏透林带。由林带结构造成的最大差异为6 cm紧密结构林带的有效防护面积及防护比比疏透林带大2367.9cm2(47.3%)；林带高度造成的最大差异为8 cm高林带的有效防护面积及防护比比6 cm高林带大1373.8 cm2(21.2%)。(4)风洞模拟实验得出不同配置林网(D=10H)模式当防风效能在50%以上即削弱一半以上的风速,各林网模式的有效防护面积及百分比大小依次为8 cm乔灌混交林网5407.2 cm2(75.1%)6 cm乔灌混交林网5025.6 cm2(69.8%)6 cm乔木+灌木混合林网4816.8cm2(66.9%)8 cm纯林林网4161.6 cm2(50.3%)6 cm纯林林网3038.4 cm2(42.2%),乔灌混交配置的林网模式及乔木+灌木混合的林网模式发挥了较好的防护效应。优化的乔木+灌木混合的林网模式在高防风效能发挥着较好的防护效果。(5)风洞模拟实验得出不同配置林网(D=6H)模式当防风效能在50%以上,各防护林林网模式的有效防护面积依次为8 cm乔灌混交林网6 cm乔灌混交林网8cm纯林林网6 cm纯林林网。其中,6 cm和8cm两种林带高度的窄林带乔灌混交林网配置模式其有效防护比比纯林林网模式分别高2.1倍(38.1%)和1.6倍(29.1%),可见乔灌混交配置的防护林林网模式可以发挥出较好的防护效果。林带高度对相同配置防护林网模式防风效果的影响为,8 cm纯林林网的有效防护比比6 cm纯林林网大14.3%,8 cm乔灌混交林网的有效防护比比6 cm乔灌混交林网大5.3%。(6)风洞模拟实验得出在6林网叠加的窄林带(D=6H)纯林复合林网内,从网格1至网格6风速最大值与最小值的差值逐渐减小,风速平均值整体呈减小趋势。防风效能在网格1逐渐增加,网格2为过渡,在网格3、林网4内达到最大,之后趋于一个稳定值；当防风效能在60%以上,与相同配置的单林网(16.8%)比较,网格2内的有效面积防护比增加72.2%,网格3、网格4内增加83.2%,网格5内增加82.6%,网格6内增加79.3%,平均每个叠加后的网格内的有效防护比比单林网增加近5倍。(7)风洞模拟实验得出在6林网的叠加窄林带(D=6H)乔灌混交复合林网内,网格1至网格6风速最大值与最小值的差值逐渐减小,风速平均值整体呈减小趋势。防风效能在网格1过渡,网格2、网格3内即达到最大,之后趋于一个稳定值；当防风效能在70%以上,与相同配置的单林网有效防护比(23.3%)比较,网格2、网格3内的有效防护比增加76.6%,网格4内增加72.3%,网格5内增加74.4%,网格6内增加68.3%,平均每个叠加后的网格内的有效防护比比单林网增加近3倍。
【关键词】：防风效果 风速流场 有效防护面积 复合林网 乌兰布和沙漠绿洲
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S727.2
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 1引言16-32
• 1.1 研究背景、目的和意义16-19
• 1.2 国内外相关研究进展19-27
• 1.2.1 防护林带结构研究进展19-21
• 1.2.2 绿洲防护林防护效益研究21-24
• 1.2.3 防护林带(网)风速流场研究24-26
• 1.2.4 防护林带(网)有效防护面积研究26-27
• 1.3 目前研究存在的问题及未来发展趋势27
• 1.4 本研究拟解决的关键科学问题27-28
• 1.5 研究内容与技术路线28-32
• 1.5.1 研究内容28-30
• 1.5.2 技术路线30-32
• 2 研究区概况32-36
• 2.1 研究区自然条件32-34
• 2.1.1 地理位置32
• 2.1.2 地质地貌32
• 2.1.3 气候32-33
• 2.1.4 土壤33
• 2.1.5 水文33
• 2.1.6 植被33-34
• 2.2 社会经济状况34
• 2.3 试验区简介34-36
• 3 研究方法36-48
• 3.1 野外实验36-39
• 3.1.1 防护林网概况36-37
• 3.1.2 实验布设37-39
• 3.2 防护林网风速风向观测39-40
• 3.3 风洞模拟实验40-44
• 3.3.1 实验风洞及仪器40-41
• 3.3.2 树木模型制作及相关参数41-42
• 3.3.3 观测点布设42-44
• 3.4 分析方法44-48
• 3.4.1 风速数据空间插值法44
• 3.4.2 风速统计分析44-45
• 3.4.3 风速变异函数45
• 3.4.4 防风效能45
• 3.4.5 风速加速率45-48
• 4 不同配置绿洲防护林网防风效果野外试验48-64
• 4.1 不同林网内风速流场分布48-51
• 4.1.1 林网1内风速流场分布48-49
• 4.1.2 林网2内风速流场分布49
• 4.1.3 林网3内风速流场分布49-50
• 4.1.4 林网4内风速流场分布50
• 4.1.5 林网5内风速流场分布50-51
• 4.2 不同配置林网内风速统计分析及频数分布特征51-53
• 4.3 不同配置林网内风速分布变异函数53-54
• 4.4 不同配置林网的防风效能54-62
• 4.4.1 林网1内的防风效能55-56
• 4.4.2 林网2内的防风效能56-57
• 4.4.3 林网3内的防风效能57-58
• 4.4.4 林网4内的防风效能58-59
• 4.4.5 林网5内的防风效能59-62
• 4.5 小结62-64
• 5 风向变化对不同配置绿洲防护林网防风效果的影响64-88
• 5.1 风向变化对不同林网内的风速流场的影响64-68
• 5.1.1 风向变化下林网1内风速流场分布64-65
• 5.1.2 风向变化下林网2内风速流场分布65
• 5.1.3 风向变化下林网3内风速流场分布65-66
• 5.1.4 风向变化下林网4内风速流场分布66-67
• 5.1.5 风向变化下林网5内风速流场分布67-68
• 5.2 风向变化对不同林网内风速统计分析及频数分布特征的影响68-70
• 5.3 风向变化对不同林网内风速变异函数的影响70-71
• 5.4 风向变化对不同林网内防风效能的影响71-85
• 5.4.1 风向变化下林网1内防风效能分析71-74
• 5.4.2 风向变化下林网2内防风效能分析74-75
• 5.4.3 风向变化下林网3内防风效能分析75-79
• 5.4.4 风向变化下林网4内防风效能分析79-82
• 5.4.5 风向变化下林网5内防风效能分析82-85
• 5.5 小结85-88
• 6 典型林带防风效果的风洞模拟试验88-120
• 6.1 紧密结构6 cm林带模型防风效果88-96
• 6.1.1 林带模型前后风速流场的变化88-89
• 6.1.2 林带模型前后的风速统计分析及频数分布特征89-91
• 6.1.3 林带模型前后风速变异函数91-93
• 6.1.4 林带模型的防风效能93-95
• 6.1.5 林带模型风速加速率分布95-96
• 6.2 疏透结构6 cm林带模型防风效果96-105
• 6.2.1 林带模型前后风速流场的变化96-98
• 6.2.2 林带模型前后的风速统计分析及频数分布特征98-100
• 6.2.3 林带模型前后风速变异函数100-101
• 6.2.4 林带模型的防风效能101-105
• 6.2.5 林带模型风速加速率分布105
• 6.3 疏透结构8 cm林带模型防风效果105-116
• 6.3.1 林带模型前后风速流场的变化106-107
• 6.3.2 林带模型前后的风速统计分析及频数分布特征107-109
• 6.3.3 林带模型前后风速变异函数109-111
• 6.3.4 林带模型的防风效能111-114
• 6.3.5 林带模型风速加速率分布114-116
• 6.4 小结116-120
• 7 典型林网及优化林网的防风效果风洞模拟试验120-180
• 7.1 乔木林网模型防风效果120-129
• 7.1.1 乔木林网模型内及前后风速流场的变化120-121
• 7.1.2 乔木林网模型风速统计分析及频数分布特征121-122
• 7.1.3 乔木林网模型风速分布变异函数122-125
• 7.1.4 乔木林网模型防风效能125-129
• 7.1.5 乔木林网模型风速加速率分布129
• 7.2 乔灌混交林网模型防风效果129-140
• 7.2.1 乔灌混交林网模型内及前后风速流场的变化129-131
• 7.2.2 乔灌混交林网模型风速统计分析及频数分布特征131-133
• 7.2.3 乔灌混交林网模型风速分布变异函数133-136
• 7.2.4 乔灌混交林网模型防风效能136-140
• 7.2.5 乔灌混交林网模型风速加速率分布140
• 7.3 相同植被盖度乔灌优化模型防风效果140-152
• 7.3.1 乔木+灌木混合林网模型内及前后风速流场的变化140-142
• 7.3.2 乔木+灌木混合林网模型风速统计分析及频数分布特征142-145
• 7.3.3 乔木+灌木混合林网模型风速分布变异函数145-147
• 7.3.4 乔木+灌木混合林网模型防风效能147-152
• 7.3.5 乔木+灌木混合林网模型风速加速率分布152
• 7.4 高度增加对乔木林网模型防风效果的影响152-162
• 7.4.1 高度增加对乔木林网模型内及前后风速流场的影响152-154
• 7.4.2 高度增加乔木林网模型风速统计分析及频数分布特征154-156
• 7.4.3 高度增加乔木林网模型风速分布变异函数156-158
• 7.4.4 高度增加乔木林网模型防风效能158-161
• 7.4.5 高度增加对乔木林网模型风速加速率的影响161-162
• 7.5 高度增加对乔灌混交林网模型防风效果的影响162-176
• 7.5.1 高度增加对乔灌混交林网模型内及前后风速流场的影响162-164
• 7.5.2 高度增加乔灌混交林网模型风速统计分析及频数分布特征164-166
• 7.5.3 高度增加乔灌混交林网模型风速分布变异函数166-168
• 7.5.4 高度增加乔灌混交林网模型防风效能168-175
• 7.5.5 高度增加对乔灌混交林网模型风速加速率的影响175-176
• 7.6 小结176-180
• 8 复合林网防风效果的风洞模拟实验180-216
• 8.1 不同配置典型林网模型防风效果180-194
• 8.1.1 不同配置及高度对林网模型风速流场的影响180-182
• 8.1.2 不同配置林网模型风速统计分析及频数分布特征182-185
• 8.1.3 不同配置林网模型风速分布变异函数185-187
• 8.1.4 不同配置及高度林网模型防风效能变化187-192
• 8.1.5 不同配置及高度对林网模型风速加速率的影响192-194
• 8.2 乔木复合林网模型防风效果194-202
• 8.2.1 乔木复合林网模型内风速流场分布194-195
• 8.2.2 乔木复合林网模型风速统计分析及频数分布特征195-196
• 8.2.3 乔木复合林网模型风速分布变异函数196-197
• 8.2.4 乔木复合林网模型内防风效能变化197-201
• 8.2.5 乔木复合林网模型对风速加速率的影响201-202
• 8.3 乔灌复合林网模型防风效果202-212
• 8.3.1 乔灌复合林网模型内风速流场分布202-203
• 8.3.2 乔灌复合林网模型风速统计分析及频数分布特征203-205
• 8.3.3 乔灌复合林网模型风速分布变异函数205-206
• 8.3.4 乔灌复合林网模型内防风效能变化206-211
• 8.3.5 乔灌复合林网模型对风速加速率的影响211-212
• 8.4 小结212-216
• 9 结论与展望216-220
• 9.1 结论216-219
• 9.2 创新点219
• 9.3 展望219-220
• 参考文献220-234
• 个人简历234-235
• 导师简介235-238
• 获得成果目录清单238-239
• 致谢239-24

  本文关键词：基于流场分析的绿洲防护林防风效果研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：334194