沙生植物构型特征抗风蚀机理研究

依据风沙物理学、植物生态学和气固两相流体动力学基本理论，采用野外实验观测、室内风洞模型试验、数值模拟相结合的方法，选择固定观测样地与植株样本，研究不同构型特征沙生植物的抗风蚀机理，分析和测定其在不同沙地类型下的构型指标，观测植株周围的流场特征及固阻沙作用，得出不同类型沙生植物对风蚀地表土壤的防护效果，并进行数值模拟，从而为探讨沙生植物的抗风蚀机理提供科学依据，并对沙化地区的植物选种提供理论基础。

沙生灌木在风蚀防治中起着至关重要的作用。影响沙生灌木防风蚀效果的因素比较复杂，植株本身构型特征的差异也会产生不同的作用。本研究以毛乌素沙地南缘常见的沙生灌木为研究对象，采用野外观测、风洞对照、数值模拟相结合的方法，选择固定观测样地与植株样本，分析和测定其在不同沙地类型下的构型指标，观测植株周围的流场特征及固阻沙作用，并进行数值模拟，从而为探讨沙生植物的抗风蚀机理提供科学依据，并对沙化地区的植物选种提供理论基础。主要研究成果和结论如下：（1）经过测定，虽然三种典型沙生植物的分枝格局都比较简单，但由于三者在形态、迎风面形状、枝条分布、植株大小等方面存在很大差异，因此，三种植物分别属于三类不同的枝系构型。三种植物的防风蚀效果为：半固定沙地沙柳 > 半固定沙地沙蒿 > 流动沙地沙蒿 > 灌状小叶杨 > 流动沙地沙柳。（2）从降低风速的比率来看，沙柳对较小风速的降低比率相对较大，防风相对较强，而对较大风速的防风能力相对较差，且随风速的逐渐加大，降低风速的能力逐渐减弱。小叶杨对所有风速的降低比率均较大，且随风速的增大，对风速的降低比率也增大，防风能力逐渐增强。沙蒿对所有风速的降低比率较大，且随风速的增大其比率均值差异不大，表明防风能力较强且随风速的增大变化较小。（3）沙生植物以群落形式存在，在防风阻沙方面形成集群效应，从而影响株后风影沙丘的形成。与风向垂直排列的两株相同株高和冠幅的沙生灌木，株后风影沙丘的形成时间随着株高的增大而加长。在植株冠幅相同的情况下，植物间距是影响风影沙丘形态的最主要因素。当株距≥1H时，两株分别形成单独的风影沙丘；而0＜株距≤0.5H时，两株植物后的风影沙丘逐渐汇合，形成一个抛物线型的风影沙丘。风影沙丘相交与否对于植株的阻沙量有明显影响。相交后的风影沙丘集沙量是相交前两个单独风影沙丘集沙总量的4-6倍。（4）在已有的野外沙生植物枝系构型观测、沙生植物对风场影响的野外观测和风洞模拟基础上，引入计算机辅助流体力学模型对沙生植物枝系构型的风场影响进行数值模拟的可行性，证明了运用CFD进行枝系构型的风场影响研究在硬件条件具备的前提下切实可行。摸索出了一套适用于枝系构型三维数值模拟、拓扑和网格化的方法，并探讨了部分关键参数的意义和模型优化方案。