三种典型地表风速廓线的试验研究

常佳丽，陈 智，陈 燕，仇 义，商晓彬

(内蒙古农业大学 机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

三种典型地表风速廓线的试验研究

常佳丽，陈 智，陈 燕，仇 义，商晓彬

(内蒙古农业大学 机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

风速廓线；空气动力学粗糙度；抗风蚀能力

针对北方土壤风蚀问题，用RMTO型多通道无线风速廓线仪对内蒙古四子王旗3种典型地表——天然草地、灌草带状修复草地和传统秋翻耕农田的近地表风速廓线进行研究，定量分析了3种不同地表的空气动力学粗糙度及其抗风蚀能力。结果表明：不同地表的近地表风速廓线形态不一，风速都随测点高度的增加而增大，符合指数分布规律；粗糙度越大的地表其表面抗风蚀能力越强；灌草带状修复草地的粗糙度分别是天然草地和传统秋翻耕农田粗糙度的2.1和5.0倍。

内蒙古阴山北麓农牧交错区长期不合理的土地利用方式，导致生态环境严重恶化，风蚀、干旱与土地荒漠化进一步加剧，严重影响地区资源开发和经济社会持续稳定发展[1]。

提高地表空气动力学粗糙度是防治土壤风蚀的主要措施之一[2-3]。国内许多学者针对保护性耕作对农田土壤风蚀的影响进行了大量研究[4-8]，结果表明，不同保护性农耕方式对土壤风蚀的影响效果不同，土壤风蚀率随着地表空气动力学粗糙度的减小而增大。但是，已有研究的对象集中在农田地表，研究方法多是通过采集土壤风蚀量来评价地表风蚀强度，而对天然草地、带状修复草地抗风蚀能力的研究相对较少。近地表风速廓线可间接地反映地表土壤风蚀强度。基于此，本研究以位于内蒙古阴山北麓农牧交错区的内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗为研究区，采用RMTO型多通道无线风速廓线仪分别对天然草地和灌草带状修复草地的近地表风速廓线进行定量测试，以传统秋翻耕农田为对照，计算地表空气动力学粗糙度，进而分析不同地表对近地表风速廓线的影响及其抗风蚀能力。

1 试验区概况与研究方法

试验区位于内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗，地理坐标为E110°20′～113°00′、N41°10′～43°22′，海拔1 000～2 100 m，全年干旱少雨，年平均降水量110～350 mm，春秋两季6级以上强风和沙尘天气频繁，土壤风蚀作用强烈[3,9]。

选择较为典型的天然草地、灌草带状修复草地和传统秋翻耕农田，分别对其近地表风速廓线和地表空气动力学粗糙度进行计算。天然草地的草株平均高度为15 cm，植被覆盖度为83%～90%。灌草带状修复草地平均带间距为6 m，灌草带宽约1.5 m、高约70 cm，草株平均高度为2 cm，植被覆盖度小于10%。传统秋翻耕农田的植被覆盖度几乎为零。

2 试验仪器与试验方法

2.1 试验仪器

RMTO型多通道无线风速廓线仪的外壳采用楔形结构，整体高度为90 cm，楔形测量部分高度为70 cm，固定底盘高度为20 cm，传感器探头长10 cm，整体结构见图1。由于导致土壤风蚀的风沙主要集中在距地表60 cm高度范围内，其近地表风速分布在高度上符合指数分布规律[9]，因此8路风速传感器被分别固定在距固定底盘2、4、8、16、23、32、45、64 cm的位置，从而实现近地表风速廓线的实时测量。该仪器具有硬件温度补偿、无线数据传输和自动风向识别功能，还集成了温湿度传感器、大气压力传感器和单片机控制系统等，实现了被测点处环境温度、湿度、大气压力等信息的测量。当风速在0～16 m/s时，各风速传感器的测量误差在±0.13 m/s范围内。

图1 RMTO型多通道无线风速廓线仪整体结构

2.2 试验方法

将风速廓线仪分别置于灌草带状修复草地、天然草地和传统秋翻耕农田等3种不同地表进行测试，通过对比距地表2和64 cm高度处的风速，分析不同地表的粗糙度，判断不同地表的抗风蚀能力。试验过程中，为了使所测数据具有可比性，选取距离地面2 m处的瞬时风速(9 m/s)作为参照。

将风速廓线仪置于灌草带状修复草地，分别测量距灌草带内边缘1、2、3、4、5、6 m且平行于保护带的6个测点的风速廓线，并计算各个点的地表空气动力学粗糙度。数据采集时，选取距地表2 m高处风速为5 m/s时的数据作为参考风速进行比较，判断距灌草带不同位置处地表的抗风蚀能力。

近地表风速与距地表高度成正比，近地表风速在距地表高度上符合指数分布规律。风速廓线的拟合方程主要有对数规律和指数规律两种。本试验采取指数规律对风速廓线进行拟合，即用指数廓线方程的最小二乘法来逼近实际的风速廓线[10]。

地表空气动力学粗糙度是指近地表平均风速为0处的高度，野外3种不同地表粗糙度Z0的确定是以风速按对数规律分布为依据的[11]。理论上某一固定地表的粗糙度应该是一个定值，然而在实际测定时，由于影响粗糙度的因素比较多，所以在同一地点测定多次，每次的结果都不相同。经过长期的野外观测和整理分析大量实测数据发现，即使是同一组数据，用不同的计算方法所得的结果差异也较大[12]。经过分析研究，最终认为先对风速求平均值然后计算粗糙度的方法是比较合理、精确和科学的[13]。测定距地面任意两个高度Z1、Z2及它们对应的风速V1、V2，则有

lgZ0=(lgZ2-AlgZ1)/(1-A)

(1)

A=V2/V1

(2)

式中：A为风速比。

3 结果与分析

3.1 风速廓线

测试时，环境温度15～17 ℃，湿度21.4%～23.6%，大气压力852 hPa，最大风速11.5 m/s，最小风速1.8 m/s，保持风速廓线仪最下方风速传感器距离地表高度2 cm。风速廓线仪设置见图2，试验数据见表1、2。

图2 风速廓线仪设置(不同视角)

表1 不同地表风速随距地面高度的变化规律

注：灌草带状修复草地的风速廓线仪置于距灌草带内边缘1 m处。

表2 灌草带状修复草地风速随距地面高度的变化规律

为了进一步直观讨论不同地表所测试的风速廓线随距地面高度的变化规律，对表1、2所记录的数据进行近地表风速廓线的拟合(图3、4)。由表1和图3可知：灌草带状修复草地、天然草地和传统秋翻耕农田，距离地面2 cm处的风速相较64 cm处的风速降低幅度分别为86.7%、72.5%、59.1%；传统秋翻耕农田的风速廓线变化最缓慢，当高度从64 cm降到2 cm时，风速从7.95 m/s下降到3.25 m/s，风速降幅最小，抗风蚀能力最弱；灌草带状修复草地的风速廓线变化最明显，当高度从64 cm降到2 cm时，风速从7.12 m/s下降到0.95 m/s，降幅最大，抗风蚀能力最强。由表2可知：当灌草带高度一定时，距离灌草带1～6 m各测点处距离地面2 cm处的风速相较64 cm处的风速降低幅度分别为82.5%、80%、76.2%、74.3%、70.8%和67.7%，即随着风速廓线仪位置与灌草带距离的增大，风速降低幅度减小。随着风速廓线仪位置与灌草带距离的增加，灌草带状修复草地距地表2 cm处的风速明显增加，而距地表64 cm处的风速提升幅度则较为缓慢。由图4可知，当灌草带高度一定时，风速廓线仪位置距离灌草带越近，近地表风速廓线的变化越明显，近地表风速越小，地表抗风蚀能力越强，即风速廓线的变化程度与风速廓线仪位置有关。测点高度在32 cm以下的风速廓线的斜率小于测点高度在32 cm以上的风速廓线的斜率。试验结果基本符合带状修复地表的风速变化规律。

图3 不同地表风速廓线

图4 风速廓线仪与灌草带内边缘不同距离处灌草带状修复草地风速廓线

3.2 地表空气动力学粗糙度

地表空气动力学粗糙度值越大，意味着土壤表面对风速的削弱作用越明显，抗风蚀能力越强；土壤风蚀率越大，抗风蚀能力越弱；地表空气动力学粗糙度随着土壤风蚀率的增大而减小，可见地表空气动力学粗糙度与土壤抗风蚀能力关系密切。因此，通过对3种不同地表和距灌草带内边缘不同位置处的灌草带状修复草地的地表粗糙度进行计算，可研究不同地表粗糙度对近地表风速廓线的影响程度。分别选取距地表4 cm和64 cm两个高度的风速来计算3种不同地表的地表粗糙度见表3，距灌草带内边缘不同距离处的灌草带状修复草地地表粗糙度见表4。

由表3可知，试验得到的灌草带状修复草地、天然草地、传统秋翻耕农田的地表粗糙度依次减小，符合实际地表情况。进一步试验表明，灌草带高度为70 cm左右时，灌草带状修复草地地表粗糙度最大，土壤风蚀率最小，抗风蚀能力最强；天然草地的草株平均高度不超过20 cm时，其地表粗糙度较灌草带状修复草地的低，抗风蚀能力也较弱；传统秋翻耕农田无任何保护措施，土壤完全裸露，受风力影响最大，土壤风蚀率最大，抗风蚀能力最弱。可见，提高地表的粗糙度是降低土壤风蚀的有效措施。由表4可知，距灌草带内边缘不同距离的灌草带状修复草地地表空气动力学粗糙度存在着一定的差异，距灌草带内边缘越近，地表空气动力学粗糙度越大，土壤风蚀率越小，抗风蚀能力越强。

表3 3种不同地表的粗糙度

注：风速比A=V60/V4。

表4 距灌草带内边缘不同距离灌草带状修复草地地表粗糙度

4 结 论

(1)不同地表的近地表风速廓线均符合指数函数规律，近地表风速廓线的变化程度和地表空气动力学粗糙度间接反映其地表的抗风蚀能力。风速廓线斜率越大，抗风蚀能力越强；地表空气动力学粗糙度越小，抗风蚀能力越弱。

(2)灌草带状修复草地、天然草地、传统秋翻耕农田等3种地表的风速降幅因其地表粗糙度不同而不同，在距离地表2 cm处最低测点的风速相较64 cm处最高测点的风速降低幅度分别为86.7%、72.5%和59.1%。

(3)当灌草带高度一定时，距灌草带内边缘越远的地表粗糙度越小，对应的近地表风速廓线越平缓，抗风蚀能力越弱，带间风速廓线的变化程度随着距离灌草带内边缘距离的增加而变平缓。

[1] 赵存玉.鲁西北风沙化农田的风蚀机制、防治措施——以夏津风沙化土地为例[J].中国沙漠,1992,12(3):49-53.

[2] 麻硕士,陈智.土壤风蚀测试与控制技术[M].北京:科学出版社,2010:32-36,113-115.

[3] 陈智.阴山北麓农牧交错区地表土壤抗风蚀能力测试研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2006:2-3.

[4] 臧英,高焕文,周建忠.保护性耕作对农田土壤风蚀影响的试验研究[J].农业工程学报,2003,19(2):56-60.

[5] 刘汉涛,麻硕士,窦卫国,等.残茬高度对土壤风蚀量影响的试验研究[J].干旱地区农业研究,2007,25(1):30-34.

[6] 屈志强,张莉,丁国栋,等.不同配置方式沙蒿灌丛对土壤风蚀影响的对比分析[J].水土保持学报,2008,22(3):1-4.

[7] 赵沛义,妥德宝,李焕春,等.带田残茬带宽度及高度对土壤风蚀模数影响的风洞试验[J].农业工程学报,2011,27(11):206-210.

[8] 刘振东,王飞,赵云,等.保护性措施对农田土壤风蚀影响的室内风洞模拟[J].中国水土保持科学,2012,10(2):29-35.

[9] 郭旺,陈智,宣传忠,等.低速风洞无线数据采集与处理系统设计[J].内蒙古农业大学学报:自然科学版,2012,33(1):137-142.

[10] 刘海洋.基于无线传感网络的土壤风蚀监测系统研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2016:45-47.

[11] 刘小平,董治宝.空气动力学粗糙度的物理与实践意义[J].中国沙漠,2003,23(4):337-345.

[12] 段云.典型风蚀地况近地表风廓特性的风洞模拟研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2006:12-13.

[13] 杨明元.地表粗糙度计算方法的分析与研究[J].干旱区资源与环境,1996,10(4):55-57.

(责任编辑 李杨杨)

国家自然科学基金项目(41361058，41161045)

S157.1

A

1000-0941(2017)03-0041-04

常佳丽(1991—)，女，山西大同市人，硕士研究生，研究方向为工程测试及其技术装备研究；通信作者陈智(1962—)，男，内蒙古察右前旗人，教授，博士生导师，研究方向为测试控制技术及其自动化。

2016-08-30