干枯骆驼刺对风沙流场影响的数值模拟研究

刘金苗， 李菊艳， 尹忠东， 关含笑， 张家伟

（1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083；2.新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站，新疆 乌鲁木齐 830002；3.喀什大学生命与地理科学学院，新疆 喀什 844000）

受干旱半干旱气候的影响，风沙流成为我国西部荒漠地区近地表物质运动的主要表现形式［1］，其进一步发展极易导致干旱半干旱地区生态恶化，引起风沙灾害［2］，在这一灾害中，地面沙粒构成了物质基础，风提供塑造地表的动力条件，也是风沙灾害的直接动力来源［3-4］。植被以其综合优势在覆盖地表、分解风力、阻挡输沙等多方面对地表土壤风蚀和风沙流结构产生影响［5-6］，植物固沙技术作为一种可以长效改善荒漠化的措施，在防风固沙技术中占据主导地位。

目前，对植物防风固沙效益的研究主要采用3种方法，一是传统的野外观测，二是模拟实验，包括风洞模拟实验和数值模拟实验，三是基于遥感-地理信息系统的研究。数值模拟仿真技术可以大大减少实验工作量，同时获取野外试验难以获取的数据，随着近些年的不断发展，被广泛应用于流体力学、风沙物理学以及风沙环境等多种领域。利用数值模拟研究植物防风固沙主要通过2 种模型，一种是多孔介质模型，主要应用于森林、防护林的流场研究，例如毛泽魁［7］利用多孔介质模型，对森林影响下的风场分布特征进行模拟，唐朝胜等［8］探讨了橡胶防护林的防风效应，这一类研究主要是针对风场变化进行分析，对于沙粒的移动与沉降关注较少。另一种是采用实体几何直接开孔建立模型，多应用于对植株［9-10］以及植物沙障（草帘沙障、草方格沙障、芦苇沙障等）［11-13］防风阻沙性能的研究，例如来风兵［9］模拟研究了单株胡杨（Populus euphratica）周围流场结构特征，陈柏羽等［13］根据芦苇（Phragmites australis）形态特征，建立简化模型，分析芦苇沙障周围风速变化及积沙分布特征，并得到了合理布设间距。

骆驼刺（Alhagi camelorum）是一种典型的荒漠植物，其根系发达，生命力顽强，是我国西部荒漠区最常见的防风固沙植物之一。骆驼刺以单株或者灌丛的形式存在，不同区域骆驼刺的大小具有差异，较大的骆驼刺灌丛会使大量沙粒沉降堆积，经过长时间的风沙活动形成灌丛沙堆。每年5—7 月是骆驼刺的生长旺季，进入生长季的骆驼刺，新生枝芽在前一年枯死的旧枝根部重新发出，枝叶密度增加，高度和冠幅增大，区域的植被覆盖度相应增大，8 月以后植株的木质化过程使得地上部分在冬季干枯后，除末端细小碎枝脱落外，大部分枝条直立不倒，直立的植株可以消耗风动量，减小剪切力，虽然春季活体骆驼刺植株非常有限，但枯立的植株仍然可以产生良好的防风阻沙效果［14-17］。根据野外调查，本文研究区春季干枯骆驼刺平均高度为30 cm 左右，分布方式为零散分布，研究表明，风沙运动中沙粒的运输主要集中在近地表30 cm内［18-20］。通过数值模拟，对典型荒漠地带春季干枯骆驼刺对近地表处风沙活动的影响进行研究，分析植株附近流场的变化，并利用野外试验对模拟结果进行验证，为利用骆驼刺乃至植物措施防风治沙提供依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

野外试验在中国科学院策勒沙漠研究站实验观测场进行。策勒站位于策勒县，在塔里木盆地南缘1400 km 风沙线上。策勒县位于新疆西南部，昆仑山北麓，塔克拉玛干沙漠南缘，地理位置为35°18′～39°30′N、80°03′～82°10′E。气候为极端干旱性大陆荒漠气候，干燥，昼夜温差大，日照时间长；水资源短缺，年平均降水量35.1 mm，年潜在蒸发量2595.3 mm，水资源补给以昆仑山区融雪为主；年均气温11.9 ℃，极端高温41.9 ℃，极端低温-23.9 ℃，无霜期209 d。生态系统脆弱，沙漠、戈壁面积达95%，自然植被以多年生荒漠植物为主，呈斑块状分布，有骆驼刺、花花柴（Karelinia caspia）、柽柳（Tamarix chinensis）等混生群落，总盖度小于15%［21］。由于策勒处于塔里木盆地两大主导风向（NW、NE）的下风区域，全年盛行西北风，风沙活动频繁，沙尘日数多。年平均风速1.9 m·s-1，年均8 级以上大风为3～9 次，年起沙风次约90 d，土壤质地轻且易形成风沙流，沙尘暴天气高发，最多可达59 d，扬沙、浮尘天数达240 d。由于春季气温回升快，冷空气活动频繁，该时期风沙活动尤为强烈［22-23］。

1.2 数值模拟方法

1.2.1 几何建模和网格划分 基于前人对植被以及植物沙障的建模研究［9-13］，本文尝试建立春季干枯状态骆驼刺的简化模型，由于多孔介质模型参数不易设定，因此采用实体开孔模式，直接建立孔隙几何模型。风沙流是沙粒在多种作用力下的三维运动现象，根据沙粒在运动过程中主要受重力和拖拽力，作用力基本处于同一平面上，因此建立二维简化模型。综合考虑野外试验和本文的研究内容，进行合理试算，计算流域长度设置为20 m，高度为3 m，满足流场发展要求；骆驼刺模型高30 cm，顶部距上边界2.7 m，按照形态进行简化，经多次建模模拟，对比计算量及计算结果得到植株模型，在距离入口5 m和6 m处各放置1株，流场模型简图如图1所示。

图1 流场模型简图Fig.1 Model diagram

模型计算域网格划分类型采用四边形网格（Quad），划分方法采用结构化网格划分。由于风沙流受边界层的影响较大，沙粒主要集中在近地表处，因此对近地面以及植株附近的网格进行局部加密。近地面划分20层边界层网格，植株两侧划分16层边界层网格，第一层网格尺寸设置为0.015 mm，左右以1.05 的比例递增。计算域共划分网格数量为19500 个，最小正交质量（Minimum Orthogonal Quality）远远大于0.99，最大正交歪斜率（Maximum Ortho Skew）远远小于0.001，网格质量良好，满足计算要求（图2）。

图2 计算区域网格划分示意图Fig.2 Schematic diagram of grid division of computing area

1.2.2 边界条件和计算参数 根据流体马赫数小于0.3时为不可压缩流的空气动力学原理，风沙流为不可压缩流。计算域左侧风速进口边界条件为速度入口（Velocity-Inlet），风速计算见公式（1）；由于出口流速和压力均未知，且流动完全发展，因此右侧边界出口条件为完全发展自由出口（Out-Flow）；对称面上不存在扩散通量，计算域上壁面边界采用对称边界（Symmetry），可以在保证精度的条件下，加快计算速度；植株模型和地面即下壁面边界采用固体无滑移边界（Wall），粗糙度取0.002 m［24-25］。

介质沙粒为稀相，风沙流携沙粒径一般为0.075～0.25 mm，将沙粒近似为单一的颗粒球模型，沙粒粒径ds=0.1 mm，初始沙粒体积分数为0.02%，类型为流体（Fluid）［26］。沙粒密度ρs=2650 kg·m-3，黏度μs=0.047 Pas。空气密度ρ=1.225 kg·m-3，空气运动黏度μ=1.7894×10-5Pas，压力为标准大气压，重力加速度g=9.8 m·s-1。入口边界速度为典型风速廓线流：

式中：v0为摩阻速度；y0为粗糙长度；k为冯卡门系数，取值为0.4；y为高度；v(y)为y处的风速值。

采用欧拉双流体模型，附加湍流模型。气固相之间采用Schiller-naumann 计算相互间阻力。由于需要观测流场随时间的变化情况，故采用非定常的瞬态求解方法来模拟，空间离散格式采用二阶迎风格式，时间步长取0.001 s，流场求解采用SIMPLE算法。

1.2.3 控制方程 由于风沙流之间热量交换可忽略不计，故不涉及能量方程。本文模拟气流为不可压缩流，模拟包含的控制方程主要有连续方程、动量方程和湍流模型方程。标准k-ε模型的稳定性、经济性和计算精度均较高，使用范围广泛，适合高雷诺数的湍流使用，满足本文的计算要求。该模型需要求解湍动能及其耗散率方程，湍动能运输方程是通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过推理以及数学上模拟相似原形方程得到。湍动能k和耗散能ε方程如下：

湍动能k方程：

耗散能ε方程：

1.2.4 防风效率 通过防风效率来反映植株对气流的削减作用，公式如下：

式中：x为距植株的水平距离；z为距地面高度；ηxz为（x，z）处的防风效率；vxz为气流经植株后在（x，z）处的风速值；vz为未经植株在z高度处的初始风速值。

1.3 野外现场试验设计

为了验证模拟的可靠性，在中国科学院策勒沙漠研究站实验观测场开展野外试验。试验时间为3—5 月，此时该地区气温回升，风沙活动尤为频繁。选择零散分布自然生长干枯骆驼刺的沙地以及无植被生长的裸沙地布设样地，样地大小为6 m×6 m，其中骆驼刺样地以骆驼刺为中心建立，并保证该样地内有且只有2 个沿主风向分布的间距为1 m的植株。在两植株中间位置以及裸沙地样地中心布设集沙仪（图3）。集沙仪设置16 个集沙盒，每个集沙盒口径为1.5 cm×3 cm，收集距地表0～48 cm 高度内的沙粒。集沙仪的开口与观测期间风向正对，其底部与地面齐平。集沙时长为24 h，开始集沙时打开集沙仪进沙口，集沙结束后将其关闭并将收集到的沙粒带回实验室，用精度天平进行分层称重。

图3 集沙仪Fig.3 Sand sampler

输沙率表示在一定风速和沙源条件下，地表的输沙能力［27］。为表述统一，本研究使用输沙率作为描述单位时间、单位面积风蚀物质量的物理量，单位采用g·m-2·min-1。假设某个高度处的集沙盒在某一时间段T（min）内收集的沙子质量为m（g），则输沙率Q为：

式中：S为集沙盒入口面积，取值为0.00045 m2。

2 结果与分析

2.1 流场模型合理性验证

俞明聪［28］的研究表明，风沙运动中沙粒体积分数与输沙率的分布情况一致。本文利用野外试验得到的输沙率数据作为对照，通过数值模拟获取植株1 背风侧0.5 m 处沙粒体积分数随高度的变化规律，两者进行对比验证。图4、图5显示，植株后输沙率和沙粒体积分数随高度的分布基本一致，在15～24 cm 高度处两者均出现波动，呈现出先增大后减小的规律，形成此现象的原因与植株在不同高度处的防风效率不同有关，同时，植株后的涡流效应可能会产生一定的影响。就野外试验得到的输沙率而言，相较于裸沙地近地表处的输沙率，骆驼刺后0.5 m处30 cm高度以下的输沙率大大降低，其阻沙能力良好。验证结果总体呈现较好的一致性，因此数值模拟中流场设置相对合理可靠，后续将采用相同的流场设置进行模拟。

图4 输沙率随高度变化（野外试验）Fig.4 Variation of sediment transport rate with height(field test)

图5 沙粒体积分数随高度变化（数值模拟）Fig.5 Variation of sand volume fraction with height(numerical simulation)

2.2 干枯骆驼刺植株周围流场特征

为研究植株影响下的流场特征，选择高度2 m处风速为6 m·s-1的风速廓线进行模拟（下文速度未作特别说明均为2 m高度处的风速），流场变化云图如图6 所示。从图6 可以看到，植株明显改变了流场的分布，气流形成分区，为遇阻减速区、抬升加速区、紊流减速区、恢复区。在植株1 前1 m 范围内，受植株的阻碍作用，气流随靠近植株速度逐渐减小；植株1 处，气流产生汇聚并受到抬升，植株1 上方风速增大，50 cm 高度处的风速由4.63 m·s-1增大至5.01 m·s-1，增大8.21%，而植株2在植株1的有效防护距离内，其上部并没有形成明显的加速区；植株1、2 之间以及植株2 之后一段距离内风速减小，形成明显大范围的紊流减速区，该区域内沙粒所获动能减小，易形成沉积；随着气流逐渐远离植株区域，气流受到的扰动作用减弱，速度逐渐恢复。

图6 植株周围风速云图Fig.6 Cloud chart of wind speed around the plant

气流在植株处受到挤压，越过植株后，产生分离，过流断面增大，由于能量差异，形成向下运动的分流，靠近地面处的气流返回入口方向，从而形成了回流，即在植株背风侧减速区产生反向气流，形成涡流现象，但由于植株具有良好的疏透度，该现象并不是特别明显。由图7 可知，流场内形成3 个主要涡流区域：涡流1处于两植株之间的区域，涡流2处于植株2至距入口7.8 m处，涡流3处于7.8 m至距入口10.5 m处，3个回流范围均较大，而强度均较小。涡流3 产生的原因可能是受涡流2 末端的影响，气流再次受到挤压后形成了微弱的涡流，其后气流逐步恢复。在涡流区域，沙粒会被分成两部分，一部分沙粒随气流回流并逐步沉积，另一部分随涡旋气流进入气流主流区离开。回流区的范围越大、强度越弱，越多的沙粒会沉积在植株附近，阻沙能力越强，这也反映出植株在防风阻沙方面远优于无孔隙度的障碍物。

图7 植株周围风速矢量图Fig.7 Vector diagram of wind speed around the plant

2.3 干枯骆驼刺植株的防风效果

2.3.1 速度分布特征 以6 m·s-1为入口风速，风速方向为正向，提取0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、1.5 m高度处风速的水平速度分量绘制沿程分布图，其中，植株实体位置处风速取值为0。由图8 可知，1.5 m高度处的水平风速一直处于稳定状态，其他5个高度处的气流受到了不同程度的扰动。0.4 m、0.5 m处的水平风速在植株前先略微减小，经植株抬升速度增大后，越过植株后平稳减小，最终在距入口14 m后逐渐恢复到初始风速。0.4 m处水平风速沿程最大增加7.87%，最大可以降低39.93%，0.5 m处则分别为8.29%、17.99%，增幅接近，降幅则呈现越靠近地面越大的规律。在等于或低于植株的高度处（0.1 m、0.2 m、0.3 m），气流受到的扰动增加，水平风速在越过植株后呈现出不同的变化规律。首先，不存在明显高于初始水平风速的阶段，即风速沿程整体呈现出被削减的状态，这与在低于植株的高度内产生了有效的防护有直接关系。当风速减小至负值时，表明此处产生回流，附近范围内会有涡流形成，0.1 m高度处的气流在较大的范围内存在回流现象，该高度附近是涡流现象的主要回流区，沙粒的沉降也主要在该高度内发生。其次，气流2次越过植株后，水平风速均呈现“W”型分布，在两植株之间，风速运行较为稳定。总体而言，除植株处，各高度水平风速沿程变化整体较平缓，无剧烈扰动，同时在较大范围内低于入口风速，有利于抑制风沙流，促进沙粒沉降。

图8 不同高度气流水平速度分量沿程分布Fig.8 Distribution of horizontal airflow velocity components at different heights

以6 m·s-1为入口风速，在距入口4.5 m、5.6 m、6 m、7.2 m、7.8 m、10 m 处取垂直截面，绘制水平风速分量随高度分布图。从图9可以看到，4.5 m处的水平风速基本以较为平稳的趋势增加，该位置处于植株1 前0.5 m 处，气流受植株影响相对较小，变化的幅度也相应的较小。5.6 m、6 m 处于两植株之间，7.2 m处于植株2后0.6 m处，3个位置处的水平风速在0.6 m高度以下均呈“W”型分布，随着高度的不断增加，水平风速不断减小至负值，即出现回流，负值主要存在于0.08～0.14 m高度内，并在0.12 m附近出现第1 个极小值，即5.6 m、6 m、7.2 m 处分别为：-3.3 m·s-1、-0.23 m·s-1、-0.15 m·s-1；随着高度增加，水平风速增加后再次减小，并在0.27 m附近达到第2个极小值（1.09 m·s-1、1.39 m·s-1、0.58 m·s-1），该处并未产生回流。10 m 处的水平风速整体呈现随高度增加而增加的规律，以0.1 m高度为节点，其下为回流，其上为正向流动，这正是上文分析的较大范围的涡流3。总体而言，0.6 m高度是风速发展的重要分界点，其下风速先被减小，到达0.3～0.6 m 处再以较大的加速度发展，其上风速几乎不受植株的影响，风速恢复对数分布，各位置风速达到一致。因此，植株的防护高度为0.6 m，同时0.3～0.6 m内风速急剧加速的现象值得引起注意。

图9 不同高度气流水平速度分量沿高分布Fig.9 Distribution of horizontal airflow velocity components along different heights

2.3.2 植株的防风效率 风沙流的运动过程中沙粒主要集中在近地面0.3 m高度内，因此选取风速为6 m·s-1、10 m·s-1时，0.1 m、0.2 m、0.3 m 3 个高度处的防风效率进行研究。图10显示，不同风速下防风效率整体呈现出随着远离植株下降的趋势。当入口风速为6 m·s-1时，株后5.3 m范围内，0.3 m高度以下的防风效率均高于40%，各高度处风速在距离植株7.4 m处接近，为30%左右；0.1 m高度处的防风效率整体较高，尤其是在距植株3.9 m范围内，总体高于80%，在植株后1.2～1.6 m、2.8～3.2 m 处出现波动，5.5 m 后降低到50%以下；0.2 m 高度处的防风效率在1.3 m 范围内先减小后增大，1.3 m 后防风效率逐渐减小并在1.75 m 处开始低于80%，植株后5 m 降低到50%。相较于0.1 m、0.2 m 处，0.3 m 高度处的防风效率呈现出随远离植株更为稳定的减小趋势，防风效率低于80%，并在2.7 m 处降低到50%以下。当入口风速为10 m·s-1时，0.1 m高度内的防风效率在近距离内良好，但4.26 m后迅速减小，0.2 m、0.3 m处也有类似的变化规律；株后5.3 m范围内，0.2 m高度以下的防风效率均高于30%，0.3 m 处减小到16.56%。总体而言，风速增大，植株的防风效率减小，且该现象随高度增加愈加明显；当风速较小时，植株的防护范围较大，防风效率较高，当风速较大时，贴近地面处防风效率较高，但在达到某一距离后其减小速率增大，植株较快的失去有效的防护，防护范围也相应减小。

图10 防风效益Fig.10 Protection benefit

2.4 干枯骆驼刺植株周围积沙特征

风是沙粒运动的直接动力，风速的改变直接影响沙粒的运动状态。受植株的影响，一方面风速减小，沙粒沉降，另一方面，运动的沙粒遇植株受阻，形成积沙。为研究不同风速条件下植株对积沙的影响，取入口风速为6 m·s-1、10 m·s-1、20 m·s-1，模拟得到t=4 s、t=10 s 不同风速条件下的积沙云图（图11）。从图11可以看到，不同风速条件下，随着运动时间的增加，积沙会不断增加，并在某一时刻达到该风速下的稳定状态。当入口风速为6 m·s-1时，沙粒先在植株1附近、植株2迎风侧处沉积，随后在植株1 处及两植株之间不断积累，植株1 附近的积沙明显大于植株2附近的积沙，这是由于气流遇植株1受阻、风速降低、搬运沙粒能力下降导致的，与前文风速分析结果相对应。当入口风速为10 m·s-1时，同样是在植株1 附近及两植株之间形成积沙，但当t=10 s时，植株1附近的积沙相较于同时刻入口风速为6 m·s-1时减少，更多的积沙出现在植株2 前。随着入口风速增加到20 m·s-1，在2个时间点均呈现植株2处形成更多的积沙的现象，尤其是当t=10 s时，植株1附近的积沙与t=4 s时无明显差别，均存在少量积沙，而植株2前后形成大量积沙，甚至形成小沙堆。分析其原因如下：风沙流经过植株时气流速度发生明显改变，当风速较小时，植株1 的削减作用，使其前后一定范围内的流速降低到起沙风速以下，风沙流处于过饱和状态，沙粒沉降堆积，但当风速较大时，虽然植株1 对风速有削减，但减弱能力有限，风速仍大于起沙风速，风沙流处于非饱和状态，仅小部分沙粒受阻沉积，大部分沙粒继续运动，植株2对气流形成二次削减，附近风速大大降低，此时大量沙粒沉积，形成积沙，同时，植株2 后较大范围的回流也促进了沙粒的沉积。

图11 植株周围积沙云图Fig.11 Sand accumulation cloud atlas around the plant

研究显示，植株具有良好的阻沙能力。在野外，随着时间的推移，不同速度风沙流交替运行，植株附近沙粒不断堆积，植物也通过生理作用适应风沙活动，经过长时间的相互作用，植株附近形成沙堆，也就是常说的灌丛沙堆。灌丛沙堆或大或小，从几十厘米到几米不等，这与植株的大小、风沙活动的强弱、当地环境特征等多种因素有关。由于野外风速多变，较小风速下，前面的植株可使沙粒沉降，但当风速较大时，则需要后面的植株进行叠加作用，因此多植株比单植株更易形成灌丛沙堆，且其会受到植株布局的影响。通过栽种植物或者利用类似于植株的材料进行防风治沙时，要考虑到区域的风速特征，在易形成高风速风沙流的地区，应尽量布设双行甚至多行来达到较好的效果。

3 讨论

引起风沙灾害、影响土壤风蚀强度的因素有很多，包括风场、土壤性质、地表条件等，植被覆盖是地表条件的主要影响因子之一。由于区域内风场、土壤性质具有固定性，利用植被改变地表条件以达到防风固沙、抑制风蚀的目的是十分有效的措施，因此对植被影响下流场特征的研究尤为关键。但是，由于植被及其影响下的地表极其复杂，不同覆盖度、高度、树冠疏透度、配置模式的植被对地表物质条件及风速的影响均有差异［29］，使得该研究十分困难。

植被主要通过2 个机制对风沙活动产生影响，学者们根据侧重点不同，针对这2 个方面分别展开研究。一方面，植物改变风场特征，降低风速，同时对沙粒造成阻碍，沙粒沉降。徐高兴等［30］通过风洞试验，模拟了4种配置模式下梭梭林（Haloxylon ammodendron）的固沙效果，研究表明不同配置模式会影响流场运行特征，改变固沙效果，但当植被覆盖度达到32.37%时，各配置模式下梭梭林的固沙效果差异不显著。对于小型灌木，受植株形态的影响，枝下高度大的植株形成的“狭管效应”会加速地表的风蚀作用，形态低矮且疏透度小的植株防风阻沙效果更明显，有效防护距离更大［31］。另一方面，植物通过生物作用使土壤形成有机质层，固定土壤，减小地表剪切力，提高地表起沙风速，降低沙粒流动幅度，从而达到防风固沙的效果。王佳庭等［32］对乌兰布和沙漠不同植物群落影响下，土壤可蚀性因子的研究发现，不同沙地可蚀性颗粒含量、有机质含量、土壤结皮因子、土壤含水率受植被影响存在差异，梭梭、白刺（Nitraria tangutorum）等灌木植物群落比沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、盐爪爪（Kalidium foliatum）等草本植物群落更能降低土壤风蚀作用；吴楠等［33］的研究表明，植物作用下土壤有机质、养分促进土壤结皮的形成和发育，使土壤具备更强的蓄水能力和抗风蚀能力。数值模拟的方法可以较好地反映出植株第1 个防风阻沙机制的防护效果，但难以综合反映植物的生物作用。

不同物候期，植株的冠层形态、茎枝柔韧性、叶面积以及由此导致的地上生物分配模式具有差异，其阻沙能力不尽相同［34］，而灌木植株附近沙堆的高度受植物高度的控制，沙堆的半径受冠幅的控制，沙堆的生长发育受形态参数的影响［35］。基于生长季骆驼刺与非生长季骆驼刺在高度、冠幅及孔隙度方面的差异［31］，本文的植株模型通过较小的高度和冠幅、较大的孔隙来表现非生长季骆驼刺的形态具有一定的可靠性。后续研究中需优化生长季骆驼刺植株模型，同时考虑植物生物作用以及野外非定常来流因素的影响，以获得更全面、准确的结果。同时，模拟结果显示出2 个植株附近这一极小尺度下流场的运行情况，大尺度背景下不同覆盖度植株的协同作用是另一项重要的研究内容［36］，2 个尺度关系密切，小尺度环境影响大尺度流场的运行，大尺度又可进一步反映小尺度，因此进行相关研究对建立两者相互佐证十分关键。

4 结论

本文对30 cm 高度骆驼刺的形态进行简化，建立二维模型，运用数值模拟的方法对风沙流经过植株后的风速特征和积沙特征展开研究，并利用野外试验验证其可靠性，研究结论如下：

（1）植株附近流场大致可以分为遇阻减速区、抬升加速区、紊流减速区和恢复区。植株周围会形成3 个微弱的涡流，分别位于两植株之间、植株后1.2 m内以及1.2～2.7 m内。靠近植株处涡流的回流区主要存在于0.09～0.14 m高度内，远离植株处的回流区位于0.1 m以下。

（2）当风速为6 m·s-1时，30 cm高度植株主要影响0.6 m以下的水平风速，在离开两植株8 m左右恢复到初始状态，植株附近的风速沿程呈“W”型分布。植株后一定距离内的水平风速随高度增加存在2 次减小过程，并在0.3～0.6 m 高度范围内，沿高度以较大的加速度增大后，逐步恢复至初始风速廓线状态。

（3）植株的防风效率整体呈现出随风速增大而减小的规律，且该现象随高度增加愈加明显。由于植株具有良好的疏透度，其防风效率整体良好，防护距离较大，当风速为6 m·s-1时，植株后5.3 m范围内，0.3 m 以下的防风效率高于40%，当风速增加至10 m·s-1时，该值减小至16.56%。

（4）植株的阻沙能力良好。不同风速条件下，随着时间的增加，积沙会不断增加并达到稳定。当风速较小时，积沙主要集中在前方植株附近以及植株之间的区域，随着风速的增大，气流经多次削减后沙粒沉积，积沙有后移的趋势。