三種典型地表風速廓線的試驗研究

常佳麗，陳 智，陳 燕，仇 義，商曉彬

(內蒙古農業大學 機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

三種典型地表風速廓線的試驗研究

常佳麗，陳 智，陳 燕，仇 義，商曉彬

(內蒙古農業大學 機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

風速廓線；空氣動力學粗糙度；抗風蝕能力

針對北方土壤風蝕問題，用RMTO型多通道無線風速廓線儀對內蒙古四子王旗3種典型地表——天然草地、灌草帶狀修復草地和傳統秋翻耕農田的近地表風速廓線進行研究，定量分析了3種不同地表的空氣動力學粗糙度及其抗風蝕能力。結果表明：不同地表的近地表風速廓線形態不一，風速都隨測點高度的增加而增大，符合指數分布規律；粗糙度越大的地表其表面抗風蝕能力越強；灌草帶狀修復草地的粗糙度分別是天然草地和傳統秋翻耕農田粗糙度的2.1和5.0倍。

內蒙古陰山北麓農牧交錯區長期不合理的土地利用方式，導致生態環境嚴重惡化，風蝕、干旱與土地荒漠化進一步加劇，嚴重影響地區資源開發和經濟社會持續穩定發展[1]。

提高地表空氣動力學粗糙度是防治土壤風蝕的主要措施之一[2-3]。國內許多學者針對保護性耕作對農田土壤風蝕的影響進行了大量研究[4-8]，結果表明，不同保護性農耕方式對土壤風蝕的影響效果不同，土壤風蝕率隨著地表空氣動力學粗糙度的減小而增大。但是，已有研究的對象集中在農田地表，研究方法多是通過采集土壤風蝕量來評價地表風蝕強度，而對天然草地、帶狀修復草地抗風蝕能力的研究相對較少。近地表風速廓線可間接地反映地表土壤風蝕強度。基于此，本研究以位于內蒙古陰山北麓農牧交錯區的內蒙古自治區烏蘭察布市四子王旗為研究區，采用RMTO型多通道無線風速廓線儀分別對天然草地和灌草帶狀修復草地的近地表風速廓線進行定量測試，以傳統秋翻耕農田為對照，計算地表空氣動力學粗糙度，進而分析不同地表對近地表風速廓線的影響及其抗風蝕能力。

1 試驗區概況與研究方法

試驗區位于內蒙古自治區烏蘭察布市四子王旗，地理坐標為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，春秋兩季6級以上強風和沙塵天氣頻繁，土壤風蝕作用強烈[3,9]。

選擇較為典型的天然草地、灌草帶狀修復草地和傳統秋翻耕農田，分別對其近地表風速廓線和地表空氣動力學粗糙度進行計算。天然草地的草株平均高度為15 cm，植被覆蓋度為83%～90%。灌草帶狀修復草地平均帶間距為6 m，灌草帶寬約1.5 m、高約70 cm，草株平均高度為2 cm，植被覆蓋度小于10%。傳統秋翻耕農田的植被覆蓋度幾乎為零。

2 試驗儀器與試驗方法

2.1 試驗儀器

RMTO型多通道無線風速廓線儀的外殼采用楔形結構，整體高度為90 cm，楔形測量部分高度為70 cm，固定底盤高度為20 cm，傳感器探頭長10 cm，整體結構見圖1。由于導致土壤風蝕的風沙主要集中在距地表60 cm高度范圍內，其近地表風速分布在高度上符合指數分布規律[9]，因此8路風速傳感器被分別固定在距固定底盤2、4、8、16、23、32、45、64 cm的位置，從而實現近地表風速廓線的實時測量。該儀器具有硬件溫度補償、無線數據傳輸和自動風向識別功能，還集成了溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器和單片機控制系統等，實現了被測點處環境溫度、濕度、大氣壓力等信息的測量。當風速在0～16 m/s時，各風速傳感器的測量誤差在±0.13 m/s范圍內。

圖1 RMTO型多通道無線風速廓線儀整體結構

2.2 試驗方法

將風速廓線儀分別置于灌草帶狀修復草地、天然草地和傳統秋翻耕農田等3種不同地表進行測試，通過對比距地表2和64 cm高度處的風速，分析不同地表的粗糙度，判斷不同地表的抗風蝕能力。試驗過程中，為了使所測數據具有可比性，選取距離地面2 m處的瞬時風速(9 m/s)作為參照。

將風速廓線儀置于灌草帶狀修復草地，分別測量距灌草帶內邊緣1、2、3、4、5、6 m且平行于保護帶的6個測點的風速廓線，并計算各個點的地表空氣動力學粗糙度。數據采集時，選取距地表2 m高處風速為5 m/s時的數據作為參考風速進行比較，判斷距灌草帶不同位置處地表的抗風蝕能力。

近地表風速與距地表高度成正比，近地表風速在距地表高度上符合指數分布規律。風速廓線的擬合方程主要有對數規律和指數規律兩種。本試驗采取指數規律對風速廓線進行擬合，即用指數廓線方程的最小二乘法來逼近實際的風速廓線[10]。

地表空氣動力學粗糙度是指近地表平均風速為0處的高度，野外3種不同地表粗糙度Z0的確定是以風速按對數規律分布為依據的[11]。理論上某一固定地表的粗糙度應該是一個定值，然而在實際測定時，由于影響粗糙度的因素比較多，所以在同一地點測定多次，每次的結果都不相同。經過長期的野外觀測和整理分析大量實測數據發現，即使是同一組數據，用不同的計算方法所得的結果差異也較大[12]。經過分析研究，最終認為先對風速求平均值然后計算粗糙度的方法是比較合理、精確和科學的[13]。測定距地面任意兩個高度Z1、Z2及它們對應的風速V1、V2，則有

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

(1)

A=V2/V1

(2)

式中：A為風速比。

3 結果與分析

3.1 風速廓線

測試時，環境溫度15～17 ℃，濕度21.4%～23.6%，大氣壓力852 hPa，最大風速11.5 m/s，最小風速1.8 m/s，保持風速廓線儀最下方風速傳感器距離地表高度2 cm。風速廓線儀設置見圖2，試驗數據見表1、2。

圖2 風速廓線儀設置(不同視角)

表1 不同地表風速隨距地面高度的變化規律

注：灌草帶狀修復草地的風速廓線儀置于距灌草帶內邊緣1 m處。

表2 灌草帶狀修復草地風速隨距地面高度的變化規律

為了進一步直觀討論不同地表所測試的風速廓線隨距地面高度的變化規律，對表1、2所記錄的數據進行近地表風速廓線的擬合(圖3、4)。由表1和圖3可知：灌草帶狀修復草地、天然草地和傳統秋翻耕農田，距離地面2 cm處的風速相較64 cm處的風速降低幅度分別為86.7%、72.5%、59.1%；傳統秋翻耕農田的風速廓線變化最緩慢，當高度從64 cm降到2 cm時，風速從7.95 m/s下降到3.25 m/s，風速降幅最小，抗風蝕能力最弱；灌草帶狀修復草地的風速廓線變化最明顯，當高度從64 cm降到2 cm時，風速從7.12 m/s下降到0.95 m/s，降幅最大，抗風蝕能力最強。由表2可知：當灌草帶高度一定時，距離灌草帶1～6 m各測點處距離地面2 cm處的風速相較64 cm處的風速降低幅度分別為82.5%、80%、76.2%、74.3%、70.8%和67.7%，即隨著風速廓線儀位置與灌草帶距離的增大，風速降低幅度減小。隨著風速廓線儀位置與灌草帶距離的增加，灌草帶狀修復草地距地表2 cm處的風速明顯增加，而距地表64 cm處的風速提升幅度則較為緩慢。由圖4可知，當灌草帶高度一定時，風速廓線儀位置距離灌草帶越近，近地表風速廓線的變化越明顯，近地表風速越小，地表抗風蝕能力越強，即風速廓線的變化程度與風速廓線儀位置有關。測點高度在32 cm以下的風速廓線的斜率小于測點高度在32 cm以上的風速廓線的斜率。試驗結果基本符合帶狀修復地表的風速變化規律。

圖3 不同地表風速廓線

圖4 風速廓線儀與灌草帶內邊緣不同距離處灌草帶狀修復草地風速廓線

3.2 地表空氣動力學粗糙度

地表空氣動力學粗糙度值越大，意味著土壤表面對風速的削弱作用越明顯，抗風蝕能力越強；土壤風蝕率越大，抗風蝕能力越弱；地表空氣動力學粗糙度隨著土壤風蝕率的增大而減小，可見地表空氣動力學粗糙度與土壤抗風蝕能力關系密切。因此，通過對3種不同地表和距灌草帶內邊緣不同位置處的灌草帶狀修復草地的地表粗糙度進行計算，可研究不同地表粗糙度對近地表風速廓線的影響程度。分別選取距地表4 cm和64 cm兩個高度的風速來計算3種不同地表的地表粗糙度見表3，距灌草帶內邊緣不同距離處的灌草帶狀修復草地地表粗糙度見表4。

由表3可知，試驗得到的灌草帶狀修復草地、天然草地、傳統秋翻耕農田的地表粗糙度依次減小，符合實際地表情況。進一步試驗表明，灌草帶高度為70 cm左右時，灌草帶狀修復草地地表粗糙度最大，土壤風蝕率最小，抗風蝕能力最強；天然草地的草株平均高度不超過20 cm時，其地表粗糙度較灌草帶狀修復草地的低，抗風蝕能力也較弱；傳統秋翻耕農田無任何保護措施，土壤完全裸露，受風力影響最大，土壤風蝕率最大，抗風蝕能力最弱。可見，提高地表的粗糙度是降低土壤風蝕的有效措施。由表4可知，距灌草帶內邊緣不同距離的灌草帶狀修復草地地表空氣動力學粗糙度存在著一定的差異，距灌草帶內邊緣越近，地表空氣動力學粗糙度越大，土壤風蝕率越小，抗風蝕能力越強。

表3 3種不同地表的粗糙度

注：風速比A=V60/V4。

表4 距灌草帶內邊緣不同距離灌草帶狀修復草地地表粗糙度

4 結 論

(1)不同地表的近地表風速廓線均符合指數函數規律，近地表風速廓線的變化程度和地表空氣動力學粗糙度間接反映其地表的抗風蝕能力。風速廓線斜率越大，抗風蝕能力越強；地表空氣動力學粗糙度越小，抗風蝕能力越弱。

(2)灌草帶狀修復草地、天然草地、傳統秋翻耕農田等3種地表的風速降幅因其地表粗糙度不同而不同，在距離地表2 cm處最低測點的風速相較64 cm處最高測點的風速降低幅度分別為86.7%、72.5%和59.1%。

(3)當灌草帶高度一定時，距灌草帶內邊緣越遠的地表粗糙度越小，對應的近地表風速廓線越平緩，抗風蝕能力越弱，帶間風速廓線的變化程度隨著距離灌草帶內邊緣距離的增加而變平緩。

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(責任編輯 李楊楊)

國家自然科學基金項目(41361058，41161045)

S157.1

A

1000-0941(2017)03-0041-04

常佳麗(1991—)，女，山西大同市人，碩士研究生，研究方向為工程測試及其技術裝備研究；通信作者陳智(1962—)，男，內蒙古察右前旗人，教授，博士生導師，研究方向為測試控制技術及其自動化。

2016-08-30