《International Soil and Water Conservation Research》：Assessment of the influence of plant shape and porosity on the wind shadow area based on numerical simulation
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本文针对如何通过植被配置有效防治土壤风蚀这一关键问题，研究人员通过数值模拟系统研究了五种植物形状（椭球形、圆柱形、正三角形、倒三角形、伞形）和不同孔隙度对下风向风影区特征的影响。研究定义了基于摩擦速度与参考高度风速比值（u*/Uh）衰减50%的风影区范围，发现植物形状和孔隙度显著影响风影区的形态和面积大小，并建立了风影区面积与孔隙度及u*/Uh的多元线性函数关系。该研究为风蚀区植被恢复的物种优选提供了理论依据，对精准防治土壤风蚀具有重要意义。
在广袤的干旱半干旱区，肆虐的风沙是土地退化和生态环境恶化的元凶之一。建立植被等不可蚀粗糙元是控制风蚀的常见方法，它们能有效减少暴露在风下的土壤面积、捕获运动颗粒并吸收气流动能。其中，植物的高度、密度、宽度、形状、排列和孔隙度是影响其阻挡风沙能力的关键因素。然而，当前研究多集中于分析遮蔽区下游流线的汇聚和植物后方风速降低的程度，对风影区空间分布和面积的定量评估仍然有限，且缺乏对风影区边界的统一定义方法。这限制了我们对植被防风蚀效能的精确预测与优化配置。为了解决这一问题，一项发表在《International Soil and Water Conservation Research》上的研究，通过先进的数值模拟技术，深入探究了植物形状和孔隙度如何塑造其身后的“避风港”——风影区。
为了精确量化植物形态与孔隙度对风影区分布特征的影响，研究人员设计了一套严谨的数值模拟实验。其核心采用了雷诺平均纳维-斯托克斯（Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS）方程来描述风动力学，并选用了能更准确计算近壁面气流和捕捉流动分离的k–ω SST湍流模型。研究设定了长1.5米、宽0.5米、高0.5米的计算域，并将植物模型按实际尺寸的五十分之一进行缩放后置于其中。研究重点考察了五种具有代表性的植物形状：倒三角形（如梭梭）、伞形（如沙枣）、圆柱形（自然界较少，但作为理想粗糙元常被研究）、正三角形（如仙人掌）和椭球形（如沙柳）。同时，设定了0、0.05、0.1、0.2、0.3和0.5共六种光学孔隙度（Optical Porosity），并假设孔隙均匀分布且不随风速改变。入口边界条件采用对数风速剖面，模拟了不同的来流摩擦速度（u*∞= 0.28, 0.36, 0.43, 0.50, 0.57 m/s）。研究首先通过对比无植物条件下风洞实验与模拟的风速剖面，验证了计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模型的可靠性，相对标准偏差（RSD）结果显示模拟与实验高度吻合。最关键的一步是明确风影区的界定标准。借鉴Raupach (1992)的研究，本研究使用u*/Uh（u*为摩擦速度，Uh为0.25米高度处的风速）作为无量纲风速。通过比较不同衰减阈值（40%, 50%, 60%, 70%）下无孔隙圆柱形植物的风影区，最终确定将u*/Uh衰减超过50%的区域定义为风影区，以兼顾防风效果和区域的完整性。
3.1. 风影区的分布
模拟结果清晰地展示了五种植物在不同孔隙度下风影区的形态差异。倒三角形植物的风影区大致呈椭圆形，但随着孔隙度从0增加至0.5，其形状逐渐变得不规则和锯齿状。伞形和圆柱形植物的风影区形状大致为椭圆形或三角形。正三角形植物在孔隙度为0、0.2、0.3和0.5时产生三角形风影区，在其他孔隙度下则为不规则四边形。椭球形植物的风影区形态呈现过渡性变化，在孔隙度为0时呈椭圆形，随着孔隙度增加逐渐转变为三角形分布。研究还发现，在固定孔隙度下（例如0.2），不同植物形状的风影区形态不随来流摩擦速度的变化而改变，表明形态主要受植物形状和孔隙度控制。
3.2. 风影区的大小
风影区的面积大小对防风蚀效果至关重要。研究发现，在相同条件下，五种植物形状的风影区面积大小顺序为：椭球形植物 > 正三角形植物 > 圆柱形植物 > 倒三角形植物 > 伞形植物。孔隙度对风影区面积的影响因植物形状而异。椭球形和正三角形植物的风影区面积在孔隙度为0.3时达到峰值，随后随孔隙度增加而减小。倒三角形和圆柱形植物的风影区面积则随孔隙度增加呈减小趋势。伞形植物的风影区面积最小，且随孔隙度变化不大，表明孔隙度对伞形植物的风影区影响微弱。通过回归分析，建立了风影区面积（A）与孔隙度（Φ）之间的二次函数关系：A= aΦ2+ bΦ + c，拟合优度（R2）较高，且显著性检验（P值）表明孔隙度对风影区面积有显著影响。此外，风影区面积与u*/Uh也呈现显著的二次函数关系（除正三角形植物在某些情况下趋势不同外），一般随风速比值的增大而减小。最终，对于给定的植物形状，风影区面积可以表示为孔隙度和u*/Uh的多元线性函数：A= m× (u*/Uh) + n× Φ + p，这进一步证实了风影区面积受这两个因素的共同制约。
研究的讨论部分对几个关键问题进行了深入分析。首先，关于流场简化（如稳态、不可压缩等假设），虽然可能在预测壁面剪切应力和湍流动能时存在一定偏差，但由于本研究主要关注植物形态对风影区宏观特征的影响，这些简化对主要结论影响有限。其次，模型缩放（本研究将植物缩小至实际尺寸的1/50）可能会影响雷诺数效应和涡旋脱落频率，但在所有模型采用相同缩放比例和参数设置下，便于进行定量比较，对研究结论的影响较小。关于风影区的定义，选择“u*/Uh衰减率≥50%”作为阈值具有坚实的科学基础。因为当风速降至原始风速的50%时，在大多数常见风况下，地表沙粒难以启动输运，这实质上划定了一个“低风蚀区”，在实践中能有效控制风蚀过程。最后，关于孔隙度与风影区的关系，本研究结果与已有研究存在对话。例如，有研究认为低孔隙度与高孔隙度粗糙元在防风效果上无显著差异，本研究发现伞形植物有此类似现象。而中等孔隙度（30%-50%）的防护林通常被认为是最优的，它们允许部分气流穿透，通过林带内部的摩擦耗散风能，从而产生更平缓的减速、更长的顺风保护区和更弱的湍流。本研究中椭球形和正三角形植物在孔隙度0.3时风影区面积最大，与此观点有契合之处，但也揭示了最优孔隙度可能因植物形状而异。
综上所述，这项研究通过精细的数值模拟，首次系统揭示了植物形状和孔隙度对风影区形态和面积的定量影响规律。研究明确了基于空气动力学原理的风影区定义，并建立了风影区面积与关键参数之间的数学关系。最重要的发现在于，不同形状的植物其最优防风孔隙度并不相同，椭球形和正三角形植物在中等孔隙度下能产生最大的风影区，而倒三角形和圆柱形植物则在低孔隙度下表现更佳，伞形植物则受孔隙度影响较小。这些结论挑战了单一最优孔隙度的传统观点，强调了在风蚀防治实践中，需要根据具体选用的植物形状来针对性配置密度或选择物种。该研究不仅深化了对植被-风-沙互作机理的理解，也为干旱半干旱区风蚀防治中的植被恢复、物种优选和精准配置提供了直接、量化的科学依据，对推动生态工程的精准化和高效化具有重要意义。未来研究可进一步探索统一的植物形态描述参数，以便更普适地量化植物对风影区特征的影响。
