和田—若羌铁路(简称和若铁路)位于塔克拉玛干沙漠边缘^[1]，这里风沙活动强烈，风沙灾害严重，在铁路部分路段采用了植物林带进行防风固沙。

作为最根本、最有效的方法^[1-2]，林带成为防沙措施的一个重要组成部分，被广泛设置于铁路迎风侧，拦截过境风沙流。经过长期试验，包兰线沙坡头段近70年^[3]来取得了较好的生态效益，保证了铁路的安全运营^[4-5]。然而，植物防护宽度^[6-10]一直以来没有定量分析，一般根据地区经验确定，防护宽度越宽，成本越高，防护效益越好^[11-15]。经济有效的林带配置模式^[16-20]，减少铁路建设和运营成本具有重大意义。

为合理布置和若铁路铁路沿线的风沙防护林带，本文通过风洞实验对防沙林带的宽度、间距及体系配置模式进行研究。整个实验时间为2022年5月，实验结果指明了针对和若铁路风沙防护林带的优化配置模式，为工程建设提供了有力的指导资料。

1 植物风洞模型建立

按照相似理论，要做到自然界的风沙现象与室内模型试验完全相似是几乎不可能的^[21-22]，一般只进行近似模拟。本文试验采用直流式风洞(横截面尺寸为1.35 m×1.45 m)。在风洞中模拟风沙运动很难做到完全相似，本实验考虑了几何相似和运动相似，风洞入口处采用对数风速廓线，并采用Nemoto相似准则^[22]:

$ \frac{u_m}{u_a}=\left(\frac{L_m}{L_a}\right)^{1 / 3} $

(1)

式中：u_m，u_a分别为研究模型和实际模型的风速(m/s)；L_m，L_a分别为研究模型和实际模型的几何尺寸。本试验选择模型树的缩尺比例为1∶50, 沙源选择沙漠原沙, 平均沙粒粒径为260 μm。

为避免边壁效应，本文考虑了两个方面内容，一是满足湍流效应^[23]要求，二是满足风洞试验阻塞比要求。

根据前人^[24]对沙栅后湍流效果研究，当沙栅长度和高度的比超过11.5时，侧壁效应产生的涡流区会大大减小。林带布置的风洞试验与沙栅的试验高度类似，本试验的梭梭和沙拐枣林布置的宽度和高度比为20，满足此要求，因此可以忽略侧边造成的湍流效应影响。

为避免出现侧壁效应。本文采用最大阻塞比来表征^[25]。最大堵塞比BR₁为:

$ \mathrm{BR}_1=\frac{A_{\text {fence }}}{A}<0.1 $

(2)

式中：A_fence为林带的迎风面积; A为风洞横截面积。本试验中布林带试验的最大阻塞比是0.036, 满足上述要求。因此本试验可以认为侧壁效应有较小的影响。

风洞边界层厚度为65 cm，模型树的高度(6 cm)与边界层厚度的比值为0.092，可认为风洞模拟试验基本上只产生一个很小的影响^[25-26]。新疆和若铁路位于强风沙地区，梭梭和沙拐枣等植物常见于风沙防护体系中，因此试验以梭梭和沙拐枣为林带树种模型。一般植被种植密度是需要考虑环境的生态承载力的^[27]，但由于人工干预(如施肥和浇灌)，经实际调研，和若铁路沿线的梭梭防沙林的生长高度约为2~3 m，平均冠幅为2 m×2 m。沙拐枣相对梭梭而言株高相对较小，平均株高也接近3 m，平均冠幅为2.2 m×2.3 m。按照几何相似准则^[22]，将梭梭、沙拐枣按照1∶50的比例缩小(高度按照3 m计算，冠幅间距按1 m计算)，采用橡胶树模型，制成6 cm高的梭梭、沙拐枣模型(图 1)，将模型呈条带状，栽植于PVC板上，放置于距风洞前缘1 m处。模型株距、行间距为2 cm。为确定阻固沙林带的最佳配置模型，设置不同的林带宽度、不同林带间距和阻固林带配置模式。

2 林带宽度试验

阻沙林带布置时，不仅要考虑植被绿化美观性，更主要的是要考虑防护林带对铁路的防风防沙功能，因此林带布置一般沿铁路线采用条带式布置。首先是为了阻滞垂直于铁路方向的外围流沙进入铁路系统，包括路基和道砟，进而对铁路通行安全造成影响; 其次条带式布置的优势在于，各条带之间的风速锐减严重，条带之间的空留带可以滞留存储大量的垂直于铁路方向的外来流沙，从而达到阻沙和固沙的双重目的。

为了确定最佳阻沙林带条数，将梭梭、沙拐枣按照: 1行(沙拐枣)+1行(梭梭), 1行(沙拐枣)+3行(梭梭), 2行(沙拐枣)+3行(梭梭), 2行(沙拐枣)+5行(梭梭), 2行(沙拐枣)+7行(梭梭), 2行(沙拐枣)+9行(梭梭), 2行(沙拐枣)+14行(梭梭)布设。梭梭、沙拐枣株间距均为2 cm，行间距2 cm。布设模式以2行(沙拐枣)+14行(梭梭)为例，试验设置如图 2所示。每种组合模式分别在10, 12和14 m/s这3种风速条件下进行。风速廓线用比托管测定，测定高度依次为1, 2, 3, 5, 7, 10, 15，30和50 cm。

10 m/s风速条件下，不同防护林宽度的气流分布图如图 3所示。由图 3可知，气流靠近防护林体系，近地表风速降低，林带前出现了气流减速区。经防护林等值线压缩气流抬升，在防护林顶部出现局部加速区。当气流越过防护林(x=0 cm)，受背风侧低压区的影响，流线扩张，风速减弱，气流分离，在防护林背风侧出现了气流减速区。随着防护林背风侧距离增大，气流最终恢复到初始状态。

林带对风沙的防护效益主要体现在林带背风侧气流的衰减情况。从图 3可知，不同宽度防护林背风侧气流减速区的水平影响范围较为接近，均在x=80 cm左右; 但是随着林带行数从2行增加到14行，林带背风侧气流减速区的面积增加，说明林带行数越多，气流衰减面积越大，效果越好。由于水资源的限制及节约工程建设成本，大面积的防护林建设不切实际，需要最佳林宽度来指导工程建设。林带为2, 4行时，气流在林带背风侧(x=0~5 cm，y=6~10 cm区域)气流减速不明显; 林带为5行时，在林带背风侧(x=0~5 cm，y=6~10 cm区域)气流减速，防风效果显著; 当林带大于6行时，林带后排顶部出现了气流减速现象，背风侧后排林木未起到防护作用，可见防护林为5行时为最佳防护林宽度。以林带为7行(2行沙拐枣+5行梭梭), 16行(2行沙拐枣+14行梭梭)为例(图 4)，对比不同风速条件下，林带气流变化特征。随着风速从10 m/s增加到14 m/s，林背风侧减速区的水平影响范围从100 cm变化至80 cm。可见随着风速的增加，林带背风侧气流衰减范围逐渐变短。

通过上述试验，林带为5行时，为最佳防护林宽度，超过5行会出现防护叠加效应，低于5行时少部分气流穿越林带达不到工程防沙目的。风速越大，防护林背风侧防护区的范围越短。

3 林带间距试验

根据林带宽度试验结果，选择最佳阻沙林带。为确定阻沙林带间距，将阻沙林带按间距3 H, 6 H, 9 H, 12 H(H为植物模型高度)布设。布设模式以防护林带宽度(5行)，不同阻沙林带间距分别在10, 12和14 m/s这3种指示风速下进行。

根据设定的4种不同林带间距试验结果(图 5)，随着林带间距的增加，林带间气流减速区的范围逐渐增大。当林带间距为3 H和6 H时，第2条林带顶部出现了减速区，出现风速衰减叠加; 当林带间距为9 H时，在第二条林带顶部出现减速; 当林带间距为12 H时，在第二条林带顶部气流逐渐增加，林背风侧水平距离在x=55~65 cm处，气流逐渐开始增加，表明林带间距为12 H防护效益逐渐减弱。

由图 5可知，林带间距小于9 H时，风速衰减效果明显，当防护林带间距大于12 H时，林带背风侧一定区域气流开始恢复; 当防护林带间距为3 H, 6 H时，在第2条林带顶部出现了气流减速，说明第2条林带前沿部分减风作用叠加。结合工程建设中的经济成本，和若铁路工程建设中建议选择9 H的林带间距。

4 林带体系的配置

确定防护林带行数、防护林间距之后，如何配置林带体系才能达到较好的效果，使风沙全部拦截。初步拟定2个阻沙林带+1个固沙林带; 3个阻沙林带+1个固沙林带; 5个阻沙林带+1个固沙林带的3种模式。在风洞模拟中，只需要探究最多配置模式时，气流衰减情况，通过气流衰减速率的变化，确定阻固沙林带最佳配置模式。试验过程中气流测点布设，以5个阻沙林带+1个固沙林带为例，试验布设如图 6所示。从图 6可以看出，10, 12和14 m/s这3种风速条件下，第3条林带背风侧气流发生了衰减现象，表明从第3条阻沙带开始，背风侧之后出现小部分风速衰减重叠。理论上3阻1固的林带布设模式达到了风沙防护的效果，但考虑风沙防护林的使用年限，建议5阻1固布设模式。

5 林带体系配置效益评价 5.1 试验装置

为了验证林带配置防护效益，将梭梭、沙拐枣按照1∶50的比例缩小，进行积沙试验制作梭梭、沙拐枣树模，模型株高6 cm，株距与行距为2 cm，栽植于PCV板上。制作成5个阻沙林带+1个固沙林带的配置模式，在模型上风向约0.5 m处，均匀布设长2.5 m，宽0.7 m，厚0.05 m的流沙面，试验分别设定在6和8 m/s两种风速，分别吹蚀60和15 min。风洞内试验设置及过程如图 7所示。

5.2 防护体系内积沙特征

通过模拟试验，制作了最佳组合模式防护林体系，进行积沙试验。图 8为风速6 m/s条件下吹蚀60 min后的积沙形态特征，在吹蚀时间t=2~4 min时，最先在第2道阻沙林前部进行积沙，部分风沙流穿越第2道阻沙体，在第2道阻沙林背风侧进行积沙。随着时间的推移t=8~20 min，第2道阻沙体迎风侧积沙量逐渐增加，积沙体的高度也逐渐增加。t=38~60 min时，随着第1道阻沙体前积沙量的增加，第1道阻沙林前的积沙体和第2道前的积沙体合拢，床面最终处于稳定状态。说明低风速条件下，第1和2道阻沙体为最主要的防护体，大量沉积物在第2道防沙体系内堆积，随着时间的推移，积沙体处于稳定状态。

风速8 m/s条件下吹蚀15 min后防护林的积沙形态特征(图 9)。t=3 min时，第1道防护林后侧积沙，积沙量压埋第二道防护林体系; t=8~15 min时，积沙体的形态基本处于稳定状态，大量的沙物质堆积在第1道和第2道防护体系内，第三、四、五林带内，积沙量很少，主要受风沙饱和度影响。在大风速条件下，风沙流受防护林的影响，第1和2道内风速降低，大量沙物质沉积在1和2带内，在第二条带后风速逐渐恢复至初始状态，当风速达到起沙风速时，发生非积搬运，导致在3, 4, 5林带内很少有沙粒沉积，只有少部分沙粒沉积在3, 4, 5林带背风侧风影区。

5.3 林带内堆积量对比分析

为验证最佳防护体系的阻沙能力，将吹蚀后防护林内各阻沙带内的积沙量进行了称重，积沙率在第1和2道内最大，在0.12~0.17 kg/min(图 10a)，在第2道防护林之后，积沙率迅速降低，其值接近0;同时，计算第1道前和12道间积沙量的体积百分比，积沙量较大，分别达到38%和48%(图 10b)。说明第1和2道防护林主要拦截了大量的风沙流，结果和防护林流场的结果较为接近，可相互验证试验结果的可靠性、准确性。

对比8和6 m/s风速条件下，防护林内积沙量的变化。第1道前和12道道间积沙，小风速条件下(6 m/s)积沙率大于高风速的积沙率(图 10a)。在第2道积沙体之后，大风速条件下的积沙率略大于小风速的积沙率。说明大风速条件下，风力携带能力更强，大部分沙物质在后林带间沉积。不同阻沙带内防护林内积沙率的变化特征(图 10c)，第1道阻沙林至最后一道固沙林，积沙率逐渐降低。同时，在前3道阻沙林带内，大风速下(8m/s)林内阻沙量大于小风速(6m/s)，在第四道阻沙林之后，大风速条件下林内积沙率小于小风速，说明，大风速条件下防护林也起到较好的防护效果，大部分沙粒被拦截在第3道阻沙带之前。

6 结论

(1) 绿化林带为5行时，风速减弱效果明显。超过5行会出现减风效果重叠，低于5行时，少部分气流可穿越，达不到工程防沙的目的。风速越大，防护林背风侧防护区的范围将越短。

(2) 林带间距小于12 H时，林带防护效果明显，林带间距大于12 H时，气流逐渐恢复，背风侧后效果逐渐丧失; 林带间距为3 H, 6 H时，在第二条林带顶部出现了气流减速，效益重叠。工程建设中选择9 H的防护林带间距。

(3) 通过流场和积沙试验相互验证，在林带体系建设中建议选择5阻1固林配置体系防护效益显著，第三条阻沙林带之后区域，气流衰减显著，且不会随着指示风速的增加而增加。

(4) 林带的配置与当地水资源有很大关系，水资源丰富时，林带越宽越好，满种效果最好。根据风速大小不同设置2个带至5个林带均能达到防沙效果，并且生态效益明显。

(5) 防护林带设置不仅需考虑减风问题，工程实施的性价比也需要考虑。对于水资源极度缺乏，采用5行林木组成的阻沙林带能够达到防沙效果，一般前沿阻沙带被沙埋是常态，水供应充足可以继续生长，形成阻沙屏障，因此前沿阻沙带宜窄不宜宽。

本试验是一个风洞尺度的试验，试验过程中采用的沙子是原型规模，模型树等都采用1/50缩比。野外实际应用预计可能会出现比例效应造成误差。虽然这种情况与野外真实情况存在一定差异，但这不妨碍定性层面对植物林带合理配置的认识。