农田防护林不同树种三维模型构建与风场模拟

Three-dimensional model construction and wind simulation of different tree species in farmland shelter

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摘要防护林是干旱沙区绿洲的生态屏障,能够有效防治风沙灾害.单木作为构成防护林的基础单元,其结构特征是影响防护效益的关键因素.本研究以乌兰布和沙漠绿洲无叶期典型树种新疆杨、箭杆杨、小美旱杨为研究对象,借助地面激光雷达,通过计算机数值模拟,在建立单木真实三维模型的基础上,充分探究单木结构及其周围空气动力学特征,并建立单木结构参数与风场指标间的关系.结果表明:结合AdQSM与MeshLab构建树木模型的方法精度高.单木周围风场大致分为6个区域,包括植株迎风面的衰减区、植株顶端的加速区、植株背风面的涡旋区、平静区、过渡区、恢复区.单木周围压力场呈现迎风面压力大、背风面压力小的梯度变化.水平方向上,在相对风速降低20％-50％的范围内,新疆杨、箭杆杨、小美旱杨的有效防护距离分别为0.21H-1.51H、0.20H-0.91H、0.25H-1.64H(H为对应树高),对应的有效防护面积分别为18-294、15～227、18～261 m2.垂直方向上,新疆杨和小美旱杨在0.3H高度处的风速衰减率最大,箭杆杨则体现在0.5H高度.综合单木结构参数与风场指标相关性和逐步回归分析,明确透光疏透度和体积孔隙度对防护效应的影响占主导地位.风场指标中,基于胸径、树木表面积、透光疏透度建立的透风系数回归模型最优;各等级有效防护距离和有效防护面积中,筛选的回归变量不尽相同.