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《石河子大学》 2016年
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新疆典型沙区区域防风固沙体系协同配置研究

孙钦明  
【摘要】:新疆沙区属于生态环境极端脆弱的地区,水资源匮乏,植被盖度低,沙丘活化,大风、沙尘暴、扬沙、浮尘等风沙危害对新疆人民生产生活和经济发展、政治稳定等方面均产生巨大影响,甚至对全国的生态环境都造成了巨大影响。本研究选取新疆典型沙区:北疆150团和南疆和田地区作为研究区,研究典型沙区区域尺度防风固沙体系的协同配置,对区域防风固沙、风蚀灾害研究和治理提供理论和技术指导。研究根据风沙局部移动和长距离扩散的危害特征,采用遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术方法,结合风洞试验、FLuent数值模拟和野外观测,分析新疆典型沙区近30年(1980-2014年)风沙灾害现状、成因和时空变化趋势;区域尺度上,分析沙尘来源路径及不同下垫面条件对风沙运动的影响,针对性的进行防护林体系空间布局;林带尺度,以风沙物理学模型为基础确定林带最佳疏透度;在局域尺度上,分析自然植被与防护林协同配置优化模式以及农作物与农田防护林优化配置模式,构建新疆典型沙区以防护林、自然植被、农田作物为基础的防风固沙体系配置模式。研究主要结论如下:1)北疆和南疆全年平均风速在1960-2014年整体呈现下降趋势,各季节和全年平均风速均在1995年之后下降趋势变弱。植被变化对平均风速的反馈随着时间尺度变化而变化,最佳时间尺度一般为20旬,最佳时滞为8旬。大风和植被因素是影响沙尘暴较为直接的因素。尤其是近年来随着植被覆被的增加以及相应大风的减小,是区域沙尘暴呈减小趋势的主要原因。2)通过对典型沙区莫索湾地区沙沉降变化特征分析表明,研究区自西向东沙沉降速度逐渐降低,尤其是在4月份,0.2m,0.5m,1.5m高度上风沙沉降速度均呈现明显的下降趋势。沙丘、丘间低地和农田下垫面表层土壤趋向于粗化,地表沙尘物质可以较容易在风的作用下进入空中,成为沙源地,而荒漠自然植被区和防护林内部表层土壤粒径趋向细化,这说明防护林体系可以抑制沙尘物质,同时防护林体系可以降低风速减弱风蚀作用,也可以拦截和降解沙尘物质,因而使得这些地区可以明显降低向大气中提供沙尘物质。3)林带尺度,通过野外相对风速和疏透度的观测分析,当林带疏透度为0.35时,防护林防护效益最佳。采用风沙理论分析表明,当疏透度p35%时,防风固沙能力随着防护林疏透度的增加出现急剧下降趋势,而当p35%时,防风固沙能力随着防护林疏透度的减小变化缓慢。数值模拟过程中,选取林带风速衰减曲线与u/u0=100%直线围成的区域面积衡量林带的防护效益,结果表明当林带疏透度为0.35时,防护效益最好。4)为针对性的进行区域尺度防护林体系配置,本研究分析南疆和田地区和北疆150团沙尘来源及其路径。结果表明,南疆和田地区有五类传输路径:西南、西部、西北、北部和东北。东北路径发生沙尘天气最高,3-5月发生比例分别为67.6%、44%和48%。北疆150团3月份近地面传输路径主要有6条,其中以北部路径所占比例最高(传输路径1),占总路径轨迹的46%。2011-2014年北疆150团西北路径发生的沙尘天气最高,随着月份的增加,西和西北路径的气流和沙尘天气呈现出先增加后下降趋势,其中最大值集中在4月份和5月份。5)在0.5m和1.5m两高度处,防护林与自然植被协同后对风速起到了减弱作用,据此得到最小相对风速和不同相对风速条件下二者协同配置的优化模式,如在0.5m高度上,当相对风速取值0.5时,协同配置最优模式为:防护林结构因子指标:冠层体积30.95m3,胸高断面积0.47m2,株行距为3.79m2,自然植被指标为:平均高度1.44m,盖度0.21。不同风速和林带疏透度下,枣树对林带前后流场均具有显著影响,特别是林带后近地面风速缩减程度较大,能够提高防风效应1.28%-29.05%。6)风洞实验表明,小风速(8m/s)和大风速(14m/s)下的流场差异不明显。不同林带结构对风速的影响不一,在冠层高度林带后2H处,8行与4行林带比6行林带出现更多的湍流区,而在其上方20cm处,6行林带出现明显的上空加速湍流区。相同风速下,不同配置的多林带林网流场差异明显,在基干林分别为4、6行时,阻力抬升区要比基干林分别为8、10、12、14行时要小。林带不同配置结构下近地表流场变化差异较大。对于阻力抬升区而言,林带间距小时,冠层高度流场等值线更加密集,说明林带间距对流场区域分布具有明显影响。研究区以风速缩减率模型和风洞实验结果为基础,构建局域尺度农田防护林网优化配置模式。表明当初始风速为10m/s时,农田防护林网的最优配置模式为基干林14行,田间林带6行,林带间距1为20H,林带间距2为11H。综上所述,新疆典型沙区进行防护林体系的系统配置,首先明确区域尺度上风沙灾害发生规律及沙尘传播路径和不同下垫面供尘能力,针对性地进行区域防护林体系配置;其次,在局域尺度上分析防护林外围自然植被以及防护林内部农作物的防风固沙效益,以此为基础进行局域尺度的防护林协同配置;第三,在林带尺度上,选取林带疏透度作为林带结构因子指标进行调控建设。
【学位授予单位】:石河子大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S727.23

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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