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在众多自然灾害中,风荷载作用所引起的林木风倒是最常见一种,同时风倒也是形成林隙的主要原因,逐渐成为森林生态的一个扰动因子。风倒现象主要表现为干折、根折、连根拔起等3种方式。全世界每年非灾害性风倒造成的木材减产在15%以上[1]。近年来,人类对自然环境的破坏日益严重,导致全球气候环境的急剧变化,风倒引发的森林破坏频繁发生。因此,展开树木风倒机制的相关研究日益受到科学研究人员的重视,研究结果对于森林生态系统和木材生产的理论研究和生产实践都有极其重要的意义。迄今为止,国内外很多专家学者开展了林木风倒机制方面的研究,并取得了丰富的研究成果。其中,李国旗等[2]研究了位于不同风压和高度处树木的应力分布规律。陈少雄等[3-4]、陈士银[5]基于统计和野外调查的方法分别研究了泡桐Paulownia tomentosa,桉树Eucalyptus robusta,木麻黄Casuarina equisetifolia等树种的抗风性与个体特征之间的关系。代力民等[6]从生态学角度出发研究林隙的形成原因。宋晓鹤[7],王琳[8],赖秋明[9]分别从静力学和动力学角度建立了风倒的模型,并展开了相应的分析。吴志华等[10]进行了抗风性状对抗风效果的影响规律的研究。段溪[11]运用层次分析法研究了杭州湾地区亚热带泥质海岸的68种防护树种的抗风性能。英国、加拿大、美国等一些学者对樟子松Pinus sylvestris var. mongolica等树种的风倒机制进行了深入广泛的研究,以动力学理论,结合野外试验中林木和土壤力学参数的测定,地形数字高程模型和实物模型风洞试验,获得了复杂地形下和不同林分密度时的风场分布,建立了一系列力学方程来描述林木的抗风性[12],对风倒的力学机制也进行了相应的阐述,形成若干关于林木风倒机制的模型,如MC2[13]和HWIND[14]等。尽管这些研究代表了风倒机制研究的国际先进水平,但主要是基于材料力学方法的线性力学模型[15]。虽然描述了风倒机制的许多方面,但受研究条件等的限制在系统设计时对关键环节进行了简化,造成模型与实际情况之间的误差。作者在已有研究成果的基础上,建立了林木发生风倒的非线性动力学模型[16],并且利用Von-Karman风谱模型从频率域内分析了林木风倒机制[17],验证了模型的有效性。相比其他模型,这个模型更接近实际物理系统且考虑了实际林木发生风倒的一些不确定性影响因素。但模型也存在一些缺陷,首先,并未考虑树冠的形状、树木个体差异、枝条和树叶的作用等对风倒的影响,其次,也未考虑风荷载作用下的“流固耦合”现象,这也是后续研究的方向和内容。本研究在前期的研究基础上,着重考虑孤立木在稳定风速和阵风作用下所引起的倾覆,通过严格的数学推导给出风倒发生的条件,并以西加云杉Picea sitchenrsis为例,进行了数值计算,给出树木发生风倒的标准风速值。研究结果对森林抗风防护建设和经营提供现实的指导意义。
Tree windthrow with stable winds and gusts
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2014.04.017
- Received Date: 2013-11-29
- Rev Recd Date: 2014-02-27
- Publish Date: 2014-08-20
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Key words:
- forest ecology /
- dynamics model /
- windthrow /
- Picea sitchensis /
- standard wind value /
- turbulence intensity
Abstract: A major reason for gaps in forests is windthrow, which is a kind of natural disaster with high frequency, broad cope and much wastage making it very important to understand the theoretical and practical aspects of windthrow. In this study, a nonlinear dynamic model of windthrow was established using dynamics theory to improve the shortcomings of the related theoretical model. The windthrow mechanism for Picea sitchensis was studied from two aspects:stable winds and gusts. The judgment conditions of tree windthrow were obtained through strict mathematical deductions. Results showed that windthrow condition with stable winds and gusts was different, which are complementary each other. Also, the standard wind speed value was related to action wind load time for the interaction between stable winds and gusts. These research results could be applied to windthrow problems of other species and could provide guidance for subsequent theoretical research and engineering applications.
Citation: | JIA Jie. Tree windthrow with stable winds and gusts[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2014, 31(4): 604-610. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.2014.04.017 |