海岸带防护林4种树木的风压应力分析.doc

海岸带防护林4种树木的风压应力分析李国旗安树青张纪林吕跃凯陈兴龙程晓莉季永华沈邦勤摘要依据4种主要的海岸带防护林树种的调查数据，计算了各树种不同高度处和不同风压下的应力分布，分析了各树种遭受台风袭击时所受到的弯曲应力。结果发现树种的受害程度与其树冠形状密切相关。杨树和水杉的枝下高和树高之比（L/H)均小于0.22，树冠宽度和树冠高度的比值(Wc/Hc)均小于0.36；刺槐和泡桐枝下高和树高的比值（L/H)均大于0.43，树冠宽度和树冠高度的比值(Wc/Hc)均大于0.54，这是形成杨树和水杉有两个受力点，而刺槐和泡桐只有一个受力点的根本原因。在相同的风压下，无论在树干的任何部位，杨树所受应力超过水杉、刺槐和泡桐2.3、5.0和5.3倍以上，因而杨树的受损程度也最为严重。关键词海岸带；防护林；台风；弯曲应力中图分类号S718文献标识码A文章编号1000-2006(1999)04-0076-05The Bending Stress Analysis of 4 Species of Woods Causedby Wind Pressure in Coastal Shelter ForestLi GuoqiAn Shuqing(Department of Biological Science and Technology Nanjing UniversityNanjing210093)ZhangJilin(Forest Research Institute of Jiangsu Province)Lu YuekaiChen XinlongCheng Xiaoli(Department of Biological Science and Technology Nanjing University)Ji Yonghua(Forest Research Institute of Jiangsu Province)Sheng Bangqing(Dongtai Forest Farm of Jiangsu Province)AbstractBased on the collected data of 4 kinds of tree damaged on August 19,1997, the bending stress and its distribution in various height of stem and under various wind pressure are calculated in this paper. The results indicate that there is a close relationship between the damage degrees of species and their crown shapes. It can be reflected by two ratios as follows: one is the ratio(L/H) of height at the bottom of crown(L) to their individual height(H), the other is the ratio(Wc/Hc) of crown width (Wc)to crown height(Hc). For Populus deltoides and Metasequoia glyptostroboides, both of the former index are less than 0.22 and both of the latter index are less than 0.36. To the contrary, for Robinia pseudoacacia and Paulownia fortunei, both of the former index are more than 0.43, and both of the latter index are more than 0.54. The differences of L/H and Wc/Hc among the 4 species bring about that there are two points of bending stress for Populus deltoides and Metasequoia glyptostroboides, and there is one point for Robinia pseudoacacia and Paulownia fortunei. Under certain wind pressure, the bending stress of poplar is the biggest one among the 4 kinds of tree in every position of its trunk, the stress at any height is more than 2.3 times of Metasequoia glyptostroboides, 5.0 times of Robinia pseudoacacia, and 5.3 times of Paulownia fortunei respectively. Therefore, poplar is damaged much more severely than other 3 species.Key wordsCoastal shelter forest； Typhoon； Bending stress海岸带防护林担负着保堤护岸、防止农作物免受风灾等重要职能，但自身往往遭受台风的严重破坏。日本在海岸带防护林的防风效果方面提出了风压引起的树干应力分布的计算公式,并对受损树木表面的裂纹分布进行了测定;研究了风速、地形和树形等生态因子对台风后受损树木的影响;阐明了台风危害柳杉林的发生机理14。台湾省对林木受台风危害也有研究5。目前，国内只有陈少雄曾经做过桉树幼苗不同株行距配置抗台风效果的报道，证明不同密度、不同龄级的桉树在遭受风害的等级上有明显差别6。本研究在对实验数据分析的基础上，计算和比较了4种林木的风压应力的大小和分布，探讨其受灾原因，为海堤防护林营林树种的选择和经营管理提供理论依据。1林地概况与研究方法1.1林分状况研究样地设在江苏东台林场，地处北亚热带，1204712052E，32513254N，属粉砂淤泥质海岸，由滨海相冲积母质沉积而成，全境地势平坦，海拔4.5m，地下水位25m，pH8.5左右。热量充裕，雨量充沛，年均温14.5，年降水量1100mm，年蒸发量大于降雨量，霜期较短，雨热同期，四季分明，有利于农、林、牧业的发展。影响海岸带林木生长的灾害性天气主要有台风、暴雨和 风暴潮等。东台林场位于黄海的西岸，海风的方向为东西向。防护林树种有：杨树、水杉、刺槐和泡桐4种，其中以杨树林为主。样方面积为400m2。在调查的19个杨树林样方中，有17个样方的树龄为6a，2个样方为10a。水杉林在沟坝上，在调查的7个样方中，有5个树龄为10a,2个为12a。刺槐林树龄均为13a。泡桐林3个样方中,2个树龄为7a,1个为9a。由于调查的样地均为人工纯林，故将调查数据进行平均。杨树和水杉枝下高与树高的比值（L/H）小于0.22，树冠宽度和树冠高度之比小于 0.36；刺槐和泡桐的树冠形状都比较小，它们的L/H大于0.43，树冠宽高度比(Wc/Hc)大于0.54。4个树种的干形比的大小顺序依次为：杨树、水杉、刺槐和泡桐(表1）。表1样地林分特征Table 1The characteristios of trees in the forest树种离海堤距离/km林带走向林带长(宽)/km造林密度/mm高度/m基径/cm胸径(DHB)/cm干形比(H/D)冠幅/mm树龄/a树高(H)枝下高(L)L/H高度宽度宽高比(Wc/Hc)杨树4南北1.5(1.0)4516.382.340.1421.017.096.414.045.100.36610水杉3南北2.0(0.4)3312.912.880.2220.017.175.510.032.680.261012刺槐1东西2.0(0.2)5512.065.670.4723.020.060.36.393.470.5413泡桐3.5南北0.4(0.25)559.624.160.4327.421.345.25.465.290.96791.2研究方法1.2.1树干弯曲应力计算采用藤本登留2的计算方法: (1)(2)(3)式中，h：地上高为h m（LhH）的树木弯曲应力（Pa)；Mh：地上高为h m（LhH）的树干弯曲力矩（N.m）；Ih:地上高为h m（LhH)的树干断面二次力矩（m4）；Dh:地上高为h m的树干直径（m）；L：枝下高（m）；B:冠幅直径（m），与风向垂直的树冠最大直径；P:风压力（Pa）。风压P的计算见参考文献7和8，以标准风压乘以抵抗系数Cd即：(4)式中，P:风压(Pa);：风速(m/s)(台风的风速数据来自东台市气象站,=14m/s)。1.2.2调查项目及方法主要的调查项目有：（1）、受损树种特征：包括个体的高度、受损处距离地面高度、冠幅受风面积（高度宽度）、基径、胸径、枝下高、折断处的直径；（2）、树种的受损类型：包括倒伏、弯曲、基折(在根部折断)、中折(在树冠下折断)、顶折(在树冠上部折断)；（3）、林分状况及其立地环境：包括密度、平均高度、年龄、林带宽度、受损个体位置等。采用藤本登留2和郭宝章5的调查方法收集调查数据。2结果与分析2.1树木受损特征及分析1997年8月19日台风后，对树木受损特征进行了现场调查，从调查情况来看，不同树种遭受台风袭击后的受损情况是明显不同的，杨树和水杉的受害症状绝大多数表现折断，杨树顶折占87%；水杉中折占80%，而顶折和倒伏各分别16%和4%，刺槐5种受损类型都有，以中折和倒伏居多；泡桐则全部为倒伏（表2）。表2受损树木概况Table 2 The Outline of damaged woods树种样方数总株数受损总株数受损率%受损类型倒伏弯曲基折中折顶折杨树192883110.8200227水杉72332510.7100204刺槐101822212.152393泡桐3481429.21400002.2树木应力高度分布1997年8月的11号台风,在东台的最大风速为14m/s，以此风速算出的风压是61.25kgf/cm2，进而算出弯曲应力（表3）。由表3可见：（1）杨树和水杉的受力情况相似，都有两个受力点。杨树受力点的枝下高处（2.34m）最大，达到30.97 mPa，胸径处(1.9m)次之，25.53mPa;水杉的最大受力点在中折处(1.65m)，应力为9.36mPa，其次为顶折处(2.98m)，7.76mPa 。（2）刺槐和泡桐类似，只有一个受力点。刺槐的最大受力点在胸径处（1.3m），应力为4.95mPa，中折处（4.07m）次之，为4.84mPa，虽这两个点相距较远，但应力却差别不大; 泡桐的最大受力点在中折处（1.9m）， 为4.58mPa，在胸径处和枝下高处的应力相差也不大，可以说，泡桐树全株的应力分布比较均匀。表3不同高度下树木所受的弯曲应力Table 3The bending stress of woods in different height林分基径处胸径处中折处枝下高处顶径处高度/m压力/mPa高度/m压力/mPa高度/m压力/mPa高度/m压力/mPa高度/m压力/mPa杨树0.0516.721.3025.531.9024.122.3430.975.3418.01水杉0.056.321.308.371.659.362.887.122.987.76刺槐0.053.081.304.954.074.845.673.346.502.47泡桐0.052.011.303.881.904.584.163.284.803.172.3不同风压下的应力分布据测算，台风中心的风速可达32m/s以上。根据风压计算公式(4)，将不同的风速换算成相应的风压，然后以树高为x轴，风压为y轴，弯曲应力为z轴，作三维曲面图。在不同风速11，14，17，20，23，26，29，32m/s下，所对应的风压分别为37.85，61.25，90.41，125.12，165.43，211.42，262.99，320.17 Pa。杨树和水杉的应力分布随着树高的增加，总的趋势是增大，但不是随着树高的增加而一直增大。在杨树和水杉的树干上有两个明显的受力点（图1）。在37.85 Pa的风压下，杨树在基径处、胸径处、中折处、枝下高处和顶折处的应力分别为：10.3、15.8、14.9、19.1和11.1 mPa，水杉在这5个部位的应力分别为：3.9，5.2，5.8，4.5和4.8 mPa，前者分别是后者的2.64、3.05、2.58、4.35和2.32倍。杨树的两个受力点差别明显，而水杉的两个受力点差别不大。杨树和水杉的应力分布随着风压的增加而呈现直线上升趋势，这无论在树干的哪一个部位都一样。当风压从37.85 Pa增加到320.17 Pa，增加8.46倍，杨树和水杉在5个部位的应力也相应增加8.46倍。图1不同风压下树木的应力分布Fig.1Stress distribution of woods in different wind pressuresA.杨树；B.水杉；C.刺槐；D.泡桐刺槐和泡桐都只有一个受力点，反映在图上，就是都只有一个峰（图1）。 在37.85 Pa的风压下，刺槐在基径处、胸径处、中折处、枝下高处和顶折处的应力分别为：1.9、3.1、3.0、2.1和1.5 mPa，泡桐在这5个部位的应力分别为：1.2、2.4、2.8、2.0和2.0 mPa，虽然这两种树的应力相差不大，但泡桐的应力分布比较均匀。无论在树干的哪一个部位，刺槐和泡桐应力分布都随着风压的增加而呈现直线上升趋势，当风压增加8.46倍，从37.85 Pa达到320.17 Pa，刺槐和泡桐在5个部位的应力也都增加相应的倍数。3讨论与建议（1）树木的应力首先与其树冠大小有关。无论在哪个部位，都是杨树所受的应力最大，因为在4种树中杨树的冠幅最大，分别是水杉、刺槐、和泡桐的4.8，4.2，2.2倍。（2）另据研究，干形比大者易遭风倒5，而4种树中杨树的干形比最大，为96.4，水杉、刺槐和泡桐的干形比分别为75.9、60.2和45.2，这个比值也和4种树的应力大小的变化相符合，比如，在基径处，杨树、水杉、刺槐和泡桐的应力分别为：16.72、6.32、3.084和2.01 mPa。（3）尽管杨树所受的应力远远大于水杉，但其受损率和水杉较为相近，都接近11% ，说明杨树的抗风力优于水杉。而抗风力最差的当属泡桐，因为它受到的应力最小，却全部倒伏，一方面是由于它的受力分布比较均匀，另一方面可能与其较高的冠宽/冠高比有关。刺槐的应力分布比较均匀，表现在受害症状上，则为5种受损类型都有。(4)从此次的调查结果来看，树冠形状是造成台风树木的受损程度的最主要的因子，但树木的受损程度还与树木本身的特征（硬度和韧性,根系的深浅等）也有很大的关系，此外，还与树木所处的生态环境（如土壤类型,地下水位的高低,林带的宽度等）有关。这些因子对树木受损程度的影响，有待于以后更深入的研究。从光能利用和树木生长的角度，带式造林比较适宜，但在海岸带地区，由于台风的影响，带式造林增大了遭受台风损失的风险，因此在带式造林和块式造林之间寻找平衡点是很有必要的，也是值得研究的。调查中发现，东台林场的带式林农种植区，幼龄杨树普遍倾斜15左右，有的甚至达到30。另据日本的调查表明，灾后针叶林受损最为严重，而针阔叶混交林的受害程度较低1。因此,造林时必须注意树种搭配的多样化以及龄级的合理配置，且选择抗风性较强的树种，并采取适当措施，促进林木的根系生长，以达到降低风害程度的目的。*国家“九五”科技攻关项目(96-007-03-05)作者简介：李国旗，男，南京大学生物科学与技术系硕士研究生。作者单位：李国旗安树青（南京大学南京210093）张纪林（江苏省林业科学研究院）吕跃凯陈兴龙程晓莉（南京大学生物科学与技术系）季永华（江苏省林业科学研究院）沈邦勤（江苏东台市林场）参考文献1张纪林,康立新.日本海岸带环境机能的研究进展.见:康立新,王述礼主编.沿海防护林体系功能及其效益.北京:科学技术文献出版社，10162藤本登留,久富浩人,又木义博.台风被害木被害形态别发生分布.九大演报（Bull.Kyushu Univ.For）,1994,70:75883中尾博美,金锡榷,又木义博，等.台风9117,9119森林被害要因解析.九大演报（Bull.Kyushu Univ.For），1993,68:11484千叶幸弘.1991年台风19号林木折损被害发生机构解析.Journal of Japan Forest Society，1993,75(4):3723745郭宝章,詹明勋.简论森林之风害及其调查.台大实验林研究报告，1993,7（2）:1331476陈少雄,王观明,罗建中.桉树幼苗不同株行距配置抗台风效果的研究.林业科学研究,1995, 8（5）: 5825857中国海岸带和海涂资源综合调查专业报告集.中国海岸带气候.北京:气象出版社，1991,50518大气科学辞典编委会编.大气科学辞典. 北京:气象出版社，1994，203收稿日期1999-03-10台风是发生在北太平洋西部热带洋面上的一种很猛烈的大风暴。在海洋的某些区域里面，由于海水被太阳晒得很热，海面上的空气就向高空直升，这时在它周围较冷的空气乘势补缺，一齐的空气就向高空直升，这时在它周围较冷的空气乘势补缺，一齐朝中心流动，由于地球自转，使空气成反时钟方向剧烈旋转。它一边旋转，一边朝西或者西北方向移动，越转越快，越转越大。台风中心就是这个旋转空气区域的最中心，它的气压极低，风力很微弱。其中心范围大约直径10公里的圆面积内。但在中心区域外，它的风力就大了。“台风边缘”是指靠台风外缘风力达到六级的区域。台风造成的灾害以狂风和暴雨最为显著，有时会引起高潮，使海水倒灌。台风中心附近风力经常在十级以上，并有暴雨，在海洋上能掀起山岳般的巨浪。截至1996年温州是台风（热带风暴、强热带风暴）活动频繁区域，温州的洪潮灾害有95%以上是由于台风影响而产生的。影响温州的台风次数，史有记载的：从晋朝永平元年至中华人民共和国成立前（即公元291年至1948年）的1657年间，共214次。建国后47年，在温州境内登陆台风（热带风暴）11个，台风大灾35次，前者频率为4年一遇，后者为5年4遇。建国后影响我市的主要台风（热带风暴）如下： 5207号台风 1952年7月15日2时在日本以南洋面上生成，于19日9时在浙江温岭沿海登陆，近中心最大风力8级，后穿过台州、金华、杭州等地区，于20日晚移出浙江进入安徽省。最大3天雨量578毫米（乐清），瓯江圩仁洪峰流量23000立方米每秒，永嘉县平地水深6米。 5310号台风 1953年8月8日时生成于17日8时在温州乐清沿海登陆，中心气压955百帕，近中心最大风速50米每秒，实测最大风速32米每秒。 5822号台风 1958年9月4日12时在福建福鼎登陆，登陆时近中心最大风速45米每秒。最大日降雨量353毫米（泰顺夏家山），最大3天降雨量525毫米（苍南马站）。南麂实测最大瞬时风速大于40米每秒。 5622号台风 1956年9月3日23时在福建长乐沿海登陆，登陆后向西北方向移去。在台风和冷空气共同影响下，我市2天最大降雨量364毫米（苍南桥墩门），最大日降雨量262毫米（桥墩门）。实测最大风速40米每秒（温州）。 5901号台风 1959年7月10日在关岛附近洋面生成16日9时在温州平阳沿海登陆，登陆时中心气压980百帕，近中心最大风速35米每秒。最大日降雨量295毫米（永嘉黄山），最大过程降雨量375毫米（乐清庄屋），沿海最大风速大于40米每秒。 5904号台风 1959年8月30日13时在福建惠安登陆，温州最大4天降雨量425毫米（平阳埭头），最大日降雨量191毫米（文成），沿海最大瞬时风速大于40米每秒。 5905号台风 1959年9月4日17时，在福建连江登陆，登陆后向北偏东北移动，经我市沿海北上。我市降雨量大多在200-400毫米之间。沿海最大瞬时风速大于40米每秒。 6007号台风 1960年8月1日在福建连江登陆。我市最大6天降雨量868毫米（乐清庄屋），最大日降雨量460毫米（乐清庄屋），沿海最大瞬时风速大于40米每秒。 6008号台风 1960年8月9日6时在福建漳浦登陆。我市最大6天降雨量777毫米（平阳顺溪），最大日降雨量449毫米（顺溪）。苍南桥墩水库8月10日决口垮坝，导致下游291人死亡，冲倒房屋151万间，无家可归3649户，15716人。 6104号台风 1961年5月21日在菲律宾洋面生成，向西北方向移动，5月26日23时至24时穿过台湾，于27日21时在浙江乐清登陆，登陆时中心气压995百帕，近中心最大风速15米每秒。我市最大3天降雨量202毫米（苍南昌禅），最大日降雨量162毫米（乐清庄屋）。 6205号台风 1962年7月23日，在福建福鼎登陆。我市乐清庄屋最大4天降雨量518毫米，目降雨量269毫米；沿海海面风力大于12级。 6208号台风 1962年8月6日10时在福建连江登陆。我市最大2天降雨量340毫米（文成玉壶），最大日降雨量243毫米（乐清庄屋）。沿海海面风力大于12级，实测最大风速平阳40米每秒，温州37米每秒。 6214号台风 1962年8月29日在关岛附近洋面上生成，9月6日3时在福建连江登陆。受台风和南下冷空气的共同作用，我市最大过程降雨量634毫米（乐清庄屋），一日最大360毫米（庄屋），沿海海面风力大于12级。温瑞平原遭受严重洪涝灾害。 6312号台风 1963年9月12日21时在福建连江登陆。受台风倒槽影响，北雁荡山区永嘉岭头过程降雨量638毫米，日降雨量454毫米；苍南昌禅过程降雨量567毫米，日降雨量388毫米。沿海海面风力大于12级。 6513号台风 1965年8月20日2时在福建省福清登陆，登陆后向西北偏北方向移动，20日21时左右进入温州。我市最大日降雨量437毫米（文成玉壶）。 7123号台风 1971年9月23日14时在福建省莆田登陆。我市最大3天降雨量506毫米（苍南昌禅），沿海12级大风，内陆阵风8-10级。 7207号台风 1972年8月1日2时在台湾台北以东约400公里的洋面上生成，2日2时在温州平阳沿海登陆，中心气压990百帕，近中心最大风速30米每秒。 7209号台风 1972年8月9日在关岛附近洋面上生成，17日16时在平阳沿海登陆，中心气压965百帕，近中心最大风速40米每秒。我市最大3天降雨量苍南昌禅626毫米，乐清庄屋572毫米。 8108号台风 1981年7月23日13时在浙江乐清登陆，中心气压993百帕，近中心最大风速20米每秒。登陆后向西北方向移动。乐清降雨量173毫米、温州降雨量160毫米，受灾农田面积25万亩。 8116号台风 1981年9月22日4时在广东陆丰登陆。受其倒槽低压云团影响，温州出现特大暴雨，最大2天降雨量537毫米，其中日降雨500毫米，沿海风力达8-12级。 8209号台风 1982年7月30日0时在福建莆田登陆。受其影响，温州与福建交界处沿海风力达9-11级，最大2天降雨量乐清砩头704毫米，其中是降雨540毫米，6小时降雨213毫米。 8407号台风 1984年8月8日2时在福建罗源登陆。我市最大1天降雨量264毫米（苍南昌禅），受灾农田面积30万亩，死亡4人，倒房150间。 8506号台风 1985年7月23日8时在太平洋生成，30日22时25分在玉环坎门镇登陆。中心气压965百帕，近中心最大风速40米每秒。最大降雨量12小时400毫米（乐清山岙头）。我市乐清、洞头与台州的温岭、玉环受灾程度相当。 8510号台风 1985年8月23日21时在福建省长乐登陆。我市最大2天降雨量432毫米（苍南昌禅），其中12小时231毫米，受灾农田47万亩，死亡18，倒房0176万间。 8707号台风 1987年7月24日在菲宾以东洋面上生成，27日上午越过台湾岛进入台湾海峡并北上，27日20时30分在瓯海永强区登陆，中心气压970百帕，近中心最大风速35米每秒，8级风圈400公里。最大2天降雨量瑞安桐溪284毫米，12小时降雨量252毫米。 8712号台风 1987年9月10日19时在福建省晋江登陆。台风外围云系停滞在浙江东南沿海。在冷锋和台风倒槽的共同作用下，南北雁荡山暴雨中心雨量均大于400毫米。 9005号台风 1990年6月18日下午在菲律宾东南洋面上生成，23日14时在台湾花连登陆，由东南向西北穿过台湾省，23日20时出台湾岛，继续向西北移动，于24日4时在福建省福鼎登陆，中心气压980百帕，近中心最大风速30米每秒。登陆后向偏北方向移动，经我市苍南、平阳。最大3天降雨量501毫米（乐清砩头）。本次台风10级风圈半径130公里。沿海海面风力10-12级，阵风30米每秒以上，龙湾、瑞安、敖江最高潮位超历史实测记录，达60-100年一遇。 9012号台风 1990年8月13日在关岛东北洋面上生成，19日中午在台湾基隆附近登陆，并穿过台湾海峡，于20日10时在福建福清再次登陆，中心气压975百帕，近中心最大风速30米每秒。此台风从登陆至22日20时减弱为低气压，一直在福建到厦门间打转，其间两次出海又两次登陆，路经曲折怪异。苍南昌禅6天、3天、1天的降雨量分别为730毫米、581毫米、392毫米；乐清砩头6小时、12小时及1天、3天降雨量分别为97毫米、168毫米、185毫米、385毫米。飞云江中上游出现超历史实测记录的洪水位，百丈口、文成