基于FLUENT對風(fēng)環(huán)境模擬的廈門島道路植物景觀種植策略*

祖笑艷 張 穎 李冠衡

北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

廈門市地處東亞大陸的東南邊緣，東臨西太平洋和南海，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，由于特殊的地理位置和氣候條件，常受臺風(fēng)襲擊，給居民的日常工作生活帶來極大不便。1999年“9914號”臺風(fēng)造成經(jīng)濟(jì)損失19.37億元，20余間民房倒塌、40余處海堤決口，13人死亡，1人失蹤，727人受傷[1]；2016年“莫蘭蒂(MERANTI)”臺風(fēng)給廈門造成直接經(jīng)濟(jì)損失102億元。同時，臺風(fēng)對城市綠化尤其是道路綠化造成的破壞異常嚴(yán)重[2－3]，“9914號”臺風(fēng)造成廈門城區(qū)近3萬株行道樹不同程度損傷，受損率達(dá)75%，其中倒伏1.3萬株，倒伏率達(dá)45%[4]； “莫蘭蒂”造成65萬株行道樹倒伏[5]，城市行道樹還出現(xiàn)折干、斷枝或葉損等不同程度的損傷，這些都給城市景觀帶來不可逆的破壞，造成城市綠化事業(yè)進(jìn)程的倒退。綠化景觀的恢復(fù)是一個長期過程，這也對相關(guān)領(lǐng)域工作人員的信心造成打擊，因此基于抗風(fēng)性能對廈門道路植物景觀種植策略進(jìn)行研究十分必要。

本文對1949年以來廈門史上的最強(qiáng)臺風(fēng)——“莫蘭蒂(MERANTI)”臺風(fēng)的災(zāi)后情況進(jìn)行研究，通過對其災(zāi)后主要道路行道樹風(fēng)損情況及相應(yīng)的種植參數(shù)進(jìn)行調(diào)研分析，依據(jù)實(shí)地調(diào)研獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，借助CAD和FLUENT軟件建立模型，對不同種植參數(shù)下行道樹的受力情況進(jìn)行模擬，探討行道樹種植參數(shù)的調(diào)整對提高其抗風(fēng)性能的作用和意義，并嘗試提出應(yīng)對風(fēng)環(huán)境受力的道路植物種植策略。

1 研究方法

1.1 道路植物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取及處理與優(yōu)化

調(diào)研于臺風(fēng)發(fā)生后的第一個周末(2017年9月16—17日)進(jìn)行，依據(jù)廈門市道路類型及其島內(nèi)分布狀態(tài)，選擇主、次干道和支路共45條，選擇其中代表性樣段48個，每個樣段長約30 m，記錄樣點(diǎn)并編號。由于臺風(fēng)過程中喬木的風(fēng)損對居民日?；顒佑绊戄^大，研究其在臺風(fēng)過程中的抗性和適應(yīng)性極為重要[6]，因此本次研究只針對行道樹進(jìn)行采樣。采用實(shí)地測量的方法，用Leica測距儀和Garmin手持GPS測量數(shù)據(jù)，對樣段內(nèi)的行道樹風(fēng)損情況、種名及其相關(guān)種植參數(shù)(如高度/m、冠幅/m、干徑/cm、株距/m等數(shù)據(jù))進(jìn)行記錄。

對調(diào)研所得行道樹的高度、冠幅、株距等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖1)，獲得高度、高冠比、株距的閾值和中值數(shù)據(jù)(表1)。將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)作為行道樹建模的基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)，以較為合理地代表當(dāng)?shù)匦械罉涞奶攸c(diǎn)，增強(qiáng)可行性與可操作性。

圖1 行道樹參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表1 行道樹高度、高冠比、株距數(shù)據(jù)變化統(tǒng)計(jì)

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

1)風(fēng)場環(huán)境模擬。由于臺風(fēng)在進(jìn)入城市街道環(huán)境后將在兩側(cè)建筑界面的限制下沿道路方向行進(jìn)，因此在模擬城市街道環(huán)境中臺風(fēng)的局部瞬時干擾情形時，將模型計(jì)算域設(shè)定為一個60 m×25 m×30 m的長方體計(jì)算域，將進(jìn)出風(fēng)面設(shè)置在相對的位置，以保證計(jì)算域內(nèi)氣流運(yùn)動所形成的風(fēng)向與現(xiàn)實(shí)情形相符。實(shí)驗(yàn)?zāi)M“莫蘭蒂”臺風(fēng)風(fēng)速，將進(jìn)風(fēng)面風(fēng)速設(shè)定為35 m/s，并在風(fēng)經(jīng)過行道樹后的墻面設(shè)置壓力感應(yīng)面，以測試風(fēng)經(jīng)過行道樹后的壓力變化。

2)植物模型建置。首先對行道樹進(jìn)行建模，考慮到計(jì)算量的問題，僅在模型上反應(yīng)冠幅、高度和株距3個行道樹最主要的參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)以球棍狀簡易模型作為行道樹的模型基礎(chǔ)，最終將建立好的行道樹模型導(dǎo)入之前設(shè)定的風(fēng)場中，使行道樹排列的方向與風(fēng)場風(fēng)向保持一致。

3)基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置。將分析優(yōu)化后的高度、冠幅和株距數(shù)據(jù)作為變量，對所研究變量在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)等分梯度取值進(jìn)行模擬。在研究行道樹高度、冠幅與抗風(fēng)性能的關(guān)系時，將模型中的樹形結(jié)構(gòu)高冠比按常規(guī)植物形態(tài)取中值1.4，株距取中值6.5 m，高度在3.8~11.8 m范圍設(shè)立3.8 m，5.8 m，7.8 m，9.8 m，11.8 m共5個變化梯度，對應(yīng)冠幅2.7 m，4.1 m，5.6 m，7.0 m，8.4 m進(jìn)行模擬；在研究株距與抗風(fēng)性能的關(guān)系時，將建模的樹形結(jié)構(gòu)高冠比取中值1.4，高度取中值7.6 m，株距在3.5~9.5 m的范圍設(shè)定3.5 m，5.5 m，7.5 m，9.5 m共4個變化梯度進(jìn)行模擬。

4)模型完善與檢測。將整個模型導(dǎo)入ANSYS中的ICEMCFD界面，再將模型設(shè)置為一個整體并對進(jìn)出風(fēng)面、植物表面進(jìn)行迭代網(wǎng)格化處理，以增加粒子模擬的準(zhǔn)確性；然后將模型導(dǎo)入到FLUENT，對模型的材質(zhì)和風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并設(shè)置迭代次數(shù)對各項(xiàng)參數(shù)的殘差進(jìn)行分析，保證其處于誤差允許的范圍內(nèi)；最后導(dǎo)入到CFDPOST中，導(dǎo)出各項(xiàng)參數(shù)的結(jié)果[7－8](圖2)。

圖2 模型建立流程

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與分析

2.1 不同的行道樹高度抗風(fēng)性能差異模擬

臺風(fēng)通過時的風(fēng)速變化和行道樹樹冠接受風(fēng)壓與其高度、冠幅具有一定相關(guān)性。風(fēng)力強(qiáng)度等同情況下:1)高度4 m及以下的小型喬木或花灌木幾乎不會對臺風(fēng)形成阻滯。部分景觀大道的中央分車綠帶單獨(dú)使用小喬木、花灌木及綠籬等植物對臺風(fēng)的阻擋作用可以忽略，臺風(fēng)經(jīng)過后風(fēng)速不會降低；2)行道樹高度尚未達(dá)到9.8 m時，隨高度增加，冠幅也隨之增大，但樹冠與樹冠之間尚未形成交集，樹冠之間的湍流更加劇烈，單株行道樹的四周(包含頂部和枝下部分)均形成明顯的風(fēng)帶，其個體受風(fēng)情況差異不大，前面行道樹對其后行道樹的保護(hù)作用不明顯，末位行道樹背風(fēng)面風(fēng)速不斷增大；3)當(dāng)高度增加至9.8 m時，此時冠幅為7 m左右，株距與冠幅的比例為0.93，其后隨著行道樹高度的增加，樹冠之間產(chǎn)生交集形成整體，前面行道樹對其后行道樹保護(hù)作用顯著，綠化帶上方的風(fēng)帶有明顯的衰減趨勢，同時行道樹枝下也形成明顯的疏風(fēng)通道[9]，末位行道樹背風(fēng)面風(fēng)速開始減??；4)行道樹的滯風(fēng)作用對整個計(jì)算域環(huán)境的湍流也形成較大的干擾，呈現(xiàn)無序狀態(tài)，但其內(nèi)部最大風(fēng)速和樹冠所受最大壓強(qiáng)基本隨行道樹高度的增加而增加(圖3、表2)。

表2 不同高度行道樹受風(fēng)情況模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖3 不同高度行道樹受風(fēng)情況模擬分析結(jié)果

2.2 不同的種植間距抗風(fēng)性能差異模擬

臺風(fēng)通過時的風(fēng)速變化和行道樹樹冠風(fēng)壓與其種植株距有一定相關(guān)性。1)當(dāng)株距為3.5 m時，樹冠之間產(chǎn)生交集，可將其作為一個整體，首株行道樹頂部風(fēng)速較大，其后行道樹頂部風(fēng)速明顯減弱，所受風(fēng)壓也明顯減小。2)當(dāng)株距為5.5 m時，株距接近冠幅，處于分離但接近的狀態(tài)(高冠比1.4，當(dāng)高度為7.6 m時，冠幅為5.42 m)，樹冠頂部及枝下部分的風(fēng)速全面提升，在行道樹綠帶后形成明顯的風(fēng)速減弱帶，此時出風(fēng)面的最大風(fēng)速減小最為顯著。3)隨著株距逐漸增加，前面行道樹對其后行道樹的保護(hù)作用減弱，風(fēng)對后方行道樹的作用力增加，在行道樹綠帶的樹冠上方可看到明顯的風(fēng)速先增大后減小的風(fēng)速規(guī)律且節(jié)奏變化的帶狀序列。4)當(dāng)株距達(dá)到9.5 m時，由于距離過遠(yuǎn)，樹冠間彼此完全分離，與前述株距尚未達(dá)到9.5 m的種植株距的情形相比，靠后行道樹的樹冠中心位置可以看到明顯的風(fēng)壓增大的紅色區(qū)域，但后面行道樹樹冠中心紅色區(qū)域的面積和顏色較其前行道樹均有減小和減弱的趨勢，說明后面行道樹所受風(fēng)壓較其前行道樹呈衰減趨勢，從風(fēng)速矢量圖中也可看出樹冠頂部的最大風(fēng)速也有明顯的衰減趨勢，湍流趨于規(guī)律(圖4)?？赏茢?，當(dāng)株距繼續(xù)增大，靠前行道樹對其后行道樹的保護(hù)作用將會消失，恢復(fù)到單株行道樹在風(fēng)環(huán)境中的受力情況(圖4、表3)。

表3 不同株距行道樹受風(fēng)情況模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖4 不同株距下行道樹受風(fēng)情況模擬分析結(jié)果

2.3 結(jié)論

由前述分析可知:1)行道樹的抗風(fēng)性能表現(xiàn)與種植參數(shù)具有一定相關(guān)性。在不同種植參數(shù)情況下，行道樹表現(xiàn)出不同的受力狀態(tài)，通過合理選擇種植參數(shù)可充分發(fā)揮靠前行道樹對其后行道樹的保護(hù)作用，降低總風(fēng)損率，適宜的參數(shù)對于降低風(fēng)損級別尤其重要。2)使用4 m及以下高度的植物作用不大，行道樹高度選擇9~11 m較為合適，當(dāng)行道樹過高，可能由于“頭重腳輕”導(dǎo)致倒伏或折干現(xiàn)象。種植株距應(yīng)依據(jù)行道樹的樹形和冠幅靈活調(diào)整，為實(shí)現(xiàn)良好的抗風(fēng)性能又不影響樹種的正常生長，同時實(shí)現(xiàn)良好的遮蔭效果，以不小于0.8倍冠幅且不大于1.5倍冠幅為宜。3)復(fù)層種植對于道路植物景觀整體抗風(fēng)性能的提高具有重要意義。下層的花灌木和小喬木或?qū)Φ缆分卸挝催_(dá)到最佳抗風(fēng)效果的行道樹具有一定程度的保護(hù)作用，復(fù)層種植對于風(fēng)的減小作用也更加明顯。4)種植在道路交叉口的行道樹須選擇木質(zhì)抗性高的樹種。

3 基于調(diào)研的風(fēng)損結(jié)果分析

在調(diào)研過程中對行道樹風(fēng)損狀況進(jìn)行1~4級的分類，其中1級表示倒伏，2級表示干損，3級表示枝損或葉損，4級表示沒有受損。計(jì)算出各行道樹對應(yīng)的分級風(fēng)損數(shù)量占其總數(shù)的百分比，將1、2、3級風(fēng)損率疊加得到各樹種對應(yīng)的總風(fēng)損率，最后通過總風(fēng)損率由低到高的排序，可知行道樹在臺風(fēng)環(huán)境中抗風(fēng)性能的實(shí)際表現(xiàn)(表4)。

表4 臺風(fēng)中廈門島行道樹受災(zāi)情況排序

表4(續(xù))

基于模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，排名前3位的杧果、南洋楹和石栗總風(fēng)損率均在1/3左右及以下，且1、2級風(fēng)損率較低，為推薦保留樹種。非洲楝、海南蒲桃、天竺桂雖總風(fēng)損率達(dá)到100%，但1、2級風(fēng)損率較低，僅發(fā)生輕微的枝損或葉損，因此也可繼續(xù)使用。排名靠后的臺灣欒樹、紅花羊蹄甲、雞冠刺桐、桃花心木、美麗異木棉、尖葉杜英、黃瑾、刺桐等總風(fēng)損率均達(dá)到100%，由于根系較淺或木質(zhì)較為脆弱，1、2級風(fēng)損率占總風(fēng)損率的70%及以上，甚至達(dá)到100%，建議在城市道路綠化更新中使用其他樹種進(jìn)行更替，減少此類植物的使用量。垂葉榕、白蘭、鳳凰木、洋紫荊、火焰木、菩提樹因種植量的現(xiàn)實(shí)原因以及出色的景觀效果，可在定期修剪[10]的情況下繼續(xù)使用。

4 討論

由于歷史、城市形象認(rèn)知、植物風(fēng)貌規(guī)劃等原因，廈門島內(nèi)植物景觀在未來是一個逐步變化的過程，但是以棕櫚科植物為主體形象的城市風(fēng)貌仍然最具生命力，可使用華盛頓棕、蒲葵、大王椰子[11]、銀海棗、加拿利海棗[12]、皇后葵等營造椰林海韻的城市風(fēng)貌大道景觀。此外，建議保留原有非棕櫚科街道苗木種類資源19種:杧果、南洋楹、石栗、樟樹、南洋杉、盆架樹、銀樺、小葉榕、高山榕、大花紫薇、非洲楝、海南蒲桃、天竺桂、垂葉榕、白蘭、鳳凰木、洋紫荊、火焰木、菩提樹。在實(shí)際調(diào)研和模擬分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，從抗風(fēng)性能出發(fā)，按照觀賞性、鄉(xiāng)土性及木質(zhì)堅(jiān)硬程度幾個原則對樹種進(jìn)行補(bǔ)充，建議新增植物8種，包括臺灣相思(Acacia confusa)、大葉相思(Acacia auriculiformis)、第倫桃(Dilleniaindica)、秋楓(Bischofiajavanica)、人面子(Dracontomelon duperreanum)、檸檬桉(Eucalyptus citriodora)、木麻黃(Casuarina equisetifolia)、重陽木(Bischofia polycarpa)。其中棕櫚科植物占比18.18%，常綠植物占比90.92%，觀花喬木占比30.30%。

該模擬實(shí)驗(yàn)為探索性嘗試，在科學(xué)、理想的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行單排行道樹受風(fēng)情況的模擬，在模型結(jié)構(gòu)設(shè)置和環(huán)境模擬方面尚不夠細(xì)致深入。在植物受風(fēng)的實(shí)際情形中，植物疏透度[13]、木質(zhì)結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬程度、城市環(huán)境等均會影響植物的抗風(fēng)性能表現(xiàn)，對于這些方面模擬的不足導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，需在后續(xù)研究中進(jìn)行細(xì)化完善。同時，不同高度的植物搭配組合以及同種植物形成組團(tuán)，其受風(fēng)情形是否會發(fā)生改變也是值得后續(xù)深入探討和研究的問題。

臺風(fēng)所形成的湍流及不規(guī)律，不同區(qū)域的臺風(fēng)運(yùn)動并無明顯規(guī)律，因此造成了系統(tǒng)規(guī)劃抗風(fēng)屏障的實(shí)施難度。樹種的抗風(fēng)性強(qiáng)弱除上述因素以外，還與樹冠根系比[14]、樹齡大小、立地環(huán)境和防風(fēng)措施實(shí)施與否[15]等有關(guān)。

災(zāi)后道路植物景觀的修復(fù)是一個動態(tài)而漫長的過程，針對廈門島道路植物景觀抗風(fēng)性能的優(yōu)化提出如下建議:在所植行道樹尚未達(dá)到理想抗風(fēng)性能時，可在其前栽植小喬木和低矮的花灌木，使其與行道樹在迎風(fēng)面形成緩坡，引導(dǎo)風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，減少臺風(fēng)對行道樹本身的直接沖擊；在行道樹尚未達(dá)到成熟狀態(tài)時，可采用復(fù)層種植，對幼樹的根部產(chǎn)生一定的保護(hù)作用；在行道樹達(dá)到成熟狀態(tài)后，可將下部的花灌木移除，避免影響達(dá)到一定分枝點(diǎn)高度的行道樹下方疏風(fēng)效應(yīng)的發(fā)揮；對于生長速度較快或樹齡較大且較高的樹種則應(yīng)注意定期壓頂處理，避免“樹大招風(fēng)”。道路植物景觀會隨著植物的生長而發(fā)生動態(tài)演變，可通過適宜的種植參數(shù)的調(diào)整，靈活使用花灌木與不同階段不用狀態(tài)的行道樹配合，從而使抗風(fēng)性能達(dá)到最佳。