基于CFD模擬的臺風“山竹”對深圳市園林樹木影響研究

王 慶

邱智豪

趙月溪

謝曉歡*

臺風是熱帶氣旋的一種。熱帶氣旋是在熱帶或者亞熱帶海洋上發生的低壓渦旋，是一種強大的熱帶天氣系統。在氣象學上，中國稱太平洋和南海附近，中心最大持續風速為12級或以上的熱帶氣旋為臺風①。我國臺風登陸十分頻繁，每年平均有7～8個臺風登陸，是世界上受臺風影響最為嚴重的國家之一[1]。尤其是東南沿海地區的城市在夏季經常會受到臺風的影響，導致大量樹木折斷或倒伏，城市園林景觀受到破壞。

2018年9月16日，超強臺風“山竹”襲擊深圳，它具有強度強、強風范圍大、風雨影響嚴重等特點②。“山竹”過境深圳時強度為14～15級，風速達到45m/s。據深圳城市管理局的統計數據顯示，深圳全市倒伏樹木約11 680株，樹枝損毀約4 241株。臺風“山竹”給深圳市園林樹木造成嚴重損毀③。

近些年來，國內學術界越來越注重臺風對城市綠化樹木造成損害的受災原因分析及應對措施研究。有的學者認為臺風風力、樹木自身特性以及環境因素是造成破壞的主要原因[2]。也有學者認為樹木受臺風損傷程度與樹種類型、樹木位置和道路空間結構等因素相關[3]。有學者結合實地調研和工作經驗從規劃設計、植物配置、養護管理、災后救治4個方面提出了抗臺護綠對策及建議[4]。有研究對樹種進行了抗風性評價，推薦了適宜于華南地區的100種抗風性樹種[5]。國外的學者則以模型和實驗研究為主，聚焦于風與樹木的相互作用的力學研究，以此探索災前風災預測模型的建立方法。如彈簧振子模型，揭示了風致樹木倒伏的力學原理[6]；預測動力學模型用來分析樹木在湍流氣流下的響應機制；有限元模型對楓樹倒伏進行研究，確定了主要影響樹響應的參數[8-9]；此外，有的研究還建立了樹木風災評估模型等[10]。

綜上所述，國內學者大多是在災后進行調查分析，提出相應的應對措施，國外學者主要是通過模型和實驗研究，探索災前風災預測模型的方法，而較少涉及對災時臺風對樹木的影響以及建筑周邊風環境的研究。因此，本文基于CFD(Computational Fluid Dynamics)模型，以深圳大學后海校區為研究范圍，在現場調研的基礎上對臺風“山竹”襲擊深圳某一時刻的風環境進行模擬，探索災時臺風對樹木的影響以及建筑周邊風環境情況，為樹木受損的原因提供科學的分析，并根據受損原因提出相應對策建議，以期為今后園林樹木抗風災影響研究提供參考。

圖1 風速色階立面圖

圖2 樹木受損情況分布圖

1 研究對象與方法

1.1 研究范圍

本研究以深圳大學后海校區為調查范圍。研究地坐落在深圳市南山半島，面臨后海，面積1.44km2。屬于亞熱帶海洋性季風氣候，具有長夏、短冬的特點，氣溫多年平均值為22.7℃。年平均風速為2.6m/s，年主導風向為東風，次為東北風和東南風，常受臺風危害④。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方調研

在臺風“山竹”襲擊后的當天及次日共2d，在研究范圍內進行實地踏勘現場調研，在整個研究地設置樣方，盡量每個樣方內都包含受損樹木，并避開建筑、湖面、田徑場等大面積無植被區域。每個樣方面積為20m×20m，共設80個樣方。記錄每個樣方內樹木品種、高度、胸徑、冠幅等數量特征，記錄其中受損樹木情況并拍照。

1.2.2 CFD模擬

CFD模擬是一種從微觀角度，針對某一區域或房間，利用質量、能量及動量守恒等基本方程對流場模型進行求解，分析其氣流條件的方法。CFD對自然通風模擬主要用于自然通風風場布局優化和室內流場分析，以及對內庭這類高大空間的流場模擬。Phoenics是英國CHAM(Concentration Heat And Mometurn Ltd)公司開發的用于模擬流體流動和熱傳輸的通用CFD軟件，距今已有近40年的歷史，該軟件應用廣泛，其模擬結果有效可靠[11]。本研究采用Phoenics軟件對遭受臺風“山竹”時深大建筑物及周圍的微環境進行CFD模擬分析，評價室外流場分布狀況。

1)模擬過程。

通過深大地形圖中的高程、建筑物輪廓、建筑物高度等信息，建立研究對象及模擬范圍內其他建筑物模型。模擬計算區域為了結果準確性，首先保證建筑迎風截面堵塞比(模型面積/迎風面計算區域截面積)小于4%。整個場地區域的東西跨度為1 600m，南北跨度為1 500m。在來流方向(即東偏北15°方向，場地最前方建筑距離計算區域邊界要大于1 600m，場地最后方建筑距離計算區域邊界大于3 200m。整個外場計算尺寸為6 400m×4 500m×180m(長×寬×高)，網格尺寸為12m×12m。網格數量為400×500×18，總數量為360萬。在入口邊界條件設置上，入口風速符合梯度風規律，參照國內外標準對于深大建筑高度與密度所對應的大氣邊界層的情況，梯度風指數α取0.22。湍流模型選擇為KEMODL。迭代次數為1 200次。在風場的設置上，由于臺風模型復雜，風速和風向變化大，因此以臺風經過深圳附近時，瞬時風速達到12～13級時的場景，將風速設置為40m/s，風向設置為東偏北15°來進行風場模擬。

2)樹木風心處風速取值。

樹木的風折與倒伏受到樹冠所受的風壓與根系附著力的共同影響。本文將所研究樹木近似的看作是樹干垂直于地面，樹冠圍繞樹干旋轉所形成的中心對稱的理想模型。由于樹冠所受的風壓通過風心起作用，風心位于樹木中心線上，且其高度位于樹高H 的約2/3處。風壓作用于風心產生實際應力，當樹木所受的實際應力小于根系附著力且大于樹干的強度極限時，樹木便會出現風折，其風折高度H0與樹木直徑、材質和種植方式有關。當樹木所受的實際應力大于根系附著力且小于樹干的強度極限時，樹木便會出現倒伏[12]。

根據標準風壓公式wp=0.5·r·v2/g，其中，r為空氣重度(kN/m3)，v表示風速(m/s)，g表示重力加速度(m/s2)。在標準狀態下(氣壓為101.325kPa，溫度為15℃)，空氣重度r=0.012 25(kN/m3)，緯度為45°處的重力加速度g=9.8(m/s2)，得到wp=v2/1 600[13]。由上式可知，風壓與風速的平方呈正相關。因此通過CFD模型的風速色階立面圖即可將災時樹木周邊風環境情況可視化呈現，同時也可選取風速值作為樹木受損的變量之一進行相關數據分析。

樹冠風心風速取值首先通過X、Y軸坐標確定樹木在CFD模型中的位置，再計算樹木風心高度(即樹木的2/3處)，最后以模型基底高度、地形高程、風心高度三者之和作為Z軸高度進行取值即可確定樹冠風心處風速(圖1)。以此方法確定每株調研樹木臺風襲擊時所受風速。

圖3 樹木受損狀況

2 結果分析

2.1 樹木受損概況

調研共記錄樣方樹木2 077株，其中受損樹木40種，共計308株，拍攝現狀記錄照片139張。受損情況主要分為樹枝折斷、樹干折斷、傾斜和倒伏4種情況(表1，圖3)。

對受損的308株樹木高度、冠幅等數據進行統計分析(表2)。從高度來看，隨著樹木高度的升高樹木受損數量逐漸增加，在樹木高度范圍為9.5～12m時受損樹木數量最多。由于研究范圍內樹木高度高于12m的樹種基數較少，在此區間后受損數量逐漸下降。冠幅范圍在2.5～5m內受損樹木數量最多，大于此范圍的受損樹木數量逐漸減少，一是由于樹木在此范圍內基數較大，二是隨著樹木冠幅的增大，其根系更加發達，因此穩固性強。受損樹木數量總體上隨著風速的增加而增加，在風速范圍40～45m/s內數量最多。風速高于45m/s時受損樹木數量減少是因為此風速范圍覆蓋面相對較小。

2.2 影響樹木受損的因素

2.2.1 極端風速

如圖2 所示，研究范圍內最大風速達45.25m/s，風速高于22.5m/s的中高風速區域占整個校園面積的70%以上。此外，研究范圍內明顯出現2條高風速帶，其風速為35.50～48.50m/s，而樹木受損嚴重區域主要集中分布在高風速帶內。高風速帶區域受損樹木共200株，占受損樹木總數的64.94%。由此可見，此次“山竹”臺風威力巨大，受損樹木的分布與風速強弱分布具有空間上的一致性。

將風速以1m/s為遞增單位分成32個區間，統計屬于每個區間的受損樹木數量，并計算出每個區間受損樹木數量占屬于該區間的全部受損樹木數量的比例。分析該區間受損樹木比例與風速之間的關系。

經過SPSS軟件進行回歸分析，可知受損樹木所在位置風速范圍為15～50m/s時與受損比例呈顯著相關(P<0.05)，受損樹木的比例隨風速的增加而增加。回歸曲線如圖4所示，當風速小于15m/s時，基本無樹木受損，當風速大于35m/s左右時，受損樹木比例呈激增趨勢。

2.2.2 建筑環境

由圖2和圖5可知，建筑密度較高的區域，風速相對較低，建筑對風力起著削弱作用，樹木損毀情況也較輕。高風速帶內多為水體、自然山體或低矮建筑，說明空曠的空間易形成高風速帶。2條高風速帶內樹木受損情況更為嚴重，這說明建筑環境影響樹木受損程度。

1)漏斗效應。

如圖5所示，當風在平行排列的建筑之間通過時，風速出現了明顯增強，由35.5m/s加強到42.0m/s。這種風經過成排的高層建筑之間而風力加強的現象被稱為“漏斗效應”[14]。研究范圍內發生該效應的典型區域為學生宿舍區，學生宿舍樓呈行列式布局，建筑之間形成風道，臺風來襲時，風在此匯聚，造成風速加強，因此樹木枝干出現大面積折斷現象。此外，我們通常所說的風道和風口也是由于“漏斗效應”產生的。如圖3中的⑤就是道路交叉路口產生該效應造成了樹木大量受損。

2)縫隙效應。

如圖5所示，在高風速帶外，有局部風速明顯高于周邊區域，其風速區間32～55m/s。這種現象被稱為“縫隙效應”，即風在通過建筑內部孔隙時會產生強勁的穿堂風[14]。研究范圍內的辦公樓，其底部為開敞人行通道，形成了“縫隙效應”。但因該處多為低矮灌木且均位于建筑孔隙兩側，所以樹木損毀情況不明顯。

2.2.3 植株差異

樹種的差異帶來區域受損程度的差別。從不同樹種不同受損情況的數量統計來看(表1)，風倒、風折較嚴重的是紅花羊蹄甲、馬占相思、垂葉榕這類淺根性或無主根、樹枝脆的樹種；香樟、荔枝樹、南洋杉、非洲楝、白千層等深根性或有明顯主根，木質堅硬、樹冠緊湊的樹種僅出現少量斷枝，表現出較好的抗風性。

由表1和表2可知，不同園林功能的樹木，以及具有相同功能的不同樹種，受損情況差異較大。除了品種差異之外，樹木高度、冠幅等植株個體生長狀況差異也是一項重要的影響因素。將樹木高度和冠幅以0.5m為遞增單位分成32個區間，用SPSS軟件進行樹木高度、冠幅與受損樹木比例之間的相關性線性回歸。

如圖6所示，樹木高度范圍為2～20m時與受損樹木比例呈顯著相關(P<0.05)。受損樹木的比例隨著樹木高度的增加而增加，當樹木高度小于2m時，基本無受損樹木；當樹木高度大于10m左右時，受損樹木比例激增。

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如圖7所示，樹木冠幅范圍為1～17.5m時與受損樹木比例呈顯著相關(P<0.05)，受損樹木比例隨著冠幅的增加而增加。當樹木冠幅小于1m時，基本無受損樹木；當樹木冠幅大于7.5m左右時，受損樹木比例激增。

以上結果表明，研究區域內樹木的高度、冠幅與樹木受損比例顯著相關。當樹木高度大于10m或冠幅大于7.5m時，樹木更容易受到臺風的損壞，這也解釋了“樹大招風”的傳統說法。

2.2.4 立地條件

園林樹木的立地條件是影響樹木抗風性能的關鍵因素之一。位于強風帶外且風速較低的區域，也有樹木受損的現象。如圖3的④所示，根據調研發現，低風速區域倒伏的樹木主干粗壯，但根系較淺。這是因為種植池過小，與樹木體量嚴重不符，樹木根系發育受阻。這種情況下即使是深根性樹種，由于人工水肥補充范圍有限，也會導致樹木根深不足，不夠穩固。所以，樹木的種植穴小，未修樹池，土壤環境差等情況都能引起根基不穩，樹木根系不能起到較強的固定作用。

表1 受損樹木名錄(單位：株)

表2 樹木高度、冠幅及風速區間與受損樹木數量統計表

圖4 風速與樹木受損比例關系曲線

圖5 建筑環境對局部風速的影響

圖6 樹木高度與受損比例關系曲線

圖7 樹木冠幅與受損比例關系曲線

3 對策及建議

基于上述分析，此次“山竹”風力巨大是造成樹木受損的主要原因。此外，樹種選擇與植物配置，以及養護措施不當也是樹木嚴重受損的重要原因。風口、風道及其他開闊區域成為本次臺風的主要受損區域。受損樹木比例與樹木品種、高度、冠幅、風心處風速相關。就此提出相應的對策和建議。

3.1 合理樹種選擇

臺風多發地，原則上應該選擇抗風性強的樹種，即扎根深、質地堅硬的樹種。調研結果表明，樹冠受風面積越大、高度越高而根系較淺的樹種越容易在風災中倒伏。因此樹枝韌性強、樹形透風性良好、根系廣而深的樹種應當優先考慮，如棕櫚類植物、荔枝樹、小葉欖仁、香樟、人面子、鳳凰木等。在選擇時應考慮不同樹木的生物學及生態學特征以滿足不同區域種植的需求。局部建筑周邊風力加強區域應當采用根系廣深、樹枝柔韌、高度和冠幅適中的抗風樹種。

3.2 優化植物配置

結合CFD模擬的風環境與之對應的樹木受損情況所顯示的規律，可在實踐中進一步根據環境、建筑物密度與高度、是否處于風口區域等條件，靈活選擇不同的植物配置。植物配置需充分考慮周邊建筑情況：在風口、風道及高層建筑底部應選擇深根性和抗風性樹種，以抵御臺風來襲時的強大風力；而在建筑非迎風面則可適當選擇抗風性能較差但景觀效果好的樹木，以滿足植物配置的多樣化需求，營造豐富多樣的空間環境；在高層建筑周邊則宜采用復層種植結構，合理種植灌木和喬木，利用低矮景觀植物的擋風作用，增強植物的群體抗風性，削減建筑周圍強風。可以利用群植來代替孤植，帶狀綠化代替點狀樹池，不同種類與不同層次樹種相結合形成樹木群落。

3.3 科學樹木管養

樹木的養護和管理是提升樹木抗臺風能力的重要措施。應定期修剪樹木內側枝，保證其樹冠透風率，減少臺風來襲時的風阻，還應對樹冠外部進行修剪，以避免樹木的頂端優勢造成其高度、冠幅與根系的不適應，從而加大臺風來襲時倒伏的概率。此外，應在臺風來襲前對風口等空曠區域及高度大于10m以上的樹木采取加固支撐的預防措施，重點對冠幅大于7.5m左右的樹木進行修剪或者加固枝干支撐。及時調整樹木種植池的大小以滿足樹木生長發育的需要。種植池尺寸應適當加大，且植株間距要適當。盡量在大樹周圍采用草坪或透水性鋪裝，以保證樹木根系自然生長，增強樹木抵御臺風的能力。嚴格劃定地下管線與種植點的位置和距離，確保樹木根系不受管線影響。

4 結語

臺風后樹木的受損程度與多方面因素有關，如風力大小、周邊環境、樹木本身等。我們無法準確預測自然災害的影響，只能通過合理的樹種選擇、合理的植物配置方法以及科學的管養，才可能最大限度地減少臺風災害對城市園林樹木造成的破壞。樹木本身的抗風性除了受高度、冠幅、品種等因素的影響外，還受到土壤緊實度、木質強度、枝葉密度等多個因素的影響，是一個復雜的問題，將在以后的研究中展開。本文所采用的CFD模型僅是“山竹”臺風來襲時的模擬，存在一定的局限性。但是，通過對這一時刻的風環境模擬模型進行分析研究，可為今后園林樹木抗風災影響研究提供參考經驗，其研究方法具有一定的指導意義。

注：文中圖片均由作者拍攝或繪制。

注釋：

① 來源：中國氣象局，臺風的定義.2018.07.17。

② 來源：中國天氣網，專家解讀超強臺風“山竹”四大特點。

③ 來源：文科園林，臺風“山竹”對深圳園林樹木影響的技術調查報告。

④ 來源：深圳市南山區政府，南山概況。