基于FLUENT對風環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

北京林業大學園林學院 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氣候，由于特殊的地理位置和氣候條件，常受臺風襲擊，給居民的日常工作生活帶來極大不便。1999年“9914號”臺風造成經濟損失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)”臺風給廈門造成直接經濟損失102億元。同時，臺風對城市綠化尤其是道路綠化造成的破壞異常嚴重[2－3]，“9914號”臺風造成廈門城區近3萬株行道樹不同程度損傷，受損率達75%，其中倒伏1.3萬株，倒伏率達45%[4]； “莫蘭蒂”造成65萬株行道樹倒伏[5]，城市行道樹還出現折干、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，造成城市綠化事業進程的倒退。綠化景觀的恢復是一個長期過程，這也對相關領域工作人員的信心造成打擊，因此基于抗風性能對廈門道路植物景觀種植策略進行研究十分必要。

本文對1949年以來廈門史上的最強臺風——“莫蘭蒂(MERANTI)”臺風的災后情況進行研究，通過對其災后主要道路行道樹風損情況及相應的種植參數進行調研分析，依據實地調研獲得的基礎數據，借助CAD和FLUENT軟件建立模型，對不同種植參數下行道樹的受力情況進行模擬，探討行道樹種植參數的調整對提高其抗風性能的作用和意義，并嘗試提出應對風環境受力的道路植物種植策略。

1 研究方法

1.1 道路植物基礎數據獲取及處理與優化

調研于臺風發生后的第一個周末(2017年9月16—17日)進行，依據廈門市道路類型及其島內分布狀態，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，記錄樣點并編號。由于臺風過程中喬木的風損對居民日常活動影響較大，研究其在臺風過程中的抗性和適應性極為重要[6]，因此本次研究只針對行道樹進行采樣。采用實地測量的方法，用Leica測距儀和Garmin手持GPS測量數據，對樣段內的行道樹風損情況、種名及其相關種植參數(如高度/m、冠幅/m、干徑/cm、株距/m等數據)進行記錄。

對調研所得行道樹的高度、冠幅、株距等數據進行統計(圖1)，獲得高度、高冠比、株距的閾值和中值數據(表1)。將優化后的數據作為行道樹建模的基礎參數數據，以較為合理地代表當地行道樹的特點，增強可行性與可操作性。

圖1 行道樹參數統計

表1 行道樹高度、高冠比、株距數據變化統計

1.2 實驗模擬

1)風場環境模擬。由于臺風在進入城市街道環境后將在兩側建筑界面的限制下沿道路方向行進，因此在模擬城市街道環境中臺風的局部瞬時干擾情形時，將模型計算域設定為一個60 m×25 m×30 m的長方體計算域，將進出風面設置在相對的位置，以保證計算域內氣流運動所形成的風向與現實情形相符。實驗模擬“莫蘭蒂”臺風風速，將進風面風速設定為35 m/s，并在風經過行道樹后的墻面設置壓力感應面，以測試風經過行道樹后的壓力變化。

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

3)基礎參數設置。將分析優化后的高度、冠幅和株距數據作為變量，對所研究變量在統計范圍內等分梯度取值進行模擬。在研究行道樹高度、冠幅與抗風性能的關系時，將模型中的樹形結構高冠比按常規植物形態取中值1.4，株距取中值6.5 m，高度在3.8~11.8 m范圍設立3.8 m，5.8 m，7.8 m，9.8 m，11.8 m共5個變化梯度，對應冠幅2.7 m，4.1 m，5.6 m，7.0 m，8.4 m進行模擬；在研究株距與抗風性能的關系時，將建模的樹形結構高冠比取中值1.4，高度取中值7.6 m，株距在3.5~9.5 m的范圍設定3.5 m，5.5 m，7.5 m，9.5 m共4個變化梯度進行模擬。

4)模型完善與檢測。將整個模型導入ANSYS中的ICEMCFD界面，再將模型設置為一個整體并對進出風面、植物表面進行迭代網格化處理，以增加粒子模擬的準確性；然后將模型導入到FLUENT，對模型的材質和風速等參數進行設定，并設置迭代次數對各項參數的殘差進行分析，保證其處于誤差允許的范圍內；最后導入到CFDPOST中，導出各項參數的結果[7－8](圖2)。

圖2 模型建立流程

2 實驗模擬結果與分析

2.1 不同的行道樹高度抗風性能差異模擬

臺風通過時的風速變化和行道樹樹冠接受風壓與其高度、冠幅具有一定相關性。風力強度等同情況下:1)高度4 m及以下的小型喬木或花灌木幾乎不會對臺風形成阻滯。部分景觀大道的中央分車綠帶單獨使用小喬木、花灌木及綠籬等植物對臺風的阻擋作用可以忽略，臺風經過后風速不會降低；2)行道樹高度尚未達到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)均形成明顯的風帶，其個體受風情況差異不大，前面行道樹對其后行道樹的保護作用不明顯，末位行道樹背風面風速不斷增大；3)當高度增加至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，樹冠之間產生交集形成整體，前面行道樹對其后行道樹保護作用顯著，綠化帶上方的風帶有明顯的衰減趨勢，同時行道樹枝下也形成明顯的疏風通道[9]，末位行道樹背風面風速開始減小；4)行道樹的滯風作用對整個計算域環境的湍流也形成較大的干擾，呈現無序狀態，但其內部最大風速和樹冠所受最大壓強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情況模擬數據統計

圖3 不同高度行道樹受風情況模擬分析結果

2.2 不同的種植間距抗風性能差異模擬

臺風通過時的風速變化和行道樹樹冠風壓與其種植株距有一定相關性。1)當株距為3.5 m時，樹冠之間產生交集，可將其作為一個整體，首株行道樹頂部風速較大，其后行道樹頂部風速明顯減弱，所受風壓也明顯減小。2)當株距為5.5 m時，株距接近冠幅，處于分離但接近的狀態(高冠比1.4，當高度為7.6 m時，冠幅為5.42 m)，樹冠頂部及枝下部分的風速全面提升，在行道樹綠帶后形成明顯的風速減弱帶，此時出風面的最大風速減小最為顯著。3)隨著株距逐漸增加，前面行道樹對其后行道樹的保護作用減弱，風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速先增大后減小的風速規律且節奏變化的帶狀序列。4)當株距達到9.5 m時，由于距離過遠，樹冠間彼此完全分離，與前述株距尚未達到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壓增大的紅色區域，但后面行道樹樹冠中心紅色區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壓較其前行道樹呈衰減趨勢，從風速矢量圖中也可看出樹冠頂部的最大風速也有明顯的衰減趨勢，湍流趨于規律(圖4)。可推斷，當株距繼續增大，靠前行道樹對其后行道樹的保護作用將會消失，恢復到單株行道樹在風環境中的受力情況(圖4、表3)。

表3 不同株距行道樹受風情況模擬數據統計

圖4 不同株距下行道樹受風情況模擬分析結果

2.3 結論

由前述分析可知:1)行道樹的抗風性能表現與種植參數具有一定相關性。在不同種植參數情況下，行道樹表現出不同的受力狀態，通過合理選擇種植參數可充分發揮靠前行道樹對其后行道樹的保護作用，降低總風損率，適宜的參數對于降低風損級別尤其重要。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，當行道樹過高，可能由于“頭重腳輕”導致倒伏或折干現象。種植株距應依據行道樹的樹形和冠幅靈活調整，為實現良好的抗風性能又不影響樹種的正常生長，同時實現良好的遮蔭效果，以不小于0.8倍冠幅且不大于1.5倍冠幅為宜。3)復層種植對于道路植物景觀整體抗風性能的提高具有重要意義。下層的花灌木和小喬木或對道路中段未達到最佳抗風效果的行道樹具有一定程度的保護作用，復層種植對于風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抗性高的樹種。

3 基于調研的風損結果分析

在調研過程中對行道樹風損狀況進行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。計算出各行道樹對應的分級風損數量占其總數的百分比，將1、2、3級風損率疊加得到各樹種對應的總風損率，最后通過總風損率由低到高的排序，可知行道樹在臺風環境中抗風性能的實際表現(表4)。

表4 臺風中廈門島行道樹受災情況排序

表4(續)

基于模擬實驗結果，排名前3位的杧果、南洋楹和石栗總風損率均在1/3左右及以下，且1、2級風損率較低，為推薦保留樹種。非洲楝、海南蒲桃、天竺桂雖總風損率達到100%，但1、2級風損率較低，僅發生輕微的枝損或葉損，因此也可繼續使用。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、刺桐等總風損率均達到100%，由于根系較淺或木質較為脆弱，1、2級風損率占總風損率的70%及以上，甚至達到100%，建議在城市道路綠化更新中使用其他樹種進行更替，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實原因以及出色的景觀效果，可在定期修剪[10]的情況下繼續使用。

4 討論

由于歷史、城市形象認知、植物風貌規劃等原因，廈門島內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。在實際調研和模擬分析結果的基礎上，從抗風性能出發，按照觀賞性、鄉土性及木質堅硬程度幾個原則對樹種進行補充，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%。

該模擬實驗為探索性嘗試，在科學、理想的實驗室環境下進行單排行道樹受風情況的模擬，在模型結構設置和環境模擬方面尚不夠細致深入。在植物受風的實際情形中，植物疏透度[13]、木質結構堅硬程度、城市環境等均會影響植物的抗風性能表現，對于這些方面模擬的不足導致實驗結果存在一定的誤差，需在后續研究中進行細化完善。同時，不同高度的植物搭配組合以及同種植物形成組團，其受風情形是否會發生改變也是值得后續深入探討和研究的問題。

臺風所形成的湍流及不規律，不同區域的臺風運動并無明顯規律，因此造成了系統規劃抗風屏障的實施難度。樹種的抗風性強弱除上述因素以外，還與樹冠根系比[14]、樹齡大小、立地環境和防風措施實施與否[15]等有關。

災后道路植物景觀的修復是一個動態而漫長的過程，針對廈門島道路植物景觀抗風性能的優化提出如下建議:在所植行道樹尚未達到理想抗風性能時，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面形成緩坡，引導風向的轉變，減少臺風對行道樹本身的直接沖擊；在行道樹尚未達到成熟狀態時，可采用復層種植，對幼樹的根部產生一定的保護作用；在行道樹達到成熟狀態后，可將下部的花灌木移除，避免影響達到一定分枝點高度的行道樹下方疏風效應的發揮；對于生長速度較快或樹齡較大且較高的樹種則應注意定期壓頂處理，避免“樹大招風”。道路植物景觀會隨著植物的生長而發生動態演變，可通過適宜的種植參數的調整，靈活使用花灌木與不同階段不用狀態的行道樹配合，從而使抗風性能達到最佳。