Delft3D污染物擴散模擬下生態園林景觀環境中植物布局優化配置研究

文章編號：1674-6139（2025）08-0178-06

中圖分類號：X32文獻標志碼：A

Optimization of Plant Layout in Ecological Landscape Environment underDelft3DPollutant Diffusion Simulation

LiMo

（Xi'anMunicipal Engineering Designamp;Research Institute Co.，Ltd.，Xi'an 71OO68，China）

Abstract：InordertooptiizetheurbanecologicalenviromentandbeautifythesiteenvironmentthispaperputsforwardtheptimalalocatinofplantlyoutintecologicalgardenlandscapeenvironmentunderDelfDpolutantdifusionsimulationSelectingan ecologicalgardenastheresearcharea，thispaperanalyzedthepresentsituationoflandscapeenvironmentandstudiedtheproblemsin plantlayout.Dfthnologissedtouatedsapetpoapndtmicalvausofoiityatealod convectiondiusealulatdtobtaitesiulatioetofutantdifusioAodingttdifusioultsftotaloe totalphosphorusandchemicaloxygendemandpolutantsinthecurrentwaterenvironment，combinedwiththegowthcharacteristicsof plantsandlocalnaturalconditions，theoptimalallcationofplantlayoutinthecologicalgdenlandscapenvironmentisopleted Throughexperiments，tisprovedthattheoptimalalcationfplantlaoutcanimprovetecologicaleectandlndcapeectf greening areas，increase the survival rate of plants，and create alivingand ornamental landscape environment.

Keywords：DeftDmodel；ecologicalgardenlandscape；simulationofpolutantdifusion；plantlayoutoptimizationconfiguration； lateral momentum

前言

目前，中國大部分的城市都處于快速發展時期，大量的植被被大量的砍伐，使得許多自然的生態園林遭到了破壞[1-2]。在生態園林景觀建設中，要發揮出其自身最大的價值，不僅要看種什么樣的植物，還要看整體布局，從而構建優秀的生態園林，營造出綠色文明的人居環境。

基于此，徐安祺[3]等提出基于 PM_2.5 消減的街旁綠地植物空間配置模式研究，但是無法全面評估不同植物種類和配置對 PM_2.5 削減作用的影響。祝薇雅[4]等提出基于參數化設計方法的城市公園植物景觀布局設計，但是數據的收集和處理會受到多種因素影響，導致植物布局配置不合理。陳永生[5]等提出布局優化對策，量化城市園林供需平衡關系，實現配置。但小型或隱蔽的園林會出現未被POI數據覆蓋，影響植物布局配置。王玉虎[等提出了利用粒度分層的園林植物布局優化配置。但是綠量計算的數據來源和計算方法存在一定的誤差和不確定性，從而影響到最終的空間規劃結果。

為此，提出了Delft3D污染物擴散模擬下生態園林景觀環境中植物布局優化配置。以某生態園林作為研究對象，分析景觀環境與植物布局現狀，結合Delft3D模型計算污染物連續性、橫向動量、對流擴散狀態，根據當前區域污染特點，在不同區域設置不同種類和治理作用的植被，完成植物布局優化配置。

1生態園林景觀環境現狀分析

1. 1 生態園林景觀

選取某省的生態園林作為研究區，該園林地處平原，太平洋季風與冷空氣的交匯地帶，具有顯著的過渡性，為半濕潤、半干旱的溫帶大陸氣候。在干濕分區上，由濕熱到干旱的過渡地帶。該地區的干旱和半干旱的面積較大，且降雨不穩定，會出現風沙現象。這一過渡時期的氣候與地形，深刻地影響著地面植被與農業。在植被類型上，該地區有喬木、灌木以及水生植物等，但由于土壤侵蝕的加劇，原有的植被遭到破壞，肥力降低，造成生態園林景觀的惡化[]

通過分析該生態園林景觀環境得知：河道斷流后，下游河道喪失了輸水作用，造成一些河段干枯，下游出現不同程度的湖泊萎縮、干枯。上游水源供給急劇下降，導致下游地下水無補給，地下水埋深大幅下降，導致表層王壤水分含量下降，王壤干燥化程度較高。一些湖泊由于得不到足夠的供水，所以

兩側的土壤也受到了嚴重的影響。生態環境的不斷惡化，使得城市綠地逐漸向旱生植物演化，從而導致生態園林干旱化和鹽堿化[8]，地下水位降低，沿岸植物的大量衰亡。

1.2 當前植物配置

生態園林河道廊道的植物景觀，在樹種選擇上基本上能夠滿足生物多樣性的需要，豐富的物種可以保持河道植被的穩定性，從而達到維護河道生態平衡的目的。但是通過對A區域、B區域、C區域和D區域的植物對比分析，發現B區域、C區域和D區域的植物數量要少于A區域，這對景觀的配置和多樣性的構建不利，且穩定性還不如A區域。（見圖1）

圖1生態園林景觀環境空間分析圖

生態園林綠地內的植被配置以人工為主，通過對樹種的統計分析，得知在多數群落中，喬木樹種數量較多，常綠數量樹種較少;而且由于部分樹齡過大，樹體衰弱，出現了枯斑。

2Delft3D污染物擴散模擬計算

Delft3D是國際領先水平的水動力學和水質模型技術，包含6個獨立而又緊密相連的模塊，可以實現對大尺度水流、水動力，波浪，泥沙，水質，生態等方面的準確計算。Delft3D模型具有高穩定性，通過干濕動邊界處理技術快速生成網格、環境等生態景觀參數插值等難題，同時具備較強的后處理能力。以研究區域為例，開展了污染物擴散的數值模擬分析。

（1）連續性表達式為式（1）：

式（1）中， ζ 描述的是潮位[9]， d 描述的是水深，G_υυG_ζζ 描述的是從直角坐標系 （x，y） 和正交曲線坐標系 （ζ，υ） 之間的變換系數， u_?v 描述的是在 ζ 和 υ

方向上的速度分量，描述的是因排水、引流、蒸發、降雨等原因所造成的單位面積水量情況。

（2）橫向動量表達式為式（2）：

式（2）中， 描述的是 ζ，υ，σ 方向的速度分量 ， 描述的是科氏力參量， _?ρ0 描述的是水的密度，P_ζ 描述的是 ζ 方向的靜水壓梯度， v_?V 描述的是垂直

方向上的渦動系數[10]， F_ζ 描述的是 ζ 方向上的紊流流量， M_ζ 描述的是 ζ 方向上的動量源或匯。

（3）對流擴散表達式為式（3）：

式（3）中， c 描述的是污染物的濃度， D_H 描述的是橫向擴散因子， λ_d 描述的是一階衰減因子 描述的是由排水量 q_in 與吸水量 q_out 決定的污染物源匯項。

3生態園林景觀環境中植物布局優化配置

為降低生態園林景觀環境中污染，使用如下模擬計算。

首先，使用Delft3D的前處理模塊（如RGF-GRID）對圖1中水體進行網格劃分，采用正交曲線網格以提高計算精度。

其次，建立二維水流模型，模擬湖泊的水流動態。

再三，通過式（1）-式（3）模擬污染物的對流、擴散過程，見圖2。

圖2生態園林景觀的Delft3D污染物擴散模擬結果

通過圖2可看出，植物布局優化配置：經過Delft3D污染物擴散模擬得出，A點靠近入水口，是整個水體污染物濃度最高處，為此，植物布局優化配置主要集中在水體中，主要種植荷花、睡蓮、蘆竹等水生植物根系發達，能夠吸收水中的總氮、總磷等營養物質，降低化學需氧量，促進水體中微生物的繁殖，進一步加速有機物的分解和營養元素的循環。，B點、C點為水體堤壩處，主要種植岸上植物，美化環境的同時，固定水土資源不流失，同時要具備強抗弱堿性土壤能力，選用常綠和落葉的骨干樹種、垂直綠化植物、一般樹種中的喬木和灌木等在綠化和美化生態園林景觀環境方面有著重要作用，通過改善土壤質量、增加土壤有機質和微生物活性等方式間接影響水體質量，降低總氮、總磷、化學需氧量。D點為出水口，污染已經被大幅度稀釋，為此該點主要目的為固定被沖刷下來的泥沙，選用女貞、黃葛樹、繡球、美人蕉、鳶尾、一葉蘭、馬蹄金、絲蘭、結縷草等多年生草本，在少量凈化污染的同時，最大程度保護水土資源。

4生態園林景觀環境中植物布局優化配置實驗

為了證明生態園林景觀環境中植物布局優化配置的合理性，進行實驗。選擇斑塊類型面積、景觀百分比、邊界密度、連接度指數、尺度破碎度、蔓延度以及均勻度7個作為實驗評估指標，以驗證植物布局優化配置是否可行。該生態園林中的地表水體主要為湖泊與河道，屬于淡水水體。見表1布局配置優化前后對比結果。

表1生態園林景觀植物布局配置優化前后對比

通過表1能夠得知，經過對 _{A，B，C，D} 四個區域的景觀級別指數進行優化前后的對比分析，得出以下結論：優化后， A，B，C，D 四個區域的斑塊類型面積均有所增加，表明優化配置有效促進了各區域內斑塊面積的擴大。

四個區域的景觀百分比經過優化后都有所上升，反映出優化配置提高了各區域景觀類型的占比。C區域的景觀占比最高的區域，說明C區域在優化配置后的景觀構成中占據重要地位。各區域經過布局優化配置后的邊界密度數值均增大，這是由于斑塊面積的增大以及斑塊間連接度的提高所致。其中，A區域的邊界密度增長最為明顯，從6.64增加至9.17，反映了該區域在優化配置后景觀結構的復雜性增強。生態園林景觀環境布局優化配置后，各區域的連接度指數顯著提高，說明優化配置促進斑塊間的連通性。C區域的連接度指數從4.97提升至6.16，表明該區域在優化配置后形成了更為緊密的景觀網絡。優化后，各區域的尺度破碎度均有所上升，這是由于斑塊面積的增大和邊界密度的提高導致的。雖然破碎度增加可能不利于生態系統的完整性，但增長幅度相對較小，且伴隨著連接度指數的提高，表明優化措施在保持景觀連通性的同時，對生態系統的影響有限。各區域的蔓延度在優化后有所增加，表明布局配置確保了景觀類型的連續性和擴展性。四個區域的均勻度在優化后數值變大，反映出布局配置保證景觀類型的多樣性和均勻分布。D區域的均勻度從0.37提升至0.71，成為均勻度最高的區域，證明該區域在優化后的景觀構成中呈現出更高的多樣性和均勻性。

為了進一步證明植物布局優化配置對減少環境污染的有效性，進行實驗。實驗選擇污染物：總氮、總磷以及化學需氧量作為研究對象，已驗證優化后能否減少污染物擴散，保證空氣環境質量。如圖3所示為植物布局優化前、后配置污染負荷。

圖3植物布局優化前、后配置出水口污染負荷累積流出量

通過圖3（a-g）可以看到不同時間下總氮、總磷、化學需氧量高錳酸鹽指數、氨氮、石油類和 BOD₅ 污染負荷累積流出量的變化情況。從第5天到第30天的時間點，并隨著時間的推移，各評價指標的污染負荷累積流出量呈現出遞增的趨勢。優化前的曲線呈現出明顯的上升趨勢，表明在未經優化的情況下，污染負荷累積流出量隨時間而顯著增加。相比之下，優化后的曲線則呈現出下降趨勢，這表明在經過植物布局優化配置后，污染負荷累積流出量得到了有效的控制，并隨時間而減少。到第30天，優化后的污染負荷累積流出量已經明顯低于優化前的水平，這證明了布局優化配置的有效性和長期效益。綜上所述，經過優化后能夠減少污染負荷累積流出量，從而避免污染物大面積擴散，并降低對環境的污染風險。

綜上所述，在生態園林景觀環境中，合理的植物布局優化配置對于減少污染物負荷、保護水環境具有重要意義。

5 結束語

文章通過Delft3D污染物擴散模擬，對生態園林景觀環境中的植物布局進行了優化配置研究。以某生態園林為研究對象，明確景觀環境和植物分布狀況，采用Delft3D模型求出污染物的連續性、橫向動量和對流擴散情況，并根據區域污染特征需求，增加具有對應治理效果的植物，構成天然植物群落，實現植物布局優化配置。實驗結果表明，優化后的植物布局在斑塊類型面積、景觀百分比、邊界密度、連接度指數、尺度破碎度、蔓延度以及均勻度等指標上均有所提升，有效促進了各區域內斑塊面積的擴大，提高了景觀類型的占比和連通性，保證了景觀類型的多樣性和均勻分布。此外，通過對比優化前后污染物負荷累積流出量的變化，驗證了優化配置在減少環境污染方面的有效性。

參考文獻：

[1]雷敏，劉萍，李勝強，等.流溪河國家森林公園天然次生闊葉混交林林分結構與植物多樣性[J].林業資源管理，2023（1）：34-41.

[2]閆曉云，白孟根，李亞峰，等.呼和浩特市空間形態景觀層積與景觀特征分析[J].內蒙古大學學報（自然科學版），2022，53（2）：203-209.

[3]徐安祺，初步天，肖湘東，等.基于 PM_2.5 消減的街旁綠地植物空間配置模式研究—以蘇州工業園區為例[J].中國園林，2023，39（2）：90-95.

[4]祝薇雅，李鵬波.基于參數化設計方法的城市公園植物景觀布局設計—以天津市水西莊公園為例[J].中國園林，2022，38（5）：110-115.

[5]陳永生，李迪，王逸晨，等.基于POI數據的合肥中心城區城市公園綠地評估及布局優化[J].中國農業大學學報，2023，28（10）：87-97.

[6]王玉虎，張楠.園林植物配置及空間布局規劃仿真研究[J].計算機仿真，2022，39（6）：331-335.

[7]葛韻宇，李雄.基于碳匯和游憩服務協同提升的北京市第二道綠化隔離地區郊野公園環空間布局優化[J].北京林業大學學報，2022，44（10）：142-154.

[8]郝思文，張冬林，文亞峰，等.基于居民滿意度分析的呼和浩特城市植物景觀評價［J].干旱區資源與環境，2023，37（8）：187-194.

[9]劉釗.基于AHP法的太原城郊森林公園視覺景觀質量評價[J].中南林業科技大學學報，2023，43（2）：188-200.