基于FLUENT对风环境模拟的厦门岛道路植物景观种植策略*

祖笑艳 张 颖 李冠衡

北京林业大学园林学院 北京 100083

厦门市地处东亚大陆的东南边缘，东临西太平洋和南海，属亚热带海洋性季风气候，由于特殊的地理位置和气候条件，常受台风袭击，给居民的日常工作生活带来极大不便。1999年“9914号”台风造成经济损失19.37亿元，20余间民房倒塌、40余处海堤决口，13人死亡，1人失踪，727人受伤[1]；2016年“莫兰蒂(MERANTI)”台风给厦门造成直接经济损失102亿元。同时，台风对城市绿化尤其是道路绿化造成的破坏异常严重[2－3]，“9914号”台风造成厦门城区近3万株行道树不同程度损伤，受损率达75%，其中倒伏1.3万株，倒伏率达45%[4]； “莫兰蒂”造成65万株行道树倒伏[5]，城市行道树还出现折干、断枝或叶损等不同程度的损伤，这些都给城市景观带来不可逆的破坏，造成城市绿化事业进程的倒退。绿化景观的恢复是一个长期过程，这也对相关领域工作人员的信心造成打击，因此基于抗风性能对厦门道路植物景观种植策略进行研究十分必要。

本文对1949年以来厦门史上的最强台风——“莫兰蒂(MERANTI)”台风的灾后情况进行研究，通过对其灾后主要道路行道树风损情况及相应的种植参数进行调研分析，依据实地调研获得的基础数据，借助CAD和FLUENT软件建立模型，对不同种植参数下行道树的受力情况进行模拟，探讨行道树种植参数的调整对提高其抗风性能的作用和意义，并尝试提出应对风环境受力的道路植物种植策略。

1 研究方法

1.1 道路植物基础数据获取及处理与优化

调研于台风发生后的第一个周末(2017年9月16—17日)进行，依据厦门市道路类型及其岛内分布状态，选择主、次干道和支路共45条，选择其中代表性样段48个，每个样段长约30 m，记录样点并编号。由于台风过程中乔木的风损对居民日常活动影响较大，研究其在台风过程中的抗性和适应性极为重要[6]，因此本次研究只针对行道树进行采样。采用实地测量的方法，用Leica测距仪和Garmin手持GPS测量数据，对样段内的行道树风损情况、种名及其相关种植参数(如高度/m、冠幅/m、干径/cm、株距/m等数据)进行记录。

对调研所得行道树的高度、冠幅、株距等数据进行统计(图1)，获得高度、高冠比、株距的阈值和中值数据(表1)。将优化后的数据作为行道树建模的基础参数数据，以较为合理地代表当地行道树的特点，增强可行性与可操作性。

图1 行道树参数统计

表1 行道树高度、高冠比、株距数据变化统计

1.2 实验模拟

1)风场环境模拟。由于台风在进入城市街道环境后将在两侧建筑界面的限制下沿道路方向行进，因此在模拟城市街道环境中台风的局部瞬时干扰情形时，将模型计算域设定为一个60 m×25 m×30 m的长方体计算域，将进出风面设置在相对的位置，以保证计算域内气流运动所形成的风向与现实情形相符。实验模拟“莫兰蒂”台风风速，将进风面风速设定为35 m/s，并在风经过行道树后的墙面设置压力感应面，以测试风经过行道树后的压力变化。

2)植物模型建置。首先对行道树进行建模，考虑到计算量的问题，仅在模型上反应冠幅、高度和株距3个行道树最主要的参数。本实验以球棍状简易模型作为行道树的模型基础，最终将建立好的行道树模型导入之前设定的风场中，使行道树排列的方向与风场风向保持一致。

3)基础参数设置。将分析优化后的高度、冠幅和株距数据作为变量，对所研究变量在统计范围内等分梯度取值进行模拟。在研究行道树高度、冠幅与抗风性能的关系时，将模型中的树形结构高冠比按常规植物形态取中值1.4，株距取中值6.5 m，高度在3.8~11.8 m范围设立3.8 m，5.8 m，7.8 m，9.8 m，11.8 m共5个变化梯度，对应冠幅2.7 m，4.1 m，5.6 m，7.0 m，8.4 m进行模拟；在研究株距与抗风性能的关系时，将建模的树形结构高冠比取中值1.4，高度取中值7.6 m，株距在3.5~9.5 m的范围设定3.5 m，5.5 m，7.5 m，9.5 m共4个变化梯度进行模拟。

4)模型完善与检测。将整个模型导入ANSYS中的ICEMCFD界面，再将模型设置为一个整体并对进出风面、植物表面进行迭代网格化处理，以增加粒子模拟的准确性；然后将模型导入到FLUENT，对模型的材质和风速等参数进行设定，并设置迭代次数对各项参数的残差进行分析，保证其处于误差允许的范围内；最后导入到CFDPOST中，导出各项参数的结果[7－8](图2)。

图2 模型建立流程

2 实验模拟结果与分析

2.1 不同的行道树高度抗风性能差异模拟

台风通过时的风速变化和行道树树冠接受风压与其高度、冠幅具有一定相关性。风力强度等同情况下:1)高度4 m及以下的小型乔木或花灌木几乎不会对台风形成阻滞。部分景观大道的中央分车绿带单独使用小乔木、花灌木及绿篱等植物对台风的阻挡作用可以忽略，台风经过后风速不会降低；2)行道树高度尚未达到9.8 m时，随高度增加，冠幅也随之增大，但树冠与树冠之间尚未形成交集，树冠之间的湍流更加剧烈，单株行道树的四周(包含顶部和枝下部分)均形成明显的风带，其个体受风情况差异不大，前面行道树对其后行道树的保护作用不明显，末位行道树背风面风速不断增大；3)当高度增加至9.8 m时，此时冠幅为7 m左右，株距与冠幅的比例为0.93，其后随着行道树高度的增加，树冠之间产生交集形成整体，前面行道树对其后行道树保护作用显著，绿化带上方的风带有明显的衰减趋势，同时行道树枝下也形成明显的疏风通道[9]，末位行道树背风面风速开始减小；4)行道树的滞风作用对整个计算域环境的湍流也形成较大的干扰，呈现无序状态，但其内部最大风速和树冠所受最大压强基本随行道树高度的增加而增加(图3、表2)。

表2 不同高度行道树受风情况模拟数据统计

图3 不同高度行道树受风情况模拟分析结果

2.2 不同的种植间距抗风性能差异模拟

台风通过时的风速变化和行道树树冠风压与其种植株距有一定相关性。1)当株距为3.5 m时，树冠之间产生交集，可将其作为一个整体，首株行道树顶部风速较大，其后行道树顶部风速明显减弱，所受风压也明显减小。2)当株距为5.5 m时，株距接近冠幅，处于分离但接近的状态(高冠比1.4，当高度为7.6 m时，冠幅为5.42 m)，树冠顶部及枝下部分的风速全面提升，在行道树绿带后形成明显的风速减弱带，此时出风面的最大风速减小最为显著。3)随着株距逐渐增加，前面行道树对其后行道树的保护作用减弱，风对后方行道树的作用力增加，在行道树绿带的树冠上方可看到明显的风速先增大后减小的风速规律且节奏变化的带状序列。4)当株距达到9.5 m时，由于距离过远，树冠间彼此完全分离，与前述株距尚未达到9.5 m的种植株距的情形相比，靠后行道树的树冠中心位置可以看到明显的风压增大的红色区域，但后面行道树树冠中心红色区域的面积和颜色较其前行道树均有减小和减弱的趋势，说明后面行道树所受风压较其前行道树呈衰减趋势，从风速矢量图中也可看出树冠顶部的最大风速也有明显的衰减趋势，湍流趋于规律(图4)。可推断，当株距继续增大，靠前行道树对其后行道树的保护作用将会消失，恢复到单株行道树在风环境中的受力情况(图4、表3)。

表3 不同株距行道树受风情况模拟数据统计

图4 不同株距下行道树受风情况模拟分析结果

2.3 结论

由前述分析可知:1)行道树的抗风性能表现与种植参数具有一定相关性。在不同种植参数情况下，行道树表现出不同的受力状态，通过合理选择种植参数可充分发挥靠前行道树对其后行道树的保护作用，降低总风损率，适宜的参数对于降低风损级别尤其重要。2)使用4 m及以下高度的植物作用不大，行道树高度选择9~11 m较为合适，当行道树过高，可能由于“头重脚轻”导致倒伏或折干现象。种植株距应依据行道树的树形和冠幅灵活调整，为实现良好的抗风性能又不影响树种的正常生长，同时实现良好的遮荫效果，以不小于0.8倍冠幅且不大于1.5倍冠幅为宜。3)复层种植对于道路植物景观整体抗风性能的提高具有重要意义。下层的花灌木和小乔木或对道路中段未达到最佳抗风效果的行道树具有一定程度的保护作用，复层种植对于风的减小作用也更加明显。4)种植在道路交叉口的行道树须选择木质抗性高的树种。

3 基于调研的风损结果分析

在调研过程中对行道树风损状况进行1~4级的分类，其中1级表示倒伏，2级表示干损，3级表示枝损或叶损，4级表示没有受损。计算出各行道树对应的分级风损数量占其总数的百分比，将1、2、3级风损率叠加得到各树种对应的总风损率，最后通过总风损率由低到高的排序，可知行道树在台风环境中抗风性能的实际表现(表4)。

表4 台风中厦门岛行道树受灾情况排序

表4(续)

基于模拟实验结果，排名前3位的杧果、南洋楹和石栗总风损率均在1/3左右及以下，且1、2级风损率较低，为推荐保留树种。非洲楝、海南蒲桃、天竺桂虽总风损率达到100%，但1、2级风损率较低，仅发生轻微的枝损或叶损，因此也可继续使用。排名靠后的台湾栾树、红花羊蹄甲、鸡冠刺桐、桃花心木、美丽异木棉、尖叶杜英、黄瑾、刺桐等总风损率均达到100%，由于根系较浅或木质较为脆弱，1、2级风损率占总风损率的70%及以上，甚至达到100%，建议在城市道路绿化更新中使用其他树种进行更替，减少此类植物的使用量。垂叶榕、白兰、凤凰木、洋紫荆、火焰木、菩提树因种植量的现实原因以及出色的景观效果，可在定期修剪[10]的情况下继续使用。

4 讨论

由于历史、城市形象认知、植物风貌规划等原因，厦门岛内植物景观在未来是一个逐步变化的过程，但是以棕榈科植物为主体形象的城市风貌仍然最具生命力，可使用华盛顿棕、蒲葵、大王椰子[11]、银海枣、加拿利海枣[12]、皇后葵等营造椰林海韵的城市风貌大道景观。此外，建议保留原有非棕榈科街道苗木种类资源19种:杧果、南洋楹、石栗、樟树、南洋杉、盆架树、银桦、小叶榕、高山榕、大花紫薇、非洲楝、海南蒲桃、天竺桂、垂叶榕、白兰、凤凰木、洋紫荆、火焰木、菩提树。在实际调研和模拟分析结果的基础上，从抗风性能出发，按照观赏性、乡土性及木质坚硬程度几个原则对树种进行补充，建议新增植物8种，包括台湾相思(Acacia confusa)、大叶相思(Acacia auriculiformis)、第伦桃(Dilleniaindica)、秋枫(Bischofiajavanica)、人面子(Dracontomelon duperreanum)、柠檬桉(Eucalyptus citriodora)、木麻黄(Casuarina equisetifolia)、重阳木(Bischofia polycarpa)。其中棕榈科植物占比18.18%，常绿植物占比90.92%，观花乔木占比30.30%。

该模拟实验为探索性尝试，在科学、理想的实验室环境下进行单排行道树受风情况的模拟，在模型结构设置和环境模拟方面尚不够细致深入。在植物受风的实际情形中，植物疏透度[13]、木质结构坚硬程度、城市环境等均会影响植物的抗风性能表现，对于这些方面模拟的不足导致实验结果存在一定的误差，需在后续研究中进行细化完善。同时，不同高度的植物搭配组合以及同种植物形成组团，其受风情形是否会发生改变也是值得后续深入探讨和研究的问题。

台风所形成的湍流及不规律，不同区域的台风运动并无明显规律，因此造成了系统规划抗风屏障的实施难度。树种的抗风性强弱除上述因素以外，还与树冠根系比[14]、树龄大小、立地环境和防风措施实施与否[15]等有关。

灾后道路植物景观的修复是一个动态而漫长的过程，针对厦门岛道路植物景观抗风性能的优化提出如下建议:在所植行道树尚未达到理想抗风性能时，可在其前栽植小乔木和低矮的花灌木，使其与行道树在迎风面形成缓坡，引导风向的转变，减少台风对行道树本身的直接冲击；在行道树尚未达到成熟状态时，可采用复层种植，对幼树的根部产生一定的保护作用；在行道树达到成熟状态后，可将下部的花灌木移除，避免影响达到一定分枝点高度的行道树下方疏风效应的发挥；对于生长速度较快或树龄较大且较高的树种则应注意定期压顶处理，避免“树大招风”。道路植物景观会随着植物的生长而发生动态演变，可通过适宜的种植参数的调整，灵活使用花灌木与不同阶段不用状态的行道树配合，从而使抗风性能达到最佳。