基于风环境的景观适宜性设计及森林生态修复*——以澳门石排湾郊野公园彩虹山丘为例

钱万惠 赵 庆 陈星澄 杨 清 王颂松 唐洪辉

1 广东省林业科学研究院 广州 510520

2 广东省森林培育与保护利用重点实验室 广州 510520

3 北京林业大学园林学院 北京 100083

在全球气候变化的背景下，台风、风暴潮、暴雨等极端天气气候事件频繁发生。粤港澳大湾区(简称“大湾区”)沿海区域对气候变化非常敏感，长期以来风害问题对大湾区沿海森林生态建设带来威胁。近10年来，“天兔”“尤特”“天鸽”“山竹”等超强台风使大湾区遭受大范围且长时间的大风灾害，引发历史最强风暴潮，大量树木倒伏，城市森林受到破坏[1]。由此引发的城市森林环境质量下降受到政府、社会各方关注，如何修复、构建稳定并具有一定抗风能力的城市森林成为亟需研究的课题。

围绕规划设计中的风环境问题，一些发达国家和地区主要针对城市通风、城市热岛、空气污染等方面，通过CFD模拟与预测制定优化策略。而国内则主要围绕宏观尺度下城市通风廊道设计，中等尺度下居住区的风场进行景观规划、防护(风)林带建设、树种的抗风能力等方面进行研究，鲜有针对沿海区域基于风环境的森林生态修复进行研究及规划设计[2－3]。

已有研究表明，运用科学合理的空间、植物群落布局手段改善场所风环境，具有绿色生态、适应性佳、可操作性强等诸多优势[4]。本文通过澳门石排湾郊野公园彩虹山丘森林生态修复项目，探索基于风环境景观适应性的森林生态修复策略，使修复后的城市森林发挥良好的生态、社会效益，创造良好的景观效果，最大程度满足居民到森林中休闲游憩、自然观察等需求，促进人与自然的和谐共生，为大湾区沿海区域森林生态修复提供技术支持与经验积累。

1 项目概况

1.1 澳门风环境概况

澳门三面环海，属亚热带海洋性季风气候，具有热量丰富、高温多雨的气候特点，7—10月为台风多发季节[5]。澳门盛行风向主要为3—5月、8—9月的东东南风(ESE)，10月至次年2月的北风(N)，全年平均风速为13.3 km/h(即3.70 m/s)，具体见表1[6]。

表1 澳门气象数据(1981—2010年)

1.2 场地概况

彩虹山丘位于澳门石排湾郊野公园北部，规划设计面积为32 000 m2。场地原为采石场，遗留崖壁为高陡边坡，共7级开采平台，地质构造为火成岩中的花岗岩，为中至粗粒、黑云母[7]。各层开采平台陡坡坡面长度为57~336 m，边坡斜度范围为17°~85°，坡向均为北向，各级开采平台海拔由高至低依次编号Ⅰ~Ⅶ级平台(图1)。受不利风场、秋冬降雨少湿度低、土壤贫瘠等多种因素影响，植物生长和居民活动均受制约。裸露岩石受雨水冲刷、风力、阳光照射等自然因素作用，还存在风化程度加剧的可能。为恢复彩虹山丘的生态、景观、社会服务功能，澳门市政署计划对其进行森林生态修复，在打造色彩丰富的森林景观的同时，为毗邻社区开辟绿色活动空间。

图1 场地航拍图

1.3 场地风环境实测与CFD模拟

根据相关研究，室外风环境的舒适度按照人行高度1.5 m测定。风速小于5 m/s时体感较为舒适；在夏季，风速持续达到1.5 m/s时，有助降温，身处户外能感到比较舒适；风速在5~15 m/s时将会感到不舒适，影响户外活动[8－9]。而风对植物的影响包括直接的机械刺激及风引起环境变化而产生的间接作用如机械作用、干旱作用[10]。风速大于8 m/s时小树摇摆；风速大于17.2 m/s时树枝折毁；风速大于24.5 m/s时树木则可能倒伏，造成不可恢复的机械伤害[11]。

对风环境因子的趋利避害将直接影响本次生态修复的成效，前期调查采用手持气象仪记录各级平台的风速，然后利用CFD软件PHOENICS建立场地山体与周边住宅群的计算模型，采用年均风速3.7 m/s，设定春夏盛行风向ESE、秋冬盛行风向N，分别进行模拟对比后发现模拟数值与实测数据基本相符(图2)。

图2 春夏、秋冬盛行风向下Ⅱ级、V级、Ⅶ级平台人行高度处的风速分布图

水平方向上，板式高层住宅楼和道路形成过风廊道，北风经过群楼产生“狭管效应”，风速增大。垂直方向上，风通过“爬坡效应”和“涡流效应”对场地产生不同程度的影响。模拟得出Ⅰ~Ⅶ级平台承受的风速比重依次为100%，90.0%， 81.4%， 64.36%， 48.6%， 38.6%，28.5%，风速随高度降低而减弱。春夏季，Ⅰ级平台风速为6.85 m/s，对场地植被及居民活动干扰不大；而秋冬季Ⅰ级平台风速至少达到7.31 m/s，将降低居民活动的意愿，植物也容易长期受风致机械刺激，较高的风速还将使湿度降低，给植被生长带来威胁[12]。结合实测数据与风环境模拟得出2处典型风害区域:秋冬季Ⅰ级平台北面、西北面的迎风面；秋冬季Ⅱ~Ⅶ级平台面对群楼通风廊道的迎风面。所以，项目需要重点解决秋冬季N风对场地的不利影响。

2 规划设计

2.1 规划设计主题、目标与布局

彩虹山丘园区的规划主题来源于“彩虹”，寄托了人们对彩虹般绚丽多彩的生活的向往，有着美好寓意。结合场地资源禀赋，重点针对园区进行风环境景观适应性设计，完成森林生态修复。在恢复园区绿色基调的基础上，采用抗逆性佳的观花、观果、观叶植物，打造色彩斑斓、花开不断的森林四季景观。

园区森林生态修复将遵循“最大限度恢复森林生态景观”的理念，将不良风场区域叠加在园区上，充分考虑地形及周边居民的需求，将Ⅰ级平台规划为多功能观光游憩区，Ⅱ~Ⅶ级平台为小型休闲活动空间。

2.2 生态修复策略

植物配置是改善风环境的一种灵活有效的方式。植物随着季节更替发生周期性变化、发挥不同作用、具有引导气流的功能，不同密度的植物群落还能通过改变气流方向对风力进行调整[13]。

Ⅰ级平台作为面积和风速最大的区域，需针对冬季N风带来的不利风场，从水平和垂直方向通过硬质与软质景观要素相结合的方式对风进行遮挡、引导、挤压，并利用温差产生局部风等方式削减不利风场，控制风速和风的质量，优化场地属性。

在Ⅰ级平台北面利用硬质景观构筑物景观长廊阻挡劲风、形成弱风区，这既方便居民休闲游憩，又能使新栽植物更快扎根。平台西北面则宜采用稀疏结构的观赏性植物组团群落对风环境进行改善，稀疏结构透风系数为0.3~0.5，其有效防风距离最远，可达25H(H为林带高度)。稀疏结构林带使风速被迅速削减形成弱风区(其有效防风距离为3~5H)，从而为居民营造出一个风力较小的活动空间(图3)[14]。该平台速生与慢生树种的数量比例为2∶3。首先通过先锋树种如黄槿(Hibiscus tiliaceus)、尖叶杜英(Elaeocarpus apiculatus)、大腹木棉(Ceiba speciosa)等快速恢复园区的绿色基调；再通过海南红豆(Ormosia pinnata)、秋枫(Bischofia javanica)等慢生树种构建园区基本的植物群落，为后续的自然演替奠定基础。常绿、落叶树种的数量比例为4∶1。落叶开花树种如木棉(Bombax ceiba)、大腹木棉、黄花风铃木(Handroanthus chrysanthus)等花叶不同期、冬季落叶的特性既能提升景观效果，又能实现冬季树形过风，还可为居民提供秋冬季林下日光浴场所。

图3 Ⅰ级平台风环境景观适应性生态修复策略

Ⅱ~Ⅶ级平台承受风速相对较小，为平衡有限的空间及居民活动的需求，规划营造小型休闲活动空间。首先，垂直方向上建造种植池、景墙等硬质景观要素对风进行引导、削弱。然后采用透风结构的绿篱与栽植攀援植物相结合的方法削减风力，透风系数大于0.5，平台外侧等距列植乔木铁冬青(Ilex rotunda)、福木(Garcinia spicata)削减风力，其矮小的树形恰好形成与人行高度相匹配的弱风区，且慢生的特性能保证活动空间的稳定性。每级平台内外侧栽植攀援植物，通过上攀下垂的方式使山体陡坡复绿，柔化空间，其叶片还可以提高坡面粗糙度，进一步削减风力(图4)。

图4 Ⅱ~Ⅶ级平台风环境景观适应性生态修复策略

2.3 树种选择

树种选择坚持适地适树原则，优选抗风能力强、景观效果好的树种，并综合考虑其管养难度、林荫效果、恢复能力。在不利风场区域，利用树种总体抗风、树形过风性良好、根系深广、直根系、枝条柔韧等特性达到抗风效果[15]；再择优选用耐土壤贫瘠、耐干旱树种，以应对土壤养分不足和秋冬季降雨少湿度低的现实情况。

Ⅰ级平台主要栽植观花或常绿树形优美的抗风树种如木棉、大腹木棉等，实现园区四季花开烂漫的景象。同时，搭配选择根系发达如黄槿、假苹婆(Sterculia lanceolata)等树种，利用其浓密的树冠削减风力。Ⅱ~Ⅶ级平台主要栽植抗逆性强的常绿抗风树种及攀援植物。常绿抗风树种铁冬青、福木有根系发达、总体抗风的特性，能较好地生长在回填土深1m以上的种植池内，但施工过程应使用埋地树木支撑装置等措施提高苗木存活率。平台两侧栽植爬山虎(Parthenocissus tricuspidata)、薜荔(Ficus pumila)等使山体复绿，搭配栽植炮仗花(Pyrostegia venusta)、使君子(Quisqualis indica)等开花攀援植物，花期几乎覆盖全年，既丰富坡面色彩，又呼应设计主题“彩虹”。彩虹山丘园区选用的抗风树种及其特性详见表2。

表2 彩虹山丘园区选用的主要抗风树种及其特性

3 森林生态修复预期效果

本次森林生态修复选择了适合园区立地条件的20余种南亚热带乡土阔叶树种，通过其抗风、抗盐碱、抗贫瘠特性，合理搭配慢生、速生树种，初步构建园区的植物群落生态系统，使山体陡坡的植被覆盖率显著提高，发挥降低风速、减少风蚀的作用。通过营造植物生境及利用带状园区较好的边缘效应促进群落自然演替；利用食源性树种吸引动物，从而逐步提高生物多样性。修复后的森林随着不断的自然演替，将进一步发挥调节小气候、净化空气、降尘减噪、减缓地表径流、改良土壤等作用，园区生态质量将得到提升[16－17]。

项目的实施将提高园区树种多样性，通过常绿与落叶、观花与观叶树种结合运用，恢复园区绿色基调，有效弱化山体陡坡带来的视觉压抑感；利用植物花色、叶色的季相变化营造色彩丰富的四季森林景观，突出设计主题“彩虹”。对乔灌草进行立体搭配，形成优美舒适、多树种、多层次、多效益的城市森林生态景观，成为社区的一道绿色屏障。

通过对风环境因子的趋利避害，科学构建植物群落与完善基础设施，园区将成为“人－自然－城市”和谐共生的绿色基础设施，满足居民观光赏景、休闲游憩、娱乐健身、自然教育等需求，进而提升社会大众生态保护意识[18]。

4 结语

生态修复是一项复杂、长期的工程[19]。目前，在大湾区沿海区域，针对不利风场下的城市公园森林生态修复案例并不多。利用CFD软件确认不利风场，制定修复方案并进行模拟预测是一种科学可行的规划设计方法。为评价本次森林生态修复的成效，未来还需对园区进行定期监测:一是监测建设前后园区的风环境因子及其他微气候因子，评价植物群落对风环境及微气候改善的有效性，深入探究植物群落高宽比、冠线高低变化等群落形态对风环境及微气候的影响[20]。二是监测各个树种在园区风环境中的长势、地上地下生物量及适应性表现等因子，综合评价树种的抗风性及景观性。此外，通过监测数据进一步探究经受风致机械刺激的植物，可能倾向于分配更多能量给根系提升锚定力，并通过缩短茎、叶柄或叶片呈现植物矮化现象的发生机理[21]。结合评估结果，继续加深对风环境景观适应性的理论研究，适时补充相应的管护和提升措施，促进园区最终形成良性的、可自然演替的近自然林。

未来，森林生态修复还应积极纳入小气候动态信息技术协助规划设计[22]。结合Arcgis等信息技术叠加耦合不同层次的空间环境特征，推动多学科合作制定方案，进一步提升大湾区沿海区域森林生态修复技术[23－24]。