基于CFD模拟的台风“山竹”对深圳市园林树木影响研究

王 庆

邱智豪

赵月溪

谢晓欢*

台风是热带气旋的一种。热带气旋是在热带或者亚热带海洋上发生的低压涡旋，是一种强大的热带天气系统。在气象学上，中国称太平洋和南海附近，中心最大持续风速为12级或以上的热带气旋为台风①。我国台风登陆十分频繁，每年平均有7～8个台风登陆，是世界上受台风影响最为严重的国家之一[1]。尤其是东南沿海地区的城市在夏季经常会受到台风的影响，导致大量树木折断或倒伏，城市园林景观受到破坏。

2018年9月16日，超强台风“山竹”袭击深圳，它具有强度强、强风范围大、风雨影响严重等特点②。“山竹”过境深圳时强度为14～15级，风速达到45m/s。据深圳城市管理局的统计数据显示，深圳全市倒伏树木约11 680株，树枝损毁约4 241株。台风“山竹”给深圳市园林树木造成严重损毁③。

近些年来，国内学术界越来越注重台风对城市绿化树木造成损害的受灾原因分析及应对措施研究。有的学者认为台风风力、树木自身特性以及环境因素是造成破坏的主要原因[2]。也有学者认为树木受台风损伤程度与树种类型、树木位置和道路空间结构等因素相关[3]。有学者结合实地调研和工作经验从规划设计、植物配置、养护管理、灾后救治4个方面提出了抗台护绿对策及建议[4]。有研究对树种进行了抗风性评价，推荐了适宜于华南地区的100种抗风性树种[5]。国外的学者则以模型和实验研究为主，聚焦于风与树木的相互作用的力学研究，以此探索灾前风灾预测模型的建立方法。如弹簧振子模型，揭示了风致树木倒伏的力学原理[6]；预测动力学模型用来分析树木在湍流气流下的响应机制；有限元模型对枫树倒伏进行研究，确定了主要影响树响应的参数[8-9]；此外，有的研究还建立了树木风灾评估模型等[10]。

综上所述，国内学者大多是在灾后进行调查分析，提出相应的应对措施，国外学者主要是通过模型和实验研究，探索灾前风灾预测模型的方法，而较少涉及对灾时台风对树木的影响以及建筑周边风环境的研究。因此，本文基于CFD(Computational Fluid Dynamics)模型，以深圳大学后海校区为研究范围，在现场调研的基础上对台风“山竹”袭击深圳某一时刻的风环境进行模拟，探索灾时台风对树木的影响以及建筑周边风环境情况，为树木受损的原因提供科学的分析，并根据受损原因提出相应对策建议，以期为今后园林树木抗风灾影响研究提供参考。

图1 风速色阶立面图

图2 树木受损情况分布图

1 研究对象与方法

1.1 研究范围

本研究以深圳大学后海校区为调查范围。研究地坐落在深圳市南山半岛，面临后海，面积1.44km2。属于亚热带海洋性季风气候，具有长夏、短冬的特点，气温多年平均值为22.7℃。年平均风速为2.6m/s，年主导风向为东风，次为东北风和东南风，常受台风危害④。

1.2 研究方法

1.2.1 样方调研

在台风“山竹”袭击后的当天及次日共2d，在研究范围内进行实地踏勘现场调研，在整个研究地设置样方，尽量每个样方内都包含受损树木，并避开建筑、湖面、田径场等大面积无植被区域。每个样方面积为20m×20m，共设80个样方。记录每个样方内树木品种、高度、胸径、冠幅等数量特征，记录其中受损树木情况并拍照。

1.2.2 CFD模拟

CFD模拟是一种从微观角度，针对某一区域或房间，利用质量、能量及动量守恒等基本方程对流场模型进行求解，分析其气流条件的方法。CFD对自然通风模拟主要用于自然通风风场布局优化和室内流场分析，以及对内庭这类高大空间的流场模拟。Phoenics是英国CHAM(Concentration Heat And Mometurn Ltd)公司开发的用于模拟流体流动和热传输的通用CFD软件，距今已有近40年的历史，该软件应用广泛，其模拟结果有效可靠[11]。本研究采用Phoenics软件对遭受台风“山竹”时深大建筑物及周围的微环境进行CFD模拟分析，评价室外流场分布状况。

1)模拟过程。

通过深大地形图中的高程、建筑物轮廓、建筑物高度等信息，建立研究对象及模拟范围内其他建筑物模型。模拟计算区域为了结果准确性，首先保证建筑迎风截面堵塞比(模型面积/迎风面计算区域截面积)小于4%。整个场地区域的东西跨度为1 600m，南北跨度为1 500m。在来流方向(即东偏北15°方向，场地最前方建筑距离计算区域边界要大于1 600m，场地最后方建筑距离计算区域边界大于3 200m。整个外场计算尺寸为6 400m×4 500m×180m(长×宽×高)，网格尺寸为12m×12m。网格数量为400×500×18，总数量为360万。在入口边界条件设置上，入口风速符合梯度风规律，参照国内外标准对于深大建筑高度与密度所对应的大气边界层的情况，梯度风指数α取0.22。湍流模型选择为KEMODL。迭代次数为1 200次。在风场的设置上，由于台风模型复杂，风速和风向变化大，因此以台风经过深圳附近时，瞬时风速达到12～13级时的场景，将风速设置为40m/s，风向设置为东偏北15°来进行风场模拟。

2)树木风心处风速取值。

树木的风折与倒伏受到树冠所受的风压与根系附着力的共同影响。本文将所研究树木近似的看作是树干垂直于地面，树冠围绕树干旋转所形成的中心对称的理想模型。由于树冠所受的风压通过风心起作用，风心位于树木中心线上，且其高度位于树高H 的约2/3处。风压作用于风心产生实际应力，当树木所受的实际应力小于根系附着力且大于树干的强度极限时，树木便会出现风折，其风折高度H0与树木直径、材质和种植方式有关。当树木所受的实际应力大于根系附着力且小于树干的强度极限时，树木便会出现倒伏[12]。

根据标准风压公式wp=0.5·r·v2/g，其中，r为空气重度(kN/m3)，v表示风速(m/s)，g表示重力加速度(m/s2)。在标准状态下(气压为101.325kPa，温度为15℃)，空气重度r=0.012 25(kN/m3)，纬度为45°处的重力加速度g=9.8(m/s2)，得到wp=v2/1 600[13]。由上式可知，风压与风速的平方呈正相关。因此通过CFD模型的风速色阶立面图即可将灾时树木周边风环境情况可视化呈现，同时也可选取风速值作为树木受损的变量之一进行相关数据分析。

树冠风心风速取值首先通过X、Y轴坐标确定树木在CFD模型中的位置，再计算树木风心高度(即树木的2/3处)，最后以模型基底高度、地形高程、风心高度三者之和作为Z轴高度进行取值即可确定树冠风心处风速(图1)。以此方法确定每株调研树木台风袭击时所受风速。

图3 树木受损状况

2 结果分析

2.1 树木受损概况

调研共记录样方树木2 077株，其中受损树木40种，共计308株，拍摄现状记录照片139张。受损情况主要分为树枝折断、树干折断、倾斜和倒伏4种情况(表1，图3)。

对受损的308株树木高度、冠幅等数据进行统计分析(表2)。从高度来看，随着树木高度的升高树木受损数量逐渐增加，在树木高度范围为9.5～12m时受损树木数量最多。由于研究范围内树木高度高于12m的树种基数较少，在此区间后受损数量逐渐下降。冠幅范围在2.5～5m内受损树木数量最多，大于此范围的受损树木数量逐渐减少，一是由于树木在此范围内基数较大，二是随着树木冠幅的增大，其根系更加发达，因此稳固性强。受损树木数量总体上随着风速的增加而增加，在风速范围40～45m/s内数量最多。风速高于45m/s时受损树木数量减少是因为此风速范围覆盖面相对较小。

2.2 影响树木受损的因素

2.2.1 极端风速

如图2 所示，研究范围内最大风速达45.25m/s，风速高于22.5m/s的中高风速区域占整个校园面积的70%以上。此外，研究范围内明显出现2条高风速带，其风速为35.50～48.50m/s，而树木受损严重区域主要集中分布在高风速带内。高风速带区域受损树木共200株，占受损树木总数的64.94%。由此可见，此次“山竹”台风威力巨大，受损树木的分布与风速强弱分布具有空间上的一致性。

将风速以1m/s为递增单位分成32个区间，统计属于每个区间的受损树木数量，并计算出每个区间受损树木数量占属于该区间的全部受损树木数量的比例。分析该区间受损树木比例与风速之间的关系。

经过SPSS软件进行回归分析，可知受损树木所在位置风速范围为15～50m/s时与受损比例呈显著相关(P<0.05)，受损树木的比例随风速的增加而增加。回归曲线如图4所示，当风速小于15m/s时，基本无树木受损，当风速大于35m/s左右时，受损树木比例呈激增趋势。

2.2.2 建筑环境

由图2和图5可知，建筑密度较高的区域，风速相对较低，建筑对风力起着削弱作用，树木损毁情况也较轻。高风速带内多为水体、自然山体或低矮建筑，说明空旷的空间易形成高风速带。2条高风速带内树木受损情况更为严重，这说明建筑环境影响树木受损程度。

1)漏斗效应。

如图5所示，当风在平行排列的建筑之间通过时，风速出现了明显增强，由35.5m/s加强到42.0m/s。这种风经过成排的高层建筑之间而风力加强的现象被称为“漏斗效应”[14]。研究范围内发生该效应的典型区域为学生宿舍区，学生宿舍楼呈行列式布局，建筑之间形成风道，台风来袭时，风在此汇聚，造成风速加强，因此树木枝干出现大面积折断现象。此外，我们通常所说的风道和风口也是由于“漏斗效应”产生的。如图3中的⑤就是道路交叉路口产生该效应造成了树木大量受损。

2)缝隙效应。

如图5所示，在高风速带外，有局部风速明显高于周边区域，其风速区间32～55m/s。这种现象被称为“缝隙效应”，即风在通过建筑内部孔隙时会产生强劲的穿堂风[14]。研究范围内的办公楼，其底部为开敞人行通道，形成了“缝隙效应”。但因该处多为低矮灌木且均位于建筑孔隙两侧，所以树木损毁情况不明显。

2.2.3 植株差异

树种的差异带来区域受损程度的差别。从不同树种不同受损情况的数量统计来看(表1)，风倒、风折较严重的是红花羊蹄甲、马占相思、垂叶榕这类浅根性或无主根、树枝脆的树种；香樟、荔枝树、南洋杉、非洲楝、白千层等深根性或有明显主根，木质坚硬、树冠紧凑的树种仅出现少量断枝，表现出较好的抗风性。

由表1和表2可知，不同园林功能的树木，以及具有相同功能的不同树种，受损情况差异较大。除了品种差异之外，树木高度、冠幅等植株个体生长状况差异也是一项重要的影响因素。将树木高度和冠幅以0.5m为递增单位分成32个区间，用SPSS软件进行树木高度、冠幅与受损树木比例之间的相关性线性回归。

如图6所示，树木高度范围为2～20m时与受损树木比例呈显著相关(P<0.05)。受损树木的比例随着树木高度的增加而增加，当树木高度小于2m时，基本无受损树木；当树木高度大于10m左右时，受损树木比例激增。

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如图7所示，树木冠幅范围为1～17.5m时与受损树木比例呈显著相关(P<0.05)，受损树木比例随着冠幅的增加而增加。当树木冠幅小于1m时，基本无受损树木；当树木冠幅大于7.5m左右时，受损树木比例激增。

以上结果表明，研究区域内树木的高度、冠幅与树木受损比例显著相关。当树木高度大于10m或冠幅大于7.5m时，树木更容易受到台风的损坏，这也解释了“树大招风”的传统说法。

2.2.4 立地条件

园林树木的立地条件是影响树木抗风性能的关键因素之一。位于强风带外且风速较低的区域，也有树木受损的现象。如图3的④所示，根据调研发现，低风速区域倒伏的树木主干粗壮，但根系较浅。这是因为种植池过小，与树木体量严重不符，树木根系发育受阻。这种情况下即使是深根性树种，由于人工水肥补充范围有限，也会导致树木根深不足，不够稳固。所以，树木的种植穴小，未修树池，土壤环境差等情况都能引起根基不稳，树木根系不能起到较强的固定作用。

表1 受损树木名录(单位：株)

表2 树木高度、冠幅及风速区间与受损树木数量统计表

图4 风速与树木受损比例关系曲线

图5 建筑环境对局部风速的影响

图6 树木高度与受损比例关系曲线

图7 树木冠幅与受损比例关系曲线

3 对策及建议

基于上述分析，此次“山竹”风力巨大是造成树木受损的主要原因。此外，树种选择与植物配置，以及养护措施不当也是树木严重受损的重要原因。风口、风道及其他开阔区域成为本次台风的主要受损区域。受损树木比例与树木品种、高度、冠幅、风心处风速相关。就此提出相应的对策和建议。

3.1 合理树种选择

台风多发地，原则上应该选择抗风性强的树种，即扎根深、质地坚硬的树种。调研结果表明，树冠受风面积越大、高度越高而根系较浅的树种越容易在风灾中倒伏。因此树枝韧性强、树形透风性良好、根系广而深的树种应当优先考虑，如棕榈类植物、荔枝树、小叶榄仁、香樟、人面子、凤凰木等。在选择时应考虑不同树木的生物学及生态学特征以满足不同区域种植的需求。局部建筑周边风力加强区域应当采用根系广深、树枝柔韧、高度和冠幅适中的抗风树种。

3.2 优化植物配置

结合CFD模拟的风环境与之对应的树木受损情况所显示的规律，可在实践中进一步根据环境、建筑物密度与高度、是否处于风口区域等条件，灵活选择不同的植物配置。植物配置需充分考虑周边建筑情况：在风口、风道及高层建筑底部应选择深根性和抗风性树种，以抵御台风来袭时的强大风力；而在建筑非迎风面则可适当选择抗风性能较差但景观效果好的树木，以满足植物配置的多样化需求，营造丰富多样的空间环境；在高层建筑周边则宜采用复层种植结构，合理种植灌木和乔木，利用低矮景观植物的挡风作用，增强植物的群体抗风性，削减建筑周围强风。可以利用群植来代替孤植，带状绿化代替点状树池，不同种类与不同层次树种相结合形成树木群落。

3.3 科学树木管养

树木的养护和管理是提升树木抗台风能力的重要措施。应定期修剪树木内侧枝，保证其树冠透风率，减少台风来袭时的风阻，还应对树冠外部进行修剪，以避免树木的顶端优势造成其高度、冠幅与根系的不适应，从而加大台风来袭时倒伏的概率。此外，应在台风来袭前对风口等空旷区域及高度大于10m以上的树木采取加固支撑的预防措施，重点对冠幅大于7.5m左右的树木进行修剪或者加固枝干支撑。及时调整树木种植池的大小以满足树木生长发育的需要。种植池尺寸应适当加大，且植株间距要适当。尽量在大树周围采用草坪或透水性铺装，以保证树木根系自然生长，增强树木抵御台风的能力。严格划定地下管线与种植点的位置和距离，确保树木根系不受管线影响。

4 结语

台风后树木的受损程度与多方面因素有关，如风力大小、周边环境、树木本身等。我们无法准确预测自然灾害的影响，只能通过合理的树种选择、合理的植物配置方法以及科学的管养，才可能最大限度地减少台风灾害对城市园林树木造成的破坏。树木本身的抗风性除了受高度、冠幅、品种等因素的影响外，还受到土壤紧实度、木质强度、枝叶密度等多个因素的影响，是一个复杂的问题，将在以后的研究中展开。本文所采用的CFD模型仅是“山竹”台风来袭时的模拟，存在一定的局限性。但是，通过对这一时刻的风环境模拟模型进行分析研究，可为今后园林树木抗风灾影响研究提供参考经验，其研究方法具有一定的指导意义。

注：文中图片均由作者拍摄或绘制。

注释：

① 来源：中国气象局，台风的定义.2018.07.17。

② 来源：中国天气网，专家解读超强台风“山竹”四大特点。

③ 来源：文科园林，台风“山竹”对深圳园林树木影响的技术调查报告。

④ 来源：深圳市南山区政府，南山概况。