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北京市城市边缘区通风廊道型林地营建方法研究

徐一丁 杨子蕾 李运远

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北京市城市边缘区通风廊道型林地营建方法研究

    作者简介: 徐一丁。主要研究方向:风景园林规划设计与园林工程。Email:1873908417@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学园林学院.
    通讯作者: 李运远,博士,教授。主要研究方向:风景园林规划设计与园林工程。Email:lyy0819@126.com 地址:同上
  • 中图分类号: S731.2

Construction method of ventilation corridor woodland in urban fringe area of Beijing: taking the Heizhuanghu District as an example

  • 摘要: 目的 近年来北京市空气质量日益受到威胁,城市森林建设一定程度上可以改善空气质量。受既有上位规划、气候、河流、农田分布等基础条件的限制,城市边缘区的城市森林营建是森林城市建设的难点,尤其是通风廊道型城市森林建设面临诸多现实问题和技术困难。本文以北京市黑庄户地区通风廊道型城市森林营造为例,详细介绍其具体营建策略与方案并验证有效性,为此类区域开展森林城市建设提供案例依据。方法 通过宏观规划城市森林结构布局、中观优化城市森林结构特征以及微观营建城市森林植物群落,运用Ecotect与Winair建立在不同重现期(西北风5、10、15 m/s)下城市森林营建前后的两种3D模型并进行对比。结果 (1)结合黑庄户地区现状条件和通风廊道作用原理,构建以宏观规划林地结构、增加林地面积,中观保留生态冷源、明确林廊西北—东南走向为主、宽度大于150 m,微观营建草地型、灌木型结构为主并结合现状地形的植物群落的通风廊道型城市森林体系。(2)在西北风5、10、15 m/s条件下,平行于通风廊道城市森林的样带平均空气流速较未改造前提升了0.042、0.033、0.101 m/s;垂直样带平均空气流速提升了0.023、0.059 3、0.075 3 m/s。改造后模拟区域内空气流速均有所增强,总体随着风力增强空气流速增幅也有提高;森林廊道内的空气流速高于廊道外。结论 使用多维度策略结合的通风廊道型城市森林改造后的区域相对于现状地区的空气流速大幅度提升,充分说明在城市边缘区通风廊道型城市森林的营建可有效加速风速,实现换气、降温、排污等综合目标。
  • 图 1  通风廊道各部分作用原理

    Figure 1.  Principle of ventilation corridor

    图 2  黑庄户地区区位分析图

    Figure 2.  Location analysis of the Heizhuanghu District

    图 3  黑庄户地区研究范围区位分析图

    Figure 3.  Location analysis of the research area of Heizhuanghu District

    图 4  群落结构示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of forest community structure

    图 5  常绿和落叶植物栽植比例示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of planting proportion of evergreen deciduous plants

    图 6  不同高度山谷(20、40、60 m)对空气流速的影响

    Figure 6.  Effects of different height valleys(20, 40, 60 m)on air flow rate

    图 7  不同高度山谷(3、6、9 m)对空气流速的影响

    Figure 7.  Effects of different height valleys(3, 6, 9 m)on air flow rate

    图 8  通风廊道型城市森林群落

    Figure 8.  Ventilation gallery urban forest community

    图 9  黑庄户地区通风廊道型城市森林平面分布图

    Figure 9.  Distribution map of ventilation corridor type urban forest in Heizhuanghu District

    图 10  黑庄户地区空气流速模拟样带样点分布图

    Figure 10.  Distribution diagram of air velocity simulation sample zone in Heizhuanghu District

    图 11  黑庄户地区改造前后遇5 m/s西北风时空气流速对比图

    Figure 11.  Comparison diagram of air velocity under 5 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

    图 13  黑庄户地区改造前后遇5 m/s西北风时垂直廊道样带空气流速变化

    Figure 13.  Variation of air velocity in the sample zone of vertical corridor under 5 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

    图 12  黑庄户地区改造前后遇5 m/s西北风时平行廊道样带空气流速变化

    Figure 12.  Variation of air velocity in the sample zone of parallel corridor under 5 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

    图 14  黑庄户地区改造前后遇10 m/s西北风时空气流速对比图

    Figure 14.  Comparison diagram of air velocity under 10 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

    图 16  黑庄户地区改造前后遇10 m/s西北风时垂直廊道样带空气流速变化

    Figure 16.  Variation of air velocity in the sample zone of vertical corridor under 10 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

    图 15  黑庄户地区改造前后遇10 m/s西北风时平行廊道样带空气流速变化

    Figure 15.  Variation of air velocity in the sample zone of parallel corridor under 10 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

    图 17  黑庄户地区改造前后遇15 m/s西北风时空气流速对比图

    Figure 17.  Comparison diagram of air velocity under 15 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

    图 19  黑庄户地区改造前后遇15 m/s西北风时垂直廊道样带空气流速变化

    Figure 19.  Variation of air velocity in the sample zone of vertical corridor under 15 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

    图 18  黑庄户地区改造前后遇15 m/s西北风时平行廊道样带空气流速变化

    Figure 18.  Variation of air velocity in the sample zone of parallel corridor under 15 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

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    ZHAOGuang-jie
    李雪峰鲁绍伟王玉涛刘常富王云琦张路平何正权韩烈保洪伟王玉杰韩士杰赵广杰张建国何兴元张树文吴斌宋湛谦朱天辉何承忠李吉跃翟洪波温俊宝LUOWen-sheng余新晓何友均白陈祥李增元吴庆利骆有庆张志毅童书振张养贞黄文豪陈尔学刘凤芹李俊清梁小红姜伟骆有庆匡秋明郭忠玲FurunoTakeshi]魏晓霞林秦文何静]陈玮陈发菊赵桂玲梁宏伟李颖曾会明RENQian郑兴波庞勇许志春张军崔国发张振明胡伟华安新民许志春张璧光杨凯雷渊才侯伟刘君郑杰赵广亮宋国正曹川健PaulWolfgang李福海李凤兰董建生姚永刚张全来张有慧田桂芳李考学李永波赫万成李长明张世玺 . 沈阳城市森林三维绿量测算. 北京林业大学学报,
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-12
  • 录用日期:  2019-12-20
  • 网络出版日期:  2020-01-14

北京市城市边缘区通风廊道型林地营建方法研究

    通讯作者: 李运远, lyy0819@126.com
    作者简介: 徐一丁。主要研究方向:风景园林规划设计与园林工程。Email:1873908417@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学园林学院
  • 北京林业大学园林学院,北京 100083

摘要: 目的近年来北京市空气质量日益受到威胁,城市森林建设一定程度上可以改善空气质量。受既有上位规划、气候、河流、农田分布等基础条件的限制,城市边缘区的城市森林营建是森林城市建设的难点,尤其是通风廊道型城市森林建设面临诸多现实问题和技术困难。本文以北京市黑庄户地区通风廊道型城市森林营造为例,详细介绍其具体营建策略与方案并验证有效性,为此类区域开展森林城市建设提供案例依据。方法通过宏观规划城市森林结构布局、中观优化城市森林结构特征以及微观营建城市森林植物群落,运用Ecotect与Winair建立在不同重现期(西北风5、10、15 m/s)下城市森林营建前后的两种3D模型并进行对比。结果(1)结合黑庄户地区现状条件和通风廊道作用原理,构建以宏观规划林地结构、增加林地面积,中观保留生态冷源、明确林廊西北—东南走向为主、宽度大于150 m,微观营建草地型、灌木型结构为主并结合现状地形的植物群落的通风廊道型城市森林体系。(2)在西北风5、10、15 m/s条件下,平行于通风廊道城市森林的样带平均空气流速较未改造前提升了0.042、0.033、0.101 m/s;垂直样带平均空气流速提升了0.023、0.059 3、0.075 3 m/s。改造后模拟区域内空气流速均有所增强,总体随着风力增强空气流速增幅也有提高;森林廊道内的空气流速高于廊道外。结论使用多维度策略结合的通风廊道型城市森林改造后的区域相对于现状地区的空气流速大幅度提升,充分说明在城市边缘区通风廊道型城市森林的营建可有效加速风速,实现换气、降温、排污等综合目标。

English Abstract

  • 近年来,北京市由于空气污染引发的问题日益增多,空气质量问题成为社会关注的热点。随着“蓝天保卫战”各项任务稳步推进,空气质量较过去显著改善[1]。北京市规划和国土资源管理委员会颁布的《北京城市总体规划(2016年—2035年)》[2](下文简称“总规”)提出构建多级通风廊道系统。建设完善中心城区通风廊道系统,提升建成区整体空气流通性,进一步改善空气质量。在北京市,许多城市边缘区连接着首都核心区与外围清洁空气区域。这些区域不仅要净化城市内部的污染空气,还要传输外围新鲜、清洁空气进入城市核心区,对于空气质量改善具有重要意义。当前我国对于空气通风廊道的研究主要集中于城市核心区内[3-5],城市边缘区空气传输系统的营造策略缺乏系统性的设计指导。此外,北京市城市边缘区片区内分布有大量现状林地,新一轮平原造林工程也即将展开[6],林地营建方向仍处于探讨阶段。为解决上述问题,尤其是北京市城市边缘区的空气传输问题,本文提出建设通风廊道型森林的构想,建立一套将空气传输体系纳入城市边缘区森林中的设计方法。

    • 北京市位于我国华北地区,中纬度地带,属于温带大陆性季风气候,冬季寒冷干燥,夏季高温多雨,因此两季风热环境条件截然不同。北京市建成区域面积大,建筑密度高,市区大部分区域对流层较厚[7]。夏季热岛效应显著,中心城区温度显著高于边缘区域温度[8]。市域范围风环境受华北背景区域影响,也受北京独特地形影响。其风场可分为偏南风和偏北风两种,偏北风为清洁空气来源,偏南风特别是风速较小时,邯郸、保定等地大气污染物将输送至北京并叠加本地大气污染物形成严重空气污染。

      北京市污染物来源复杂,例如厂区废气、冬季燃煤气体、汽车尾气等。北京空气污染集中高发季为春、冬、秋3个季节,最好天气集中于夏季[9];2013年初,北京市空气污染等级连续多天维持在五级重度和六级严重污染水平[10]。经过多年不断整治,现今空气质量状况显著改善,2019年上半年重污染天数仅有3 d[1],但整体情况仍不容乐观。

    • 在北京市城市边缘区营建通风廊道型森林具有可行性与必要性:(1)从城市边缘区与森林空间分布的耦合关系来看,城市边缘区位于城市建设区与自然区域交界地带,分布有大量现状林地;第二次平原造林工程也增加了城市边缘区内的森林面积[11]。城市森林作为一种绿色空间,不仅提高城市边缘区的绿地率,也利于改善空气质量,对于引导风向、滞尘杀菌[12]、降温增湿[13]、降低噪音方面均有积极影响。(2)从空气传输措施对于城市森林的适用性来看,我国借鉴国外Kress等学者的理论[14-16]与日本东京都、德国斯图加特等地的实践经验,提出“通风廊道”理念(图1),来解决当前城市空气污染、雾霾、热岛效应、扬沙浮尘等诸多空气问题。城市边缘区森林建设可影响地表粗糙程度、植被覆盖类型、森林连接度、地形地貌、热补偿功能等要素,进而影响通风廊道的空气质量与交换效率。城市森林在引导风向、调节风速、降低空气温度等方面有巨大潜力。

      图  1  通风廊道各部分作用原理

      Figure 1.  Principle of ventilation corridor

      但是,当前针对城市边缘区的通风廊道型城市森林设计研究甚少,因此有必要将通风廊道理念与城市森林营建相融合,构建一套以引导空气传输为主,空气净化、降温增湿、滞尘杀菌等功能共同协调的城市森林设计策略。

    • 本研究从以下3个维度考虑设计策略:(1)城市边缘区为自然基底;(2)城市森林为承担空气交换的廊道;(3)通风廊道构建手段为城市森林营建内容之一。借此提高城市边缘区内部及与核心区的空气交换效率,改善区域环境。通风廊道型城市森林的设计策略基于空气传输与景观营造两个视角。

      本文以北京市朝阳区黑庄户地区(图2)为例进行设计策略研究。该地区位于北京中心城区与通州行政副中心之间[17]、北京市第二道绿化隔离带内[18],是北京地区最早进行平原造林的区域之一[19]。现状森林所属用地涵盖生产绿地、防护绿地、公园绿地、农林用地等类型。场地内有萧太后河等水系分布。

      图  2  黑庄户地区区位分析图

      Figure 2.  Location analysis of the Heizhuanghu District

      总规指出应建设完善中心城区通风廊道系统,提升建成区整体空气流通性。到2035年形成5条宽度500 m以上的一级通风廊道,多条宽度80 m以上的二级通风廊道,远期形成通风廊道网络系统。划入通风廊道的区域严格控制建设规模,逐步打通阻碍廊道连通的关键节点[2]。通风廊道系统规划显示,垡头区域二级通风廊道沿京哈高速贯穿黑庄户地区,因此黑庄户地区是北京市通风廊道系统的重要组成部分。本文选取黑庄户地区京哈高速3.5 km典型区段(包含建成区与公路,总面积约6.116 km2)为研究区(图3),研究城市边缘区通风廊道型城市森林建设的具体模式和方法。

      图  3  黑庄户地区研究范围区位分析图

      Figure 3.  Location analysis of the research area of Heizhuanghu District

    • 设计策略将城市森林设计内容分为宏观、中观、微观3个层次,分别对应林地布局、林地结构、森林群落营建。在空气传输的视角下,由大到小,控制城市边缘区城市森林宏观布局、中观城市森林结构特征及微观森林群落营建方式,以提高通风廊道内的空气传输效率。

    • 从提升城市边缘区空气交换效率出发,宏观规划城市森林结构布局。将城市对空气交换的需求置于突出位置,通过整体协调林地定位、规模、结构提升城市边缘区的通风能力。

      (1)林地规划服从上位。首先详实对照上位城市总体规划与绿地系统规划,明确片区定位、城市结构、绿地空间结构、用地类型、通风廊道布局等已规划内容,并在此基础上因地制宜地制定通风廊道型城市森林布局与结构;承接上位对片区的规划定位,不改变土地性质,不改变绿地类型、不侵占建设用地。

      (2)补偿空间增加绿化。可为城市提供新鲜空气的郊区或局地风系统来源的地区称为补偿空间[14]。城市边缘区内的补偿空间也分布有城市建设区域。为了增强补偿空间提供新鲜空气的能力,补偿空间及其周边区域应重视绿色生态空间保护与建设[20]。不宜扩大建设用地面积,绿地率应高于一般区域,建成区绿地率应不低于45%。此外,由于城市边缘区建筑物较多,城市森林营建除了传统种植模式,可同时进行屋顶绿化、垂直绿化等方式,增加立体绿化率,改善该地区的气候环境。

      (3)补偿空间森林串联。陈士陵[21]的研究表明同等面积的绿地,集中布置的整体绿地空气流通效率要远高于分散布置,更易形成“林源风”。分散式布局还会导致城市下垫面覆盖类型趋于均质,形成较为稳定的近地面空气层,不利于风的流通,造成污染物的淤积。因此,需要加强通风廊道森林与周边“斑块”状森林、农田、水体等补偿空间的串联和沟通,形成连续的通风廊道系统;化零为整,将廊道周边的小片森林、农田、水体连接扩展形成大的补偿空间,成为通风廊道的中转站和倍增器。以通风廊道型城市森林建设为引擎促进区域城市森林通风廊道网络的构成,有效地增加廊道通风降温的功能半径,提高通风廊道的功能效益范围。

    • 中观层面,明确现状农林地的建设方向、细化不同城市森林拟建要求、林带方向及宽度对于加速气流传输、净化空气、降温增湿等方面有着重要作用。其构建策略如下。

      (1)保留现状水田冷源。水体的粗糙度较低,滨水空间近地层的风速要比周边区域高;由于水体的下垫面性质易形成局地环流——河陆风[22],对滨水区域的风环境具有良好的改善作用。城市边缘区的农田、湖泊、河道等开阔空间不仅是城市与自然连通的门户和风口,也是具有良好生态环境效益的纯天然风道与通风物理过程中的生态冷源。研究表明,草地和耕地是最理想的冷空气生成区;耕地每小时能产生10 ~ 12 m3的冷空气,若是冷空气不流通到其他地方,则每小时可积累12 m3的冷空气层[23]

      城市边缘区城市森林建设应充分利用农田耕地、河湖水系湿地等生态补偿空间,不宜改变现有耕地、水系的布局、面积与地表粗糙程度,降低周边建设开发强度。保留城市边缘区生态冷源,利用风场特征合理修复和营造补偿空间,林网连接将新鲜空气引入通风廊道。

      (2)明确绿地建设方向。公园绿地、防护绿地、生产绿地、农林用地、其他用地等的森林功能、建设要求各不相同,通风廊道范围内各绿地建设要求与一般情况也有所差异。通风廊道范围内的森林建设应以加速空气流通为导向,同时兼顾其应有功能:公园绿地减少通风廊道范围内硬质铺装面积,避免出现阻挡气流的高大建筑、构筑物;道路、河流防护绿地加强空气传输,道路、河流两侧由内到外先种植草本地被再过渡至结构完整的森林,廊道内部减少近地面阻碍物,两侧森林限定空气流通区域,加速空气流通;防风林不宜与清洁风呈垂直布置;生产绿地及时补苗,避免土地裸露;农林用地、其他用地严禁侵占。

      (3)森林廊道顺应风向。不同地区的通风廊道走向受风向影响要“因地制宜,各有不同”。对于在城市尺度通风廊道构建的人工或自然的风道区域,需要严格控制城市森林的走向与该区域的气流系统相吻合或基本吻合。线性空气流通廊道主要将城市常年出现的盛行风(主导风)引入城市,其走向应尽量与主导风向平行,夹角不宜过大。研究表明通风廊道走向与主导风向的夹角不宜超过30°,廊道内垂直于气流流动方向的障碍物宽度不宜大于廊道宽度的10%[22]

      由北京市气象局提供的气象图可知,北京市主导风向为西北风和东南风,西北风为清洁风。因此,应重点引导西北风贯穿通风廊道型城市森林,森林尽量和西北风保持平行,即西北—东南走向;此外,廊道的构建应兼顾软轻风风向即西—东走向。

      (4)合理拓宽廊道宽度。宽度是实现廊道通风的基础。总规规定一级通风廊道宽度500 m以上,二级通风廊道宽度80 m以上[2]。研究表明通风廊道的宽度在100 ~ 150 m左右时才能在城市尺度内形成较为理想的通风效果[24];若是从郊区引冷空气至城市核心区,则通道的宽度至少要150 m[22]。由于一般道路,河流无法满足通风廊道建设的宽度要求,可结合道路防护绿带、滨水绿带、道路带状公园等绿地或农林用地共同构建通风廊道,拓宽通风廊道宽度。以绿地为载体的通风廊道,绿地宽度应占总宽度的60%以上。

    • 森林的微小构成单元是群落,不同营建模式可影响群落发挥的效益。若结合通风廊道理念进行群落营建,可达到影响风速、滞尘、形成冷空气等作用。通风廊道型城市森林中的群落营建需要对群落结构、常绿落叶树搭配比例、栽植物种、地形处理等要素进行考虑。

      (1)适当提升灌草比例。当洁净自然风经廊道传送时,恰当的森林结构,能保证空气的通过效率,风力不至于被大大削减,同时也有助于净化空气,营造宜人的微气候。当前多数研究集中于森林的防风功能,不同结构类型的森林的风速平均衰减量各不相同,乔−草型 > 单层乔木型 > 乔−灌−草型 > 乔−灌型 > 灌木型 > 草地型[25]。通风廊道型的城市森林以不太阻挡气流的草地型和灌木型为主,占比一半左右保持廊道开阔;不宜盲目追求自身绿量,乔木林等结构宜出现在廊道外侧,配合两侧地形抬升形成由两侧向中间森林高度逐渐降低的开敞空间,加速气流运动(图4)。通风廊道的转折处,森林群落结构应当简化,以便气流通畅,避免形成涡流造成的空气滞留或回流污染。此外,田姗姗[26]的研究表明植物群落不宜密植,乔灌草种植比例在4∶3∶3左右,最有利于风的流动。在通风廊道型城市森林营造中,适当增加灌草层植物比例,乔灌草种植比例控制在3∶3∶4。

      图  4  群落结构示意图

      Figure 4.  Schematic diagram of forest community structure

      (2)控制常绿植物比例。多数学者认为北方地区森林常绿乔木与落叶乔木种植比例为3∶7左右[27-30]。不同类型的森林应根据定位和功能决定常绿与落叶树种比例。常绿针叶林具有突出的防风效果,平均风速衰减量为0.71 m/s[25]。由此可推论,常绿树种对空气有显著滞留作用。通风廊道型城市森林为确保空气流通,常绿与落叶植物比例应该低于一般绿地的配置比例。常绿与落叶树种搭配首先保证通风效果,也要关注景观等需求,在有景观需求的片区,可提高常绿树比例,保证冬季的绿量以丰富景观效果。通风廊道型城市森林常绿与落叶比例应在2∶8左右(图5)。常绿与落叶树种配置比例分布越均匀,景观效果越佳[31]。因此,单片常绿林带长度不易超过500 m,宜呈交错斑块分布,呈现良好的季相景观。

      图  5  常绿和落叶植物栽植比例示意图

      Figure 5.  Schematic diagram of planting proportion of evergreen deciduous plants

      (3)品种选择影响气流。通风廊道型城市森林群落是由不同植物品种人工组合搭配形成的,为发挥通风廊道的作用,需要对植物品种进行甄选。风穿过植物,会受到植物枝叶阻隔摩擦消耗能量,降低风速。分支点低、叶面积指数较大的常绿松柏类植物和叶面积指数较大的大灌木冬季可有效阻挡气流流动[32]。城市边缘区通风廊道型城市森林应促进廊道内空气传输,主要选择叶面积指数较小、树冠分枝点高、较为通透的乔灌木以及相对低矮的地被草本;在空气廊道外侧或需要阻风的区域可适当选择叶面积指数大、树冠紧凑密实的乔灌木。查阅《园林植物1 600种》[33]、《北京植物志》[34],旱柳(Salix matsudana)、臭椿(Ailanthus altissima)、榆(Ulmus pumila)、砂地柏(Sabina vulgaris)、山麦冬(Liriope spicata)、二月蓝(Orychophragmus violaceus)等植物符合通风树种要求;圆柏(Sabina chinensis)、白皮松(Pinus bungeana)、油松(Pinus tabuliformis)、河北杨(Populus hopeiensis)、槐(Sophora japonica)、红瑞木(Swida alba)、紫丁香(Syringa oblata)可作为阻风植物。

      (4)狭管地形辅助通风。“狭管效应”也称“峡谷效应”,指的是峡谷中的风会比平原的风更加猛烈一些。气流从开阔地带进入峡谷时,虽然气体具有压缩性,但是同样的空气质量流量不会改变,通流面积减小,气流在通过峡谷时气体流速会增加[35]。风速加快有利于空气在补偿空间和作用空间流通。利用Ecotect软件与Winair插件模拟增加地形与种植对空气流速的影响。预设山谷长200 m、宽80 m、山谷底部20 m,分为剧烈地形(山谷底至顶端分别为20、40、60 m)与微地形(山谷底至顶端分别为3、6、9 m)两组进行对照;乔木8 m高,灌木1.5 ~ 2 m高,乔、灌木林带形成近似密闭的结构,因软件处理能力有限,假定林带为不透风的空间。风向为与地形呈30°夹角的主导风,风速为五级风速。

      经软件模拟(图6图7),剧烈地形组与微地形组对空气流通均有一定效果。其中:剧烈流通组效果较明显,并随着山谷加剧,空气流通加速效果较为明显;微地形组不同高度的地形配合种植也可增加约0.1 m/s的空气流速,但随着地形的变化,对空气流通的加速作用不明显。构建通风廊道时,在其中心保持开阔,两侧地形适当抬高,结合森林种植模拟近似山谷的地貌特征。考虑到实际工程量,抬升地形不宜过大,应充分利用现有的山体、小丘等地形抬高处,促进通风廊道内空气流通迅速,提高作用空间与补偿空间的空气流通效率。

      图  6  不同高度山谷(20、40、60 m)对空气流速的影响

      Figure 6.  Effects of different height valleys(20, 40, 60 m)on air flow rate

      图  7  不同高度山谷(3、6、9 m)对空气流速的影响

      Figure 7.  Effects of different height valleys(3, 6, 9 m)on air flow rate

    • 通风廊道型城市森林侧重对空气传输的影响,主要发挥生态功能,也兼顾森林景观营造。设计策略主要考虑植物景观,同时兼顾硬质场地设计,综合提升城市森林景观效果。

    • 基于景观提升视角下的植物设计策略包含以下部分:植物配置以自然式为主,考虑森林的林冠线与林缘线变化。注重对季相变化的掌握,随着四季的变化,不同植物的花色、叶色会呈现千变万化[36];搭配不同颜色、质感、形态的植物形成丰富的季相景观,满足全年四季皆有景可赏。提高草花地被植物种植比例,以多年生宿根植物为主,发挥成型快[37]、低维护特点;不宜过多选用草坪草。通风廊道开阔处栽植草花地被形成缤纷的野花草地或利用不同植物材料组合具有丰富视觉韵律感的大色块图案。考虑视线和人、车移动,视觉焦点处打造优美景观,丰富群落层次,栽植观赏性强的植物;廊道内注重植物组合的变化,考虑植物树冠、色彩、质地差异,以3 ~ 5 km为基本单元,3 ~ 7个树种为一个景观系列组合,交替栽植形成富有节奏的植物景观。

    • 在上述植物景观营造策略的基础上硬质场地设计包含以下内容:首先考虑对生态效益的影响,场地设计最低限度干扰森林营建;划定活动范围,限制人为活动的方式和区域;加强科普教育和生态宣传,了解通风廊道型城市森林的作用原理,提高公众生态意识;场地材料的选择和应用应遵循生态原则,使用碎石、树皮等乡土自然材料[38]、循环废弃材料。其次是协调性设计:一是硬质场地生态、美观、功能的协调性考虑,二是硬质场地与周边森林环境的协调性,三是各个造林区域相互联系的协调性。再次是充分考虑当地自然环境和人文背景,利用现状自然、人文资源,突出地方特色,打造地域景观。最后硬质场地设计要以人为本,从场地功能划分、可达性、观赏性、空间规划合理性、基础设施完备性、公众参与性等方面考虑,形成实用宜人的场地设计。

    • 为明确通风廊道型城市森林对空气传输的影响,本文采用Ecotect软件与Winair插件进行模拟研究,为通风廊道型城市森林的空气传输效能提供支撑。

      城市边缘区通风廊道型城市森林营建不仅要考虑空气传输廊道建设,还要注重与周边补偿空间的联系;实地踏查发现黑庄户地区二级通风廊道两侧分布大量现状林地、农田和腾退拆迁用地,未来规划中将作为新一期平原造林用地建设,故将周边林地、荒地一同纳入软件模拟范围。本文选取黑庄户地区京哈高速局部路段为研究对象,该区段全长约3.5 km,总面积约为6.116 km2(包含建成区与公路)。将该研究区域按上位规划与前文通风廊道型城市森林策略进行布局设计,并分别建立通风廊道型城市森林营建前后的城市3D模型,现状道路、建筑根据百度街景和调查资料确定面积、高度;森林取平均高度7 m建立模型。

      宏观层面:城市森林建设应服从总规[2],拆迁现状物流园区,集中布局建设用地;保留现状基本农田布局与面积,模型中农田按草地处理;现状绿地类型、面积不变,规划为农林用地的现状荒地转化为林地,提高森林覆盖率;西北—东南向的农田道路、河流两侧建设林廊辅助传送新鲜空气,软件模拟林廊宽20 m、高10 m。

      中观层面:城市森林廊道顺应主风向;黑庄户地区京哈高速硬质道路宽35 m,两侧均分布50 m宽现状防护林与大面积荒地,依托京哈高速的二级通风廊道控制宽度不小于150 m。模型中沿西北—东南走向道路建设森林廊道,道路两侧分别建设不小于50 m宽的城市森林,扩展通道宽度。

      微观层面:控制群落结构,通风廊道内近高速路基群落结构简单、植株低矮,远路基结构复杂、植株高大。在通风廊道内部,垂直清洁风的群落常绿落叶比低于一般群落。根据对风的作用合理选择通风、阻风植物。强化现状田垄、土丘等地形,与植物配合加速空气流通。模型中森林道路两侧20 m按草地处理,20 ~ 50 m近地表1.5 m内无阻碍物模拟单层乔木林,部分路段两侧地形抬升1.5 ~ 6 m,模拟峡管效应。群落立面、策略落位如图8图9所示。结合上位规划调整现状用地布局,拟建通风廊道型城市森林面积约1.254 km2,占该区段总面积的20.5%。

      图  8  通风廊道型城市森林群落

      Figure 8.  Ventilation gallery urban forest community

      图  9  黑庄户地区通风廊道型城市森林平面分布图

      Figure 9.  Distribution map of ventilation corridor type urban forest in Heizhuanghu District

      将3ds格式模型导入Ecotect软件,空气流速模拟使用Winair插件,导入北京市气象数据,Winair障碍物设置为覆盖Z表面,空气黏度系数为1.8×10−5 Pa·s,空气密度为1.2 kg/m3,模拟北京市冬季主导风(西北风)5、10、15 m/s情况下两种布局模型中空气流速,输出整个研究片区内空气流速可视化图形文件进行比对,根据空气流速快慢评定通风廊道型城市森林的效能。软件模拟图中区域颜色随空气流速增强发生蓝—紫—红—橙—黄的颜色变化,蓝色区域流速最小,黄色区域流速最大。分别在平行于和垂直于拟建通风廊道的方向设置样带,以Ecotect软件单元格范围(约71.4 m × 47.6 m)选取连续样点(图10)。提取改造前后样点的空气流速进行对比分析,并通过Wilcoxon匹配样本对符号秩检验对改造前后样点流速进行差异检验。

      图  10  黑庄户地区空气流速模拟样带样点分布图

      Figure 10.  Distribution diagram of air velocity simulation sample zone in Heizhuanghu District

      由Ecotect、Winair风速5 m/s情景模拟(图11 ~ 13)可知,黑庄户现状布局平行于通风廊道方向样点平均空气流速为0.129 m/s,拟建城市森林布局平行于通风廊道方向样点平均空气流速为0.171 m/s,平均空气流速提升0.042 m/s;Wilcoxon符号秩检验结果显示,改造前后空气流速的中位数之差等于0,P=0.001 < 0.05;拟建城市森林布局空气流速显著高于现状布局。黑庄户现状布局垂直于通风廊道方向样点平均空气流速为0.025 m/s,拟建城市森林布局垂直于通风廊道方向样点平均空气流速为0.048 m/s,平均空气流速提升0.023 m/s;Wilcoxon符号秩检验结果显示,改造前后空气流速的中位数之差等于0,P=0 < 0.05,拟建城市森林布局空气流速显著高于现状布局。

      图  11  黑庄户地区改造前后遇5 m/s西北风时空气流速对比图

      Figure 11.  Comparison diagram of air velocity under 5 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

      图  13  黑庄户地区改造前后遇5 m/s西北风时垂直廊道样带空气流速变化

      Figure 13.  Variation of air velocity in the sample zone of vertical corridor under 5 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

      图  12  黑庄户地区改造前后遇5 m/s西北风时平行廊道样带空气流速变化

      Figure 12.  Variation of air velocity in the sample zone of parallel corridor under 5 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

      由Ecotect、Winair风速10 m/s情景模拟(图14 ~ 16)可知,黑庄户现状布局平行于通风廊道方向样点平均空气流速为0.233 m/s,拟建城市森林布局平行于通风廊道方向样点平均空气流速为0.266 m/s,平均空气流速提升0.033 m/s;Wilcoxon符号秩检验结果显示,改造前后空气流速的中位数之差等于0,P=0 < 0.05,拟建城市森林布局空气流速显著高于现状布局;黑庄户现状布局垂直于通风廊道方向样点平均空气流速为0.148 m/s,拟建城市森林布局垂直于通风廊道方向样点平均空气流速为0.207 m/s,平均空气流速提升0.059 m/s;Wilcoxon符号秩检验结果显示,改造前后空气流速的中位数之差等于0,P=0 < 0.05,拟建城市森林布局空气流速显著高于现状布局。

      图  14  黑庄户地区改造前后遇10 m/s西北风时空气流速对比图

      Figure 14.  Comparison diagram of air velocity under 10 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

      图  16  黑庄户地区改造前后遇10 m/s西北风时垂直廊道样带空气流速变化

      Figure 16.  Variation of air velocity in the sample zone of vertical corridor under 10 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

      图  15  黑庄户地区改造前后遇10 m/s西北风时平行廊道样带空气流速变化

      Figure 15.  Variation of air velocity in the sample zone of parallel corridor under 10 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

      由Ecotect、Winair风速15 m/s情景模拟(图17 ~ 19)可知,黑庄户现状布局平行于通风廊道方向样点平均空气流速为0.349 m/s,拟建城市森林布局平行于通风廊道方向样点平均空气流速为0.450 m/s,平均空气流速提升0.101 m/s;Wilcoxon符号秩检验结果显示,改造前后空气流速的中位数之差等于0,P=0 < 0.05,拟建城市森林布局空气流速显著高于现状布局;黑庄户现状布局垂直于通风廊道方向样点平均空气流速为0.252 m/s,拟建城市森林布局垂直于通风廊道方向样点平均空气流速为0.325 m/s,平均空气流速提升了0.073 m/s;Wilcoxon符号秩检验结果显示,改造前后空气流速的中位数之差等于0,P=0 < 0.05,拟建城市森林布局空气流速显著高于现状布局。

      图  17  黑庄户地区改造前后遇15 m/s西北风时空气流速对比图

      Figure 17.  Comparison diagram of air velocity under 15 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

      图  19  黑庄户地区改造前后遇15 m/s西北风时垂直廊道样带空气流速变化

      Figure 19.  Variation of air velocity in the sample zone of vertical corridor under 15 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

      图  18  黑庄户地区改造前后遇15 m/s西北风时平行廊道样带空气流速变化

      Figure 18.  Variation of air velocity in the sample zone of parallel corridor under 15 m/s northwest wind before and after the reconstruction in the Heizhuanghu District

      当黑庄户地区通风廊道型城市森林穿过冬季主导风(西北风)为5、10、15 m/s时,与未规划通风廊道型城市森林相比空气流速明显增强,并随着风力增强通风效果也有增强。森林廊道内的空气加速效果高于廊道外。

    • 本文通过分析北京市气候特征与空气污染情况,认为在北京市城市边缘区建设通风廊道型城市森林具有可行性与必要性。设计策略从3个维度综合考虑:一是因地制宜考虑城市边缘区基底条件;二是在城市森林与通风廊道关系方面,充分考虑城市森林对空气传输的加速、净化功能;三是在通风廊道与城市森林营建关系方面,科学地将二者有机结合,完善了城市森林的空气传输等功能。

      通风廊道型城市森林设计策略从空气传输与景观营造两个角度出发,在空气传输视角下,主要提出宏观控制林地规模布局、补偿空间加强串联,中观明确绿地建设方向、生态冷源保留,微观群落结构、树种控制、地形辅助的营建要点;在景观营造的视角下,对森林植物景观营造与硬质场地建设进行生态设计,强化城市森林景观品质与科普游赏功能,将风景园林设计融入通风廊道型城市森林之中。

      最后,结合黑庄户地区现状条件和通风廊道作用原理,构建以宏观规划林地结构、增加林地面积,中规保留生态冷源、明确林廊西北—东南走向为主、宽度大于150 m,微观营建草地型、灌木型结构为主并结合现状地形的植物群落的通风廊道型城市森林体系。Ecotect空气流速模拟显示,在西北风5、10、15 m/s条件下,平行于通风廊道城市森林的样带平均空气流速较未改造前提升了0.042、0.033、0.101 m/s;垂直样带平均空气流速提升了0.023、0.059 3、0.075 3 m/s。通风廊道型城市森林对加强空气流通有着显著成效。相比于传统的森林营造,本研究营建方法下的通风廊道型城市森林在加速空气流通方面具有明显优势,在北京市城市边缘区具有一定的应用价值与推广潜力。

      致谢 本文是基于研究生风景园林课程设计成果所做的进一步研究,对共同参与课程设计的小组成员李若兰、李敏、林霖、刘聪颖、温馨、徐向希表示感谢。

参考文献 (38)

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