閩南校園人工濕地夏季降溫效應(yīng)研究
——以華僑大學(xué)廈門校區(qū)為例

陳墅香,陳溢晨,劉塨

(莆田市城鄉(xiāng)規(guī)劃局總工辦 福建莆田 351111)

閩南校園人工濕地夏季降溫效應(yīng)研究
——以華僑大學(xué)廈門校區(qū)為例

陳墅香,陳溢晨,劉塨

(莆田市城鄉(xiāng)規(guī)劃局總工辦 福建莆田 351111)

文章通過探究閩南地區(qū)校園人工濕地類型、界定濕地大小斑塊及廊道,以華僑大學(xué)廈門校區(qū)濕地為模擬研究對(duì)象，應(yīng)用PHOENICS軟件，將濕地置換為草地、硬地，進(jìn)行溫場分析，闡述了閩南校園人工濕地夏季降溫效應(yīng)的量化優(yōu)勢。

校園濕地;生態(tài)降溫;計(jì)算機(jī)模擬;閩南

E-mail:383286057@qq.com

引 言

高校的擴(kuò)建、新建使新的校區(qū)向城市邊緣地帶發(fā)展，城郊校園功能與原有生態(tài)環(huán)境的結(jié)合，特別是與濕地水體系統(tǒng)的結(jié)合，成為一個(gè)必然的趨勢。深入研究校園人工濕地及其水體對(duì)環(huán)境微氣候的影響，可以更好地發(fā)揮校園濕地的生態(tài)功能潛力，對(duì)合理利用開發(fā)生態(tài)濕地資源、維持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性具有重要的意義。

1 閩南地區(qū)校園人工濕地類型

大小斑塊及廊道是景觀生態(tài)學(xué)中最基本的景觀要素。《景觀生態(tài)學(xué)》中提到，斑塊-廊道-基質(zhì)的組合是最常見、最簡單的景觀空間構(gòu)局，是景觀功能、格局和過程隨時(shí)間發(fā)生變化的主要決定因素，是景觀生態(tài)研究的基礎(chǔ)[1]。

1.1 閩南地區(qū)代表性校園人工濕地

閩南地區(qū)主要是指廈門、漳州、泉州三個(gè)地區(qū)的市縣，選取這三個(gè)地區(qū)的代表性高校濕地進(jìn)行調(diào)研。分析得出，閩南地區(qū)高校人工濕地按形態(tài)可以分為大斑塊濕地、小斑塊濕地、廊道濕地，雖然這三種濕地形態(tài)在每個(gè)校園中不一定都齊全如(表1)。

1.2 濕地大小斑塊及廊道的界定

1.2.1 濕地大小斑塊的界定

大小斑塊分別承擔(dān)著各自的生態(tài)責(zé)任，相互依托，互不可少。大斑塊是多生境物種的棲息地，小斑塊是小生境物種的棲息地。

濕地的斑塊大小劃分和建構(gòu)與水禽的領(lǐng)域特征密切相關(guān)。濕地是一個(gè)生態(tài)學(xué)詞匯，濕地必須有一個(gè)良好的生態(tài)食物鏈(水禽——魚、蝦——植物、微生物)。較早的《濕地公約》(全稱《關(guān)于特別是作為水禽棲息地的國際重要濕地公約》)，主要作用是通過全球各國政府間的共同合作，以保護(hù)濕地及其生物多樣性，特別是水禽和它賴以生存的棲息環(huán)境。[2]以一種廣泛分布在世界各地的水禽——黑水雞，為最基本的水禽單位。金志民等《黑水雞的繁殖生態(tài)觀察》中介紹了黑水雞通常單個(gè)或成對(duì)活動(dòng)，每對(duì)的領(lǐng)域特征是800——1000 m2[3]。張斌的《黑水雞》一文也有提到每對(duì)黑水雞領(lǐng)域面積約為1000——2000 m2[4]。

表1 閩南地區(qū)代表性校園人工濕地類型

(表中圖片來源：自攝及根據(jù)Google地圖自繪)

(a)頂視圖 (b)前視圖 (c)透視圖圖1 華僑大學(xué)廈門校區(qū)濕地的計(jì)算機(jī)建構(gòu)模型圖

大斑塊濕地必須具有從水禽到微生物的完整生態(tài)系統(tǒng)，因此將大斑塊濕地的最小面積定為1000m2左右。而小斑塊可以以魚類為生態(tài)鏈的頂端，因此小斑塊水域面積可以在1000 m2以下。

所以確定大小斑塊濕地的水域面積大小以1000m2作為分界線。

1.2.2 廊道濕地的界定

廊道是指不同于兩側(cè)基質(zhì)的狹長地帶，可以看作是線狀或帶狀的斑塊。幾乎所有的景觀都會(huì)被廊道分割，同時(shí)又被廊道連接在一起。

廊道濕地就是起到連接大小斑塊濕地的作用，同時(shí)又具有一定的生態(tài)功能。廊道濕地可以以魚類為生態(tài)鏈的頂端。據(jù)研究，廊道濕地的最短寬度值要7m以上，最適宜的寬度是10～20m如(表2)[5]。

表2 不同學(xué)者提出的生物保護(hù)廊道的適宜寬度值

2 計(jì)算機(jī)模擬有無濕地的生態(tài)降溫情況

2.1 華僑大學(xué)廈門校區(qū)濕地系統(tǒng)

以華僑大學(xué)廈門校區(qū)濕地系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)研究基地。在規(guī)劃初期就考慮了濕地與校園一體化建設(shè)，以景觀生態(tài)學(xué)的基本原則梳理基地內(nèi)的濕地系統(tǒng)，構(gòu)筑環(huán)境友好型的校區(qū)。華僑大學(xué)廈門校區(qū)規(guī)劃總用地125.8萬平方米，濕地水域面積約11萬平方米，占規(guī)劃總用地面積的8.7% 。

2.2 計(jì)算機(jī)模型的建構(gòu)

以華僑大學(xué)廈門校區(qū)的整體濕地規(guī)劃場地進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，分別將濕地置換成草地、硬地情況進(jìn)行溫場分析。 研究主要采用CFD (Computational Fluid Dynamic) 軟件技術(shù)對(duì)所建立的數(shù)字模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬。Phoenics是CFD軟件的一種。

用Phoenics進(jìn)行濕地降溫分析要采用標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型模擬計(jì)算過程，設(shè)定大氣溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、太陽輻射、濕地水溫等參數(shù)數(shù)值進(jìn)行模擬，也可以直接導(dǎo)入當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)資料進(jìn)行模擬(圖1)。

2.2.1 邊界條件設(shè)定

在PHOENIC數(shù)字模型中建立風(fēng)場(Wind)邊界和太陽(Sun)熱輻射邊界，將廈門市夏季風(fēng)速、溫度等基本氣象數(shù)據(jù)資料整理輸入PHOENIC模型中。 根據(jù)廈門基本氣候情況[6](如表3)，其中最高溫度為7月份。這里選擇全年本值溫度最高的7月份環(huán)境條件進(jìn)行模擬。

表3 廈門基本氣候情況

風(fēng)場(Wind)邊界設(shè)定：環(huán)境溫度為27.8℃，參考風(fēng)速為3.0m/s(小風(fēng))，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)。

太陽(Sun)熱輻射邊界設(shè)定：廈門當(dāng)?shù)鼐S度為北緯24°27′(東經(jīng)118°04′)，7月份平均太陽直射量為107.6W/m2，太陽散射量為89.9W/m2[7]，模擬時(shí)間為2012年7月1日正午12點(diǎn)鐘。

2.2.2 模擬方程設(shè)定

對(duì)PHOENIC軟件設(shè)置模擬計(jì)算方程，開啟湍流方程(Turbulence models)、溫度方程(Energy Equation)、輻射方程(Radiation models)。進(jìn)行土壤層(Plate)、濕地(Wetland)、草地(Grass)、硬地(Ground)的密度、粘度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù)或楊氏莫量這些數(shù)值的分別輸入,接著設(shè)置土壤層溫度為40℃，黑度為1.000，并依次設(shè)置濕地、草地和硬地情況。將模型劃分計(jì)算網(wǎng)格，劃分為約5m*5m*10m的計(jì)算單元。

2.3 模擬結(jié)果與分析

2.3.1 取圖

在距地面1.5m處設(shè)置橫斷切面，取距地面1.5m上的空氣溫度分布圖。

設(shè)置濕地處的縱剖切面，取濕地上空及周邊的溫度分布情況圖。

2.3.2 分析

表4 模擬結(jié)果與分析

總體來看(表4)，計(jì)算機(jī)模擬出，濕地、草地、硬地的環(huán)境溫差是相當(dāng)明顯的。

從距地1.5m高橫斷面溫度分布圖來分析，濕地上空溫度是26℃左右，草地上空溫度是29℃左右，硬地上空溫度是46℃左右。就上空溫度來看，濕地和草地相差約3℃，濕地和硬地相差約20℃。濕地的降溫效果突出。這也看出不透水的城市硬地，使得城市容易形成“熱島效應(yīng)”，而濕地能有效調(diào)節(jié)局部小氣候，減弱城市熱島效應(yīng)，有人稱之為“冷濕效應(yīng)”[8]。

從縱剖切溫度分布圖來看，濕地邊緣溫度是28℃左右，草地邊緣溫度是31.5℃左右，硬地邊緣溫度是42℃左右。就周邊環(huán)境溫度來看，濕地周邊比草地周邊低3.5℃左右，比硬地周邊低14℃。

3 結(jié)語

研究結(jié)果表明: 閩南地區(qū)高校人工濕地按形態(tài)可以分為大斑塊濕地、小斑塊濕地、廊道濕地；而且濕地周邊環(huán)境溫度比草地周邊環(huán)境溫度低3.5℃左右，比硬地周邊環(huán)境溫度低14℃左右。人工濕地在夏季有明顯的生態(tài)降溫效果。人工濕地水體對(duì)改善室外公共空間的熱環(huán)境以及人體熱舒適性有著重要的作用。不同形態(tài)的濕地降溫效果有一定的差異，這將是我們下一步系統(tǒng)研究的方向。

[1]李團(tuán)勝、石玉瓊．景觀生態(tài)學(xué)[M]．化學(xué)工業(yè)出版社，2009.7，13-46.

[2]陳克林．拉姆薩爾公約——濕地公約介紹[J]．生物多樣性，1995.3(2):119～121.

[3]金志民，楊春文，劉鑄，等．黑水雞的繁殖生態(tài)觀察[J]．四川動(dòng)物，2010年第29卷第2期：262～264.

[4]張斌．黑水雞[J]．野生動(dòng)物，2004.8.

[5]朱強(qiáng)，俞孔堅(jiān)，李迪華.景觀規(guī)劃中的生態(tài)廊道寬度[J]．生態(tài)學(xué)報(bào)，2005.9.

[6]中國氣象網(wǎng)-廈門-氣象數(shù)據(jù)http://www.weather.com.cn/cityintro/101230201.shtml).

[7]范亞明．福建地區(qū)太陽能資源特征及光熱利用分析[J]．海峽科學(xué)，2010.10.

[8] 張蕓，呂憲國，倪?。皆湫蜐竦乩錆裥?yīng)的初步研究[J]．生態(tài)環(huán)境，2004.13.

The Research of the Summer Cooling Effect of Campus Constructed Wetlands in Minnan Region——Focus on Xiamen Campus of Huaqiao University

CHENShuxiang,CHENYichen,LIUGong

(Chief Engineer Office of Urban Planning Bureau in Putian,Putian 351111)

The article explores the campus constructed wetlands types in Minnan region and defines the size patches & gallery of wetlands.It focus on wetlands in Xiamen campus of Huaqiao university as the simulation study object by using PHOENICS software and replaces the wetlands with grassland and hard land ,when the temperature fields are analyzed.The quantitative advantages of the summer cooling effect of campus constructed wetlands in Minnan region were expounded..

Wetlands in campus; Ecological cooling; Computer simulation; Minnan

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50978108)：《基于環(huán)境友好概念的南方高校濕地與校園功能一體化研究》

陳墅香(1987.7- ),女,助理工程師。

2015-06-17

TU986.2

A

1004-6135(2015)09-0082-04