臺風(fēng)災(zāi)害下城市受損樹木的空間分布特征
——以廣州為例

肖毅強 古亞寧 林瀚坤 黃頌誼＊

1 研究背景

夏季為華南地區(qū)的臺風(fēng)多發(fā)季節(jié)，而廣東省是華南地區(qū)多年來臺風(fēng)襲擊最頻繁的省份之一。臺風(fēng)及其帶來的海水倒灌和暴雨等災(zāi)害對人類的安全和經(jīng)濟造成了巨大威脅[1]。

快速城市化導(dǎo)致中國城市規(guī)模劇增、建筑密度加大且高度提升。隨著對城市微氣候研究的深入，人們意識到城市空間與城市風(fēng)環(huán)境品質(zhì)之間存在密不可分的關(guān)系[2]。城市風(fēng)環(huán)境的研究多關(guān)注于空氣質(zhì)量、環(huán)境舒適度、模擬技術(shù)、建筑通風(fēng)、建筑節(jié)能和建筑安全等[3]方面，而在不同的空間尺度下重點研究內(nèi)容也有所差異。

表1 2016—2018年登陸廣東省的臺風(fēng)簡況Tab. 1 A brief overview of typhoon landfall in Guangdong Province (2016-2018)

城市風(fēng)環(huán)境的研究大多是在常年主導(dǎo)風(fēng)的設(shè)定下進行的，對于強風(fēng)與臺風(fēng)的研究則集中于結(jié)構(gòu)體應(yīng)對風(fēng)荷載的應(yīng)變作用展開，并通過實測與風(fēng)洞模型進行[4]。而臺風(fēng)與園林樹木方面的研究多集中于樹木抗風(fēng)性方面，包括生物力學(xué)特性因素[5-6]、種植養(yǎng)護因素[7]66-67和抗風(fēng)樹種選擇[8]118-119等方面，對于城市環(huán)境下的抗風(fēng)性問題研究較少。由于城市空間與城市風(fēng)環(huán)境品質(zhì)之間存在著一定關(guān)系，對于“城市街區(qū)”相關(guān)的微氣候研究也是當(dāng)下的研究前沿[9]，因此對于臺風(fēng)災(zāi)害下的園林樹木與城市空間之間的研究具有其必要性。

為了描述強風(fēng)對不同的城市冠層以及園林樹木的影響，一般會引入特定城市形態(tài)的空氣動力學(xué)粗糙度長度（z0）這一概念。Shen等[10]判斷，城市和建成區(qū)土地的z0值高于2。然而，對于1 km尺度下的不同城市形態(tài)仍缺乏更為詳細的分析。由WUDAPT團隊開發(fā)的城市氣候地圖（Local Climate Zone，簡稱LCZ）主要用于城市熱島（urban heat island，簡稱UHI）分析。LCZ包含了街區(qū)尺度的信息，如不同密度的街區(qū)特征，對城市街區(qū)類型有更深入的定義，并考慮了不同的下墊面特征，如植被、水體等，且網(wǎng)格精度更高[11]。LCZ地圖也顯示了分析與城市環(huán)境相關(guān)的其他問題的可能性[12]。

本研究范圍為地處粵港澳大灣區(qū)、屬于復(fù)合高密度類城市的廣州，研究工作圍繞在臺風(fēng)影響下的廣州城市空間和樹木展開（表1）?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）技術(shù)，引入廣州市LCZ（分辨率300 m），以廣州2016—2018年臺風(fēng)造成的樹木受損數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行分類統(tǒng)計分析，研究受損樹木分布與城市空間在臺風(fēng)災(zāi)害下的關(guān)系，以期為臺風(fēng)災(zāi)害下的園林樹木養(yǎng)護與檢測和景觀設(shè)計提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

近年來，珠江三角洲大部分城市都建立了“報告－響應(yīng)”快速反應(yīng)系統(tǒng)，以應(yīng)對災(zāi)害期間出現(xiàn)的問題，而園林樹木救援也是應(yīng)急系統(tǒng)之一。在2016—2018年臺風(fēng)過境廣州期間和之后開展樹木搶險救災(zāi)過程中，對廣州市城區(qū)的受損樹木進行了災(zāi)害時間、災(zāi)害地點、樹種、受損情況、數(shù)量及現(xiàn)場照片等方面的信息記錄工作。本研究中的569個樹木數(shù)據(jù)是在上述工作中收集的。

其中，對于樹木損壞的記錄分為3個等級[13]：Ⅰ級描述為“倒伏”，表現(xiàn)為主干折斷、連根拔起倒伏、單株受損率大于50%等；Ⅱ級描述為“傾斜”，表現(xiàn)為風(fēng)斜、偏冠的角度大于20°但小于90°、單株受損率小于50%但大于20%等；Ⅲ級描述為“斷枝”，表現(xiàn)為二級分枝折損未達一半、風(fēng)斜、單株受損率小于或等于20%等。

2.2 研究方法

GIS作為一種工具被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、土地利用管理、森林管理等領(lǐng)域。本研究中采用廣州市2014年矢量基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，主要從建筑和道路兩方面，基于ArcGIS10.2平臺，對2016—2018年臺風(fēng)災(zāi)害下廣州受損樹木數(shù)據(jù)分別進行要素創(chuàng)建和屬性信息錄入。此外通過劃分400 m×400 m網(wǎng)格，得到共計7 000個網(wǎng)格對受損樹木數(shù)據(jù)點進行了全覆蓋，以網(wǎng)格為統(tǒng)計單元，利用空間統(tǒng)計、空間分析和可視化等功能研究受損樹木在建筑密度和容積率空間上的分布特征。

3 結(jié)果與討論

3.1 基于樹木特性的數(shù)據(jù)分析

受損樹木主要分布在廣州中心城區(qū)（圖1），由于道路條件與建成環(huán)境限制，此區(qū)域大部分樹木立地條件要弱于新開發(fā)區(qū)域和自然環(huán)境，且樹木年限較久，樹干部分存在空心等情況。受損喬木種類中榕樹、綠黃葛樹、羊蹄甲屬①、構(gòu)樹和麻楝等所占比率較大，在臺風(fēng)災(zāi)害下?lián)p壞較多（表2）。在城市分布上，樹種沒有呈現(xiàn)出顯著特征，基本呈均勻分布狀態(tài)，一定程度上說明樹木的損壞在不同城市空間上有其普遍性（圖2）。不同樹種的抗風(fēng)性存在明顯的差異，榕樹、綠黃葛樹和羊蹄甲屬均為淺根系，而榕樹和綠黃葛樹還表現(xiàn)為樹冠大等抗風(fēng)性缺陷，屬于易倒伏、易斷枝樹種。相較之下，構(gòu)樹和麻楝則表現(xiàn)出樹形過風(fēng)、枝條脆等總體的抗風(fēng)性，但是當(dāng)風(fēng)力達到9級以上時，已超過大部分綠化樹木的抗風(fēng)能力[8]116，而2016—2018年間臺風(fēng)過境廣州時整體風(fēng)力均大于9級。

此外，廣州行道樹應(yīng)用頻率較高的為榕樹、杧果、綠黃葛樹、海南蒲桃、羊蹄甲屬和尾葉桉等鄉(xiāng)土樹種，此6種數(shù)量占據(jù)行道樹總量的一半以上[14-15]。因此，榕樹、綠黃葛樹和羊蹄甲屬等樹種受損數(shù)量較多可能也與其應(yīng)用較多有關(guān)。進一步對深圳市和廈門市等受臺風(fēng)影響較大地區(qū)的榕樹、綠黃葛樹、羊蹄甲屬、構(gòu)樹和麻楝的受損率進行對比發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)災(zāi)害下榕樹受損率約為54%，綠黃葛7樹受損率約為31%，羊蹄甲屬受損率約為76%，麻楝受損率約為39%[7,16-17]。雖然受調(diào)查地理位置、調(diào)查范圍以及遭受臺風(fēng)等級差等因素影響，各個地區(qū)樹木受損率略有不同，但仍有一定借鑒意義。因此綜合5種樹種的受損數(shù)量、抗風(fēng)性缺陷、行道樹應(yīng)用頻率和受損率等情況，可初步判斷羊蹄甲屬、榕樹和綠黃葛樹等為臺風(fēng)災(zāi)害下的易倒伏、易斷枝樹種。

1 2016—2018年臺風(fēng)災(zāi)害下廣州受損樹木分布Distribution of damaged trees by typhoons in Guangzhou (2016-2018)

表2 2016—2018年臺風(fēng)災(zāi)害下廣州受損喬木樹種統(tǒng)計Tab. 2 Statistics of damaged tree species in Guangzhou in typhoon disasters(2016-2018)

表3 喬木樹種與受損情況的交叉分析Tab. 3 Cross-analysis of tree species and damages

樹木受損情況統(tǒng)計結(jié)果顯示，有432棵樹木倒伏，占比75.9%，23棵樹木傾斜，占比4.1%，斷枝樹木有114棵，占比20.0%（圖3）。進一步對榕樹等5種受損數(shù)量較多的樹木進行樹種與受損情況的交叉分析，結(jié)果顯示，就喬木樹種來講，其受損情況等級占比與總體受損情況等級占比大致相同（表3）。除此，根據(jù)實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，樹木倒伏的原因還存在一些其他誘發(fā)因素[8]116-117，如病蟲害所導(dǎo)致的主干空心和樹木基部有洞；修剪不當(dāng)造成的樹木偏冠和“頭重腳輕”；管線工程、鋪裝工程和種植間距過密等造成的根系生長受限；以及立地處于瞬時風(fēng)力變強的強受風(fēng)位置等。

3.2 基于空間環(huán)境的數(shù)據(jù)分析

3.2.1 基于城市尺度的數(shù)據(jù)分析

基于GIS平臺，得到廣州建筑密度和容積率，對每個網(wǎng)格受損樹木數(shù)量進行計數(shù)，結(jié)果顯示，受損樹木主要分布在建筑密度為30%～50%、容積率在1～4的地區(qū)（圖4），表明在臺風(fēng)災(zāi)害中，中等密度城區(qū)樹木遭受的影響較大。

基于城市GIS地圖的密度與容積率描述雖然初步呈現(xiàn)了受損樹木的空間分布，但因其對城市下墊面屬性的描述尚不充分，因此，結(jié)合LCZ進一步討論其空間特征。對2016—2018年臺風(fēng)災(zāi)害下廣州受損樹木分布與廣州LCZ疊加后進行統(tǒng)計（圖5），結(jié)果表明，密集的中層建筑區(qū)（LCZ 2）、開闊的中層建筑區(qū)（LCZ 5）、稀疏的樹林（LCZ B）、大型低層建筑區(qū)（LCZ 8）、密集的高層建筑區(qū)（LCZ 1）和重工業(yè)區(qū)（LCZ 10）區(qū)域中樹木受損較多，共計占比91.9%。其中，LCZ 2為最嚴重的中心城區(qū)，占比59.6%，LCZ B、LCZ 8、LCZ 1和LCZ 10各自占比較為接近（表4）。

3.2.2 基于街區(qū)尺度的數(shù)據(jù)分析

在上述地圖數(shù)據(jù)的宏觀分析基礎(chǔ)上，筆者進一步對受損樹木所在區(qū)位的空間特征進行深入調(diào)研。結(jié)果顯示，受損樹木數(shù)據(jù)點的空間特征存在一定的規(guī)律，主要集中于4種城市空間類型：低層多層高密度區(qū)、密集-開敞區(qū)、高層建筑峽口區(qū)、高架橋周邊城市空間（表5）。空間分析中，街區(qū)尺度采用400 m×400 m，內(nèi)部建筑層高采用3 m為標(biāo)準值計算建筑高度。結(jié)合廣州衛(wèi)星地圖和上述分類統(tǒng)計結(jié)果，進行了部分實地調(diào)研工作后，對上述4種城市空間類型中的典型街區(qū)進行分析（圖6）。

1）低層多層高密度區(qū)為建筑層數(shù)為1～7層的高密度街區(qū)，一般表現(xiàn)為城市表面粗糙度較低，沿街建筑距離D和高度H比值較高，建筑密度較高。究其原因，一方面由于中心城區(qū)已有較長建成歷史，建筑布局緊湊、道路狹窄、建筑密度較高，導(dǎo)致樹木成年期后樹冠的生長空間不足。樹木被迫傾斜生長，以躲避建筑和獲得陽光，這也加大了修剪的難度，易導(dǎo)致樹木偏冠，增大了樹木倒伏和傾斜的風(fēng)險。另一方面，狹窄的道路用地限制了樹池的大小，樹木根系生長受限以及人為切斷樹根等因素，導(dǎo)致樹木根系生長不平衡產(chǎn)生偏根和“頭重腳輕”現(xiàn)象，進而增大其倒伏的風(fēng)險（圖7-1）。

針對此類型空間，樹種選擇上應(yīng)避免選擇樹冠龐大、枝葉濃密、根系淺且發(fā)達的樹種，如榕樹、綠黃葛樹等[8]116-117。同時，養(yǎng)護上可針對已傾斜角度較大的樹木進行重點監(jiān)測與輔助支撐，在修剪時除了修剪下枝，還應(yīng)注重對樹冠進行回縮修剪，避免形成“頭重腳輕”之勢。此外，樹池的大小應(yīng)盡量達到1.2 m×1.2 m，必要時輔以透水樹池蓋板以達到通行要求。

4 2016—2018年臺風(fēng)災(zāi)害下廣州受損樹木分布與廣州建筑密度圖、容積率圖Distribution of damaged trees in Guangzhou and building density (BD) diagram and floor area ratio (FAR) diagram of Guangzhou (2016-2018)4-1 受損樹木與廣州建筑密度圖Diagram of BD of Guangzhou and locations of damaged trees

4-2 受損樹木在不同建筑密度區(qū)間上的統(tǒng)計Statistical analysis of damaged trees in different BD zones

4-3 受損樹木與廣州容積率圖Diagram of FAR of Guangzhou and locations of damaged trees

4-4 受損樹木在不同容積率區(qū)間上的統(tǒng)計Statistical analysis of damaged trees in different FAR

5 2016—2018年廣州受損樹木分布與廣州LCZSpatial distribution of damaged trees in Guangzhou in typhoon disasters and the LCZ of Guangzhou (2016-2018)

表4 2016—2018年廣州LCZ中受損樹木數(shù)量較多的數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab. 4 Statistics of damaged trees in the LCZ of Guangzhou (2016-2018)

表5 4種城市空間類型中受損樹木的數(shù)量Tab. 5 Numbers of damaged trees in four urban space types

6 4種城市空間類型的部分街區(qū)示例Examples of four types of urban space

7 示例街區(qū)實地調(diào)研Field survey photos of sample blocks

2）密集-開敞區(qū)指一側(cè)為密集城市建筑群，另一側(cè)為城市開敞空間。主要位于廣州城市開敞空間，包括水域、公園、廣場、林地、空置地和道路交通空間等周邊，建筑群成片出現(xiàn)，且建筑布局、高度等相似，多為居住區(qū)。一般而言，水面、草地和廣場等的地表粗糙度較低，梯度風(fēng)的垂直變化較??；而城市市區(qū)、核心區(qū)的地表粗糙度較高，梯度風(fēng)的垂直變化較快，從而容易在邊界區(qū)域形成湍流[18]，增加了部分區(qū)域的陣風(fēng)風(fēng)速，加大了所在區(qū)域樹木的風(fēng)害風(fēng)險（圖7-2）。

此類型空間綠地一般較為充足，除了選擇抗風(fēng)性較強的樹種外，植物配置上應(yīng)形成喬-灌-草組合的復(fù)合式綠化，充分發(fā)揮植物群落的整體抗風(fēng)性能，此時可采用一些根系發(fā)達的榕屬植物，建筑邊緣湍流區(qū)域需注意對樹木進行適當(dāng)?shù)募庸膛c輔助支撐。此外，行道樹盡量采用樹帶式、多行式種植，綠地則采用自然式種植。

3）高層建筑峽口區(qū)為高層建筑之間形成峽口的街區(qū)，一般表現(xiàn)為城市表面粗糙度高，沿街建筑距離D和高度H比值小，建筑容積率較高，建筑布局高低錯落。主要位于廣州高度開發(fā)的城市核心區(qū)域，建筑布局緊湊，多為CBD辦公寫字樓。峽口區(qū)由于街道風(fēng)通道的截面縮小，因此街道內(nèi)風(fēng)速增大。同時，上部高速風(fēng)遇到高層建筑受阻后部分氣流向下部移動，又與縱向街道峽谷風(fēng)相遇，在建筑底部產(chǎn)生較強湍流[19]，從而導(dǎo)致樹木的受損風(fēng)險變大（圖7-3）。

高層建筑周邊綠地可減少樹木種植，或在建筑間的強受風(fēng)位置針對性種植抗風(fēng)能力等級較高的植物，并增加輔助結(jié)構(gòu)支撐等。

4）高架橋周邊城市空間為內(nèi)部存在高架橋影響的街區(qū)，包括人行高架橋和車行高架橋。主要位于有高架橋的廣州城市快速路、主干路和次干路等道路的交叉口處。相對于街道峽谷，高架橋附近區(qū)域風(fēng)場變化明顯，容易在強風(fēng)作用下對周邊環(huán)境形成較強湍流[20]。此外，道路交叉口處風(fēng)場變化也較為明顯，風(fēng)速較大，流場結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[21]（圖7-4）。

此空間類型因結(jié)構(gòu)突變引起的湍流分布較難預(yù)測，因此種植策略可參考類型C，以增加樹木輔助支撐結(jié)構(gòu)或種植抗風(fēng)性樹木為主。

4 結(jié)論

1）受損樹木主要分布在中心城區(qū)，其中羊蹄甲屬、榕樹和綠黃葛樹等為臺風(fēng)災(zāi)害下的易倒伏、易斷枝樹種。

2）在基于GIS的受損樹木分布分類統(tǒng)計中，結(jié)果顯示，受損樹木主要分布在建筑密度為30%～50%、容積率在1～4的地區(qū)。

3）在基于LCZ的受損樹木分類統(tǒng)計中，密集的中層建筑區(qū)（LCZ 2）、開闊的中層建筑區(qū)（LCZ 5）、稀疏的樹林（LCZ B）、大型低層建筑區(qū)（LCZ 8）、密集的高層建筑區(qū)（LCZ 1）、重工業(yè)區(qū)（LCZ 10）是臺風(fēng)災(zāi)害下受損樹木較多的地區(qū)，其中密集的中層建筑區(qū)（LCZ 2）尤其嚴重。

4）基于街區(qū)尺度的受損樹木分布集中于4種城市空間類型，即低層多層高密度區(qū)、密集-開敞區(qū)、高層建筑峽口區(qū)、高架橋周邊城市空間。

通過本研究擬建立一個GIS數(shù)據(jù)庫，以支持臺風(fēng)災(zāi)害下廣州地區(qū)的樹木管理和風(fēng)險評估。統(tǒng)計研究表明，部分樹種為臺風(fēng)災(zāi)害下的易倒伏、易斷枝樹種，應(yīng)作為臺風(fēng)前的監(jiān)測對象和日常樹木維護的重點對象。此外，筆者分別基于城市尺度的城市下墊面和街區(qū)尺度的城市空間對受損樹木分布進行了統(tǒng)計分析，得到的低層多層高密度區(qū)類型空間大致可與密集的中層建筑區(qū)（LCZ 2）相對應(yīng)；高層建筑峽口區(qū)類型空間大致可與密集的高層建筑區(qū)（LCZ 1）相對應(yīng)；而密集-開敞區(qū)類型空間處于城市下墊面突變區(qū)域。這些城市空間和設(shè)施可能對城市環(huán)境中的強風(fēng)具有較高的敏感性，人們應(yīng)該避免在臺風(fēng)期間在上述城市空間類型中停留。

筆者試圖探討臺風(fēng)災(zāi)害下城市空間和樹木之間的關(guān)系，然而，一些城市地表參數(shù)，如天空開闊度和地表粗糙度等在本研究中并未被考慮。此外，由于生活區(qū)和交通道路的樹木搶險救災(zāi)工作更為緊急，一些城市公園和開放空間的受損樹木在調(diào)查中被忽略了。在今后的調(diào)查中，應(yīng)對受損樹木進行更為全面的記錄，后續(xù)工作也會以此為基礎(chǔ)繼續(xù)積累數(shù)據(jù)并優(yōu)化分析。

注釋(Note)：

① 文中提到的羊蹄甲屬樹木主要指洋紫荊、紅花羊蹄甲和白花羊蹄甲等羊蹄甲屬的廣州常用園林樹木。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～7由作者繪制或拍攝，其中圖5中廣州氣候地圖來源于世界城市數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站（http://www.wudapt.org/）；表1～5由作者繪制，其中表1根據(jù)中央氣象臺·臺風(fēng)網(wǎng)（http://typhoon.nmc.cn/web.html）發(fā)布信息整理。