污染物侵入模擬下生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃研究

摘要：傳統(tǒng)園林景觀規(guī)劃在生態(tài)可持續(xù)方面往往存在短板，尤其是忽視了污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的潛在威脅。為此，研究污染物侵入模擬下生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃。選取了某典型生態(tài)園林作為研究對(duì)象，利用先進(jìn)的點(diǎn)源高斯模型精準(zhǔn)模擬污染物的擴(kuò)散過(guò)程，深入分析污染物侵入的特點(diǎn)和規(guī)律。構(gòu)建了以污染物修復(fù)為核心的適配度函數(shù)，并借助小生境遺傳算法，對(duì)生態(tài)園林景觀的布局進(jìn)行了優(yōu)化規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的生態(tài)園林景觀布局在降低污染物濃度方面效果顯著，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染濃度普遍下降，大部分去除率達(dá)到了70%以上，部分區(qū)域甚至高達(dá)80%以上。

關(guān)鍵詞：污染物侵入模擬；生態(tài)園林；點(diǎn)源高斯模型；小生境遺傳算法；景觀布局規(guī)劃方法

中圖分類(lèi)號(hào)：X32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

工業(yè)活動(dòng)、交通運(yùn)輸及居民生活的密集化，使得污染物排放問(wèn)題日益凸顯。這些污染物，如顆粒物、有害氣體、重金屬等，不僅直接危害人類(lèi)呼吸系統(tǒng)健康，還通過(guò)大氣沉降、水體滲透等途徑，深刻影響著城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，導(dǎo)致生物多樣性減少、土壤污染加劇、水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列環(huán)境問(wèn)題。

生態(tài)園林景觀，作為城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，不僅承載著美化城市空間、提供休閑游憩場(chǎng)所的直觀功能，更在調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、涵養(yǎng)水源、保持生物多樣性等方面發(fā)揮著不可替代的作用。然而，傳統(tǒng)的生態(tài)園林景觀規(guī)劃往往側(cè)重于視覺(jué)美學(xué)與空間布局的優(yōu)化，忽略了對(duì)環(huán)境質(zhì)量的實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)，尤其是在污染物防控方面的潛力尚未被充分挖掘。

鑒于此，研究提出污染物侵入模擬下的生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃研究，旨在通過(guò)科學(xué)的模擬手段，深入探討不同污染物在城市環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及生態(tài)園林景觀布局如何有效影響這一過(guò)程。該研究不僅有助于更清晰地認(rèn)識(shí)生態(tài)園林景觀在污染物控制中的關(guān)鍵角色，還能為城市規(guī)劃者提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)出既能滿(mǎn)足居民生活需求，又能有效抵御污染物侵入、提升城市生態(tài)韌性的生態(tài)園林景觀布局方案。

1研究區(qū)概況

以某一面積為241km2的生態(tài)園林為研究區(qū)。該研究區(qū)位于一個(gè)大中型城市中。該地區(qū)工業(yè)化程度高，城市化進(jìn)程快速，因此也面臨著較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。近年來(lái)，隨著環(huán)保意識(shí)的提高和生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，該城市逐漸認(rèn)識(shí)到生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃在改善城市環(huán)境。

研究區(qū)域的地形地貌多樣，包括山地、平原和河流等多種自然景觀。氣候?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，降水充沛。這樣的自然條件為構(gòu)建多樣化的生態(tài)園林景觀提供了良好的基礎(chǔ)。然而，由于長(zhǎng)期以來(lái)的工業(yè)化和城市化發(fā)展，該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境遭受了一定程度的破壞。不僅影響了居民的生活質(zhì)量，也對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與平衡構(gòu)成了威脅。

2污染物侵入模擬

污染物侵入模擬研究有助于深入理解污染物在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化和分布規(guī)律。通過(guò)模擬不同條件下的污染物侵入過(guò)程，可以更加清晰地了解污染物在土壤、水體、大氣等環(huán)境中的遷移路徑和轉(zhuǎn)化機(jī)制。這有助于預(yù)測(cè)污染物在不同環(huán)境中的擴(kuò)散范圍和影響程度，為制定有效的污染防治措施提供科學(xué)依據(jù)。

2.1點(diǎn)源高斯模型

污染物侵入模擬是一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和環(huán)境科學(xué)原理，模擬污染物在特定環(huán)境中的擴(kuò)散、傳輸和轉(zhuǎn)化過(guò)程的方法。在研究中，污染物侵入模擬主要聚焦于生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃。利用先進(jìn)的點(diǎn)源高斯模型，構(gòu)建了一個(gè)能夠反映研究區(qū)實(shí)際環(huán)境條件的污染物擴(kuò)散模型。點(diǎn)源高斯模型是一種常用的模擬方法，主要用于預(yù)測(cè)和評(píng)估固定點(diǎn)源污染物在大氣中的擴(kuò)散情況。這種方法特別適用于大空間點(diǎn)源擴(kuò)散的情況，無(wú)論是地面點(diǎn)源還是高架點(diǎn)源?；邳c(diǎn)源高斯模型的污染物侵入模擬流程如下：

步驟1：高斯模型基本假設(shè)。

（1）污染物濃度在y、z方向上的分布符合高斯正態(tài)分布。

（2）風(fēng)速被認(rèn)為是穩(wěn)定和均勻的，沒(méi)有顯著的變化。

（3）源強(qiáng)被假設(shè)為連續(xù)排放，即污染物的排放是持續(xù)且穩(wěn)定的。

（4）擴(kuò)散過(guò)程中，污染物質(zhì)量都是守恒的，即不考慮污染物的轉(zhuǎn)化或反應(yīng)。

這些假設(shè)構(gòu)成了高斯模型的基礎(chǔ)，使得模型能夠簡(jiǎn)化復(fù)雜的大氣擴(kuò)散過(guò)程，并以數(shù)學(xué)形式進(jìn)行描述和計(jì)算。

步驟2：確定模型相關(guān)參數(shù)，污染源被命名為工廠A，排放口位于東北方向，高度為50米，直徑為1米。涉及的污染物種類(lèi)主要包括SO₂、PM_2.5、TSP和NO₂。每種污染物的源強(qiáng)也進(jìn)行了具體設(shè)置，SO₂的源強(qiáng)為2543 mg/s，PM_2.5的源強(qiáng)為1846mg/s，TSP的源強(qiáng)為1056mg/s，NO₂的源強(qiáng)為878mg/s。排放方式為連續(xù)排放，每天排放24小時(shí)，且沒(méi)有特定的排放方向。此外，環(huán)境參數(shù)如溫度設(shè)為200C，大氣壓力為101.3kPa，風(fēng)速為2.5m/s，大氣穩(wěn)定度等級(jí)為D。在模擬過(guò)程中，水平擴(kuò)散參數(shù)設(shè)置為0.5，垂直擴(kuò)散參數(shù)為1.0。

步驟3：圍繞污染源，建立高斯模型坐標(biāo)系。

步驟4：使用高斯模型公式進(jìn)行計(jì)算，得出不同位置和時(shí)間的污染物濃度分布。

式（2）中，R代表顆粒物斯托克斯直徑；ρ代表顆粒物的密度；G代表重力加速度；d代表空氣動(dòng)力粘滯度；f代表地面對(duì)顆粒污染物反射系數(shù)。

通過(guò)高斯模型，可以計(jì)算出不同位置和時(shí)間的污染物濃度分布，從而評(píng)估對(duì)周邊環(huán)境的影響。

步驟5：對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析，可視化展示污染物侵入情況。

通過(guò)土壤污染物侵入數(shù)值模擬，可以獲得污染物在土壤中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和空間分布特征。這些信息對(duì)于評(píng)估土壤污染風(fēng)險(xiǎn)、制定污染防治措施以及優(yōu)化生態(tài)園林景觀布局具有重要意義?；谀M結(jié)果，可以確定土壤污染的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，提出針對(duì)性的污染修復(fù)和治理措施；同時(shí)，還可以根據(jù)污染物的擴(kuò)散范圍和轉(zhuǎn)化效率，優(yōu)化生態(tài)園林景觀布局，降低污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

2.2污染物污染特征分析

基于高斯模型，污染物侵入模擬結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1中可以看出，污染物濃度較高的區(qū)域應(yīng)該主要分布在東北至西南方向上，形成一個(gè)逐漸擴(kuò)散的扇形區(qū)域，并因地勢(shì)的阻擋在局部呈現(xiàn)高聚集現(xiàn)象。

3生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃方案設(shè)計(jì)

生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃是一個(gè)綜合性的過(guò)程，旨在通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)人、社會(huì)、環(huán)境三者之間的和諧共生。必要性在于能夠充分利用綠色植物的吸附功能，吸收并轉(zhuǎn)化工業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)等行業(yè)所產(chǎn)生的有害氣體，如二氧化碳、粉塵等，降低溫室效應(yīng)和熱島效應(yīng)對(duì)城市發(fā)展的影響，從而提高城市整體居住質(zhì)量。其次，通過(guò)合理的規(guī)劃布局，能夠營(yíng)造出美觀、舒適、健康的生活環(huán)境，使人們?cè)谙硎墁F(xiàn)代化生活的同時(shí)，也能感受到自然的美好和生態(tài)的和諧。在規(guī)劃過(guò)程中，首先要考慮的是生態(tài)原則，保持園區(qū)的生態(tài)平衡、生態(tài)多樣性和生態(tài)美感，創(chuàng)造可持續(xù)的生態(tài)環(huán)境。這包括合理利用植物、地形、水池等元素，以營(yíng)造出視覺(jué)效果上多層次的空間質(zhì)量和延伸感，并體現(xiàn)出藝術(shù)價(jià)值和審美價(jià)值。

3.1生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃模型

基于上述污染物侵入特征，以污染物修復(fù)為目標(biāo)，進(jìn)行生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃。這一規(guī)劃旨在通過(guò)生態(tài)園林景觀的設(shè)計(jì)和實(shí)施，有效地修復(fù)受污染區(qū)域，恢復(fù)生態(tài)平衡，并為人們提供健康、舒適的生活環(huán)境。在此研究中，首先需要根據(jù)圖2污染物侵入模擬結(jié)果，將研究區(qū)污染物侵入劃分為5個(gè)等級(jí)。具體如下：

①一級(jí)：0～10 mg/L——污染物濃度極低；

②二級(jí)：10～20mg/L——污染物濃度較低；

③三級(jí)：20～40 mg/L——污染物濃度中等；

④四級(jí)：40～60 mg/L——污染物濃度較高；

⑤五級(jí)：gt;60mg/L——污染物濃度高；

最后，利用尋優(yōu)算法——小生境遺傳算法對(duì)上述目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。求解過(guò)程如下：

（1）將問(wèn)題的解空間映射到遺傳算法的染色體表示上。對(duì)于植物與污染區(qū)域適配度問(wèn)題，染色體可以代表不同植物的布局規(guī)劃方案。

（2）隨機(jī)生成一組初始解，構(gòu)成算法的初始種群。每個(gè)解（即染色體）代表一種可能的植物布局規(guī)劃方案。

（3）適應(yīng)度計(jì)算：適應(yīng)度函數(shù)就是植物與污染區(qū)域的最小化適配度。計(jì)算每個(gè)解（植物配置方案）的適配度值。

（4）選擇操作，交叉操作，變異操作。

（5）重新計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度。

（6）小生境淘汰運(yùn)算。以下是進(jìn)行小生境淘汰運(yùn)算的一般步驟：

①前N個(gè)個(gè)體適應(yīng)度降序排列。

②將原始種群和N個(gè)個(gè)體合并在一起。

③計(jì)算合并群體中每?jī)蓚€(gè)個(gè)體z和z'之間的海明距離‖z-z'‖。海明距離通常用于衡量?jī)蓚€(gè)個(gè)體之間的差異程度。

④當(dāng)兩個(gè)個(gè)體z和z'之間的海明距離小于預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，比較它們的適應(yīng)度大小，其中低的一方淘汰。

⑤對(duì)個(gè)體適應(yīng)度值再次進(jìn)行降序并記憶前N個(gè)個(gè)體作為新一代的優(yōu)勢(shì)個(gè)體。

（7）終止條件：適應(yīng)度值達(dá)到預(yù)設(shè)閾值。

（8）輸出最優(yōu)解：最高適應(yīng)度值對(duì)應(yīng)的個(gè)體為最優(yōu)解。這個(gè)最優(yōu)解就代表了最小化植物與污染區(qū)域適配度的最佳植物景觀布局規(guī)劃方案。

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，完成生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃模型研究。

3.2生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃方案

根據(jù)章節(jié)3.1研究，獲得生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃方案，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中可以看出，該生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃方案考慮了不同污染區(qū)域的特點(diǎn)和需求，通過(guò)合理配置不同植物類(lèi)型和種植數(shù)量，為生態(tài)修復(fù)、環(huán)境改善和景觀美化的綜合效果提供了可參考的修復(fù)計(jì)劃。

4生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃方案有效性測(cè)試

按照表1所示的生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃方案進(jìn)行植物配置和種植，以5個(gè)月為期，在研究區(qū)布設(shè)17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)污染物濃度并計(jì)算去除率。結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2中可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染濃度都有所下降，污染物濃度去除率大部分達(dá)到70%以上，有的甚至達(dá)到了80%以上，數(shù)據(jù)充分說(shuō)明了生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃方案取得了顯著的成效。

5結(jié)束語(yǔ)

生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)之間的矛盾日益凸顯，特別是在污染物排放與園林景觀布局之間，二者的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，相互影響深遠(yuǎn)。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，此研究致力于探索污染物侵入模擬下的生態(tài)園林景觀布局規(guī)劃。研究中，采用了多種科學(xué)方法和技術(shù)手段，首先通過(guò)點(diǎn)源高斯模型的模擬技術(shù)，深入剖析了污染物的擴(kuò)散規(guī)律，明確了污染物在不同環(huán)境條件下的傳播特征，為生態(tài)園林的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。在污染特征分析的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)性的生態(tài)園林布局規(guī)劃策略。策略以小生境遺傳算法為核心，通過(guò)優(yōu)化園林布局，有效減輕污染物對(duì)園林生態(tài)系統(tǒng)的侵害。同時(shí)，注重提升園林的生態(tài)功能，通過(guò)合理配置植物種類(lèi)和布局，增強(qiáng)園林對(duì)污染物的吸收和凈化能力。