基于Delft3D污染物擴散模擬的城市湖泊景觀水體三維形態循證設計

汪潔瓊

陳 奕

毛永青

王 敏*

1 研究背景與目標

風景園林是一門集自然、藝術、人文、工程、社會、人類領域科學基礎性理論知識于一體的學科和專業，具有廣泛的交叉性[1]。以風景園林生態方向為例，其背后依托于生態學、地理學、環境工程學和植物學等多個學科。但仍有不少專業實踐依靠經驗主義和感性創作，糾結于各種設計風格的選擇，搖擺于業主的喜好與專業精神，失望于絞盡腦汁的創意萌發被批評為“玩弄概念”，甚至由于缺乏生態知識，導致所謂的“生態項目”陷入生態困境，徒有其名。正如象偉寧教授所揭示的，這樣一類困境源于約翰遜范式(Johnson's Quadrant)或愛迪生范式(Edison's Quadrant)[2]，屬于自由感性創作抑或傳統的、以美學和設計理論方法為核心的經驗主義設計。朱黎青等[3]、陳箏等[4]也先后提出并強調“循證設計”(evidence-based design)的重要性，批判傳統經驗主義的設計方法多依據規范、采用演繹推斷，或依賴于設計師個人的靈感迸發，不足以滿足當前時代變革與中國社會發展對本學科、本行業的要求，風景園林學科應向以科學解釋和客觀可度量的循證設計方向轉變[4]。

城市湖泊景觀水體主要是指城區范圍內具有景觀效益的面狀水體[5]，包括自然形成或人工開挖的湖泊、坑塘或水池，常受到人類活動干擾，多為封閉緩流、補水條件單一、流動性較低的水體[6]。當前對于湖泊形態的研究主要圍繞二維形態展開，例如湖泊的面積動態變化與岸線形態變化[7]，以及從湖泊的面積、周長、近圓形指數、形狀指數和分形維數等定量指標對湖泊進行形態特征分析[8-9]等。在湖泊形態設計方面，“理水”是中國造園的傳統手法，也是現代風景園林學科工程實踐的重要領域，如城市公園中的湖泊水體設計和坑塘濕地設計等，其核心議題之一就是平面形態與豎向設計構成的三維形態，包括由湖岸線、湖底地形、島嶼、堤壩等不同要素構成的“骨架”。傳統設計方法往往基于形態視覺美學的經驗主義和對濱水空間的想象進行景觀水體的空間塑形，但景觀水體三維形態絕不僅僅是“好看與否”的問題，研究表明，諸多形態要素對水循環、污染物富集都能造成直接影響[5]。在長三角地區，地形平坦、水流緩慢、泥沙淤積，城市湖泊景觀水體多為淺水湖泊，面臨較大的富營養化風險[10]，如何有效促進水體循環、預測水體中污染物潛在富集的位置以強化水質保障，已成為水景營造與健康發展亟待解決的問題。例如2007年上海天山公園中的葫蘆湖，有機污染物及氮磷指標嚴重超過國家對地表景觀娛樂用水規定的水質指標[11]，2018年1月又出現紅藻泛濫現象。

循證設計倡導將設計建立在有客觀度量標準和系統的循證知識基礎上[4]，可為解決城市湖泊景觀水體設計中的“瓶頸”問題提供有效幫助。這要求風景園林師不僅要作為已知生態知識、原理和規律[12]的搬運者，更要把握空間形態營造的學科核心[13]，積極通過學科交叉、跨界、協同，建立并發展屬于本學科的可指導實踐的知識體系、技術與技能，開拓與豐富風景園林理論并通過生態實踐進行驗證[2]。正如周燕等指出：“不了解水循環過程中的水動力條件、水量和水質變化等因素的情況下，憑借個人經驗和定性思維，容易做出背離水體生態的設計決策”[5]，如湖庫水體因過度追求“彎度”而出現的水體流動性較差的“死角”。近5年來，中國風景園林界開始出現基于參數化設計、水動力模擬、水生態模擬的定量循證設計研究，如袁旸洋等利用Grasshopper軟件根據參數化設計邏輯進行算法編寫，實現水量、水體形態、工程量的多要素統籌設計與動態調控，優化設計方案[14]；張琳等[15]、周燕等[5]先后采用MIKE 21水環境模擬軟件建立湖體二維形態，提出景觀與水域空間的設計策略；史鐵錘等提出以WASP模型為研究工具、以TMDL水質管理思想為基礎的湖州市太湖河網區水質管理模式[16]；李林子等選擇耦合EFDC和WASP 2個模型，建立了水污染事故對水質影響的預測模型[17]；楊冬冬等采用MIKE、GISMAP、SWMM等模擬方法和軟件，提出設計-分析-評價-再設計的循環路徑[18]；喬菁菁等[19]、龔子藝等[20]采用Aquatox模型模擬湖體水生態系統，評估湖泊濕地系統中水質凈化措施的有效性。已有研究多以水體平面形態為研究對象，較少針對風景園林空間營造中的岸線、島嶼、堤壩等重要形態要素展開深入討論；進行景觀水體形態設計方案比選時，往往缺乏對潛在水質問題的預判與探索。

基于此，研究著眼于改進城市湖泊景觀水體的三維形態設計，以水質提升為切入點，兼顧生態與形態，旨在探討并回答：如何客觀科學地模擬城市湖泊景觀水體不同三維形態設計方案下可能產生的污染物擴散與富集情況，并根據模擬開展循證設計研究。選取常熟市琴湖為實證案例，通過Delft3D模型模擬的方法，研究基于湖岸線、湖底地形、島嶼、堤壩等要素組合形成的2種平面形態和6種三維形態下的流場特征，模擬湖體中污染物總氮(TN)擴散與富集狀況，揭示其動態水質變化過程。研究結果有助于篩選對水質保持有利的湖體地形設計方案，也可為城市湖泊景觀水體的循證設計提供一定的技術支撐與參考。

2 研究方法

2.1 Delft3D模型及水動力模擬特點

水動力模擬長期以來都是環境工程與水利工程專業的強項，較為常用的是丹麥水利研究所(DHI)研究開發的MIKE系列軟件[21]、由美國國家環保局環境研究實驗室開發的WASP(Water Quality Analysis Simulation Program)模型[22]、由美國弗吉尼亞州海洋研究所開發的EFDC(Environmental Fluid Dynamic Computer Code)模型[23]，以及由荷蘭Delft大學WL Hydraulics研發的Delft3D模型[21]等，但相關研究更多聚焦水環境與水動力的改善，較少從湖體形態設計的角度兼顧形態與生態探討水質保障與優化。目前國內的相關研究主要以MIKE 21軟件為依托進行流場、流向和流速模擬，但Delft3D三維水動力計算軟件的適用范圍最廣，在我國已開展了太湖富營養化預測、鄱陽湖水動力情況模擬，以及長江口鹽度擴散模擬[24-25]等。馮雙平等利用Delft3D分析不同湖底造型條件下湖區內進出水及表面風應力引起的吞吐流、風生流的流態及流速大小分布[26]。與其他軟件相比，Delft3D的優勢在于其應用的正交曲線網格坐標與交替計算法(ADI)能夠較好地模擬淺水湖泊曲折和復雜的邊界，可獲得更好的模擬效果；可被應用于自由地表水環境，具有靈活的框架，能夠模擬二維和三維的水流、波浪、水質、生態、泥沙輸移及床底地貌，以及各個過程之間的相互作用，在污染物擴散模擬方面優勢明顯[27]。故該模型在風景園林領域，尤其是景觀水體模擬方面具有較好的應用前景。

2.2 研究對象與數據來源

選取江蘇省常熟市琴湖進行實證研究。常熟市屬于長江三角洲沖積平原，全市地勢由西北向東南傾斜，境內水網密布，湖蕩眾多、河港縱橫、集鎮臨河、村落傍水，是典型的江南水鄉。琴湖又稱“湖圩”，地處常熟市區東南處地勢最低洼的地塊，西起琴湖路，東至新世紀大道，南連白茆塘，北接湖圩路。2019年3月琴湖公園景觀項目啟動，主要針對琴湖水體(約45hm2)及其濱水空間(約30hm2的綠地景觀及道路景觀)進行景觀規劃設計。整體而言，琴湖現狀水體近圓率較大，湖泊岸線較為規則，略有曲折，常水位平均水深2.97m。考慮設計介入湖體三維形態改造的可能性，主要針對湖岸線、湖底地形、島嶼與堤壩展開以水質提升為目標的循證設計研究。其中，湖底地形以近岸地形設計為主，考慮湖底清淤等工程需求，研究也涉及對湖心局部區域的湖底地形改造。

琴湖水體相關數據來源包括：1)琴湖及其周邊土地利用狀況的CAD圖紙資料；2)各類相關規劃文本，包括《常熟市琴湖片區控制性詳細規劃》《常熟片區水系規劃文本(2018)》等；3)高精度遙感影像。琴湖水環境數據主要通過田野調查法獲得，為避免雨水與高溫對水質的影響，筆者團隊于2019年4月17日晴天對琴湖及周邊水體進行調研和水質采樣①，共設12個采樣點(圖1)，平均取水深度為1m，用流速儀測定流速。選取《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中常用的化學需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)和氨氮(NH3-N)4個指標作為反映水質的表征指標。使用SEAL的AQ-2型號全自動間斷化學分析儀測定樣品中磷酸根(以磷記)和氨氮的含量，采用島津TOC-L型號總有機碳分析儀檢測總有機碳(TOC)和總氮的含量，化學需氧量由總有機碳換算得出[28-29]。分析結果顯示(表1)：12個樣點的化學需氧量和總磷均達到III類水標準，琴湖內部樣點總氮和氨氮含量也未超III類，但與其相連的外部環城河、白茆塘、大浜河等樣點的總氮和氨氮指標劣于IV類，局部樣點劣于V類。根據水系規劃中湖體內外連通的要求，琴湖內部水體有較大被污染的風險。

表1 琴湖及周邊水系樣點水質數據

2.3 湖體三維形態多方案設計

湖岸線與湖底地形是構成湖體三維形態的“骨架”，決定了湖泊景觀空間的物理屬性和功能組織結構。從水文動力的角度，岸線形態主要影響水平向的蔓延與流動，湖底地形主要影響水體垂直方向的循環與流動。為實現琴湖內部水域達到III類標準的水質目標，以湖底地形塑造、駁岸坡度、岸線形態等方面的設計調整為契機，提出2種湖岸線及3種豎向設計方案，最終生成6種琴湖三維形態方案。湖岸線設計方案I：基本保持現狀水體形態，湖中之獨立小島偏于西南側，且有土堤位于東南一隅，將集中水面劃分為大小懸殊的若干小塊(圖1)，既有大湖的遼闊開朗，亦有小池的幽靜。湖岸線設計方案II：根據《常熟片區水系規劃文本(2018)》進行設計，從西北方向引環城河水入湖，進水受琴湖路閘站管控，向西岸引水(圖2)。除此之外，方案II將西南側獨立島嶼改建為與湖岸帶相連的半島，并在東南側長堤上進行局部寬度拓展。考慮目前外圍水系的劣于IV類水引入琴湖的情況，方案II重點考察琴湖內部水域水質受此影響的具體情況。在上述2種湖岸線設計方案的基礎上，基于已有文獻中將淺水湖泊湖底地形分為碟形、斜形[30]，或分為平底、雙碟形、長碟形[26]，提出琴湖湖體6種三維形態方案(表2)，將琴湖地形設計為平底形、碟形和雙碟形，并將湖岸坡度放緩至一定程度，預留充足的水陸交錯帶[31]。其中，平底形坡岸呈直角，湖底地形較平坦；碟形和雙碟形地形在湖岸帶呈現出緩坡狀，碟形地形有一個平面重心，雙碟形地形的東、西側各有一個平面重心。

圖1 琴湖湖體平面形態方案I與水樣點分布

圖2 琴湖湖體平面形態方案II

表2 琴湖湖體6種三維形態方案

2.4 研究路徑與步驟

研究路徑與步驟如圖3所示。第1步“數據準備”：收集琴湖相關信息，梳理水系關系，采集水樣、獲得水質數據及測定水體流速。第2步“數據預處理”：在CAD文件、高精度遙感影像圖的基礎上，提取琴湖邊界點坐標，生成Delft3D軟件可識別、具有2個方向坐標的邊界信息文件，運用Grid模塊中的RGFGRID根據琴湖邊界生成計算網格，并進行正交性校正與檢查。第3步“數據輸入”：使用Grid模塊將6種湖體三維地形方案輸入并計算網格，參考其他類似湖泊的已有研究成果，模型中主要參數的取值參見表3，主要包括水深、時間框架、時間步長、水位、水體TN原本平均濃度、計算平滑時間和風條件等參數。第4步“模型運行”：選擇水動力模塊(Delft3D-Flow)進行模擬。第5步“結果輸出”：可利用其搭載的matlab進行模擬結果可視化(QUICKPLOT)，主要包括風生流和流場模擬結果，以及在此基礎上加入污染物參數得到的污染物擴散與富集的模擬結果。第6步“修正優化”：調整進水、出水的水文控制條件，重新運算模擬結果，最終遴選最優的水體設計方案。

圖3 研究路徑與步驟

表3 琴湖Delft3D Flow模塊中的主要參數設置

3 研究結果

3.1 湖體三維形態方案網格生成

如圖4所示，在Delft3D軟件的Grid模塊中，方案I-A、I-B、I-C由于湖岸線相同，共用一套網格體系，包括M方向83個網格單位，N方向77個網格單位；方案II-A、II-B、II-C共生成了M方向79個網格單位，N方向90個網格單位。在插入地形之后，以琴湖平均水深作為設計基礎，設計水深范圍為0～3m。平底形地形設計中河岸帶呈陡坡狀，坡岸帶角度為60°～90°，湖底除島與堤外，無大的地形起伏；碟形地形坡岸帶角度為30°～60°，設計水深最深點與湖體的平面集合中心點相對應；雙碟形地形設計順應湖體本身形態，避開東南側小島與南部長堤，坡岸帶角度為10°～30°。根據滿足行船功能、湖面開闊處水深需相對較深，以及有利于風生流的產生等需求，綜合考慮風場、地形和島嶼等因素。

圖4 6種琴湖湖體三維形態方案網絡生成

3.2 流場特征模擬結果比較

在Delft3D多次模擬核算的基礎上，設定在夏季主風東南(SE)風向、風速2.4m/s的狀況下模擬20天后的流場情況，但并不考慮熱力分層。在風場及湖泊平面形態的影響下，湖泊表面流的出現促使湖泊自身垂向環流及東南、西北兩側水體的交換。對于6種地形方案下的流速大小進行比較(圖5)：平底形地形方案下的2個方案的平均流速較慢，尤其是方案II-A下流速超過0.01m/s的區域只有進出口處；碟形與雙碟形地形方案下的流場狀況相近，流速較快，在方案I-B和I-C中最快處可達0.05m/s。因此，從風生流及流場特征的角度來看，對于平面形態的推薦順序為：形態方案I＞形態方案II；根據平均流速，對于湖泊湖底地形的推薦順序為：碟形≈雙碟形＞平底形。

圖5 6種湖體三維形態方案在SE2.4m/s風況下的湖泊水深平均流速對比

3.3 污染物擴散與富集模擬結果比較

根據實驗室檢測結果，規劃中琴湖未來的污染物主要來源于西側環城河，流量為0.01m3/s，且灣里河的連接處為開邊界。由于磷元素一旦被吸收則易于固定且具有聚集性，同時在琴湖的水質檢測報告中TP的濃度值均低于檢測限度，因此主要考慮氮(以TN為例)在湖體中的擴散與富集情況。輸入TN濃度為4.07mg/L，平均初始TN濃度為檢測均值0.858 5mg/L。在數據庫計算運行成功后，用Matlab的QUICKPLOT生成不同時間節點的TN擴散可視化結果(圖6)，可見運行20天后污染物主要集中于琴湖西部，同時可知6個方案中的最高區域濃度為方案I-A中的0.99mg/L，險超III類水標準；極值最低的方案I-C為0.94mg/L。

圖6 6種湖體三維形態方案下湖體中總氮(TN)擴散結果對比

琴湖南側有長堤，對琴湖自身水體循環有一定阻礙作用，當湖底地形為平底形時，長堤南側水體水質尚可，但長堤北側其他部分水體污染物呈較為明顯的富集狀態。就碟形與雙碟形結果而言，有所起伏的地形顯然對于琴湖本身水體流動具有促進作用，相較而言，雙碟形湖底地形更有利于東西方向上水體的交換，有利于TN的擴散。

湖體平面形態方案II的3個地形方案中，西北角的突起、西南側半島的形成都不利于污染物在湖體中的擴散，且南側長堤形狀的變化使污染物進入南部湖區之后無法排出，易使該區的污染物濃度變高。

綜上所述，從水質區域平衡的角度看，對于平面形態的推薦順序為：形態方案I＞形態方案II；從污染物擴散與富集的角度看，對于湖泊湖底地形的推薦順序為：雙碟形≥碟形＞平底形。綜合而言，岸線的曲折度與位置會影響水體污染物的擴散程度與速度，曲折度較大的岸線應盡量不安排在非水流主方向上，若不能避免，建議通過連通管道等措施，增加水體流動與交換的效率。

4 基于多方案比較的湖體三維形態設計要點

對6種不同琴湖三維形態方案進行水動力與污染物擴散模擬后，將湖體3種豎向設計，即平底形、碟形、雙碟形的模擬結果進行對比，可得到關于湖底地形與湖岸帶地形的建議；將湖體平面形態方案I、II結果進行對比，可得到關于湖岸線曲折度的建議；將6種方案模擬結果進行對比，可得到關于堤壩、島嶼等復雜三維形態的建議(圖7)。

圖7 湖體三維形態設計營造建議

1)湖底地形與湖岸帶地形。

對于長三角城市淺水湖泊而言，湖泊岸線與湖底地形變化通過流場影響污染物擴散與富集。擁有良好舒緩的岸帶結構、略有起伏的湖底微地形，對湖體水動力循環、植物種植效果綜合考量而言為最佳。從前期的模擬結果來看，雙碟形的湖底微地形不僅能夠形成更好的水流動力，同時可有效降低污染物富集的濃度，推薦地形順序為：雙碟形≥碟形＞平底形。湖底微地形改造，近岸地形與駁岸地形建議同步進行，一體化設計；湖底地形局部調整需考慮對水中生物與微生物的不利影響并具體評估其生態風險，或利用湖底清淤、人工水體開挖等契機，因時因地因勢而為。

2)湖岸線曲折度。

曲折的湖岸線可以增加湖體邊緣的流速，但變化過度的邊緣形態會增加污染物富集的風險，導致死角的出現，從而引發夏季藍藻暴發、富營養化加重等問題。因此，在保證水體自凈和水體交換效果的前提下，在水流的主方向上可適當增加岸線曲折度，曲折度較大的岸線盡量不安排在非水流主方向上，否則將影響水體區域功能的正常運行。

3)堤壩。

長堤割裂湖體形態時，建議堤壩下部設置連通管道，若是一味追求空間形態的豐富度，甚至將長堤提升體量成“島+堤”的形式，則水體連通將會受到嚴重影響，不利于兩側水體交換。

4)島嶼。

島嶼是城市湖泊景觀水體設計中最常見的三維形態構成要素，形狀優美、大小適中的島嶼擁有較高的景觀價值，是營造鳥類生境的良好選擇，同時也會對水循環過程產生影響，從而影響水體污染物的富集與擴散。模擬結果也顯示，在進行島嶼布局時應盡量遠離岸線，若進行半島或近岸島嶼布局時，需增加其他工程措施確保水體循環與連通性，避免死水區。

5 結語與展望

長三角地區城市湖泊景觀水體多屬于淺水湖泊，水文基底的平坦態勢導致水體流速緩慢、蕩漾徘徊，水體中氮、磷等營養物質易于富集、難于擴散。為避免單純從“好看與否”出發的景觀水體“經驗主義”設計，本研究以常熟市琴湖為例進行循證設計，結果表明：1)Delft3D模型可以模擬并幫助研判不同景觀水體三維地形方案的優劣，有效起到設計循證的作用；2)城市湖泊景觀水體三維形態設計需要考慮湖岸線、湖底地形、島嶼和堤壩4個要素，它們影響著水體污染物的富集與擴散過程。兼顧生態與形態，以水質提升為目標，提出景觀水體三維形態四方面的營造建議，為城市淺水景觀湖泊的設計提供一定的技術支撐與參考，為解決長三角城市湖泊景觀水體設計中的水質“瓶頸”問題提供了新思路與新方法。

受到技術條件的限制，本研究的不足之處在于：1)主要針對長三角地區的城市淺水湖泊，多為可人工干預的，純自然型湖泊或不能對其三維形態有所改進的湖泊并不屬于本文的研究范疇；2)尚未獲得不同季節的營養物實測數據，目前只針對春季而言，未考慮湖泊周邊地塊暴雨徑流所帶來的污染物影響；3)Delft3D模型由荷蘭研發，其模擬結果未能得到琴湖不同季節、不同時間實測數據的檢驗，僅可作為景觀水體循證設計的輔助參考。未來的研究可關注不同季節模擬分析、模擬結果與實測結果的對比分析，以及人工湖體與自然湖體模擬的對比分析等，從而得到景觀水體三維形態更加細致的演算與推導，并結合水生植物與水中生物的研究，進行水生態定量化模擬研究。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝啟迪設計集團股份有限公司許彩芬總工程師、張杰龍等設計師對本課題的支持。

注釋：

① 采樣水體送同濟大學環境科學與工程學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室檢測。