基于SWMM的承德避暑山莊水系遺產定量化研究

崔怡凡

劉庭風*

中國古典園林水系經過數千年的積累，形成了一套根植于中國文化的園林水系營造方法和管理智慧[1]，不僅滿足風景營造，也蘊含著受納雨水、調蓄水量的雨洪管理理念，在防洪排澇方面發揮著重要作用，是風景園林學界研究的重要議題[2-3]。然而，由于中國古典園林的雨洪管理方法被巧妙地隱藏在園林景觀中，因此對古典園林水系研究多停留在意境與文化方面，缺乏對其基本原理和方法的闡釋。近年來，隨著雨洪管理理念的成熟[4]，為全面認知中國古典園林水系的理水思想與保護帶來了新的機遇[5]。目前，雨洪管理理念已經廣泛應用于城市市政工程建設與園林水系景觀研究中，并逐漸形成了以計算機仿真模擬技術為主的定量化研究新視角和新方法[6]。已有學者研究了城市雨洪模型構建方法及發展歷程，并通過數值模擬技術對住宅區的現狀管網能力進行評估及積水點分析，判斷不同重現期管網隨時間變化的溢流情況[7]。也有學者開始重點關注古典園林與雨洪管理兩者之間的聯系，結合可持續雨洪管理理念對其保護與更新展開研究[8]。雨洪管理技術的應用不僅增強了現代園林水體設計的精確性和合理性，同樣也為古典園林水系的研究提供了新思路。但是，利用現代科學技術研究古典園林水系的工作并沒有廣泛開展[9]。因此，本文從遺產保護角度出發，全面梳理了避暑山莊水系的理水方法與歷史變遷，利用SWMM軟件模擬研究不同暴雨重現期下的雨洪調蓄能力[10]，對其理水方法開展定量化分析，并針對如何保護避暑山莊水系給予科學建議。在此基礎上進一步討論避暑山莊水系的遺產價值，以期為相關研究和保護提供重要參考。

1 研究對象

1.1 避暑山莊水系概述

避暑山莊位于河北省承德市北部，清代康熙皇帝在此選址，挖泥成湖，大修水利工程，從東北角開閘引武烈河水入園，沿途大小水閘20余座，由天然水源和人工河湖組成了“園中有水，水中有園”的人工水網體系(圖1)，修建了一系列的水系景觀，是我國現存規模最大的古代水利工程之一。避暑山莊在300多年的歷史進程中不斷建設和完善，但自然災害和歷史變亂使水系布局和整體意境遭到破壞，經修復后得以保存原貌，后又為交通便利修建了一座鋼筋水泥大橋，從萬樹園通往如意洲，并保留了“知魚磯”通往“芳渚臨流”這段道路，今日所見已是歷史不斷疊加的結果[11]。

圖1 避暑山莊水系示意(作者改繪自參考文獻[11])

1.2 避暑山莊水系功能簡析

承德市年降水量在時間和空間上分配不均，空間上總體趨勢為南部多于北部；時間上表現為汛期持續時間短，為6—9月，但降水量占全年降水量的80%左右[12]。避暑山莊水源豐富、水系連貫，作為我國古典園林的代表之作，其功能價值與美學價值并存，是水利建設與風景構劃結合的工程。其選址體現出了古人的理水智慧，山莊水系設計縝密有序，利用天然地形高差進行建設，形成了“豎向結合重力排水”的天然排水模式，尊重場地西北高、東南低的特征，具有引水、調蓄、分洪等特點。根據避暑山莊水系形態及功能，將主干水系分為4段(圖2)。避暑山莊水系從入水口“暖流暄波”處引入武烈河水，從“暖流暄波”到“曠觀”一帶的半月湖狹長形水系為a段；b段從“文津閣”分成2道自然彎曲的河流，在強降雨時湖水分別流經“雙湖夾鏡”和“知魚磯”后進入如意湖，以減緩“如意湖”的蓄洪壓力；c段水體為湖面區，一湖環抱“如意州”“環碧”“月色江聲”三島，并與“澄湖”“上湖”“下湖”“鏡湖”組成了布局合理且容量巨大的蓄水系統，上承來自武烈河的引水，下與排水湖“銀湖”相連；最后通過d段水體“五孔閘”處泄出，流入武烈河。整體水系設計在豎向處理上做到地形與水體緊密結合，縱向連續，橫向貫通，有序組織雨水排放，利用天然地形優勢達到“次第蓄泄”的目的，增加了水體的調節能力，避免內澇發生。由此可知，避暑山莊水系是集“引、分、蓄、泄”于一體的水利工程與風景營造結合的典范。

圖2 避暑山莊4段水型分區(作者改繪自參考文獻[11])

2 研究方法

暴雨洪水管理模型SWMM是一款動態降水及徑流模擬軟件，目前已被學者廣泛應用于園林水系景觀的水文過程模擬中[13-15]。本節在對避暑山莊水系定性分析的基礎上，利用SWMM模擬不同降雨強度下的產匯流過程，定量化分析避暑山莊水系水體設計合理性和雨洪調蓄能力，并提出保護建議。

2.1 避暑山莊子匯水區域概化

模型建立時，假設在降雨過程中各個子匯水區降水強度相同。通過避暑山莊資料記載和實地考察，確定其用地類型主要包括綠地、山林、水體和古建筑區[16](圖3)。

圖3 用地類型分布

根據實際地形匯流情況及用地種類，確定子匯水區邊界、匯水走向等，遵循概化原則，將研究區域概化為170個子匯水區域、24個節點、24條水渠和1個出水口(圖4)。

圖4 子匯水區域概化圖

2.2 SWMM模型建立及參數率定

SWMM中參數可分為2類：一種是可通過實際測量數據得到的地面特征參數[17]，如子匯水區面積、坡度、不滲透比例等；另一種是水力參數，需用戶根據實際研究對象情況進行取值，而取值是否準確則需要以實際降雨數據進行率定。

結合數字高程模型(DEM)數據(圖5)和實地測量數據得到研究區域的地面特征參數，另參考SWMM用戶手冊和相關文獻確定Horton土壤下滲模型和研究區域水力參數的初始值[18-20](表1)。

表1 初始水力參數

圖5 避暑山莊地形高程圖

雨型和降雨強度公式同樣是SWMM模擬的關鍵參數，將承德市降雨強度公式(式1)[21]和芝加哥雨型[19]合成不同暴雨重現期的降雨過程線(圖6)，并導入模型來模擬不同暴雨重現期下的降雨過程。

圖6 不同暴雨重現期降雨過程線

式中，P為設計降雨重現期，年；t為降雨歷時，min；q為暴雨強度，L/(s·hm2)。

研究區域無詳細歷史分鐘降雨數據，以單次降雨量(數據來源于氣象網)為參考對水力參數進行率定。參考SWMM水力參數靈敏度研究文獻[22-24]并結合避暑山莊實際情況可知，不滲透性粗糙系數、不滲透性洼地蓄水、無洼地蓄水不滲透性及水渠粗糙系數4個參數對模擬結果影響較大[25-26]。通過主調高靈敏度參數、微調其他參數使模擬結果與實際降雨數據吻合，最終率定出研究區域的水力參數(表2)。利用率定后模型對另外2次實際降雨過程進行模擬驗證可知，在相同降雨強度和降雨時間下，降雨量相對誤差分別為7.1%和4.9%(表3)，在允許范圍內，模擬結果具有可靠性。

表2 率定后水力參數

表3 率定后模擬數據與實際數據對比

3 模擬結果與分析

3.1 水體設計合理性分析

模擬結果表明，不同暴雨重現期下水流速度規律一致，且暴雨重現期越長，規律越明顯。因此，以100年一遇的暴雨強度、降雨歷時2h的水文過程為例來闡述流速規律。

1)總體上，古人借天然地形優勢進行設計開發，形成了首尾筆直狹長、中間婉轉開闊的水系形態，使避暑山莊水系在保證觀賞性的同時具有始末處水體流速大、利于快速泄洪，中間水體(蓄水區)流速小、緩解洪峰壓力的流速特征。

2)結合前文水系分區和模擬結果顯示(圖7)，不同區域流速峰值均出現在降雨1h后，表明水系具有快速匯集雨水的能力；所有區域流速均在4h左右回落到正常水平，表明水系具有快速泄洪的功能。4個區域平均流速值處于0.43～2.87m/s，大小排序為Va＞Vd＞Vb＞Vc，綜合地形與流速分析可知以下幾點。

圖7 不同研究區域流速隨時間變化

(1)a段為整個水系入水口，水道狹長，相對彎曲，河道水流阻力較小，水流速度較快，最高可達3.68m/s，這種地形更利于泄洪、排沙及河水引流。此外，該區兩側古建筑密集，快速引流可有效降低古建筑浸水的風險。

(2)b段作為整個水系的緩沖區，水流形態較方且呈環抱之勢，形成半圍合空間，水流遇“文津閣”島被一分為二，使流速放緩，最大流速僅為1m/s，可保證山莊遭遇高強度降雨時，將上游雨水分流，減輕下游洪水壓力。

(3)c段是整個山莊最重要的湖景區，水流呈三面圍合的彎曲繞抱之勢，水流彎處圓轉如珠、流速最小，不超過0.8m/s，形成“凹岸侵蝕、凸岸堆積”的現象，如意洲三島的位置屬于“凸岸”，以堆積為主，不受河流沖刷且易形成肥沃的土壤。此處水體不僅承載著旅游觀光的重任，同時也起到了緩解洪峰、儲存水資源、保持水體穩定性的功能。

(4)d段為水系的排出段，以順直河道為主，水流速度較大，可達3.24m/s，具有快速泄洪排澇功能，保證山莊水體的連貫性。

因此，避暑山莊水系整體設計可保證在面對高強度降雨時具有安全高效的泄洪能力，降低洪澇災害對避暑山莊的危害。

3.2 雨洪調蓄能力分析

結合模擬結果和文物古跡防洪標準[27]分析避暑山莊水系的雨洪調蓄能力，結果表明如下。

1)從雨水收集和排放角度看，避暑山莊可滿足100年一遇的防洪標準。主要表現為：在面對不同暴雨重現期時，山莊出水口徑流流量過程曲線總體趨勢具有一致性(圖8)，峰值流量形成時間短，集中在1h左右出現，與前文流速峰值形成時間一致。峰值流量大小由1年一遇的31.89m3/s到100年一遇的128.6m3/s，差異明顯，表明避暑山莊水系具備快速收集雨水、形成徑流的能力。峰值流量持續時間均控制在4h以內，且排盡時間短，表明其具有優秀的排水能力。

圖8 不同重現期下水口徑流量特征

2)從水位高度控制方面看，避暑山莊防洪標準略差。“短而強”的徑流流量對水道高度要求較為苛刻，存在排放過程中產生溢流，沖刷植被、道路，浸泡古建筑的風險。模擬結果顯示：峰值水位隨降雨強度的增長而上升，從表4中可以看出，當重現期為1、5和10年時，未發生溢流情況；當重現期為30、50和100年時，發生溢流，溢流高度分別為0.402、0.567和0.824m。以P=30為例分析整個降水過程中排水渠的水位高度(圖9)，隨著降雨時間的增加，排水渠水位逐漸升高，在50min時水渠b段末尾至c段(1 010～1 700m)率先充滿，并隨著時間增長開始產生溢流；在60min時溢流達到最大(910～2 400m)，此時b、c、d段全部受溢流影響；但隨著降雨強度的減弱，水位迅速下降并在76min回落到排水渠高度以下，最終在4h左右回落到正常水位高度。當P＝50或100時，溢流長度會進一步增加，逐漸波及a區。

表4 不同降雨重現期排水渠水位高度及溢出長度

圖9 P＝30降雨過程排水渠水位變化

針對此問題可采取2種解決方法：一是充分發揮水系“暖流暄波”處引水閘和出口排水閘“五孔閘”作用，在面對強降雨時需提前關閉引水閘、打開出水閘，令山莊水位降低相應高度，以此避免溢流情況發生，起到保護前置的作用；二是在保持閘口原來狀態下，對b、c段區域兩側岸邊進行加高加固，以此提高控制峰值水位的能力。

3.3 模擬結果應用與遺產保護建議

避暑山莊水系蘊含古人的雨洪管理智慧，通過SWMM模擬結果分析可知，避暑山莊水系不僅滿足了風景營造，更是一項出色的水利工程，具有“迅速收集、迅速排放”的雨洪調蓄能力；但面對超強降雨時，同樣存在被破壞的風險。根據模擬結果，對避暑山莊水系的發展及保護提出以下建議：

1)根據模擬結果可計算水流湍急水口是否可增加水力發電設備，為避暑山莊提供額外電力供應，節約能源；

2)對于峰值流速大于2m/s的區域考慮加固岸邊措施，以減少沖蝕效應；

3)將水位溢流情況與降水預測相結合，根據不同降雨強度下的溢流高度，通過進出水閘提前調整水位高度，避免水患發生；

4)考慮進一步模擬在歷史過程中已經損毀的水道，討論其修復的可能性。

4 結語

本文在定性分析避暑山莊水系雨洪管理思想和方法的基礎上，使用SWMM數值模擬技術，定量分析了避暑山莊水系水體設計手法和雨洪調蓄能力。研究發現，避暑山莊集“可游、可賞、可用、可控”于一體，充分發揮了雨洪調蓄功能，在遭遇高強度降雨時可在1h內快速形成徑流，并在4.5h左右排盡，實現了在快速泄洪的同時最大限度地保護山莊土地及古建筑的功能，發揮出優秀的雨洪調蓄能力；但當遭遇30年一遇或更高強度降雨時，存在峰值水位過高、水道發生溢流、沖刷道路和浸泡古建筑的問題，對此可采取調節進出水閘或加高加固溢流處岸邊的方法來預防高強度降水帶來的風險，做到提前防范。

SWMM模擬技術與古典園林水系研究相結合，不僅為避暑山莊水系雨洪調蓄研究提供數據支持，對其發展與保護給出科學建議，而且為古典園林水系保護及修復提供了新視角。而現代科學技術與文化遺產相結合可進一步推動文化遺產定性化研究向定量化研究發展，為遺產的真實性、完整性研究提供更科學的數據支撐，助力文化遺產研究保護工作。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。