基于水文模擬的城市河道場(chǎng)景構(gòu)建—以青白江區(qū)1956大時(shí)代片區(qū)為例

李紹芃,周越,李曉溪,李運(yùn)遠(yuǎn)

基于水文模擬的城市河道場(chǎng)景構(gòu)建—以青白江區(qū)1956大時(shí)代片區(qū)為例

李紹芃,周越,李曉溪,李運(yùn)遠(yuǎn)*

北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院, 北京 100091

河流是自然界重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，城市河流更是對(duì)一個(gè)城市的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人文起著決定性作用。隨著我國(guó)大力推行公園城市建設(shè)，很多城市河流面臨被改造的命運(yùn)，但目前城市河流設(shè)計(jì)大多忽略了河流內(nèi)部基底條件，設(shè)計(jì)結(jié)果或多或少違背了自然規(guī)律。本研究以成都市青白江區(qū)1956大時(shí)代片區(qū)內(nèi)的長(zhǎng)流河、四斗渠和工業(yè)渠為例，在采用mike21水動(dòng)力模型分析河流內(nèi)部的流速、水深和流向等水文數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行駁岸設(shè)計(jì)、植物群落營(yíng)造與場(chǎng)景構(gòu)建，提升3條河流的景觀品質(zhì)、水質(zhì)和水動(dòng)力水平，以期為今后城市河道景觀的量化設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

水文模擬; 城市河流; 河道治理規(guī)劃

《成都市青白江區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中提出，要建設(shè)優(yōu)良的綠色空間生態(tài)體系，而河流則是綠色空間生態(tài)體系中的重要組成部分，城市中的河流在公園城市建設(shè)進(jìn)程中扮演著重要角色。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)師精心設(shè)計(jì)過(guò)的城市河道不僅可以極大程度地改變城市風(fēng)貌，同時(shí)也可以帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)、文化和社會(huì)效益。許多著名城市都依河而建，如英國(guó)的泰晤士河與倫敦、法國(guó)的塞納河與巴黎、匈牙利的多瑙河與布達(dá)佩斯等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有60%以上的河流經(jīng)過(guò)了人工改造[1]。但大多數(shù)設(shè)計(jì)師都將河道改造的注意力集中在了河流兩岸景觀效果和周邊生態(tài)效益上，忽略了河流自身的內(nèi)部特征，這無(wú)疑是“焚林而獵”。例如，盲目追求河流的自然形態(tài)，將河道人工改造成蜿蜒曲折狀，這很可能會(huì)造成河底泥沙沉積和潛在洪澇危害[2]。因此，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)構(gòu)建一套基于水文模擬的河流改造量化指標(biāo)，用來(lái)指導(dǎo)河流景觀改造。目前，已經(jīng)有部分學(xué)者開(kāi)始在此方面開(kāi)展研究。例如，Zhenduo Zhu等以芝加哥水道為例，開(kāi)發(fā)了三維河流水動(dòng)力模型，模擬了百年一遇的暴雨對(duì)城市河道的影響，強(qiáng)調(diào)了極端天氣條件下河流下水道溢流水力建模的必要性[3]。Cherry, May-Rosete Mateo通過(guò)建立水動(dòng)力模型模擬特大洪水中水庫(kù)的表現(xiàn)，從而達(dá)到預(yù)測(cè)和緩解洪水的目的[4]。張雅卓和練繼建則試圖將景觀設(shè)計(jì)與水利設(shè)計(jì)相融合，通過(guò)分析河道內(nèi)部的水動(dòng)力特征，解決豐水期和枯水期的河道景觀問(wèn)題[5]。周燕通過(guò)構(gòu)建水動(dòng)力模型，提出了強(qiáng)化水庫(kù)水動(dòng)力、提升水質(zhì)的設(shè)計(jì)方案[6]。由此可見(jiàn)，利用水文模擬數(shù)據(jù)指導(dǎo)河流景觀改造具有重要意義，但目前水文模擬多用于對(duì)水庫(kù)等水面較大的水體的設(shè)計(jì)指導(dǎo)上，對(duì)城市渠化河道的研究較少，缺乏大量經(jīng)典案例。

本研究以成都市青白江區(qū)1956大時(shí)代片區(qū)內(nèi)長(zhǎng)流河、四斗渠和工業(yè)渠為例，采用mike21水動(dòng)力模型分析深入河流內(nèi)部的流速、水深和流向等水文特征，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行駁岸設(shè)計(jì)、植物群落營(yíng)造和場(chǎng)景構(gòu)建，提升3條河流的景觀品質(zhì)、水質(zhì)和水動(dòng)力水平，以期為今后的城市河道景觀設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處沱江流域，屬都江堰水系控灌區(qū)，水網(wǎng)交錯(cuò)，水源豐富，具有較好的水利基礎(chǔ)。研究區(qū)水系有都江堰河渠、山溪河流和排洪河流三種類(lèi)型。其中，都江堰河渠以清白江和毗河水系為主；東南部低山區(qū)及中部淺丘區(qū)的石板河和榿木河等為山溪河流；西北部平原區(qū)的彌牟河、長(zhǎng)流河和繡川河等為排洪河流（圖1-A）。

研究區(qū)內(nèi)的主要供水河流為長(zhǎng)流河、四斗渠和工業(yè)渠。其中，長(zhǎng)流河是研究區(qū)內(nèi)的主要水源之一，保障灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水；四斗渠旱季無(wú)水，主要滿(mǎn)足防洪要求；工業(yè)渠主要承擔(dān)調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)用水、可彌補(bǔ)上游供水不足（圖1-B）。

研究區(qū)內(nèi)部藍(lán)綠基底較為完整，地塊平緩，整體呈西高東低趨勢(shì),高差約為19 m。河網(wǎng)自西北向東南密布，水源主要為青白江引水、大氣降水、融雪和地下潛流，河道多為硬質(zhì)駁岸。研究區(qū)周邊沿水系可見(jiàn)4個(gè)平均間距2 km～3 km、分布均勻、服務(wù)面廣的大型完整綠色斑塊，形成了較完整的城市景觀點(diǎn)（圖1-C）。

研究區(qū)氣候呈明顯的雨熱同期特征，夏季的充沛降水在帶來(lái)了優(yōu)良藍(lán)綠基底條件的同時(shí)，也帶來(lái)了一定的短時(shí)強(qiáng)降雨危險(xiǎn)（圖1-D）。

圖 1 研究區(qū)概況

A青白江區(qū)水系分布示意圖；B研究區(qū)水系圖； C研究區(qū)周邊綠地現(xiàn)狀；D青白江區(qū)氣溫圖；E青白江區(qū)降水圖

2 水文模型構(gòu)建思路

本研究采用丹麥水力研究所開(kāi)發(fā)的MIKE21水力模擬軟件[7]來(lái)分析長(zhǎng)流河、四斗渠和工業(yè)渠的水文特征。近年來(lái)，該軟件為我國(guó)的南水北調(diào)工程、渤海灣大范圍潮流向模擬、天津港國(guó)際郵輪碼頭港池等項(xiàng)目做出了巨大貢獻(xiàn)[8]。MIKE21中內(nèi)置了4個(gè)模塊，分別為前后處理模塊、水動(dòng)力模塊、水質(zhì)和環(huán)境評(píng)價(jià)模塊，以及泥沙傳輸模塊。本研究主要使用了該軟件的前后處理模塊和水動(dòng)力模塊，其中前后處理模塊主要負(fù)責(zé)處理用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、結(jié)果演示，水動(dòng)力模塊主要負(fù)責(zé)模擬河流和湖泊的流量、流速、水位等變化。將研究區(qū)域的DEM地形數(shù)據(jù)和水文資料等處理為河床、邊界等水文文件，輸入水動(dòng)力模塊中，采用Navier-Stokes方程計(jì)算，即可得出研究區(qū)內(nèi)水系的流速、流向和水深等可視化結(jié)果，進(jìn)而指導(dǎo)研究區(qū)內(nèi)的駁岸、植物和濕地等設(shè)計(jì)（圖2）。

圖 2 水文特征分析思路

3 水文模擬分析

3.1 水文模擬基礎(chǔ)條件

以當(dāng)?shù)販y(cè)繪CAD實(shí)測(cè)地形圖、水利部門(mén)提供的水文資料等資料為依據(jù)，設(shè)定洪水期（=2%）入流條件為11.4 m3/s，枯水期入流條件為0.6 m3/s，初始水位3.4 m，其他初始條件設(shè)定具體如表1所示。

表 1 水文模擬初始條件設(shè)置

3.2 水文模擬結(jié)果

根據(jù)MIKE21軟件計(jì)算結(jié)果可知：研究區(qū)內(nèi)水流流速為0.64 m/s～2.4 m/s；共有4段流速較大的區(qū)域，多集中在河道彎曲處；長(zhǎng)流河流速整體上大于工業(yè)渠流速，且呈現(xiàn)西側(cè)流速快于東側(cè)的趨勢(shì)（圖3-A）；長(zhǎng)流河深度為2.1 m～5.6 m，平均深度為3.8 m；工業(yè)渠及四斗渠深度為3.5 m～10.5 m，平均深度為4 m，大于長(zhǎng)流河深度，整體水深也呈現(xiàn)東深西淺的趨勢(shì)，且大面積水域的深度也較大（圖3-B）；研究區(qū)河流受渠化改造，整體流向較為單一，流向豐富的區(qū)域主要集中在河流交匯處以及水面寬闊處（圖3-C）。

A水深條件分布圖；B水流速條件分布圖；C流場(chǎng)條件分布圖

4 基于水文模擬結(jié)果的河道景觀設(shè)計(jì)策略

4.1 基于流速分析的駁岸設(shè)計(jì)

研究區(qū)內(nèi)原有河流駁岸主要有3種，雖然能夠滿(mǎn)足研究區(qū)內(nèi)的防洪需求，但均為硬質(zhì)駁岸，形式單一，河流渠化嚴(yán)重，缺乏親水性、生態(tài)性和觀賞性，不利于內(nèi)部藍(lán)綠網(wǎng)絡(luò)的營(yíng)建（圖4-A）。

一般來(lái)說(shuō)，低流速區(qū)域的水流對(duì)駁岸沖刷強(qiáng)度低，腐蝕效果弱，但有利于濕生植物和微生物生長(zhǎng)，應(yīng)注意水質(zhì)凈化；高流速區(qū)域的水流對(duì)駁岸沖刷強(qiáng)度大，腐蝕效果強(qiáng)，不適合配軟質(zhì)駁岸[9]。所以，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的流速分析結(jié)果，對(duì)原有硬質(zhì)駁岸采取自然化處理、駁岸改造和原有駁岸生態(tài)化等改造措施，將原有硬質(zhì)駁岸改造為生態(tài)駁岸、混合式駁岸和硬質(zhì)駁岸等3大類(lèi)駁岸，以應(yīng)對(duì)不同的水體流速（圖4-B）。其中，生態(tài)駁岸主要針對(duì)水流速度低于1 m/s的區(qū)域，使用以植物種植為主的自然原型駁岸或搭配石籠、木樁和漿砌石塊的自然型駁岸[10]，以?xún)艋|(zhì)，提高親水性；混合型駁岸適用于1 m/s～1.76 m/s的區(qū)域，以臺(tái)階式人工自然駁岸為主，在鋼筋混凝土所構(gòu)建的梯形框架內(nèi)種植植物，以達(dá)到生態(tài)性與工程性兼顧的目的；在流速高于1.76 m/s的區(qū)域，使用卵石駁岸和砌漿塊石駁岸等為主的硬質(zhì)駁岸，此類(lèi)駁岸雖然犧牲了部分生態(tài)效益，但抗沖擊、抗腐蝕效果好。

同時(shí)有研究表明，成年人在流速大于1 m/s的水域時(shí)，容易受水流沖擊而跌倒[11]，因此，要在水流流速大于1 m/s的區(qū)域安裝防護(hù)裝置，增強(qiáng)近水區(qū)域的安全性。

A現(xiàn)狀駁岸類(lèi)型；B改造駁岸類(lèi)型

4.2 基于水深和流向分析的場(chǎng)景構(gòu)建

水深主要影響場(chǎng)景的親水性、安全性，以及植物類(lèi)型和分布范圍等，流向則決定著適宜建設(shè)水質(zhì)凈化的區(qū)域。所以，水深和流向共同決定著景觀場(chǎng)景構(gòu)建。

根據(jù)水文特征分析結(jié)果可將整個(gè)水域分為淺水深區(qū)域（水深<3.5 m）、中水深區(qū)域（水深3.5 m～7.7 m）和較水深區(qū)域（水深>7.7 m）。其中，淺水深區(qū)域主要分布在長(zhǎng)流河下游地區(qū)，適宜建設(shè)親水平臺(tái)、戲水區(qū)和退臺(tái)式景觀駁岸等親水性較強(qiáng)的設(shè)施；中水深區(qū)域主要分布在長(zhǎng)流河中段，適宜建設(shè)臨水步道；較水深區(qū)域主要集中于工業(yè)渠和長(zhǎng)流河交匯處，必須增設(shè)防護(hù)設(shè)施，可設(shè)置安全性架橋或者作不進(jìn)入的觀賞區(qū)域。此外，水深分析結(jié)果也可指導(dǎo)植物種植設(shè)計(jì)。不同水生植物對(duì)于水深的適應(yīng)性具有顯著差異，其中挺水植物宜生長(zhǎng)在水深1 m左右的淺水區(qū)域，浮葉植物的栽植水深一般不超過(guò)2.3 m，沉水植物的栽植水深一般不超過(guò)2.5 m[12]。

一般來(lái)說(shuō)，流向混亂的區(qū)域宜流向豐富的區(qū)域不易沉淀有害物質(zhì)，水體水循環(huán)狀態(tài)較好，含氧量相對(duì)較高，植物長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)良好，整體生態(tài)基底相對(duì)比較完整，但若流向過(guò)于豐富則可能會(huì)導(dǎo)致水動(dòng)力的損失，可在此處進(jìn)行濕地、浮島等生態(tài)類(lèi)規(guī)劃，以穩(wěn)定流向，防止水動(dòng)力損失[13]。

綜上所述，結(jié)合不同的親水性、安全性以及植物配置等的要求，可構(gòu)建出不同的場(chǎng)景，根據(jù)研究區(qū)域性質(zhì)，構(gòu)建出了四種不同的，即以水資源凈化涵養(yǎng)為主的涵養(yǎng)型濕地；以構(gòu)建多樣生態(tài)環(huán)境以及有限觀賞功能為主的生境保護(hù)型濕地；以引水為主要功能的蓄水型濕地；以兼具親水性與安全性的為主的濱水活動(dòng)空間；以親水性強(qiáng)、植物搭配豐富為目標(biāo)的科普教育型濕地，并將其與研究區(qū)水文特征相匹配。（圖5）

圖 5 場(chǎng)景構(gòu)建策略

4.3 基于DEM數(shù)據(jù)的集雨型綠地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遵循從源頭消減地表徑流的原則，在研究區(qū)域內(nèi)利用河流和集雨型綠地設(shè)計(jì)消減地表徑流。根據(jù)研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)得出研究區(qū)的高程、坡度和坡向的可視化圖（圖6-A）,據(jù)此確定地表徑流方向，并在地表徑流匯入的硬質(zhì)區(qū)域設(shè)置點(diǎn)、面裝的集雨型綠地以消除地表徑流（圖6-B）。在進(jìn)行集雨型綠地系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，模擬城市降雨路徑，分析徑流動(dòng)態(tài)過(guò)程，劃分為源頭、中段和末端三個(gè)徑流狀態(tài)：處在徑流源頭地區(qū)的綠地為源頭削減型；處在徑流中段且呈帶狀分布的綠地為中途傳輸型；位于徑流末端（地勢(shì)低洼的雨水匯集處）的綠地為末端調(diào)蓄型（圖6-C）。

A 研究區(qū)地貌；B 集雨型綠地系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖；C 集雨型綠地系統(tǒng)運(yùn)行圖

4.4 河道景觀設(shè)計(jì)的MIKE21驗(yàn)證

空間規(guī)劃完成后，再次利用MIKE21軟件對(duì)研究區(qū)水文特征進(jìn)行分析驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)水深、流速和流向方面均達(dá)到了理想效果。河流整體流速符合預(yù)期效果，河灣處的水流速受生態(tài)駁岸影響明顯下降，整體安全性得到了提高（圖7-A）。研究區(qū)深水區(qū)域基本沒(méi)有變動(dòng)，但經(jīng)設(shè)計(jì)后親水區(qū)水深達(dá)到0.5 m以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足安全需求（圖7-B）。同時(shí)，生態(tài)濕地等設(shè)施的構(gòu)建在沒(méi)有破壞研究區(qū)原有流向結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)了部分水流，使得原有區(qū)域流向分布更加平均。（圖7-C）

A流速驗(yàn)證；B 水深驗(yàn)證；C 流向驗(yàn)證

5 結(jié)論及展望

本研究首先通過(guò)MIKE21軟件分析了成都青白江區(qū)長(zhǎng)流河、四斗渠和工業(yè)渠的流速、水深、流向等水文特征，然后根據(jù)水文特征分析結(jié)果提出了合理分配空間類(lèi)型、提升區(qū)域水質(zhì)的總體設(shè)計(jì)策略，最后又用MIKE21軟件對(duì)設(shè)計(jì)后的研究區(qū)水文特征進(jìn)行了分析驗(yàn)證。結(jié)果表明：水體流速的定量分析可對(duì)生態(tài)駁岸和硬質(zhì)駁岸進(jìn)行合理分配，以兼顧駁岸的生態(tài)性和工程性；合理的場(chǎng)景構(gòu)建與植物配置可在凈化水質(zhì)的同時(shí)不喪失親水性；結(jié)合研究區(qū)高程數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的集雨型綠地可在一定程度上從源頭消減徑流。但本研究?jī)H從流速、水深和流向等3個(gè)方面探討了水文模型對(duì)景觀設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用，今后還應(yīng)該從水質(zhì)、流量和季節(jié)性變化等更多方面對(duì)景觀規(guī)劃進(jìn)行指導(dǎo)。

總體來(lái)看，景觀設(shè)計(jì)正在從定性分析走向定量分析的道路上，有利于提高研究區(qū)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。本研究所采用的水文模擬指導(dǎo)下的景觀設(shè)計(jì)方法可為今后城市河道景觀的量化設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

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Construction of Urban River Scene Based on Hydrological Simulation—Taking the Changliu River-industrial channel section in Qingbaijiang District as an example

LI Shao-peng, ZHOU Yue, LI Xiao-xi, LI Yun-yuan*

100083,

Rivers are one of the important ecosystems in nature, and urban rivers play a decisive role in the society, economy and humanities of a city. With the vigorous promotion of park city construction in my country, many urban rivers are facing the fate of being transformed. However, most of the current urban river design ignores the internal base conditions of the river, and the design results more or less violate the laws of nature. This study takes Changliu River, Sidou Canal and Industrial Canal in the 1956 Da Shidai area of Qingbaijiang District, Chengdu as examples. Based on the analysis of hydrological data such as flow velocity, water depth and flow direction inside the river using the mike21 hydrodynamic model, the revetment design, Plant community construction and scene construction improve the landscape quality, water quality and hydrodynamic level of the three rivers, in order to provide reference and reference for the quantitative design of urban river landscape in the future.

Hydrological simulation; urban river; river management plan

TV212.5+2

A

1000-2324(2022)04-0593-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.014

2022-02-12

2022-03-25

北京市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃:基于生態(tài)效果提升的植物多種種植方式研究及示范(D171100007117003)

李紹芃(1997-),男,碩士研究生,研究方向:風(fēng)景園林規(guī)劃與設(shè)計(jì). E-mail:525066571@qq.com

Author for correspondence. E-mail:lyy0819@126.com