基于數(shù)值模擬的湖庫型景觀水體生態(tài)設計方法研究
——以MIKE 21模型在大官塘水庫規(guī)劃方案中的應用為例

2018-07-14 06:27:10冉玲于茍翡翠

中國園林 2018年3期

周燕冉玲于茍翡翠余洋

湖庫型景觀水體主要是指一些具有景觀效益的湖泊或水庫水體，該類水體相較于流動性強的江河溪流來說大多保持相對靜止的狀態(tài)，受到補水條件單一、封閉緩流和自凈能力弱等水環(huán)境的約束，其生態(tài)狀況愈發(fā)脆弱，難以抵制水體污染進而導致水質(zhì)惡化，給水生動植物造成不可估量的損害，同時也嚴重削弱了水體功能和景觀效果，對人體健康和生活環(huán)境帶來了影響。本研究中的客體對象“大官塘水庫”即為一典型的湖庫型水體。當前，針對湖庫型水體的這些問題，人們普遍對水岸邊際的景觀效果和生態(tài)效益關注度很高，而對水體內(nèi)部的水力條件關注度很低，以至于在不了解水循環(huán)過程中的水動力條件、水量和水質(zhì)變化等因素的情況下，憑借個人經(jīng)驗和定性思維就做出背離水體生態(tài)的設計決策。比如，為了滿足人們回歸自然的需求，設計師們多將湖岸設計為曲折多彎狀，但是，這往往只是片面地對自然進行模擬，并沒有科學依據(jù)的支撐，從而致使很多湖庫型水體因彎度的不合理而出現(xiàn)“死角”，“死角”中水體流動性較差，長期得不到置換而進一步導致水質(zhì)惡化。

湖庫型水體的景觀設計應該注重其水體本身的水力特征和生態(tài)需求，促進水體流動，提高水體自凈能力，保證生態(tài)可持續(xù)性，因此，這就需要探索一些區(qū)別于以往的生態(tài)設計方法，在注重水生植物凈化水質(zhì)為主的研究與實踐的同時[1～4]，還應注重水體內(nèi)部的循環(huán)過程，進而在規(guī)劃開始階段就科學地測算場地現(xiàn)狀，制定針對湖庫型景觀水體的量化指標來指導水體景觀生態(tài)設計。已有學者開始利用水動力學方面[5]的知識進行實踐探究，如Onnish和Imasato[6]、Endon[7]使用水動力模式和驗證手段對日本琵琶湖進行了系統(tǒng)而深入的研究，基本弄清了琵琶湖各種水動力過程的特征及形成機制，為保護琵琶湖的生態(tài)環(huán)境提供了依據(jù)；吳堅、濮培民[8]利用不規(guī)則網(wǎng)格的有限差分法對太湖水動力學特征進行了二維數(shù)值模擬；Mohammad Zounemat-Kermani[9]通過結合二維水動力數(shù)學模型和三維水動力數(shù)學模型來模擬深水區(qū)域的風生流作用，并且與實測相比較驗證了其適用性；葉上揚[10]運用了SMS和Delft-3D軟件建立了多維數(shù)學模型，對西湖的各種引排水工況進行模擬并且相互比較，得出了最優(yōu)布水方案等。

目前，國際上常用的湖庫型水體模擬軟件有EFDC、WASP、SMS、MIKE 21、CEQUAL-R1、CE-QUAL-W2等(表1)。通過綜合考慮研究區(qū)性質(zhì)、數(shù)據(jù)可獲取性和模型適用性等因素，本文最終采用了MIKE 21水動力模型進行湖庫型景觀水體生態(tài)設計的研究。MIKE 21是丹麥水利研究所開發(fā)的系列水動力學軟件之一，它是一個專業(yè)的工程軟件包，可為模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙提供功能強大而全面的方法。為工程應用、海岸管理及規(guī)劃提供了完備、有效的設計環(huán)境。MIKE 21模型軟件提供了多模塊的選擇，包括前后處理模塊、水動力學模塊、水質(zhì)和環(huán)境評價模塊和泥沙傳輸模塊。將該模型運用到水環(huán)境景觀設計中的價值在于它可以協(xié)助探索和認識水體水循環(huán)和水文過程的規(guī)律，也可以輔助相關分析、預報和管理。本文便是通過運用MIKE 21水動力模型，對水文動態(tài)特征進行量化，模擬庫區(qū)的水流和水質(zhì)條件，并將可視化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為規(guī)劃設計的依據(jù)要素，應用到“南京市高淳區(qū)椏溪國際慢城大官塘水庫的規(guī)劃設計方案”中。意在展示一種將風景園林專業(yè)知識與數(shù)字化技術和環(huán)境科學專業(yè)相互結合的科學的規(guī)劃設計手法，強調(diào)對水體內(nèi)部生態(tài)需求的關注，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善和景觀效果提升的耦合[13]。

1 基地水環(huán)境現(xiàn)狀

大官塘水庫位于南京市椏溪鎮(zhèn)國際慢城境內(nèi)，南界高淳區(qū)301縣道，北臨瑤池山莊，西東臨椏溪慢城游客中心，周邊被遮軍山包圍，水域周邊為農(nóng)田、林草地、茶園等(圖1)。

通過現(xiàn)場調(diào)研與前期分析，發(fā)現(xiàn)水庫水環(huán)境由于水循環(huán)受阻造成了水體淤堵的問題，即水庫內(nèi)部水源單一，并且由于水域內(nèi)部形態(tài)、寬度、深淺和流速的差異，引起局部區(qū)段的淤堵，使水循環(huán)處于亞健康的狀態(tài)，同時也存在著水土流失造成的泥沙沉積和農(nóng)業(yè)化肥的徑流污染問題。

表1 國內(nèi)外常用湖庫型水體數(shù)值模擬軟件比較[11-12]

2 基于場地的二維水動力-水質(zhì)模型的建立

MIKE 21模型包含了四大模塊，各個模塊功能與所需數(shù)據(jù)均有所不同。其中，前后處理模塊主要作為用戶準備輸入數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分析、結果演示的工具，是其他模塊運行的基礎；水動力模塊是非常通用的水文學工具，用于模擬湖泊、河口和海岸地區(qū)的水位變化和由于各種力的作用而產(chǎn)生的水流變化；水質(zhì)和環(huán)境評價模塊則用于河流、濕地、湖泊、水庫等的水質(zhì)模擬，預報生態(tài)系統(tǒng)的響應，簡單到復雜的水質(zhì)研究工作，水環(huán)境影響評價及水環(huán)境修復研究，水環(huán)境規(guī)劃和許可研究，水質(zhì)預報；泥沙傳輸模塊可用來確定泥沙的傳輸模式，意外遺漏、沉淀和衰減過程的模擬等。本研究的目的在于通過探究湖庫型水體的水動力與水質(zhì)狀況來輔助景觀方案的生成，其中，水質(zhì)主要通過流速判斷，水體流動性越差受污染的可能性就越大。通過比較各個模塊的功能與本次研究目的的契合性，最終選擇了水動力模塊作為模型構建的基礎，前后處理模塊作為前后期數(shù)據(jù)處理的輔助。

具體來說，首先將大官塘水庫的DEM地形數(shù)據(jù)、基礎水文資料、來流條件、水力半徑、河床糙率、模擬網(wǎng)絡和時間步長的數(shù)據(jù)進行集合預處理，生成河網(wǎng)文件、邊界文件、斷面文件、參數(shù)文件和時間序列文件，然后將這些文件輸入水動力模塊，再輸出3張可視化數(shù)據(jù)圖紙，即大官塘水系水深條件與分布圖、大官塘水系流速條件與分布圖和大官塘水系水流流向條件圖，進而輔助進行基于水深和水質(zhì)條件的植物配置方案設計、基于水污染分布分析的設施方案設計和基于水域形態(tài)演變分析的水體形態(tài)設計等(圖2)。

3 基于數(shù)值模擬的水環(huán)境改善和景觀設計策略

3.1 水庫水深分析與開發(fā)策略

從MIKE 21模型生成的大官塘水系水深數(shù)據(jù)(圖3)中可以看出，水庫內(nèi)部水深大致分布在0～7m，而距離岸線6m處水域的水深最大達到7m，最小1m(圖4)，這意味著水深變化將對植物的分布范圍和游覽的安全產(chǎn)生影響。因此，主要可以得到以下2個開發(fā)策略方案建議：一是對于水陸交接帶植被結構設計的指導，即依據(jù)植物的適水習性特征，可以劃分為水生、濕生(沼生)、旱生、中生等植物生態(tài)類型，并將其按照特定區(qū)域的水深條件進行布置；二是對安全型活動區(qū)選點的指導，保障親水活動的安全性是進行水環(huán)境與岸帶活動設計最根本的基礎與底線，依據(jù)大官塘水系水深分布條件，盡量將人的活動范圍圈定在水深較淺處，進而選定出能進行諸如觀景、垂釣、休閑、餐飲和動物棲息等活動的適宜點(圖5)。

3.2 水庫流向分析與開發(fā)策略

大官塘水庫水源以季節(jié)性降雨為主，水域形態(tài)呈現(xiàn)季節(jié)周期性的變化。在水流影響下，水域岸線形態(tài)處于動態(tài)的演化過程中(圖6)。

根據(jù)大官塘水系水流流向模擬結果，對其水系岸線在5年、10年和50年過程中的演化情況進行分析(圖7)，可見其部分岸線的波動是比較大的。由此，可以得出2個主要設計策略：一是對于彈性岸帶形式的指導，基于大官塘水庫形態(tài)及演化預測分析，岸帶形式處理和形態(tài)設計需要預留長期發(fā)展的彈性空間；二是對引流設施類型與結構的指導，結合模型對水體流速現(xiàn)狀的分析，對于流速混亂帶進行生態(tài)島的位置和形態(tài)設計，恢復因流向混亂造成的水動力損失(圖8)。

圖1 大官塘水庫現(xiàn)場照片

圖2 模型運作流程圖

3.3 水庫流速分析與開發(fā)策略

根據(jù)MIKE 21模擬的大官塘水系流速數(shù)據(jù)(圖9)可以看出，水體流速大多分布在0～0.3m/s，其距離岸線6m處的流速最大達0.74m/s，最小為0.06m/s(圖10)。流速越大，越容易產(chǎn)生岸坡的安全隱患，而流速越小，則越容易造成污染物淤積和水質(zhì)惡化，由此得出兩大設計策略建議：一是對于防沖安全區(qū)段定位，依據(jù)大官塘水系水體流速分布，區(qū)劃駁岸類型與結構，輔助實現(xiàn)治理成本小與工程量較小的高性價比防沖設計(圖11)；二是水質(zhì)污染風險點定位，通過對大官塘水系流速空間分布的模擬，確定水質(zhì)污染易發(fā)的風險點，可作為后期配置水污染預防與治理的工程措施、生態(tài)措施空間區(qū)位的依據(jù)(圖12)。

3.4 基于水文水動力分析結果的規(guī)劃建設引導

通過MIKE 21模型對自然水文特征的分析與數(shù)據(jù)處理，對大官塘水庫的水體內(nèi)部循環(huán)產(chǎn)生的水動力情況有了量化依據(jù)，進而可以對水庫的水量變化、水質(zhì)狀態(tài)和水域邊界形態(tài)變動進行分析和預測，將定性經(jīng)驗判斷與定量數(shù)據(jù)分析相結合，得出總體景觀設計策略(表2)。

表2 基于MIKE 21模型分析結果的規(guī)劃建設引導

圖3 MIKE 21模擬大官塘水系水深數(shù)據(jù)

圖4 距離岸線6m處水深分布分析

圖5 安全活動區(qū)分布

圖6 MIKE 21模擬大官塘水系流向數(shù)據(jù)

4 結論與討論

本研究以大官塘水庫為例，應用MIKE 21水動力分析軟件，建立了水體二維水動力—水質(zhì)模型，模擬庫區(qū)水流及水質(zhì)條件，將數(shù)值分析結果轉(zhuǎn)譯為水環(huán)境景觀設計的科學基礎，提出了強化庫區(qū)水動力、提升水質(zhì)的水域空間設計總體策略，并對規(guī)劃方案進行了定量評估。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整水域空間形態(tài)、布設水工設施，可有效提升整體水動力水平；通過合理配置挺水、浮水和沉水植物，構建高效植物生態(tài)系統(tǒng)，則可有效提升湖區(qū)水質(zhì)，基本消除大官塘水庫局部區(qū)域水質(zhì)惡化的風險，從而實現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善和景觀效果提升的耦合統(tǒng)一。

但是，本研究也有局限性。首先，在這次水環(huán)境定量分析過程中，數(shù)據(jù)采集來自實驗室，而非自然狀態(tài)下實地獲取的數(shù)據(jù)，這或許與現(xiàn)實中的研究結果存在差異,建議應用時對模型可靠性進行驗證，比如通過實時監(jiān)測場地內(nèi)的水動力與水質(zhì)變化取得實測數(shù)據(jù)，將其與模擬值進行比對，以便做出相應調(diào)整，進而提高參數(shù)選擇的恰當性與模型設置的合理性；其次，本研究采用單一要素變量的研究方法進行規(guī)劃要素的測度，如水深、水流速度等在規(guī)劃層面上的影響，但規(guī)劃設計是一個由多自然和多社會因素綜合影響而產(chǎn)生的結果，所以，在深入研究階段，科學構建水環(huán)境單一要素之間的權重影響體系，將是本次研究的一個重要環(huán)節(jié)，這直接關系到規(guī)劃方案設計和水環(huán)境綜合評價的科學合理性；最后，定量分析與定性分析的結果極有可能是相反的，因此，建議設計者權衡利弊，可通過多方案比較來尋找經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的契合點。

無論如何，景觀設計正在走向數(shù)字化，對場地進行科學合理的預估和判斷將會指導我們做出更加全面的決策。此次研究中提出的水動力、水質(zhì)數(shù)值模擬指導下集成水景觀空間規(guī)劃與水生態(tài)修復技術的湖庫型水體景觀綜合生態(tài)規(guī)劃方法，可為今后類似的項目實踐提供借鑒和參考。