基于数值模拟仿真技术的水生态景观规划设计探索

杨冬冬 曹磊 刘海龙 赵新

随着全社会生态环境意识的明显增强，人们对于提升人居环境的诉求日益强烈。水生态景观作为风景环境中最具吸引力的景观要素之一，既是风景园林规划设计的重要内容，也是生态环境改善的主要途径。这就决定水生态景观规划设计不仅关乎“形态形式”，而且强调“生态功能”。在此背景下，水生态景观规划设计的理念经历了从改造自然、征服自然向遵从自然、适应自然的转变，由此其相应的规划设计方法正逐渐从经验性、灵感性向科学性、合理性转变。如清华大学周维权先生在《中国古典园林史》中所述，“科技之于园林有关者，主要表现在建筑、植物、筑山、理水这四个造园要素上面……理水方面，从洛阳西苑和东京艮岳的河湖水系的经营情况看，园林理水的规划设计已达到相当精密的程度……”[1]。可见，对于水景观规划技术的探索由来已久。

当今，数字技术在设计领域的研究和应用不断深入，正从初期单纯辅助设计师进行复杂形态设计向基于生态过程模拟的生境与景观协同规划设计过渡。在水生态景观规划设计方面，水安全和水生态受到高度重视，洪涝威胁、水源不足、水体黑臭、生境单一等现象要求水生态景观的规划设计要将“水”的问题和“景”的塑造统筹协调考虑，这已成为当前水生态景观规划设计的难点和重点。针对水环境的数值模拟仿真技术为解决这一难题提供了途径和思路，通过构建场地模型，以描述场地水环境的定量化数据作为边界条件，对场地内不同工况下水文循环自然过程与规律进行分析和解读，可以帮助设计师了解平面或空间上的设计调整是如何对场地的水环境产生影响，从而为水生态景观的规划设计提供支撑。

本文作者将从水生境特点与规划设计的作用关系出发，结合实践案例探讨基于数值模拟仿真技术的水生态景观规划设计，以期丰富风景园林规划设计方法，促进风景园林环境生态与形态协同设计模式的发展。

1 水环境特点及其评价

1.1 水环境的特点

城市中常见的水景观或者说水环境包括河流、湿地、水塘、水库、蓄水池和湖泊。河流或蜿蜒曲折或一泻千里，湖泊或波光粼粼或平静浩渺，总体而言，不同水环境具有不同的表现形态和景观风貌。这在根本上是由水体外在表象之下的地形地貌、水文水动力、物理化学特性以及生物资源4个因子及其相互作用决定的。这4个因子不独立存在，而是广泛地相互依赖、相互依存。

其中，地形地貌作为水体的边界条件是影响其水文水动力的关键；而以水流和水量为代表的水文水动力因子对水环境的物理化学特性和生物资源均具有决定性作用。它决定能量流动、泥沙侵蚀、生境结构的形成和稳定，影响生物间的相互作用（通过提供食物、养料或造成一些物种的灭绝）、能量来源（通过引起河岸的侵蚀）和化学变化（通过水力转移和稀释污水影响水体中化学物质的数量）[2]。正如《欧盟水框架指令》（EU WFD）所述，水文水动力因子影响着水生境的水文活力、水质和生物资源，可以说是水生态景观生境形成的直接驱动力。而地形地貌、水文水动力和物理化学特性中任何一个因子的细微变化都会最终引起水生动植物群落结构和特性发生改变。

因此，对于以上4个因子的定量化描述和评价是深入理解水环境、挖掘水环境变化规律的重要途径。

1.2 水环境特点的评价

水环境的特点可以通过对地形地貌、水文水动力、物理化学特性以及生物资源4个因子进行评价而获得。分形地貌理论、河流生态需水量理论、水环境容量理论和河流生态健康理论是该评价的理论基础。

1.2.1 地形地貌因子评价

早在1989年美国俄亥俄州环保署便从地貌角度选取河道弯曲程度、滨岸带宽度、冲积平原质量、深潭最大深度等多个指标，用来表征和评价河流生物栖息地的物理环境性质[3]。目前，针对水体地形地貌的评价常采用包含目标层、准则层和指标层的多层地形地貌评价指标体系。

目标层面向不同的水环境分类，如湿地地貌、河流地貌、湖泊地貌、水库地貌等；针对每一种水体类型，准则层对其地形地貌进行定性描述和特点分类；指标层则是准则层内容的量化表达，集合了描述水体地形地貌形态特征的具体指标，每种指标均具有明确的计算方法。以河道地貌为例，其准则层指标包含河道稳定性、纵向蜿蜒性和河岸带多样性，其下一层级的量化指标包括深潭、浅滩和边滩面积与主河槽面积的比值、稳定河床河段与总河段的比值、河漫滩平均宽度等。

评价的依据来自自然。即以大量自然水环境为样本，对照评价体系中的指标层，计算各项指标并统计，由此获得的各项指标参考区间值即为地形地貌评价的依据。

1.2.2 水文水动力评价

水体的水流现象极其复杂，但经过大量学者长时间的研究，目前针对水体水文和水动力特性的研究成果非常成熟，常采用水位、水量和流速予以描述和评价。

河流生态需水量为水文水动力的评价提供依据。它并不单单指生物体的需水量，而是具有保护维持生物栖息、维持水体自净能力、维持水面蒸散发、维持水沙平衡以及维持水体水盐平衡5层内涵的生态环境需水量，以及与水量相匹配的水位、流速要求。

1.2.3 物理化学特性评价

对水环境物理化学特性的评价是掌握水体水质的主要途径。众所周知，采用一些简单且精确的方法，可以连续监测多种水质或水体的物理化学特性指标，如水温、浑浊度、溶解氧、化学耗氧量等。

基于水环境容量理论，美国提出最大日负荷总量计划（Total Maximum Daily Loads，简称TMDL）。该计划以满足社会经济可持续发展和保持水生态系统健康为目标，明确了在不影响某一水体正常使用的前提下，该水体所能容纳的某种污染物的最大日负荷量。该指标系列为水体的物理化学特性评价提供重要依据。

1.2.4 生物资源评价

河流生态健康理论正在把水环境修复与管理的核心目标从优良的水质转移到维持整个水生态系统健康的价值方面。因为单纯的水质达标不是一个水环境具有良好生态状态的必要条件。随着净水技术的不断提高，经过现代高效水体净化技术的处理后，虽然水体的水质可以达到非常理想的状态，但是河流的生境结构和生物多样性仍然很差的现象屡见不鲜。由此可见，水环境的生物资源可以说是水环境健康度的综合表现。目前，欧盟水框架指令和生境指令、欧洲委员会及有关国际法规均支持并致力于生态水系统评价的研究和制定。

水环境生物资源评价常采取单指标生物评价方法，就是从一个生物指示组中选择一个目标物种，并进一步对其密度、数量或完整性进行评价。根据已有研究显示，在河流状态评价中，由于生物的生活阶段不同，选择的生物指示物也会带来精度上的误差。下列指标误差变化的趋势：浮游植物>浮游动物>大型无脊椎动物>大型植物>鱼类[4]。这就是说以浮游生物为指示物种的评估常表现出较高的季节性差异，而以鱼类为指示物种更为适宜。当然如果同时使用多种指标，能够对水环境的生物资源得到更准确的评价结果。

2 基于数值模拟仿真技术的水生态景观规划设计流程与方法

2.1 缘起

人类借由规划设计对水体的改变由来已久，也是通过影响上述4个因子而实现的，特别是城市地区的水环境。参考罗斯纳等[5]的研究报告，将人为建设对水体的负面影响归纳为：1）改变河滨地带和洪泛平原连通的时间和程度[6]，使河道基流减少，水量不足，水位降低，水生动植物生境被破坏；2）改变原始水流状态，低流速水流大范围出现，污染物浓度增加、溶解氧减少，引发水质问题，水生动植物生境被破坏；3）水流被直线化束缚，使得水体的物理状态均一化，降低了生态系统的水文异质性或水流多样性，水生动植物生境被破坏；4）大量外界污染物侵入水体，水体水质被破坏，水生动植物生境被破坏。

不难看出，以水生动植物生境被破坏为最终表象的背后原因：一类是人为活动对水体物理环境（包括地形地貌和连通性）造成了负面影响，导致水体水文水动力特征改变，进而带来水生动植物生境的破坏；另一类是外界污染物入侵水体，水质恶化导致的生境和生物资源破坏。后者多源于管理缺失，而前者与规划设计关系密切。

水体物理环境作为水生态景观规划设计的直接对象，以此为媒介，了解规划设计行为如何对水体水文水动力以及水环境生物资源产生更进一步的影响，是避免不当人为规划设计对水环境造成负面影响的重要途径。而针对水环境的数值模拟仿真方法为该路径提供了关键的技术手段。

2.2 逻辑与流程

传统的设计过程被认为是一个以人的设计活动和内容为序列的单向线性过程，即以人为的规划设计活动终止为结束。随着当代对于规划设计和生态效益关系的关注和发展，逐步认识到完整的规划设计过程包含规划设计过程和规划设计过程诱发下的生态演进过程两部分。前者短时可见，而后者具有明显的滞后性，可能会在规划设计工作完成后的很长一段之间后才会结束。两者相互关联，构成一种“齿轮效应”。作为以复杂而生态性突出的水环境为对象的水生态景观规划设计完全符合这一效应（图1）。在该效应下，一个齿轮由水生态景观规划设计要素组成，包含地形设计、植物设计、空间设计等；另一个为由地形地貌、水文水动力、物理化学特性以及生物资源4个因子构成的水环境齿轮。适宜的要素可以产生与水环境齿轮相吻合的设计齿轮，两者环环相扣促进健康生境形成；而坏的设计则可能破坏水环境齿轮，使生境退化。这种“齿轮效应”决定水生态景观规划设计需要明确了解怎样的设计可能会产生怎样的水环境影响，并采用“设计—分析—评价—再设计”的“循环设计”过程予以支撑，而其中的“分析—评价”环节则需要借由数值模拟仿真技术来完成。

1 水生态景观规划设计的齿轮效应The gear effect of water ecological landscape planning and design

水生态景观规划设计过程以保护、维持或修复水生态环境为首要目标。因此“循环设计”需要首先设定生态目标，其次确定待分析和评价的目标水环境因子，并选择评价指标体系，将待评价的水环境因子具体化和指标化，然后将水生态景观规划设计方案带入计算机模型，通过数值模拟仿真技术，计算获得基于本方案的待评价指标数值，并与目标值进行比较。如果满足目标指标值，则方案设计阶段停止；如果未达到目标指标值，则需对方案进行调整，进入第二轮设计循环，直至所有指标均满足目标要求（图2）。

2.3 工具

水生态景观规划设计中，常以营造某种生境类型和为某些动植物提供适宜生存繁殖环境为目标，待评价的水环境因子包括最小生态需水量、水质管理目标和适生生境指标等。而这些复杂的水环境因子常可以与其相应的水量、水位、流速以及污染物浓度分布来表征，并通过Hec-RAS、MIKE21、SWMM等水环境模拟方法计算获得。其中，HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算模拟技术，适用于河道稳定和非稳定流一维水力计算，操作简单，可获得不同降雨、上游补引水情况下河道水位、流速、流量信息。MIKE21可用于任何忽略分层的二维自由表面流的模拟，适用于模拟河流、湖泊、湿地、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境，具有较高精度，并可与GISMAP兼容，利于模拟结果的图形可视化；SWMM暴雨洪水管理模型是一个动态的降水—径流模拟模型，主要用于模拟某一单一降水事件或长期的水量和水质过程模拟。

在水生态景观规划设计中，可根据所需模拟的水环境特点、所需获得的指标类型以及精度要求，合理选择模拟方法和软件（表1）。

3 基于数值模拟仿真技术的水生态景观规划设计实践

3.1 天津市七里海国家级自然保护区的生态修复实践

天津市七里海国家级自然保护区是1992年经由国务院批准建立的国家级古海岸与湿地类型的保护区，总面积344.38 km2。本项目位于保护区的核心区，面积为44.85 km2。

七里海湿地形成于5 000多年以前，是渤海湾自全新世以来达到海侵最大范围后，海水后退，逐渐成陆过程中遗留的众多泻湖洼地之一。但是自20世纪以来，受中国城市快速发展建设的影响，七里海湿地由于上游来水的逐渐减少，以及水产养殖行业的影响，湿地水域面积减少，苇荡日渐退化，湿地生境趋向单一。

2 基于数值模拟仿真技术的水生态景观规划设计流程Process of water ecological landscape planning and design based on numerical simulation technology

3 基于数值仿真技术的七里海湿地修复核心步骤和流程The key steps and process of Qilihai wetland restoration based on numerical simulation technology

表1 常见水环境评价指标的计算和模拟方法Tab.1 Calculation and simulation methods of common water environment evaluation indexes

规划的现状分析以实地踏勘与“压力—状态—响应”模型评价方法相结合，在此基础上明确了“以合理补引水为先导的湿地生态修复策略”，即以湿地水系统修复为抓手，进而逐步实现湿地鸟类生境与植物群落的修复。

针对七里海湿地苇荡因缺水而退化，并进一步导致鸟类减少的突出问题，七里海湿地水系统恢复规划部分旨在修复或局部重建湿地内能够起到输送水源、涵养植被作用的沟渠系统。沟渠系统的修复规划采用“设计—分析—评价—再设计”的“循环设计”过程（图3）。第1步“设计”：首先本着“浅层动土，原位调整”“只动淤土层，不扰原土层”的原则，结合场地现状，提出七里海补水沟渠平面草案；其次充分考虑到栖息在七里海湿地中涉禽的生境喜好和芦苇生长的水深要求，确定沟渠断面深度为0.5～0.8 m不等，主干沟渠深度在0.6～0.8 m之间，分支沟渠浅，深度在0.5～0.6 m之间。第2步“分析”：选定芦苇作为沟渠输水涵养的核心目标物种，分析其生长过程中的需水规律[7-8]（图4）。第3步“评价”：项目选取前文所述的地形地貌评价体系，评价指标为湿地中不同生境类型的面积比值。美国Robert提出的“栖息型湿地由开放水面（深水区）、沼泽、滩涂组成，面积比为5∶4∶1”作为评价依据。针对规划草案进行“生境类型面积比”计算[9]。利用GIS平台建立规划草案的平面二维模型，导入MIKE21模拟界面后，以不同季节芦苇生长的需水量作为边界条件，模拟不同输水情况下，七里海湿地核心区内开放水面（水深大于2 m）、沼泽（常年有水）、滩涂（间歇性有水区域）的面积比（图5）。第4步“再设计”：调整七里海补水沟渠平面草案直至其不同生境类型的面积比值接近评价依据，最终形成沟渠系统的修复规划方案。

4 以芦苇为指示指标的七里海湿地不同季节的补引水规律The water diversion rule of Qilihai wetland in different seasons taking reeds as indicators

5 MIKE21模型下七里海湿地西海不同季节的淹没模拟The inundation simulation of the west part of Qilihai wetland in different seasons under the MIKE21 model

待七里海湿地水系统恢复规划方案形成后，项目进一步对重点区域如鸟岛、滨河滩地的植物群落和鸟类生境进行详细的恢复设计，以期在不同尺度上保障修复规划的可实施性。

3.2 秦皇岛市北戴河新区水系规划设计实践

北戴河新区位于秦皇岛市域滨海地区的西侧。区内地势平坦、海拔较低，自西向东呈现有冲积洪积平原、泻湖与海积平原、海岸沙丘带、海滩、水下岸坡等地貌类型。由于该区为冲积平原向海域转变的过渡区，区内入海河流众多。河流沿岸生态环境基本良好，夏季芦苇、菖蒲等挺水植物茂密葱郁，常见白鹭、白鹮等鸟类在此栖息觅食。但近年来受到日益严重的气候变化和河流上游水库拦截影响，区内河流特别是东沙河以及大蒲河的支流，流量季节性差异突出，河流生态环境存在退化隐患。

北戴河新区的开发建设给新区水系带来了机遇与挑战。如何遏制水系生态环境退化的趋势，重新激发河流活力，推动河流自身良性循环发展，使河流成为区内环境提升、景观营造的助推力是整个项目的关键。

基于实地踏勘和现状数据、资料整理分析发现，北戴河新区内现状水系水质良好，地貌生境相对稳定，但水源日益不足，水流减缓的问题成为该区域水系生态安全的薄弱环节。此外，新区开发建设将对水系生物资源造成潜在威胁。针对上述问题，当地政府提出引洋河水入新城补水的设想，力争在解决区内水系水动力不足的同时强化区域“生态水城”的新区规划理念。

补引水方案中的引水量以目标鱼类的适宜水深为边界条件确定。根据国内外研究表明，适合鱼类生存的生态水深的下限值约为鱼类体长的3倍[10-12]。区内现状河流中基本以鲫鱼为主，存活良好，而且它是吸引白鹭、白鹮等鸟类栖息觅食的主要因素之一。因此，项目以0.6～0.9 m作为新区河流水深的下限值。根据场地DEM数据、河流典型断面信息构建新城水系的三维河网模型，以场地相关水文资料和符合适宜水深下限值的补引水量为边界条件，采用Hec-RAS对河网的水文水动力情况进行模拟评估（图6）。

根据流速评估结果，将水系方案划分为高于适生流速区、低于适生流速区（以鲫鱼的极限流速0.7 m/s为依据划分）及水流不畅区，并以此为依据提出相应的生态化景观调节措施（图7）。在低于适生流速区主要通过在其上游设置多级跌水堰雍水，抬高水头，增加水流曝气增氧的机会，并辅以水生植物、生态浮岛等措施，一定程度上避免低流速区水流过缓导致的水质恶化隐患；在规划的中心湖景区，由于水流分支过多，丰水期存在水流不畅、缓滞等问题，建议结合地形、植物要素设计导流丁坝等，在发挥调节水流作用的同时增加河流生境、丰富水景形态。

4 讨论及展望

以水环境特性评价模型为基础，借助数值模拟仿真技术，使得科学地分析和预测规划设计方案对水体生态特点和功能的影响成为可能。针对不同地区、类型、规模的水环境特点，结合规划设计目标，筛选特性评价指标，然后选取适宜的数值模拟工具，在模拟工具的平台上建立场地模型后，计算评价指标的数值，并进一步将设定条件下描述水体情况的数字化信息转换为图形化形式，即可为方案优化或多方案比选提供依据，完成循环设计涵盖“设计—分析—评价—再设计”的全过程。这不仅益于提高水生态景观规划设计的科学性与合理性，更利于促进景观规划设计方法与方式的变革。

6 北戴河新区补引水方案河网模型的构建与模拟结果The construction of river network model and simulation results of the water diversion scheme in Beidaihe New Area

7 基于数值模拟结果的景观化水流调节措施与布局Measures and layout of landscape water flow regulation based on numerical simulation results

水生态景观类型多样，随地区自然气候条件的不同在形态、生态等方面存在明显差异，而水生态景观的规划设计更是一项复杂的系统工程。因此，在运用本文所述方法时，一方面需要充分分析项目对象的水环境特点，综合项目目标，准确筛选出适宜的评价指标；另一方面，在建立研究对象的模拟模型和输入模拟边界条件时，应对繁杂的场地情况进行合理整合或提炼，在保障模拟计算可操作性的同时提高计算精度。这就需要景观规划设计者和研究者不断加深对于水生态景观的理解，并大量积累从事相关项目的经验。

基于此，今后的水生态景观规划设计研究将着眼于以下两方面继续发展。首先，结合不同水生态景观的特点，并综合考虑气候区因素，对水生态景观进行细化分类，建立不同气候区、不同分类水景观的水环境特性评价指标菜单和适宜模拟工具的菜单。其次，针对风景园林学科在水生态景观规划设计中各环节的需求，尝试运用Python语言编写功能插件嵌入已有的数值模拟软件中，以期能够使数值模拟软件更好地为水生态景观规划设计服务。

注释：

① 图1～7 均为作者自绘。

② 表格数据为作者编写。