基于情景模拟的承德避暑山庄水系集雨能力和汇水效果∗

康嘉奇 彭圣杰 戈晓宇

北京林业大学园林学院 北京 10083

承德避暑山庄是中国现存面积最大的自然山水式皇家园林,是古典园林中利用自然山水地形营建园林空间的典范[1],水系是整个山庄景观的精髓所在。现阶段中国自然水景研究主要集中于两类:一类是对中国古代各名园中的自然水景理法进行分析研究；另一类则将水景作为专项研究,全盘介绍水景类型、设计和建造手法[2]。而目前关于承德避暑山庄的研究也主要集中在造园艺术手法和整体布局上[3],缺乏对避暑山庄水系集雨功能的量化研究。

1 研究区域概况

承德市位于河北省东北部燕山北麓山间盆地中,滦河支流武烈河沿岸,属半干旱半湿润的大陆季风型山地气候,平均年降雨量534.3 mm,雨量集中在夏季,森林覆盖率达50%～70%[4]。避暑山庄位于承德市区北部、热河上营沿武烈河西岸一带狭长的天然河地,占地约564 hm2,四周群峰环抱[5]。根据避暑山庄DEM数字模型图、坡向分析图可知,避暑山庄内海拔最高为469 m,其山体坡度大部分集中于0～29.64%,山岳景区小部分坡度达到了77.92%,山体朝向南面坡度居多。避暑山庄的水源主要来自3方面:一为园外武烈河与狮子沟之间隙水,是主要水源；二为西北群山上的泉水与雨水径流；三为园内热河泉。避暑山庄内依据地形主要划分为山岳、湖泊和平原景区。大地形主要分布在山岳景区、山岳之中,自南向北为榛子峪、松林峪、梨山峪和松云峡4条峡谷,康熙利用峡谷中的溪流,形成“山夹水”“山临水”“山水相望”[6]的山水关系。

1)现状沟峪的汇流合一。通过设置湖面承接松林峪、梨山峪、榛子峪季节性汇水,对雨水径流进行汇流与收集,将原有分散的汇流整合为一处景观水体。

2)园中园的径流分散处理。避暑山庄中有众多园中园,每个园中都有一处景观水体,从冲沟顺流而来的雨水径流在园中园进行滞留、下渗、净化等过程后通过溪流、暗渠汇流进入末端湖区。避暑山庄对于径流的处理体系包含了源头分散处理到末端集中调蓄,并将所有水工设施进行景观化处理,形成了集雨功能与园林景观的统一,是山水理法中生态智慧的体现。

2 基于SWMM情景模拟的避暑山庄水系集雨能力

利用SWMM软件对山庄内水体调蓄雨洪的能力进行情景模拟验证,分析开发前、后24 h降雨时间下水体消减径流总量、峰值流量,推迟峰现时间的能力。

2.1 降雨数据分析

根据暴雨强度公式(公式1-1),同时通过资料查阅得到承德市的暴雨强度公式中各参数的数值(公式1-2)。再输入重现期和降雨历时数据,计算得到各重现期降雨量:1年一遇降雨量为35.92 mm、2年一遇为43.79 mm、3年一遇为48.39 mm、5年一遇为54.19 mm、10年一遇为62.06 mm、20年一遇为74.44 mm、30年一遇为151.40 mm。利用芝加哥雨型生成器将重现期6h降雨历时进行降雨强度拆解,拆解后的各重现期降雨强度曲线见图1。

上式中q为暴雨强度(L/(S·hm2))；A1为雨力参数(mm)；C为雨力变动参数；P为重现期(a)；t为降雨历时(h)；b为降雨历时修正参数(min)；n为暴雨衰减指数

2.2 研究区域划分

依据承德避暑山庄的地形特征,结合GIS对场地进行的径流、流域分析,将避暑山庄划分为51 465个小汇水分区；再根据山庄地形,根据山脊线以及山谷的走向在SWMM中手动将山庄分为25个汇水分区以及1个末端出水口(各汇水区域的面积和划分结果见表1,图2)[7]。避暑山庄水系的汇水区主要来自西、北两个方向,雨水产生的径流分别通过汇水区域流向榛子峪、松林峪、梨山峪和松云峡4条峡谷及半月湖,再流向长湖和如意湖,最后与热河泉汇合向东北自水心榭流入银湖,自五孔闹流出汇入武烈河,形成完整水系。

表1 各汇水分区的汇水面积hm2

图1 各重现期降雨强度曲线图

2.3 构建模型

根据古籍对热河上营的描述构建其情景模拟模型,山坡及山丘覆盖大量植被,西侧武烈河萦绕,土地肥沃。山间有季节性汇流的冲沟,径流排放体系为山谷——山前冲沟。避暑山庄情景模拟模型构建借鉴现今海绵城市建设中低影响开发模式,模型概化采用源头消减—中途传输—末端调蓄的径流排放体系,将场地内冲沟、路边沟渠、水池、水体等与植草沟、调蓄池相对应。

同时根据承德避暑山庄土壤特性以及SWMM建模原理,对山庄内建筑硬质和绿地林地进行情景模拟。降水下渗选用Horton模型,汇水分区各项相关参数参考SWMM用户手册推荐值以及相关文献,其中不渗透面积粗糙系数N值,根据暴雨洪水管理模型——EPA SWMM用户教程[8]第85页地表漫流的曼宁粗糙系数N值表,参考数据取0.011,渗透面积粗糙系数N值取0.4,面积及坡度依据山庄实际情况进行设置。

通过查阅承德市土壤特性的相关文献资料[9],结果发现承德避暑山庄土壤类型南北坡有所不同。阳坡土层较薄,约15～40 cm,多为砂土,石砾多,岩石裸露,土壤瘠薄,轻壤质；阴坡土层厚约40～80 cm。平原景区,武烈河两岸为河流冲积母质上发育形成的草甸褐土,土层为30～60 mm,下层为河砂。根据《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范(2016年版》[10]的土壤渗透系数表,确定山坡土壤渗透系数为1.16×10-5m/s,平原区土壤渗透系数为6×10-5m/s。

山庄内的山体冲沟、道路边沟在模型中转化为植草沟,并对其参数进行定义[11],根据现场调研得出其深度为500mm,植被覆盖值取0.2,表面粗糙系数值取0.03,表面坡度值取0.5%～12%,洼地边坡为4。由于LID设施数量少,情况简单,因此将LID设施单独设置为一个独立的汇水分区,并与定义好的LID设施相关联。

2.4 结果与分析

避暑山庄的径流总量和出流总量模拟结果见表2,避暑山庄末端出水口径流模拟结果及峰现时间见图3。

图2 避暑山庄汇水分区划分图

表2 重现期降雨强度下出水口径流模拟结果

图3 重现期降雨条件下出水口径流曲线

根据表2和图3可以发现,避暑山庄在1、2、3、5、10、20、30年一遇的降雨条件下径流总量分别减少100%、72.1%、44.1%、25.4%、24%、15%、5.9%,峰现时间分别延迟80、75、55、30、22、18 min。根据SWMM情景模拟的结果可以看出,避暑山庄具有消减径流、推迟峰现时间的作用,但是随着重现期降雨量的增大、降雨强度的上升,径流的消减作用逐渐减小。

3 基于HEC-Ras二维非恒定流模拟的汇水效果

利用HEC-Ras软件对山庄内雨水资源化利用形成景观水体的能力进行情景模拟和验证,分析在10 mm、20 mm、30 mm、1年一遇、2年一遇、3年一遇降雨条件下湖区形成的季节性水位及水量。将国家地理数据云提供的承德双桥区GDEMDEM 30M分辨率数字高程数据叠加避暑山庄高程数据,转化为山庄TIN网格,为模型提供高程、坡度及坡长信息[12]。将10 mm、20 mm、30 mm、1年一遇、2年一遇、3年一遇的降雨量通过芝加哥雨型进行拆解,生成每隔5 min的降雨强度值,通过SWMM软件分析得到流量值。

由于山庄湖区的常水位无法确定,所以本研究只能进行二维非恒定流模拟获得湖区季节性水位数据。二维非恒定流模拟模型精度为1/1 024,采用50 m×50 m的二维网格,基于Ras mapper生成每个二维网格的水力特性关系,根据湖区形态对上下游出入水口进行设置,上游入水口设置边界条件为流量过程线,下游出水口设置边界条件为正常水深[13],进行6 h的二维非恒定流模拟。

分别对不同降雨条件下避暑山庄景观水系的范围进行模拟,得到相应的景观水体淹没范围(表3,图4)。山体雨水在冲沟内汇聚成溪,依据山庄地形顺势而为,自然汇流入湖区作为季节性湖体景观补充用水[14]

表3 HEC-Ras雨洪景观模拟数据表

图4 10 mm、20 mm、30 mm、1年一遇、2年一遇、3年一遇降雨量下雨水淹没范围

4 讨论

承德避暑山庄水系和山体沟谷共同形成了网状结构的径流控制体系,使湖体具有良好的调蓄作用,避暑山庄砂土土质的渗透能力可以应对较小的降雨强度,因此避暑山庄水系能够完全消纳1年一遇降雨产生的径流,推迟峰现时间。当遇到超过1年一遇的降雨时,山地的土层较薄,土壤的雨水吸收能力下降,产流速度加快；另外山地的坡度导致汇流速度加快,峰现时间的推迟作用逐渐减弱,径流总量超过了水系的承载能力,出水口开始产生出流。避暑山庄湖区的水景面积为28 hm2,在1年一遇的降雨条件下,仅靠雨水径流汇集可形成约27%的水面面积,这说明雨水径流对于避暑山庄水系的补水能力比较有限,仅靠雨水径流的收集无法形成持续稳定的水景效果。

避暑山庄巧妙地利用园外武烈河的水系,高处引水低处排水,依托自然河流形成了更加可靠的补水来源和更加强大的水安全保证[15]。同时将自然山水与人工疏理巧妙结合起来,成为自然山水园林的典范。这种将绿色空间与大自然相容,以小空间利用大自然弹性的设计方法大大增加了避暑山庄的“弹性”,也为造园者塑造优美的园林景致提供了更大的自由度。规划设计的过程本身是一个权衡利弊、综合判断的过程,是人、自然、城市多个层面需求不断博弈的过程,单纯依靠绿地内部的弹性同时处理水景观、水安全等多个层面的问题是非常困难的。将园林融于周边环境的自然体系,借助自然的力量形成弹性,保持稳定的水景观效果和可靠的水安全作用是避暑山庄水系中蕴含的更深层次的生态智慧[16]。

潘谷西先生在《江南理景艺术》中说“自然山水风景与‘园林之景’不同,不能人造,只能以利用为主,‘理’者,治理也”。避暑山庄“水心山骨”[4]的山水理法在保证山庄免受雨水冲击的同时,营造出不同降雨量下季节性水体景观,可见自古以来人们就在力求与自然达成最佳的和谐关系。在人地关系紧张的现代,借鉴古典园林山水理法所传达出的生态智慧指导实践就显得意义重大。本文受研究条件所限,未能采集现场径流数据作为模拟数据的校核,这也是未来研究可以拓展和延伸的重要方向。