基于Delft3D污染物扩散模拟的城市湖泊景观水体三维形态循证设计

汪洁琼

陈 奕

毛永青

王 敏*

1 研究背景与目标

风景园林是一门集自然、艺术、人文、工程、社会、人类领域科学基础性理论知识于一体的学科和专业，具有广泛的交叉性[1]。以风景园林生态方向为例，其背后依托于生态学、地理学、环境工程学和植物学等多个学科。但仍有不少专业实践依靠经验主义和感性创作，纠结于各种设计风格的选择，摇摆于业主的喜好与专业精神，失望于绞尽脑汁的创意萌发被批评为“玩弄概念”，甚至由于缺乏生态知识，导致所谓的“生态项目”陷入生态困境，徒有其名。正如象伟宁教授所揭示的，这样一类困境源于约翰逊范式(Johnson's Quadrant)或爱迪生范式(Edison's Quadrant)[2]，属于自由感性创作抑或传统的、以美学和设计理论方法为核心的经验主义设计。朱黎青等[3]、陈筝等[4]也先后提出并强调“循证设计”(evidence-based design)的重要性，批判传统经验主义的设计方法多依据规范、采用演绎推断，或依赖于设计师个人的灵感迸发，不足以满足当前时代变革与中国社会发展对本学科、本行业的要求，风景园林学科应向以科学解释和客观可度量的循证设计方向转变[4]。

城市湖泊景观水体主要是指城区范围内具有景观效益的面状水体[5]，包括自然形成或人工开挖的湖泊、坑塘或水池，常受到人类活动干扰，多为封闭缓流、补水条件单一、流动性较低的水体[6]。当前对于湖泊形态的研究主要围绕二维形态展开，例如湖泊的面积动态变化与岸线形态变化[7]，以及从湖泊的面积、周长、近圆形指数、形状指数和分形维数等定量指标对湖泊进行形态特征分析[8-9]等。在湖泊形态设计方面，“理水”是中国造园的传统手法，也是现代风景园林学科工程实践的重要领域，如城市公园中的湖泊水体设计和坑塘湿地设计等，其核心议题之一就是平面形态与竖向设计构成的三维形态，包括由湖岸线、湖底地形、岛屿、堤坝等不同要素构成的“骨架”。传统设计方法往往基于形态视觉美学的经验主义和对滨水空间的想象进行景观水体的空间塑形，但景观水体三维形态绝不仅仅是“好看与否”的问题，研究表明，诸多形态要素对水循环、污染物富集都能造成直接影响[5]。在长三角地区，地形平坦、水流缓慢、泥沙淤积，城市湖泊景观水体多为浅水湖泊，面临较大的富营养化风险[10]，如何有效促进水体循环、预测水体中污染物潜在富集的位置以强化水质保障，已成为水景营造与健康发展亟待解决的问题。例如2007年上海天山公园中的葫芦湖，有机污染物及氮磷指标严重超过国家对地表景观娱乐用水规定的水质指标[11]，2018年1月又出现红藻泛滥现象。

循证设计倡导将设计建立在有客观度量标准和系统的循证知识基础上[4]，可为解决城市湖泊景观水体设计中的“瓶颈”问题提供有效帮助。这要求风景园林师不仅要作为已知生态知识、原理和规律[12]的搬运者，更要把握空间形态营造的学科核心[13]，积极通过学科交叉、跨界、协同，建立并发展属于本学科的可指导实践的知识体系、技术与技能，开拓与丰富风景园林理论并通过生态实践进行验证[2]。正如周燕等指出：“不了解水循环过程中的水动力条件、水量和水质变化等因素的情况下，凭借个人经验和定性思维，容易做出背离水体生态的设计决策”[5]，如湖库水体因过度追求“弯度”而出现的水体流动性较差的“死角”。近5年来，中国风景园林界开始出现基于参数化设计、水动力模拟、水生态模拟的定量循证设计研究，如袁旸洋等利用Grasshopper软件根据参数化设计逻辑进行算法编写，实现水量、水体形态、工程量的多要素统筹设计与动态调控，优化设计方案[14]；张琳等[15]、周燕等[5]先后采用MIKE 21水环境模拟软件建立湖体二维形态，提出景观与水域空间的设计策略；史铁锤等提出以WASP模型为研究工具、以TMDL水质管理思想为基础的湖州市太湖河网区水质管理模式[16]；李林子等选择耦合EFDC和WASP 2个模型，建立了水污染事故对水质影响的预测模型[17]；杨冬冬等采用MIKE、GISMAP、SWMM等模拟方法和软件，提出设计-分析-评价-再设计的循环路径[18]；乔菁菁等[19]、龚子艺等[20]采用Aquatox模型模拟湖体水生态系统，评估湖泊湿地系统中水质净化措施的有效性。已有研究多以水体平面形态为研究对象，较少针对风景园林空间营造中的岸线、岛屿、堤坝等重要形态要素展开深入讨论；进行景观水体形态设计方案比选时，往往缺乏对潜在水质问题的预判与探索。

基于此，研究着眼于改进城市湖泊景观水体的三维形态设计，以水质提升为切入点，兼顾生态与形态，旨在探讨并回答：如何客观科学地模拟城市湖泊景观水体不同三维形态设计方案下可能产生的污染物扩散与富集情况，并根据模拟开展循证设计研究。选取常熟市琴湖为实证案例，通过Delft3D模型模拟的方法，研究基于湖岸线、湖底地形、岛屿、堤坝等要素组合形成的2种平面形态和6种三维形态下的流场特征，模拟湖体中污染物总氮(TN)扩散与富集状况，揭示其动态水质变化过程。研究结果有助于筛选对水质保持有利的湖体地形设计方案，也可为城市湖泊景观水体的循证设计提供一定的技术支撑与参考。

2 研究方法

2.1 Delft3D模型及水动力模拟特点

水动力模拟长期以来都是环境工程与水利工程专业的强项，较为常用的是丹麦水利研究所(DHI)研究开发的MIKE系列软件[21]、由美国国家环保局环境研究实验室开发的WASP(Water Quality Analysis Simulation Program)模型[22]、由美国弗吉尼亚州海洋研究所开发的EFDC(Environmental Fluid Dynamic Computer Code)模型[23]，以及由荷兰Delft大学WL Hydraulics研发的Delft3D模型[21]等，但相关研究更多聚焦水环境与水动力的改善，较少从湖体形态设计的角度兼顾形态与生态探讨水质保障与优化。目前国内的相关研究主要以MIKE 21软件为依托进行流场、流向和流速模拟，但Delft3D三维水动力计算软件的适用范围最广，在我国已开展了太湖富营养化预测、鄱阳湖水动力情况模拟，以及长江口盐度扩散模拟[24-25]等。冯双平等利用Delft3D分析不同湖底造型条件下湖区内进出水及表面风应力引起的吞吐流、风生流的流态及流速大小分布[26]。与其他软件相比，Delft3D的优势在于其应用的正交曲线网格坐标与交替计算法(ADI)能够较好地模拟浅水湖泊曲折和复杂的边界，可获得更好的模拟效果；可被应用于自由地表水环境，具有灵活的框架，能够模拟二维和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移及床底地貌，以及各个过程之间的相互作用，在污染物扩散模拟方面优势明显[27]。故该模型在风景园林领域，尤其是景观水体模拟方面具有较好的应用前景。

2.2 研究对象与数据来源

选取江苏省常熟市琴湖进行实证研究。常熟市属于长江三角洲冲积平原，全市地势由西北向东南倾斜，境内水网密布，湖荡众多、河港纵横、集镇临河、村落傍水，是典型的江南水乡。琴湖又称“湖圩”，地处常熟市区东南处地势最低洼的地块，西起琴湖路，东至新世纪大道，南连白茆塘，北接湖圩路。2019年3月琴湖公园景观项目启动，主要针对琴湖水体(约45hm2)及其滨水空间(约30hm2的绿地景观及道路景观)进行景观规划设计。整体而言，琴湖现状水体近圆率较大，湖泊岸线较为规则，略有曲折，常水位平均水深2.97m。考虑设计介入湖体三维形态改造的可能性，主要针对湖岸线、湖底地形、岛屿与堤坝展开以水质提升为目标的循证设计研究。其中，湖底地形以近岸地形设计为主，考虑湖底清淤等工程需求，研究也涉及对湖心局部区域的湖底地形改造。

琴湖水体相关数据来源包括：1)琴湖及其周边土地利用状况的CAD图纸资料；2)各类相关规划文本，包括《常熟市琴湖片区控制性详细规划》《常熟片区水系规划文本(2018)》等；3)高精度遥感影像。琴湖水环境数据主要通过田野调查法获得，为避免雨水与高温对水质的影响，笔者团队于2019年4月17日晴天对琴湖及周边水体进行调研和水质采样①，共设12个采样点(图1)，平均取水深度为1m，用流速仪测定流速。选取《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中常用的化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)和氨氮(NH3-N)4个指标作为反映水质的表征指标。使用SEAL的AQ-2型号全自动间断化学分析仪测定样品中磷酸根(以磷记)和氨氮的含量，采用岛津TOC-L型号总有机碳分析仪检测总有机碳(TOC)和总氮的含量，化学需氧量由总有机碳换算得出[28-29]。分析结果显示(表1)：12个样点的化学需氧量和总磷均达到III类水标准，琴湖内部样点总氮和氨氮含量也未超III类，但与其相连的外部环城河、白茆塘、大浜河等样点的总氮和氨氮指标劣于IV类，局部样点劣于V类。根据水系规划中湖体内外连通的要求，琴湖内部水体有较大被污染的风险。

表1 琴湖及周边水系样点水质数据

2.3 湖体三维形态多方案设计

湖岸线与湖底地形是构成湖体三维形态的“骨架”，决定了湖泊景观空间的物理属性和功能组织结构。从水文动力的角度，岸线形态主要影响水平向的蔓延与流动，湖底地形主要影响水体垂直方向的循环与流动。为实现琴湖内部水域达到III类标准的水质目标，以湖底地形塑造、驳岸坡度、岸线形态等方面的设计调整为契机，提出2种湖岸线及3种竖向设计方案，最终生成6种琴湖三维形态方案。湖岸线设计方案I：基本保持现状水体形态，湖中之独立小岛偏于西南侧，且有土堤位于东南一隅，将集中水面划分为大小悬殊的若干小块(图1)，既有大湖的辽阔开朗，亦有小池的幽静。湖岸线设计方案II：根据《常熟片区水系规划文本(2018)》进行设计，从西北方向引环城河水入湖，进水受琴湖路闸站管控，向西岸引水(图2)。除此之外，方案II将西南侧独立岛屿改建为与湖岸带相连的半岛，并在东南侧长堤上进行局部宽度拓展。考虑目前外围水系的劣于IV类水引入琴湖的情况，方案II重点考察琴湖内部水域水质受此影响的具体情况。在上述2种湖岸线设计方案的基础上，基于已有文献中将浅水湖泊湖底地形分为碟形、斜形[30]，或分为平底、双碟形、长碟形[26]，提出琴湖湖体6种三维形态方案(表2)，将琴湖地形设计为平底形、碟形和双碟形，并将湖岸坡度放缓至一定程度，预留充足的水陆交错带[31]。其中，平底形坡岸呈直角，湖底地形较平坦；碟形和双碟形地形在湖岸带呈现出缓坡状，碟形地形有一个平面重心，双碟形地形的东、西侧各有一个平面重心。

图1 琴湖湖体平面形态方案I与水样点分布

图2 琴湖湖体平面形态方案II

表2 琴湖湖体6种三维形态方案

2.4 研究路径与步骤

研究路径与步骤如图3所示。第1步“数据准备”：收集琴湖相关信息，梳理水系关系，采集水样、获得水质数据及测定水体流速。第2步“数据预处理”：在CAD文件、高精度遥感影像图的基础上，提取琴湖边界点坐标，生成Delft3D软件可识别、具有2个方向坐标的边界信息文件，运用Grid模块中的RGFGRID根据琴湖边界生成计算网格，并进行正交性校正与检查。第3步“数据输入”：使用Grid模块将6种湖体三维地形方案输入并计算网格，参考其他类似湖泊的已有研究成果，模型中主要参数的取值参见表3，主要包括水深、时间框架、时间步长、水位、水体TN原本平均浓度、计算平滑时间和风条件等参数。第4步“模型运行”：选择水动力模块(Delft3D-Flow)进行模拟。第5步“结果输出”：可利用其搭载的matlab进行模拟结果可视化(QUICKPLOT)，主要包括风生流和流场模拟结果，以及在此基础上加入污染物参数得到的污染物扩散与富集的模拟结果。第6步“修正优化”：调整进水、出水的水文控制条件，重新运算模拟结果，最终遴选最优的水体设计方案。

图3 研究路径与步骤

表3 琴湖Delft3D Flow模块中的主要参数设置

3 研究结果

3.1 湖体三维形态方案网格生成

如图4所示，在Delft3D软件的Grid模块中，方案I-A、I-B、I-C由于湖岸线相同，共用一套网格体系，包括M方向83个网格单位，N方向77个网格单位；方案II-A、II-B、II-C共生成了M方向79个网格单位，N方向90个网格单位。在插入地形之后，以琴湖平均水深作为设计基础，设计水深范围为0～3m。平底形地形设计中河岸带呈陡坡状，坡岸带角度为60°～90°，湖底除岛与堤外，无大的地形起伏；碟形地形坡岸带角度为30°～60°，设计水深最深点与湖体的平面集合中心点相对应；双碟形地形设计顺应湖体本身形态，避开东南侧小岛与南部长堤，坡岸带角度为10°～30°。根据满足行船功能、湖面开阔处水深需相对较深，以及有利于风生流的产生等需求，综合考虑风场、地形和岛屿等因素。

图4 6种琴湖湖体三维形态方案网络生成

3.2 流场特征模拟结果比较

在Delft3D多次模拟核算的基础上，设定在夏季主风东南(SE)风向、风速2.4m/s的状况下模拟20天后的流场情况，但并不考虑热力分层。在风场及湖泊平面形态的影响下，湖泊表面流的出现促使湖泊自身垂向环流及东南、西北两侧水体的交换。对于6种地形方案下的流速大小进行比较(图5)：平底形地形方案下的2个方案的平均流速较慢，尤其是方案II-A下流速超过0.01m/s的区域只有进出口处；碟形与双碟形地形方案下的流场状况相近，流速较快，在方案I-B和I-C中最快处可达0.05m/s。因此，从风生流及流场特征的角度来看，对于平面形态的推荐顺序为：形态方案I＞形态方案II；根据平均流速，对于湖泊湖底地形的推荐顺序为：碟形≈双碟形＞平底形。

图5 6种湖体三维形态方案在SE2.4m/s风况下的湖泊水深平均流速对比

3.3 污染物扩散与富集模拟结果比较

根据实验室检测结果，规划中琴湖未来的污染物主要来源于西侧环城河，流量为0.01m3/s，且湾里河的连接处为开边界。由于磷元素一旦被吸收则易于固定且具有聚集性，同时在琴湖的水质检测报告中TP的浓度值均低于检测限度，因此主要考虑氮(以TN为例)在湖体中的扩散与富集情况。输入TN浓度为4.07mg/L，平均初始TN浓度为检测均值0.858 5mg/L。在数据库计算运行成功后，用Matlab的QUICKPLOT生成不同时间节点的TN扩散可视化结果(图6)，可见运行20天后污染物主要集中于琴湖西部，同时可知6个方案中的最高区域浓度为方案I-A中的0.99mg/L，险超III类水标准；极值最低的方案I-C为0.94mg/L。

图6 6种湖体三维形态方案下湖体中总氮(TN)扩散结果对比

琴湖南侧有长堤，对琴湖自身水体循环有一定阻碍作用，当湖底地形为平底形时，长堤南侧水体水质尚可，但长堤北侧其他部分水体污染物呈较为明显的富集状态。就碟形与双碟形结果而言，有所起伏的地形显然对于琴湖本身水体流动具有促进作用，相较而言，双碟形湖底地形更有利于东西方向上水体的交换，有利于TN的扩散。

湖体平面形态方案II的3个地形方案中，西北角的突起、西南侧半岛的形成都不利于污染物在湖体中的扩散，且南侧长堤形状的变化使污染物进入南部湖区之后无法排出，易使该区的污染物浓度变高。

综上所述，从水质区域平衡的角度看，对于平面形态的推荐顺序为：形态方案I＞形态方案II；从污染物扩散与富集的角度看，对于湖泊湖底地形的推荐顺序为：双碟形≥碟形＞平底形。综合而言，岸线的曲折度与位置会影响水体污染物的扩散程度与速度，曲折度较大的岸线应尽量不安排在非水流主方向上，若不能避免，建议通过连通管道等措施，增加水体流动与交换的效率。

4 基于多方案比较的湖体三维形态设计要点

对6种不同琴湖三维形态方案进行水动力与污染物扩散模拟后，将湖体3种竖向设计，即平底形、碟形、双碟形的模拟结果进行对比，可得到关于湖底地形与湖岸带地形的建议；将湖体平面形态方案I、II结果进行对比，可得到关于湖岸线曲折度的建议；将6种方案模拟结果进行对比，可得到关于堤坝、岛屿等复杂三维形态的建议(图7)。

图7 湖体三维形态设计营造建议

1)湖底地形与湖岸带地形。

对于长三角城市浅水湖泊而言，湖泊岸线与湖底地形变化通过流场影响污染物扩散与富集。拥有良好舒缓的岸带结构、略有起伏的湖底微地形，对湖体水动力循环、植物种植效果综合考量而言为最佳。从前期的模拟结果来看，双碟形的湖底微地形不仅能够形成更好的水流动力，同时可有效降低污染物富集的浓度，推荐地形顺序为：双碟形≥碟形＞平底形。湖底微地形改造，近岸地形与驳岸地形建议同步进行，一体化设计；湖底地形局部调整需考虑对水中生物与微生物的不利影响并具体评估其生态风险，或利用湖底清淤、人工水体开挖等契机，因时因地因势而为。

2)湖岸线曲折度。

曲折的湖岸线可以增加湖体边缘的流速，但变化过度的边缘形态会增加污染物富集的风险，导致死角的出现，从而引发夏季蓝藻暴发、富营养化加重等问题。因此，在保证水体自净和水体交换效果的前提下，在水流的主方向上可适当增加岸线曲折度，曲折度较大的岸线尽量不安排在非水流主方向上，否则将影响水体区域功能的正常运行。

3)堤坝。

长堤割裂湖体形态时，建议堤坝下部设置连通管道，若是一味追求空间形态的丰富度，甚至将长堤提升体量成“岛+堤”的形式，则水体连通将会受到严重影响，不利于两侧水体交换。

4)岛屿。

岛屿是城市湖泊景观水体设计中最常见的三维形态构成要素，形状优美、大小适中的岛屿拥有较高的景观价值，是营造鸟类生境的良好选择，同时也会对水循环过程产生影响，从而影响水体污染物的富集与扩散。模拟结果也显示，在进行岛屿布局时应尽量远离岸线，若进行半岛或近岸岛屿布局时，需增加其他工程措施确保水体循环与连通性，避免死水区。

5 结语与展望

长三角地区城市湖泊景观水体多属于浅水湖泊，水文基底的平坦态势导致水体流速缓慢、荡漾徘徊，水体中氮、磷等营养物质易于富集、难于扩散。为避免单纯从“好看与否”出发的景观水体“经验主义”设计，本研究以常熟市琴湖为例进行循证设计，结果表明：1)Delft3D模型可以模拟并帮助研判不同景观水体三维地形方案的优劣，有效起到设计循证的作用；2)城市湖泊景观水体三维形态设计需要考虑湖岸线、湖底地形、岛屿和堤坝4个要素，它们影响着水体污染物的富集与扩散过程。兼顾生态与形态，以水质提升为目标，提出景观水体三维形态四方面的营造建议，为城市浅水景观湖泊的设计提供一定的技术支撑与参考，为解决长三角城市湖泊景观水体设计中的水质“瓶颈”问题提供了新思路与新方法。

受到技术条件的限制，本研究的不足之处在于：1)主要针对长三角地区的城市浅水湖泊，多为可人工干预的，纯自然型湖泊或不能对其三维形态有所改进的湖泊并不属于本文的研究范畴；2)尚未获得不同季节的营养物实测数据，目前只针对春季而言，未考虑湖泊周边地块暴雨径流所带来的污染物影响；3)Delft3D模型由荷兰研发，其模拟结果未能得到琴湖不同季节、不同时间实测数据的检验，仅可作为景观水体循证设计的辅助参考。未来的研究可关注不同季节模拟分析、模拟结果与实测结果的对比分析，以及人工湖体与自然湖体模拟的对比分析等，从而得到景观水体三维形态更加细致的演算与推导，并结合水生植物与水中生物的研究，进行水生态定量化模拟研究。

注：文中图片均由作者绘制。

致谢：感谢启迪设计集团股份有限公司许彩芬总工程师、张杰龙等设计师对本课题的支持。

注释：

① 采样水体送同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室检测。