基于SWMM的承德避暑山庄水系遗产定量化研究

崔怡凡

刘庭风*

中国古典园林水系经过数千年的积累，形成了一套根植于中国文化的园林水系营造方法和管理智慧[1]，不仅满足风景营造，也蕴含着受纳雨水、调蓄水量的雨洪管理理念，在防洪排涝方面发挥着重要作用，是风景园林学界研究的重要议题[2-3]。然而，由于中国古典园林的雨洪管理方法被巧妙地隐藏在园林景观中，因此对古典园林水系研究多停留在意境与文化方面，缺乏对其基本原理和方法的阐释。近年来，随着雨洪管理理念的成熟[4]，为全面认知中国古典园林水系的理水思想与保护带来了新的机遇[5]。目前，雨洪管理理念已经广泛应用于城市市政工程建设与园林水系景观研究中，并逐渐形成了以计算机仿真模拟技术为主的定量化研究新视角和新方法[6]。已有学者研究了城市雨洪模型构建方法及发展历程，并通过数值模拟技术对住宅区的现状管网能力进行评估及积水点分析，判断不同重现期管网随时间变化的溢流情况[7]。也有学者开始重点关注古典园林与雨洪管理两者之间的联系，结合可持续雨洪管理理念对其保护与更新展开研究[8]。雨洪管理技术的应用不仅增强了现代园林水体设计的精确性和合理性，同样也为古典园林水系的研究提供了新思路。但是，利用现代科学技术研究古典园林水系的工作并没有广泛开展[9]。因此，本文从遗产保护角度出发，全面梳理了避暑山庄水系的理水方法与历史变迁，利用SWMM软件模拟研究不同暴雨重现期下的雨洪调蓄能力[10]，对其理水方法开展定量化分析，并针对如何保护避暑山庄水系给予科学建议。在此基础上进一步讨论避暑山庄水系的遗产价值，以期为相关研究和保护提供重要参考。

1 研究对象

1.1 避暑山庄水系概述

避暑山庄位于河北省承德市北部，清代康熙皇帝在此选址，挖泥成湖，大修水利工程，从东北角开闸引武烈河水入园，沿途大小水闸20余座，由天然水源和人工河湖组成了“园中有水，水中有园”的人工水网体系(图1)，修建了一系列的水系景观，是我国现存规模最大的古代水利工程之一。避暑山庄在300多年的历史进程中不断建设和完善，但自然灾害和历史变乱使水系布局和整体意境遭到破坏，经修复后得以保存原貌，后又为交通便利修建了一座钢筋水泥大桥，从万树园通往如意洲，并保留了“知鱼矶”通往“芳渚临流”这段道路，今日所见已是历史不断叠加的结果[11]。

图1 避暑山庄水系示意(作者改绘自参考文献[11])

1.2 避暑山庄水系功能简析

承德市年降水量在时间和空间上分配不均，空间上总体趋势为南部多于北部；时间上表现为汛期持续时间短，为6—9月，但降水量占全年降水量的80%左右[12]。避暑山庄水源丰富、水系连贯，作为我国古典园林的代表之作，其功能价值与美学价值并存，是水利建设与风景构划结合的工程。其选址体现出了古人的理水智慧，山庄水系设计缜密有序，利用天然地形高差进行建设，形成了“竖向结合重力排水”的天然排水模式，尊重场地西北高、东南低的特征，具有引水、调蓄、分洪等特点。根据避暑山庄水系形态及功能，将主干水系分为4段(图2)。避暑山庄水系从入水口“暖流暄波”处引入武烈河水，从“暖流暄波”到“旷观”一带的半月湖狭长形水系为a段；b段从“文津阁”分成2道自然弯曲的河流，在强降雨时湖水分别流经“双湖夹镜”和“知鱼矶”后进入如意湖，以减缓“如意湖”的蓄洪压力；c段水体为湖面区，一湖环抱“如意州”“环碧”“月色江声”三岛，并与“澄湖”“上湖”“下湖”“镜湖”组成了布局合理且容量巨大的蓄水系统，上承来自武烈河的引水，下与排水湖“银湖”相连；最后通过d段水体“五孔闸”处泄出，流入武烈河。整体水系设计在竖向处理上做到地形与水体紧密结合，纵向连续，横向贯通，有序组织雨水排放，利用天然地形优势达到“次第蓄泄”的目的，增加了水体的调节能力，避免内涝发生。由此可知，避暑山庄水系是集“引、分、蓄、泄”于一体的水利工程与风景营造结合的典范。

图2 避暑山庄4段水型分区(作者改绘自参考文献[11])

2 研究方法

暴雨洪水管理模型SWMM是一款动态降水及径流模拟软件，目前已被学者广泛应用于园林水系景观的水文过程模拟中[13-15]。本节在对避暑山庄水系定性分析的基础上，利用SWMM模拟不同降雨强度下的产汇流过程，定量化分析避暑山庄水系水体设计合理性和雨洪调蓄能力，并提出保护建议。

2.1 避暑山庄子汇水区域概化

模型建立时，假设在降雨过程中各个子汇水区降水强度相同。通过避暑山庄资料记载和实地考察，确定其用地类型主要包括绿地、山林、水体和古建筑区[16](图3)。

图3 用地类型分布

根据实际地形汇流情况及用地种类，确定子汇水区边界、汇水走向等，遵循概化原则，将研究区域概化为170个子汇水区域、24个节点、24条水渠和1个出水口(图4)。

图4 子汇水区域概化图

2.2 SWMM模型建立及参数率定

SWMM中参数可分为2类：一种是可通过实际测量数据得到的地面特征参数[17]，如子汇水区面积、坡度、不渗透比例等；另一种是水力参数，需用户根据实际研究对象情况进行取值，而取值是否准确则需要以实际降雨数据进行率定。

结合数字高程模型(DEM)数据(图5)和实地测量数据得到研究区域的地面特征参数，另参考SWMM用户手册和相关文献确定Horton土壤下渗模型和研究区域水力参数的初始值[18-20](表1)。

表1 初始水力参数

图5 避暑山庄地形高程图

雨型和降雨强度公式同样是SWMM模拟的关键参数，将承德市降雨强度公式(式1)[21]和芝加哥雨型[19]合成不同暴雨重现期的降雨过程线(图6)，并导入模型来模拟不同暴雨重现期下的降雨过程。

图6 不同暴雨重现期降雨过程线

式中，P为设计降雨重现期，年；t为降雨历时，min；q为暴雨强度，L/(s·hm2)。

研究区域无详细历史分钟降雨数据，以单次降雨量(数据来源于气象网)为参考对水力参数进行率定。参考SWMM水力参数灵敏度研究文献[22-24]并结合避暑山庄实际情况可知，不渗透性粗糙系数、不渗透性洼地蓄水、无洼地蓄水不渗透性及水渠粗糙系数4个参数对模拟结果影响较大[25-26]。通过主调高灵敏度参数、微调其他参数使模拟结果与实际降雨数据吻合，最终率定出研究区域的水力参数(表2)。利用率定后模型对另外2次实际降雨过程进行模拟验证可知，在相同降雨强度和降雨时间下，降雨量相对误差分别为7.1%和4.9%(表3)，在允许范围内，模拟结果具有可靠性。

表2 率定后水力参数

表3 率定后模拟数据与实际数据对比

3 模拟结果与分析

3.1 水体设计合理性分析

模拟结果表明，不同暴雨重现期下水流速度规律一致，且暴雨重现期越长，规律越明显。因此，以100年一遇的暴雨强度、降雨历时2h的水文过程为例来阐述流速规律。

1)总体上，古人借天然地形优势进行设计开发，形成了首尾笔直狭长、中间婉转开阔的水系形态，使避暑山庄水系在保证观赏性的同时具有始末处水体流速大、利于快速泄洪，中间水体(蓄水区)流速小、缓解洪峰压力的流速特征。

2)结合前文水系分区和模拟结果显示(图7)，不同区域流速峰值均出现在降雨1h后，表明水系具有快速汇集雨水的能力；所有区域流速均在4h左右回落到正常水平，表明水系具有快速泄洪的功能。4个区域平均流速值处于0.43～2.87m/s，大小排序为Va＞Vd＞Vb＞Vc，综合地形与流速分析可知以下几点。

图7 不同研究区域流速随时间变化

(1)a段为整个水系入水口，水道狭长，相对弯曲，河道水流阻力较小，水流速度较快，最高可达3.68m/s，这种地形更利于泄洪、排沙及河水引流。此外，该区两侧古建筑密集，快速引流可有效降低古建筑浸水的风险。

(2)b段作为整个水系的缓冲区，水流形态较方且呈环抱之势，形成半围合空间，水流遇“文津阁”岛被一分为二，使流速放缓，最大流速仅为1m/s，可保证山庄遭遇高强度降雨时，将上游雨水分流，减轻下游洪水压力。

(3)c段是整个山庄最重要的湖景区，水流呈三面围合的弯曲绕抱之势，水流弯处圆转如珠、流速最小，不超过0.8m/s，形成“凹岸侵蚀、凸岸堆积”的现象，如意洲三岛的位置属于“凸岸”，以堆积为主，不受河流冲刷且易形成肥沃的土壤。此处水体不仅承载着旅游观光的重任，同时也起到了缓解洪峰、储存水资源、保持水体稳定性的功能。

(4)d段为水系的排出段，以顺直河道为主，水流速度较大，可达3.24m/s，具有快速泄洪排涝功能，保证山庄水体的连贯性。

因此，避暑山庄水系整体设计可保证在面对高强度降雨时具有安全高效的泄洪能力，降低洪涝灾害对避暑山庄的危害。

3.2 雨洪调蓄能力分析

结合模拟结果和文物古迹防洪标准[27]分析避暑山庄水系的雨洪调蓄能力，结果表明如下。

1)从雨水收集和排放角度看，避暑山庄可满足100年一遇的防洪标准。主要表现为：在面对不同暴雨重现期时，山庄出水口径流流量过程曲线总体趋势具有一致性(图8)，峰值流量形成时间短，集中在1h左右出现，与前文流速峰值形成时间一致。峰值流量大小由1年一遇的31.89m3/s到100年一遇的128.6m3/s，差异明显，表明避暑山庄水系具备快速收集雨水、形成径流的能力。峰值流量持续时间均控制在4h以内，且排尽时间短，表明其具有优秀的排水能力。

图8 不同重现期下水口径流量特征

2)从水位高度控制方面看，避暑山庄防洪标准略差。“短而强”的径流流量对水道高度要求较为苛刻，存在排放过程中产生溢流，冲刷植被、道路，浸泡古建筑的风险。模拟结果显示：峰值水位随降雨强度的增长而上升，从表4中可以看出，当重现期为1、5和10年时，未发生溢流情况；当重现期为30、50和100年时，发生溢流，溢流高度分别为0.402、0.567和0.824m。以P=30为例分析整个降水过程中排水渠的水位高度(图9)，随着降雨时间的增加，排水渠水位逐渐升高，在50min时水渠b段末尾至c段(1 010～1 700m)率先充满，并随着时间增长开始产生溢流；在60min时溢流达到最大(910～2 400m)，此时b、c、d段全部受溢流影响；但随着降雨强度的减弱，水位迅速下降并在76min回落到排水渠高度以下，最终在4h左右回落到正常水位高度。当P＝50或100时，溢流长度会进一步增加，逐渐波及a区。

表4 不同降雨重现期排水渠水位高度及溢出长度

图9 P＝30降雨过程排水渠水位变化

针对此问题可采取2种解决方法：一是充分发挥水系“暖流暄波”处引水闸和出口排水闸“五孔闸”作用，在面对强降雨时需提前关闭引水闸、打开出水闸，令山庄水位降低相应高度，以此避免溢流情况发生，起到保护前置的作用；二是在保持闸口原来状态下，对b、c段区域两侧岸边进行加高加固，以此提高控制峰值水位的能力。

3.3 模拟结果应用与遗产保护建议

避暑山庄水系蕴含古人的雨洪管理智慧，通过SWMM模拟结果分析可知，避暑山庄水系不仅满足了风景营造，更是一项出色的水利工程，具有“迅速收集、迅速排放”的雨洪调蓄能力；但面对超强降雨时，同样存在被破坏的风险。根据模拟结果，对避暑山庄水系的发展及保护提出以下建议：

1)根据模拟结果可计算水流湍急水口是否可增加水力发电设备，为避暑山庄提供额外电力供应，节约能源；

2)对于峰值流速大于2m/s的区域考虑加固岸边措施，以减少冲蚀效应；

3)将水位溢流情况与降水预测相结合，根据不同降雨强度下的溢流高度，通过进出水闸提前调整水位高度，避免水患发生；

4)考虑进一步模拟在历史过程中已经损毁的水道，讨论其修复的可能性。

4 结语

本文在定性分析避暑山庄水系雨洪管理思想和方法的基础上，使用SWMM数值模拟技术，定量分析了避暑山庄水系水体设计手法和雨洪调蓄能力。研究发现，避暑山庄集“可游、可赏、可用、可控”于一体，充分发挥了雨洪调蓄功能，在遭遇高强度降雨时可在1h内快速形成径流，并在4.5h左右排尽，实现了在快速泄洪的同时最大限度地保护山庄土地及古建筑的功能，发挥出优秀的雨洪调蓄能力；但当遭遇30年一遇或更高强度降雨时，存在峰值水位过高、水道发生溢流、冲刷道路和浸泡古建筑的问题，对此可采取调节进出水闸或加高加固溢流处岸边的方法来预防高强度降水带来的风险，做到提前防范。

SWMM模拟技术与古典园林水系研究相结合，不仅为避暑山庄水系雨洪调蓄研究提供数据支持，对其发展与保护给出科学建议，而且为古典园林水系保护及修复提供了新视角。而现代科学技术与文化遗产相结合可进一步推动文化遗产定性化研究向定量化研究发展，为遗产的真实性、完整性研究提供更科学的数据支撑，助力文化遗产研究保护工作。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。