基于水文模拟的城市河道场景构建—以青白江区1956大时代片区为例

李绍芃,周越,李晓溪,李运远

基于水文模拟的城市河道场景构建—以青白江区1956大时代片区为例

李绍芃,周越,李晓溪,李运远*

北京林业大学园林学院, 北京 100091

河流是自然界重要的生态系统之一，城市河流更是对一个城市的社会、经济、人文起着决定性作用。随着我国大力推行公园城市建设，很多城市河流面临被改造的命运，但目前城市河流设计大多忽略了河流内部基底条件，设计结果或多或少违背了自然规律。本研究以成都市青白江区1956大时代片区内的长流河、四斗渠和工业渠为例，在采用mike21水动力模型分析河流内部的流速、水深和流向等水文数据基础上，进行驳岸设计、植物群落营造与场景构建，提升3条河流的景观品质、水质和水动力水平，以期为今后城市河道景观的量化设计提供借鉴和参考。

水文模拟; 城市河流; 河道治理规划

《成都市青白江区国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》中提出，要建设优良的绿色空间生态体系，而河流则是绿色空间生态体系中的重要组成部分，城市中的河流在公园城市建设进程中扮演着重要角色。经过设计师精心设计过的城市河道不仅可以极大程度地改变城市风貌，同时也可以带来显著经济、文化和社会效益。许多著名城市都依河而建，如英国的泰晤士河与伦敦、法国的塞纳河与巴黎、匈牙利的多瑙河与布达佩斯等。据统计，全世界约有60%以上的河流经过了人工改造[1]。但大多数设计师都将河道改造的注意力集中在了河流两岸景观效果和周边生态效益上，忽略了河流自身的内部特征，这无疑是“焚林而猎”。例如，盲目追求河流的自然形态，将河道人工改造成蜿蜒曲折状，这很可能会造成河底泥沙沉积和潜在洪涝危害[2]。因此，在设计之初就应构建一套基于水文模拟的河流改造量化指标，用来指导河流景观改造。目前，已经有部分学者开始在此方面开展研究。例如，Zhenduo Zhu等以芝加哥水道为例，开发了三维河流水动力模型，模拟了百年一遇的暴雨对城市河道的影响，强调了极端天气条件下河流下水道溢流水力建模的必要性[3]。Cherry, May-Rosete Mateo通过建立水动力模型模拟特大洪水中水库的表现，从而达到预测和缓解洪水的目的[4]。张雅卓和练继建则试图将景观设计与水利设计相融合，通过分析河道内部的水动力特征，解决丰水期和枯水期的河道景观问题[5]。周燕通过构建水动力模型，提出了强化水库水动力、提升水质的设计方案[6]。由此可见，利用水文模拟数据指导河流景观改造具有重要意义，但目前水文模拟多用于对水库等水面较大的水体的设计指导上，对城市渠化河道的研究较少，缺乏大量经典案例。

本研究以成都市青白江区1956大时代片区内长流河、四斗渠和工业渠为例，采用mike21水动力模型分析深入河流内部的流速、水深和流向等水文特征，并在此基础上进行驳岸设计、植物群落营造和场景构建，提升3条河流的景观品质、水质和水动力水平，以期为今后的城市河道景观设计提供借鉴。

1 研究区概况

研究区地处沱江流域，属都江堰水系控灌区，水网交错，水源丰富，具有较好的水利基础。研究区水系有都江堰河渠、山溪河流和排洪河流三种类型。其中，都江堰河渠以清白江和毗河水系为主；东南部低山区及中部浅丘区的石板河和桤木河等为山溪河流；西北部平原区的弥牟河、长流河和绣川河等为排洪河流（图1-A）。

研究区内的主要供水河流为长流河、四斗渠和工业渠。其中，长流河是研究区内的主要水源之一，保障灌区的农业用水；四斗渠旱季无水，主要满足防洪要求；工业渠主要承担调节农业用水、可弥补上游供水不足（图1-B）。

研究区内部蓝绿基底较为完整，地块平缓，整体呈西高东低趋势,高差约为19 m。河网自西北向东南密布，水源主要为青白江引水、大气降水、融雪和地下潜流，河道多为硬质驳岸。研究区周边沿水系可见4个平均间距2 km～3 km、分布均匀、服务面广的大型完整绿色斑块，形成了较完整的城市景观点（图1-C）。

研究区气候呈明显的雨热同期特征，夏季的充沛降水在带来了优良蓝绿基底条件的同时，也带来了一定的短时强降雨危险（图1-D）。

图 1 研究区概况

A青白江区水系分布示意图；B研究区水系图； C研究区周边绿地现状；D青白江区气温图；E青白江区降水图

2 水文模型构建思路

本研究采用丹麦水力研究所开发的MIKE21水力模拟软件[7]来分析长流河、四斗渠和工业渠的水文特征。近年来，该软件为我国的南水北调工程、渤海湾大范围潮流向模拟、天津港国际邮轮码头港池等项目做出了巨大贡献[8]。MIKE21中内置了4个模块，分别为前后处理模块、水动力模块、水质和环境评价模块，以及泥沙传输模块。本研究主要使用了该软件的前后处理模块和水动力模块，其中前后处理模块主要负责处理用户输入的数据和数据转换、结果演示，水动力模块主要负责模拟河流和湖泊的流量、流速、水位等变化。将研究区域的DEM地形数据和水文资料等处理为河床、边界等水文文件，输入水动力模块中，采用Navier-Stokes方程计算，即可得出研究区内水系的流速、流向和水深等可视化结果，进而指导研究区内的驳岸、植物和湿地等设计（图2）。

图 2 水文特征分析思路

3 水文模拟分析

3.1 水文模拟基础条件

以当地测绘CAD实测地形图、水利部门提供的水文资料等资料为依据，设定洪水期（=2%）入流条件为11.4 m3/s，枯水期入流条件为0.6 m3/s，初始水位3.4 m，其他初始条件设定具体如表1所示。

表 1 水文模拟初始条件设置

3.2 水文模拟结果

根据MIKE21软件计算结果可知：研究区内水流流速为0.64 m/s～2.4 m/s；共有4段流速较大的区域，多集中在河道弯曲处；长流河流速整体上大于工业渠流速，且呈现西侧流速快于东侧的趋势（图3-A）；长流河深度为2.1 m～5.6 m，平均深度为3.8 m；工业渠及四斗渠深度为3.5 m～10.5 m，平均深度为4 m，大于长流河深度，整体水深也呈现东深西浅的趋势，且大面积水域的深度也较大（图3-B）；研究区河流受渠化改造，整体流向较为单一，流向丰富的区域主要集中在河流交汇处以及水面宽阔处（图3-C）。

A水深条件分布图；B水流速条件分布图；C流场条件分布图

4 基于水文模拟结果的河道景观设计策略

4.1 基于流速分析的驳岸设计

研究区内原有河流驳岸主要有3种，虽然能够满足研究区内的防洪需求，但均为硬质驳岸，形式单一，河流渠化严重，缺乏亲水性、生态性和观赏性，不利于内部蓝绿网络的营建（图4-A）。

一般来说，低流速区域的水流对驳岸冲刷强度低，腐蚀效果弱，但有利于湿生植物和微生物生长，应注意水质净化；高流速区域的水流对驳岸冲刷强度大，腐蚀效果强，不适合配软质驳岸[9]。所以，根据研究区内的流速分析结果，对原有硬质驳岸采取自然化处理、驳岸改造和原有驳岸生态化等改造措施，将原有硬质驳岸改造为生态驳岸、混合式驳岸和硬质驳岸等3大类驳岸，以应对不同的水体流速（图4-B）。其中，生态驳岸主要针对水流速度低于1 m/s的区域，使用以植物种植为主的自然原型驳岸或搭配石笼、木桩和浆砌石块的自然型驳岸[10]，以净化水质，提高亲水性；混合型驳岸适用于1 m/s～1.76 m/s的区域，以台阶式人工自然驳岸为主，在钢筋混凝土所构建的梯形框架内种植植物，以达到生态性与工程性兼顾的目的；在流速高于1.76 m/s的区域，使用卵石驳岸和砌浆块石驳岸等为主的硬质驳岸，此类驳岸虽然牺牲了部分生态效益，但抗冲击、抗腐蚀效果好。

同时有研究表明，成年人在流速大于1 m/s的水域时，容易受水流冲击而跌倒[11]，因此，要在水流流速大于1 m/s的区域安装防护装置，增强近水区域的安全性。

A现状驳岸类型；B改造驳岸类型

4.2 基于水深和流向分析的场景构建

水深主要影响场景的亲水性、安全性，以及植物类型和分布范围等，流向则决定着适宜建设水质净化的区域。所以，水深和流向共同决定着景观场景构建。

根据水文特征分析结果可将整个水域分为浅水深区域（水深<3.5 m）、中水深区域（水深3.5 m～7.7 m）和较水深区域（水深>7.7 m）。其中，浅水深区域主要分布在长流河下游地区，适宜建设亲水平台、戏水区和退台式景观驳岸等亲水性较强的设施；中水深区域主要分布在长流河中段，适宜建设临水步道；较水深区域主要集中于工业渠和长流河交汇处，必须增设防护设施，可设置安全性架桥或者作不进入的观赏区域。此外，水深分析结果也可指导植物种植设计。不同水生植物对于水深的适应性具有显著差异，其中挺水植物宜生长在水深1 m左右的浅水区域，浮叶植物的栽植水深一般不超过2.3 m，沉水植物的栽植水深一般不超过2.5 m[12]。

一般来说，流向混乱的区域宜流向丰富的区域不易沉淀有害物质，水体水循环状态较好，含氧量相对较高，植物长势相对良好，整体生态基底相对比较完整，但若流向过于丰富则可能会导致水动力的损失，可在此处进行湿地、浮岛等生态类规划，以稳定流向，防止水动力损失[13]。

综上所述，结合不同的亲水性、安全性以及植物配置等的要求，可构建出不同的场景，根据研究区域性质，构建出了四种不同的，即以水资源净化涵养为主的涵养型湿地；以构建多样生态环境以及有限观赏功能为主的生境保护型湿地；以引水为主要功能的蓄水型湿地；以兼具亲水性与安全性的为主的滨水活动空间；以亲水性强、植物搭配丰富为目标的科普教育型湿地，并将其与研究区水文特征相匹配。（图5）

图 5 场景构建策略

4.3 基于DEM数据的集雨型绿地系统设计

遵循从源头消减地表径流的原则，在研究区域内利用河流和集雨型绿地设计消减地表径流。根据研究区的DEM数据得出研究区的高程、坡度和坡向的可视化图（图6-A）,据此确定地表径流方向，并在地表径流汇入的硬质区域设置点、面装的集雨型绿地以消除地表径流（图6-B）。在进行集雨型绿地系统设计时，模拟城市降雨路径，分析径流动态过程，划分为源头、中段和末端三个径流状态：处在径流源头地区的绿地为源头削减型；处在径流中段且呈带状分布的绿地为中途传输型；位于径流末端（地势低洼的雨水汇集处）的绿地为末端调蓄型（图6-C）。

A 研究区地貌；B 集雨型绿地系统设计图；C 集雨型绿地系统运行图

4.4 河道景观设计的MIKE21验证

空间规划完成后，再次利用MIKE21软件对研究区水文特征进行分析验证，发现水深、流速和流向方面均达到了理想效果。河流整体流速符合预期效果，河湾处的水流速受生态驳岸影响明显下降，整体安全性得到了提高（图7-A）。研究区深水区域基本没有变动，但经设计后亲水区水深达到0.5 m以内，满足安全需求（图7-B）。同时，生态湿地等设施的构建在没有破坏研究区原有流向结构的基础上，引导了部分水流，使得原有区域流向分布更加平均。（图7-C）

A流速验证；B 水深验证；C 流向验证

5 结论及展望

本研究首先通过MIKE21软件分析了成都青白江区长流河、四斗渠和工业渠的流速、水深、流向等水文特征，然后根据水文特征分析结果提出了合理分配空间类型、提升区域水质的总体设计策略，最后又用MIKE21软件对设计后的研究区水文特征进行了分析验证。结果表明：水体流速的定量分析可对生态驳岸和硬质驳岸进行合理分配，以兼顾驳岸的生态性和工程性；合理的场景构建与植物配置可在净化水质的同时不丧失亲水性；结合研究区高程数据设计的集雨型绿地可在一定程度上从源头消减径流。但本研究仅从流速、水深和流向等3个方面探讨了水文模型对景观设计的指导作用，今后还应该从水质、流量和季节性变化等更多方面对景观规划进行指导。

总体来看，景观设计正在从定性分析走向定量分析的道路上，有利于提高研究区设计的科学性和合理性。本研究所采用的水文模拟指导下的景观设计方法可为今后城市河道景观的量化设计提供借鉴和参考。

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Construction of Urban River Scene Based on Hydrological Simulation—Taking the Changliu River-industrial channel section in Qingbaijiang District as an example

LI Shao-peng, ZHOU Yue, LI Xiao-xi, LI Yun-yuan*

100083,

Rivers are one of the important ecosystems in nature, and urban rivers play a decisive role in the society, economy and humanities of a city. With the vigorous promotion of park city construction in my country, many urban rivers are facing the fate of being transformed. However, most of the current urban river design ignores the internal base conditions of the river, and the design results more or less violate the laws of nature. This study takes Changliu River, Sidou Canal and Industrial Canal in the 1956 Da Shidai area of Qingbaijiang District, Chengdu as examples. Based on the analysis of hydrological data such as flow velocity, water depth and flow direction inside the river using the mike21 hydrodynamic model, the revetment design, Plant community construction and scene construction improve the landscape quality, water quality and hydrodynamic level of the three rivers, in order to provide reference and reference for the quantitative design of urban river landscape in the future.

Hydrological simulation; urban river; river management plan

TV212.5+2

A

1000-2324(2022)04-0593-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.014

2022-02-12

2022-03-25

北京市重点研发计划:基于生态效果提升的植物多种种植方式研究及示范(D171100007117003)

李绍芃(1997-),男,硕士研究生,研究方向:风景园林规划与设计. E-mail:525066571@qq.com

Author for correspondence. E-mail:lyy0819@126.com