張雅卓，練繼建

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

在河道(特別是城市河道)綜合治理工程中，往往要統(tǒng)籌考慮河道的行洪、排瀝、供水、通航以及環(huán)境生態(tài)和景觀營造的需求[1]，通常是由水利和景觀專業(yè)分別承擔不同的角色，由水利專業(yè)先根據(jù)不同水文條件下河流水動力特性進行護岸、堤防和清淤斷面的設計，再由景觀專業(yè)在河岸以上做美化環(huán)境的工作．這種做法的弊端是各自強調本專業(yè)及價值的重要性，而忽略了兩者的融合．本文對河道綜合治理中出現(xiàn)的水利、景觀相互間的關聯(lián)關系和影響因子做出分析，提出基于水動力特性的河道景觀設計方法，重點闡明河道水動力特性對景觀設計的控制性指標要求、濱河造景對策和河道斷面的優(yōu)化設計策略．對于河道綜合治理工程的優(yōu)化設計有重要參考和應用價值．

1 河道水動力特性對景觀設計的控制性指標要求

河道景觀設計應能適應不同水文條件和運行條件下河道水動力特性的變化，在不影響河道行洪、排瀝、輸水、通航等功能的前提下追求最佳的河道景觀效果．基于河道水動力特性對景觀設計的控制性指標包括以下4個方面的要求．

(1) 適應水位變化．河道水位隨流量變化而變化，特別是北方的河流，在枯水期往往流量很小，甚至為零，為了保證最低限度的景觀水位要求，需設置橡膠壩等保水工程措施．在河道行洪時，水位則上漲．所以需考慮水位變化對景觀的影響，有針對性地制定出適應高低水位的景觀建設方案，特別是河道斷面景觀設計應適應水位“沿程”變化的要求，如圖 1所示．景觀水位的確定，需綜合考慮景觀的需求、水資源保證的可能性、排瀝和輸水控制的要求以及通航凈空的要求．

圖1 適應“沿程”水位變化的河道斷面變異Fig.1 Profile variation adapted to water level change along river

(2) 適應河道護岸和景觀設施防沖安全．河道護岸型式的選擇，主要取決于河道的流速和河勢變化：流速低的河道可采用自然生態(tài)護岸；而對流速高的河道或險工段，護岸結構型式多為剛性結構，主要采用漿砌或干砌塊石結構、現(xiàn)澆或預制混凝土結構、鋼筋混凝土結構的護岸形式．河道內設置的親水平臺、走廊、江心島、濕地景觀設施都要滿足防沖的要求．需要根據(jù)河道水流的分區(qū)特性進行河道護岸的防護設計．

(3) 適應河道行洪功能．從河道防洪角度來講，堤頂越高越安全，抵御洪水的能力越強；然而從城市景觀建設來考慮，總是希望縮小堤頂與常水位及市政路之間的高差，也就是希望盡可能降低堤頂高程．為降低堤頂高程，需通過優(yōu)選綜合河道整治方案以提高河道的行洪能力；特別是需要分析河道的景觀建設造成的河道阻力變化和對河道行洪能力的影響，不能由于大量開展河道景觀建設使得河道水面線大幅抬升，以確保河道行洪的安全．

(4) 適應河道生態(tài)功能．修復河道生態(tài)功能是河道綜合整治的重要內容，通過研究水力條件與生態(tài)狀況的相對關系，調整河流的水深、流速等水力特性以達到河道的生態(tài)要求，是水體生態(tài)修復的一個新途徑．

2 基于豐、枯水期水位變化的濱河造景對策

水資源時空分布不均勻是我國水資源的一大特征，是導致河流豐、枯水期水位差值較大的主要因素．濱河景觀的營造強調親水特性，能最大程度地營建出人水交流的場所，是河道水景觀設計所追求的目標之一．如何構筑滿足豐、枯水期不同水位的親水空間，是濱河造景對策中需要研究的重要內容．

當豐、枯水期的水位變化較大時，可以采用多級復式斷面形式來進行設計，如圖 2所示，以構筑豐、枯水期不同水位的親水空間，使其更能滿足不同水位下的景觀要求．

為處理常水位和洪水位之間的高差，營建良好的親水景觀效果，可以在略高于常水位的位置設置親水平臺．平臺以下采用直立或斜線型護岸連接河底和平臺，平臺以上采用斜線型式連接平臺和堤頂．如用地局促或有景墻等特殊造景要求時，也可采用直立型擋墻；平臺以上部分用于綠化種植和造景．

除上述需要考慮的洪水位和常水位之間的高差外，當正常最高水位和正常最低水位高差較大時，考慮選用3級復式斷面，即在上述2級復式斷面基礎上再加設一平臺，位于正常高、低水位間，打造不同時期的親水景觀．

以南京秦淮河為例進行設計．結合河道水力特征，根據(jù)不同時期的水位，設定不同高度的平臺，設置 3階活動空間，豐水期臨水階淹沒，枯水期亦能實現(xiàn)親水，使人一年四季都能與水相近．根據(jù)不同部位和不同水深，采用自然土坡、綠色生態(tài)混凝土護坡、生態(tài)草坡護坡的不同型式[2]，如圖 3所示．當高低水位有一定變化但變化不大時，可以采用對水位變化范圍內的護岸處進行細部處理的方式來弱化水位變化帶來的影響．在略低于低水位的高度加設種植槽作為水生植物種植帶，茂密的水生植物可以將低水位時裸露在水面上的硬質護岸進行遮擋，又可對硬質護岸起到柔化軟化的作用，增加水陸過渡帶的生態(tài)效益．采用此種方式，應注意當?shù)退贿_到極限時，有可能不是水生植物的最宜生長水深，甚至會露出水面，應做好相應的養(yǎng)護．

圖2 多級復式斷面適應水位變化的要求Fig.2 Multilevel compound section to adapt water level change

圖3 秦淮河豐、枯水期濱河景觀Fig.3 Landscape of Qinhuai River in dry season and wet season

3 河道水力特性對護岸型式選擇的影響

河道護岸的型式包括天然護岸、人工生態(tài)護岸和人工剛性護岸，如圖 4所示．天然型護岸是指利用原有自然土坡或依原坡比而建的土坡作為河岸，依靠土的自身緩坡抗滑抗沖的一種護岸形式．天然護岸一般是按照1∶3到1∶6的坡度進行選取，具體設計中除依據(jù)現(xiàn)有自然坡度進行考慮外，應根據(jù)河岸的土質特性進行穩(wěn)定性計算，同時根據(jù)河道主槽及灘地用地范圍進行綜合考慮．人工生態(tài)護岸是指河道護坡滿足防洪抗沖標準要求，構建能透水、透氣、生長植物的生態(tài)防護平臺，如三維植被網護坡、植被型生態(tài)混凝土護坡生態(tài)護坡袋等．坡腳加固方式可利用防腐木樁或仿木樁防護的木樁式、石材壓腳的拋石式以及利用柳樹耐水性強及迅速扎根發(fā)芽特征的柳桿式等．人工剛性護岸通常是利用半滲透或無滲透性人工材料對岸線進行牢固處理的一種護岸形式，主要包括干砌石、漿砌石、混凝土和格賓網等．

河道水流的沖刷是造成防岸塌陷、堤防潰決的重要因素．河道護岸類型的選擇首先要考慮河道的水動力條件，應考慮水流對表層土體沖刷的防護，還要考慮河道護岸沖刷引起的護岸整體滑動導致的不穩(wěn)定，需綜合考慮河道的水力特性和土力學參數(shù)，以保證護岸穩(wěn)定性的要求．

河道沖刷最為普遍的是彎道凹岸的沖刷，其影響最大沖刷深度 hs的參數(shù)主要有水深、流速、河床泥沙粒徑和級配(黏土的壓縮及固結狀態(tài))、河寬、彎道半徑、彎道中心角、河床糙率、防護結構物外形、幾何尺寸及與水流的夾角等．根據(jù)沖刷影響因素無量綱分析，最大沖刷深度可表達為

式中：hs為彎道凹岸最大沖刷深度，m，從平均床面高程計；h為彎道進口的行近水深，m；B為河槽寬度，m；r為彎道中線半徑，m；d為泥沙中值粒徑，m；Fr為行近水流的弗勞德數(shù)；Km為邊坡系數(shù)對沖刷深度的影響系數(shù)，垂直墻即m＝0時為基數(shù)1；ogK 為河床泥沙不均勻性對沖刷深度的影響系數(shù)；k、a、b、c為待定系數(shù)和指數(shù)．

經試驗數(shù)據(jù)回歸后的彎道凹岸的局部最大沖刷深度[3]為

對于平順護岸沖刷深度，堤防工程設計規(guī)范推薦計算式[4]為

式中：hB為局部沖刷深度，m，從水面算起；hp為沖刷處的水深，m，以近似設計水位最大深度代替；vcp為平均流速，m/s；va為河床面上允許不沖流速，m/s；n與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取n＝1/4．

河道水流沖刷深度的預測是設計防護工程結構形式和基礎埋深的重要依據(jù)．然而，河道的水流特性十分復雜，同一斷面的不同區(qū)域水流特性不同，水流的沖刷深度也不同，打造親水平臺或親水廣場也會改變河道的水力特性，防護的需求也會變化．如圖 5所示，河流主槽的平均流速或流速梯度可達河道岸邊流速或流速梯度的 3～4倍，因而根據(jù)水流特性進行分區(qū)防護設計是必要的，既可以滿足防沖要求又滿足了河道景觀的需求．

圖5 典型復式斷面的水流流速分布Fig.5 Flow velocity distribution of a typical compound river profile

4 基于水位變動條件下不同高程的適宜植物配置

河道景觀營造工程的植物配置中，水位變化及植物對此做出的反應及種群適應性，是設計師需要考慮的問題．應密切關注等深線及等高線的豎向要求，按照水深適應性的植物分類分析不同水位的植物生存環(huán)境，做出合理的植物配置設計．

植物在一定水深范圍內能夠正常生長發(fā)育和繁衍的生態(tài)學特性稱為植物的水深適應性．按照水深適應性可將植物品種分為 4個類型：水生植物、濕生植物、中生植物和旱生植物．

水生植物是能夠長期在水中正常生活的植物，按照其生長方式可分為挺水植物、沉水植物、浮水植物和漂浮植物．濕生植物是指適宜生長在河岸下或地下水位較高處等過度潮濕環(huán)境中的植物．中生植物是指形態(tài)結構和適應性均介于濕生植物和旱生植物之間，不能忍受嚴重干旱或長期水澇，必須在水分條件適中的環(huán)境中生存的植物．旱生植物是指適宜在干旱環(huán)境下生長，可耐受較長期或較嚴重干旱的植物．

由于水位的變化，水岸空間的植物存在不同的生長條件，不同的植物有不同的適宜水深．按照植物水深適應性分析將河底到堤頂高程的空間劃分為如下6 個段落[5-7]．

(1) 常水位以下，水深 1.0,m 以上．該區(qū)域屬于水生環(huán)境的深水植物區(qū)，應種植水生植物中的沉水植物和漂浮植物，如荇菜、金魚藻、狐尾藻、黑藻、苦草、眼子菜、沮草、金魚草、浮萍、槐葉萍、大漂、雨久花、鳳眼蓮、滿江紅、菱、睡蓮等．

(2) 常水位以下，水深 0.6～1.0,m．該區(qū)域屬于水生環(huán)境的中深區(qū)，應種植水生植物中的對水深要求較高的挺水植物及浮葉植物，如荷花、睡蓮、萍蓬草、杏菜、慈姑、澤瀉、水芋、黃花水龍、茨實、眼子菜、苦草、金魚草等．

(3) 常水位以下，水深 0.3～0.6,m 內．該區(qū)域屬于水生環(huán)境的中淺區(qū)，應種植植株高大對水深適應度高的挺水植物，如再力花、蘆葦、蘆竹、水蔥、水燭、慈姑、海壽花、黃菖蒲、梭魚草、香蒲、菰、石龍芮等．

(4) 常水位以下，水深 0.3,m 內．該區(qū)域屬于水生環(huán)境的淺水區(qū)，應種植水生植物中適宜在淺水生長的植物品種，如澤瀉、水生美人蕉、千屈菜、鳳眼蓮、菖蒲、玉蟬花、花葉蘆葦、蜘蛛蘭、燈心草、香菇草、節(jié)節(jié)草、石菖蒲、旱傘草、梭魚草、紫芋、藺草、水薄荷、三白草、玉帶草．

(5) 常水位到其上2.0,m高程間．該區(qū)域屬于濕生環(huán)境，不被水浸泡，但土壤長期處于飽和狀態(tài)，應種植適宜在濕潤環(huán)境中生長的濕生植物，或對水中及非浸潤條件均有較強適應性的植物，如河柳、旱柳、檉柳、杞柳、水芹、銀芽柳、美人蕉、千屈菜、紅蓼、燈芯草、水蔥、蘆葦、蘆竹、銀蘆、香蒲、草芙蓉、馬蘭、香根草、旱傘草狗牙根、假儉草、紫花苜蓿、紫花地丁、菖蒲、燕子花、蒲公英、二月蘭等．

(6) 常水位以上 2.0,m．該區(qū)域屬于中生環(huán)境，一般當?shù)仃懙爻Ｓ闷贩N皆可種植在該區(qū)域；但應在洪水常泛的河道考慮洪水線下不種植名貴但不喜水的植物品種，以減少洪水來臨時的經濟損失．

5 河道水動力特性及景觀要求雙重作用下河道斷面的優(yōu)化策略

基于水動力特性對景觀設計提出的控制性指標要求主要包括河底、水面寬度及過水面積的控制，堤防高度和堤頂距控制以及堤防的形態(tài)控制．河道景觀設計中，往往會由于造景要求將原有河道“改線”，適當拓寬或縮減，以達到曲折迂回處忽見豁然開朗的意境．然而這種造景手法應首先遵循水力計算提出的最小過流斷面等控制性指標要求，也即大于等于河底、水面的控制寬度，才能保證河道的行洪排澇等基本功能不受影響．堤防高度和堤頂距的控制，關乎灘地的面積，也是行洪過流量的重要影響因素．堤防形態(tài)控制，即堤防的選線中不能單純從美觀的角度考慮，營建曲徑通幽的同時更應注意其安全性，過于蜿蜒的堤防，不但會增加培堤的工程量和成本，更為關鍵的是當洪水來襲時，彎曲處也是易被沖蝕的地帶，從而形成險工，對堤防的安全帶來隱患．基于河道水動力特性及景觀要求雙重作用下河道斷面的優(yōu)化策略如下所述．

圖6 某河道整治前后的水面線和水位坡降Fig.6 Curves of water level and gradient before and after regulation of the river

5.1 確定重點整治河道和水力控制指標

從防洪角度來講，堤頂越高越安全，抵御洪水的能力越強；然而從城市景觀建設來考慮，總是希望縮小堤頂與常水位及市政路之間的高差，也就是希望堤頂越低越好．分析現(xiàn)狀的河道水動力特性，把阻礙行洪的河道“卡口”段確定為需重點整治的河道．“卡口”段的重點整治可有效地提高行洪能力、節(jié)省工程投資．

河道的水位坡降

式中：Q為流量；K為流量模數(shù)；α為動能修正系數(shù)；ξ為水頭損失系數(shù)；g為重力加速度．

將水位坡降超過整個河道平均坡降 2倍的局部河道作為河道行洪的“卡口”段，如圖 6所示，即重點整治的河段[8]．根據(jù)河道行洪要求，提出滿足景觀設計需要的最小河道斷面、堤防高度及堤頂距的控制性指標．

5.2 整治河道斷面的優(yōu)化策略

通過優(yōu)化設計，在不降低河道行洪要求并滿足景觀需求的前提下，實現(xiàn)整治工程成本最小和效益最大的目標．優(yōu)選河道斷面參數(shù)包括河道主槽底寬、主槽邊坡參數(shù)、清淤深度、親水平臺高程和寬度、灘地邊坡參數(shù)等，相應河道斷面參數(shù)變化產生的河道水力學參數(shù)變化包括過流面積、濕周、水力半徑、水面寬、水深、弗勞德數(shù) Fr、流速、流量、水位坡降等，產生的河道整治工程量變化包括河底清淤量、邊坡開挖量、填筑量、岸坡各類護砌量、土方外運量等．

優(yōu)化設計數(shù)學模型可構建如下：目標函數(shù)為治理工程成本最小和收益最高；決策變量為河道斷面參數(shù)群；約束條件為河道過流要求約束、水位約束、安全超高約束、岸坡穩(wěn)定約束、景觀需求約束(親水平臺高程、寬度)、河道銜接約束(底坡、上下游斷面尺寸銜接、堤岸銜接)等．綜合考慮多類型約束條件，生成表征整治方案的可行個體群，以治理工程成本最小和收益最高為目標，在滿足河道過流要求的前提下，采取非完全隨機優(yōu)化計算方法對個體進行尋優(yōu)，確定最優(yōu)的河道整治斷面．

6 結 語

本文針對以往河道綜合治理過程中水利設計和景觀設計缺乏融合性的特點，分析了不同水文條件下河道水動力特性對景觀設計的控制性指標要求，提出基于豐、枯水期水位變化的濱河造景對策，考慮河道水動力特性的分區(qū)護岸原則，闡明不同水深下水生植物適宜品種及營造手法；提出河道水動力特性及景觀要求雙重作用下河道斷面的優(yōu)化策略．以上是景觀河道綜合整治需遵循的幾條普遍原則，對于河道綜合治理工程的優(yōu)化設計有重要參考和應用價值．

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