周 燕 冉玲于 茍翡翠 余 洋

湖庫(kù)型景觀水體主要是指一些具有景觀效益的湖泊或水庫(kù)水體，該類水體相較于流動(dòng)性強(qiáng)的江河溪流來(lái)說(shuō)大多保持相對(duì)靜止的狀態(tài)，受到補(bǔ)水條件單一、封閉緩流和自凈能力弱等水環(huán)境的約束，其生態(tài)狀況愈發(fā)脆弱，難以抵制水體污染進(jìn)而導(dǎo)致水質(zhì)惡化，給水生動(dòng)植物造成不可估量的損害，同時(shí)也嚴(yán)重削弱了水體功能和景觀效果，對(duì)人體健康和生活環(huán)境帶來(lái)了影響。本研究中的客體對(duì)象“大官塘水庫(kù)”即為一典型的湖庫(kù)型水體。當(dāng)前，針對(duì)湖庫(kù)型水體的這些問(wèn)題，人們普遍對(duì)水岸邊際的景觀效果和生態(tài)效益關(guān)注度很高，而對(duì)水體內(nèi)部的水力條件關(guān)注度很低，以至于在不了解水循環(huán)過(guò)程中的水動(dòng)力條件、水量和水質(zhì)變化等因素的情況下，憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和定性思維就做出背離水體生態(tài)的設(shè)計(jì)決策。比如，為了滿足人們回歸自然的需求，設(shè)計(jì)師們多將湖岸設(shè)計(jì)為曲折多彎狀，但是，這往往只是片面地對(duì)自然進(jìn)行模擬，并沒有科學(xué)依據(jù)的支撐，從而致使很多湖庫(kù)型水體因彎度的不合理而出現(xiàn)“死角”，“死角”中水體流動(dòng)性較差，長(zhǎng)期得不到置換而進(jìn)一步導(dǎo)致水質(zhì)惡化。

湖庫(kù)型水體的景觀設(shè)計(jì)應(yīng)該注重其水體本身的水力特征和生態(tài)需求，促進(jìn)水體流動(dòng)，提高水體自凈能力，保證生態(tài)可持續(xù)性，因此，這就需要探索一些區(qū)別于以往的生態(tài)設(shè)計(jì)方法，在注重水生植物凈化水質(zhì)為主的研究與實(shí)踐的同時(shí)[1～4]，還應(yīng)注重水體內(nèi)部的循環(huán)過(guò)程，進(jìn)而在規(guī)劃開始階段就科學(xué)地測(cè)算場(chǎng)地現(xiàn)狀，制定針對(duì)湖庫(kù)型景觀水體的量化指標(biāo)來(lái)指導(dǎo)水體景觀生態(tài)設(shè)計(jì)。已有學(xué)者開始利用水動(dòng)力學(xué)方面[5]的知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐探究，如Onnish和Imasato[6]、Endon[7]使用水動(dòng)力模式和驗(yàn)證手段對(duì)日本琵琶湖進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究，基本弄清了琵琶湖各種水動(dòng)力過(guò)程的特征及形成機(jī)制，為保護(hù)琵琶湖的生態(tài)環(huán)境提供了依據(jù)；吳堅(jiān)、濮培民[8]利用不規(guī)則網(wǎng)格的有限差分法對(duì)太湖水動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了二維數(shù)值模擬；Mohammad Zounemat-Kermani[9]通過(guò)結(jié)合二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型和三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬深水區(qū)域的風(fēng)生流作用，并且與實(shí)測(cè)相比較驗(yàn)證了其適用性；葉上揚(yáng)[10]運(yùn)用了SMS和Delft-3D軟件建立了多維數(shù)學(xué)模型，對(duì)西湖的各種引排水工況進(jìn)行模擬并且相互比較，得出了最優(yōu)布水方案等。

目前，國(guó)際上常用的湖庫(kù)型水體模擬軟件有EFDC、WASP、SMS、MIKE 21、CEQUAL-R1、CE-QUAL-W2等(表1)。通過(guò)綜合考慮研究區(qū)性質(zhì)、數(shù)據(jù)可獲取性和模型適用性等因素，本文最終采用了MIKE 21水動(dòng)力模型進(jìn)行湖庫(kù)型景觀水體生態(tài)設(shè)計(jì)的研究。MIKE 21是丹麥水利研究所開發(fā)的系列水動(dòng)力學(xué)軟件之一，它是一個(gè)專業(yè)的工程軟件包，可為模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙提供功能強(qiáng)大而全面的方法。為工程應(yīng)用、海岸管理及規(guī)劃提供了完備、有效的設(shè)計(jì)環(huán)境。MIKE 21模型軟件提供了多模塊的選擇，包括前后處理模塊、水動(dòng)力學(xué)模塊、水質(zhì)和環(huán)境評(píng)價(jià)模塊和泥沙傳輸模塊。將該模型運(yùn)用到水環(huán)境景觀設(shè)計(jì)中的價(jià)值在于它可以協(xié)助探索和認(rèn)識(shí)水體水循環(huán)和水文過(guò)程的規(guī)律，也可以輔助相關(guān)分析、預(yù)報(bào)和管理。本文便是通過(guò)運(yùn)用MIKE 21水動(dòng)力模型，對(duì)水文動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行量化，模擬庫(kù)區(qū)的水流和水質(zhì)條件，并將可視化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為規(guī)劃設(shè)計(jì)的依據(jù)要素，應(yīng)用到“南京市高淳區(qū)椏溪國(guó)際慢城大官塘水庫(kù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案”中。意在展示一種將風(fēng)景園林專業(yè)知識(shí)與數(shù)字化技術(shù)和環(huán)境科學(xué)專業(yè)相互結(jié)合的科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計(jì)手法，強(qiáng)調(diào)對(duì)水體內(nèi)部生態(tài)需求的關(guān)注，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善和景觀效果提升的耦合[13]。

1 基地水環(huán)境現(xiàn)狀

大官塘水庫(kù)位于南京市椏溪鎮(zhèn)國(guó)際慢城境內(nèi)，南界高淳區(qū)301縣道，北臨瑤池山莊，西東臨椏溪慢城游客中心，周邊被遮軍山包圍，水域周邊為農(nóng)田、林草地、茶園等(圖1)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與前期分析，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)水環(huán)境由于水循環(huán)受阻造成了水體淤堵的問(wèn)題，即水庫(kù)內(nèi)部水源單一，并且由于水域內(nèi)部形態(tài)、寬度、深淺和流速的差異，引起局部區(qū)段的淤堵，使水循環(huán)處于亞健康的狀態(tài)，同時(shí)也存在著水土流失造成的泥沙沉積和農(nóng)業(yè)化肥的徑流污染問(wèn)題。

表1 國(guó)內(nèi)外常用湖庫(kù)型水體數(shù)值模擬軟件比較[11-12]

2 基于場(chǎng)地的二維水動(dòng)力-水質(zhì)模型的建立

MIKE 21模型包含了四大模塊，各個(gè)模塊功能與所需數(shù)據(jù)均有所不同。其中，前后處理模塊主要作為用戶準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分析、結(jié)果演示的工具，是其他模塊運(yùn)行的基礎(chǔ)；水動(dòng)力模塊是非常通用的水文學(xué)工具，用于模擬湖泊、河口和海岸地區(qū)的水位變化和由于各種力的作用而產(chǎn)生的水流變化；水質(zhì)和環(huán)境評(píng)價(jià)模塊則用于河流、濕地、湖泊、水庫(kù)等的水質(zhì)模擬，預(yù)報(bào)生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)，簡(jiǎn)單到復(fù)雜的水質(zhì)研究工作，水環(huán)境影響評(píng)價(jià)及水環(huán)境修復(fù)研究，水環(huán)境規(guī)劃和許可研究，水質(zhì)預(yù)報(bào)；泥沙傳輸模塊可用來(lái)確定泥沙的傳輸模式，意外遺漏、沉淀和衰減過(guò)程的模擬等。本研究的目的在于通過(guò)探究湖庫(kù)型水體的水動(dòng)力與水質(zhì)狀況來(lái)輔助景觀方案的生成，其中，水質(zhì)主要通過(guò)流速判斷，水體流動(dòng)性越差受污染的可能性就越大。通過(guò)比較各個(gè)模塊的功能與本次研究目的的契合性，最終選擇了水動(dòng)力模塊作為模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，前后處理模塊作為前后期數(shù)據(jù)處理的輔助。

具體來(lái)說(shuō)，首先將大官塘水庫(kù)的DEM地形數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)水文資料、來(lái)流條件、水力半徑、河床糙率、模擬網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間步長(zhǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集合預(yù)處理，生成河網(wǎng)文件、邊界文件、斷面文件、參數(shù)文件和時(shí)間序列文件，然后將這些文件輸入水動(dòng)力模塊，再輸出3張可視化數(shù)據(jù)圖紙，即大官塘水系水深條件與分布圖、大官塘水系流速條件與分布圖和大官塘水系水流流向條件圖，進(jìn)而輔助進(jìn)行基于水深和水質(zhì)條件的植物配置方案設(shè)計(jì)、基于水污染分布分析的設(shè)施方案設(shè)計(jì)和基于水域形態(tài)演變分析的水體形態(tài)設(shè)計(jì)等(圖2)。

3 基于數(shù)值模擬的水環(huán)境改善和景觀設(shè)計(jì)策略

3.1 水庫(kù)水深分析與開發(fā)策略

從MIKE 21模型生成的大官塘水系水深數(shù)據(jù)(圖3)中可以看出，水庫(kù)內(nèi)部水深大致分布在0～7m，而距離岸線6m處水域的水深最大達(dá)到7m，最小1m(圖4)，這意味著水深變化將對(duì)植物的分布范圍和游覽的安全產(chǎn)生影響。因此，主要可以得到以下2個(gè)開發(fā)策略方案建議：一是對(duì)于水陸交接帶植被結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，即依據(jù)植物的適水習(xí)性特征，可以劃分為水生、濕生(沼生)、旱生、中生等植物生態(tài)類型，并將其按照特定區(qū)域的水深條件進(jìn)行布置；二是對(duì)安全型活動(dòng)區(qū)選點(diǎn)的指導(dǎo)，保障親水活動(dòng)的安全性是進(jìn)行水環(huán)境與岸帶活動(dòng)設(shè)計(jì)最根本的基礎(chǔ)與底線，依據(jù)大官塘水系水深分布條件，盡量將人的活動(dòng)范圍圈定在水深較淺處，進(jìn)而選定出能進(jìn)行諸如觀景、垂釣、休閑、餐飲和動(dòng)物棲息等活動(dòng)的適宜點(diǎn)(圖5)。

3.2 水庫(kù)流向分析與開發(fā)策略

大官塘水庫(kù)水源以季節(jié)性降雨為主，水域形態(tài)呈現(xiàn)季節(jié)周期性的變化。在水流影響下，水域岸線形態(tài)處于動(dòng)態(tài)的演化過(guò)程中(圖6)。

根據(jù)大官塘水系水流流向模擬結(jié)果，對(duì)其水系岸線在5年、10年和50年過(guò)程中的演化情況進(jìn)行分析(圖7)，可見其部分岸線的波動(dòng)是比較大的。由此，可以得出2個(gè)主要設(shè)計(jì)策略：一是對(duì)于彈性岸帶形式的指導(dǎo)，基于大官塘水庫(kù)形態(tài)及演化預(yù)測(cè)分析，岸帶形式處理和形態(tài)設(shè)計(jì)需要預(yù)留長(zhǎng)期發(fā)展的彈性空間；二是對(duì)引流設(shè)施類型與結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)，結(jié)合模型對(duì)水體流速現(xiàn)狀的分析，對(duì)于流速混亂帶進(jìn)行生態(tài)島的位置和形態(tài)設(shè)計(jì)，恢復(fù)因流向混亂造成的水動(dòng)力損失(圖8)。

圖1 大官塘水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 模型運(yùn)作流程圖

3.3 水庫(kù)流速分析與開發(fā)策略

根據(jù)MIKE 21模擬的大官塘水系流速數(shù)據(jù)(圖9)可以看出，水體流速大多分布在0～0.3m/s，其距離岸線6m處的流速最大達(dá)0.74m/s，最小為0.06m/s(圖10)。流速越大，越容易產(chǎn)生岸坡的安全隱患，而流速越小，則越容易造成污染物淤積和水質(zhì)惡化，由此得出兩大設(shè)計(jì)策略建議：一是對(duì)于防沖安全區(qū)段定位，依據(jù)大官塘水系水體流速分布，區(qū)劃駁岸類型與結(jié)構(gòu)，輔助實(shí)現(xiàn)治理成本小與工程量較小的高性價(jià)比防沖設(shè)計(jì)(圖11)；二是水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)定位，通過(guò)對(duì)大官塘水系流速空間分布的模擬，確定水質(zhì)污染易發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，可作為后期配置水污染預(yù)防與治理的工程措施、生態(tài)措施空間區(qū)位的依據(jù)(圖12)。

3.4 基于水文水動(dòng)力分析結(jié)果的規(guī)劃建設(shè)引導(dǎo)

通過(guò)MIKE 21模型對(duì)自然水文特征的分析與數(shù)據(jù)處理，對(duì)大官塘水庫(kù)的水體內(nèi)部循環(huán)產(chǎn)生的水動(dòng)力情況有了量化依據(jù)，進(jìn)而可以對(duì)水庫(kù)的水量變化、水質(zhì)狀態(tài)和水域邊界形態(tài)變動(dòng)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，將定性經(jīng)驗(yàn)判斷與定量數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，得出總體景觀設(shè)計(jì)策略(表2)。

表2 基于MIKE 21模型分析結(jié)果的規(guī)劃建設(shè)引導(dǎo)

圖3 MIKE 21模擬大官塘水系水深數(shù)據(jù)

圖4 距離岸線6m處水深分布分析

圖5 安全活動(dòng)區(qū)分布

圖6 MIKE 21模擬大官塘水系流向數(shù)據(jù)

4 結(jié)論與討論

本研究以大官塘水庫(kù)為例，應(yīng)用MIKE 21水動(dòng)力分析軟件，建立了水體二維水動(dòng)力—水質(zhì)模型，模擬庫(kù)區(qū)水流及水質(zhì)條件，將數(shù)值分析結(jié)果轉(zhuǎn)譯為水環(huán)境景觀設(shè)計(jì)的科學(xué)基礎(chǔ)，提出了強(qiáng)化庫(kù)區(qū)水動(dòng)力、提升水質(zhì)的水域空間設(shè)計(jì)總體策略，并對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行了定量評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整水域空間形態(tài)、布設(shè)水工設(shè)施，可有效提升整體水動(dòng)力水平；通過(guò)合理配置挺水、浮水和沉水植物，構(gòu)建高效植物生態(tài)系統(tǒng)，則可有效提升湖區(qū)水質(zhì)，基本消除大官塘水庫(kù)局部區(qū)域水質(zhì)惡化的風(fēng)險(xiǎn)，從而實(shí)現(xiàn)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善和景觀效果提升的耦合統(tǒng)一。

但是，本研究也有局限性。首先，在這次水環(huán)境定量分析過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集來(lái)自實(shí)驗(yàn)室，而非自然狀態(tài)下實(shí)地獲取的數(shù)據(jù)，這或許與現(xiàn)實(shí)中的研究結(jié)果存在差異,建議應(yīng)用時(shí)對(duì)模型可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，比如通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)場(chǎng)地內(nèi)的水動(dòng)力與水質(zhì)變化取得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將其與模擬值進(jìn)行比對(duì)，以便做出相應(yīng)調(diào)整，進(jìn)而提高參數(shù)選擇的恰當(dāng)性與模型設(shè)置的合理性；其次，本研究采用單一要素變量的研究方法進(jìn)行規(guī)劃要素的測(cè)度，如水深、水流速度等在規(guī)劃層面上的影響，但規(guī)劃設(shè)計(jì)是一個(gè)由多自然和多社會(huì)因素綜合影響而產(chǎn)生的結(jié)果，所以，在深入研究階段，科學(xué)構(gòu)建水環(huán)境單一要素之間的權(quán)重影響體系，將是本次研究的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，這直接關(guān)系到規(guī)劃方案設(shè)計(jì)和水環(huán)境綜合評(píng)價(jià)的科學(xué)合理性；最后，定量分析與定性分析的結(jié)果極有可能是相反的，因此，建議設(shè)計(jì)者權(quán)衡利弊，可通過(guò)多方案比較來(lái)尋找經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的契合點(diǎn)。

無(wú)論如何，景觀設(shè)計(jì)正在走向數(shù)字化，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)估和判斷將會(huì)指導(dǎo)我們做出更加全面的決策。此次研究中提出的水動(dòng)力、水質(zhì)數(shù)值模擬指導(dǎo)下集成水景觀空間規(guī)劃與水生態(tài)修復(fù)技術(shù)的湖庫(kù)型水體景觀綜合生態(tài)規(guī)劃方法，可為今后類似的項(xiàng)目實(shí)踐提供借鑒和參考。

圖7 大官塘水庫(kù)水系岸線演化情況分析

圖8 大官塘水庫(kù)彈性岸帶形式與引流設(shè)施分布

圖9 MIKE 21模擬大官塘水系流速數(shù)據(jù)

圖10 距離岸線6m處流速分布分析

圖11 駁岸類型分布圖

圖12 水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分布圖