楊冬冬 曹磊 劉海龍 趙新

隨著全社會(huì)生態(tài)環(huán)境意識(shí)的明顯增強(qiáng)，人們對(duì)于提升人居環(huán)境的訴求日益強(qiáng)烈。水生態(tài)景觀作為風(fēng)景環(huán)境中最具吸引力的景觀要素之一，既是風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是生態(tài)環(huán)境改善的主要途徑。這就決定水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)不僅關(guān)乎“形態(tài)形式”，而且強(qiáng)調(diào)“生態(tài)功能”。在此背景下，水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)的理念經(jīng)歷了從改造自然、征服自然向遵從自然、適應(yīng)自然的轉(zhuǎn)變，由此其相應(yīng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法正逐漸從經(jīng)驗(yàn)性、靈感性向科學(xué)性、合理性轉(zhuǎn)變。如清華大學(xué)周維權(quán)先生在《中國古典園林史》中所述，“科技之于園林有關(guān)者，主要表現(xiàn)在建筑、植物、筑山、理水這四個(gè)造園要素上面……理水方面，從洛陽西苑和東京艮岳的河湖水系的經(jīng)營情況看，園林理水的規(guī)劃設(shè)計(jì)已達(dá)到相當(dāng)精密的程度……”[1]?？梢姡瑢?duì)于水景觀規(guī)劃技術(shù)的探索由來已久。

當(dāng)今，數(shù)字技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用不斷深入，正從初期單純輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行復(fù)雜形態(tài)設(shè)計(jì)向基于生態(tài)過程模擬的生境與景觀協(xié)同規(guī)劃設(shè)計(jì)過渡。在水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，水安全和水生態(tài)受到高度重視，洪澇威脅、水源不足、水體黑臭、生境單一等現(xiàn)象要求水生態(tài)景觀的規(guī)劃設(shè)計(jì)要將“水”的問題和“景”的塑造統(tǒng)籌協(xié)調(diào)考慮，這已成為當(dāng)前水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。針對(duì)水環(huán)境的數(shù)值模擬仿真技術(shù)為解決這一難題提供了途徑和思路，通過構(gòu)建場(chǎng)地模型，以描述場(chǎng)地水環(huán)境的定量化數(shù)據(jù)作為邊界條件，對(duì)場(chǎng)地內(nèi)不同工況下水文循環(huán)自然過程與規(guī)律進(jìn)行分析和解讀，可以幫助設(shè)計(jì)師了解平面或空間上的設(shè)計(jì)調(diào)整是如何對(duì)場(chǎng)地的水環(huán)境產(chǎn)生影響，從而為水生態(tài)景觀的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供支撐。

本文作者將從水生境特點(diǎn)與規(guī)劃設(shè)計(jì)的作用關(guān)系出發(fā)，結(jié)合實(shí)踐案例探討基于數(shù)值模擬仿真技術(shù)的水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)，以期豐富風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)風(fēng)景園林環(huán)境生態(tài)與形態(tài)協(xié)同設(shè)計(jì)模式的發(fā)展。

1 水環(huán)境特點(diǎn)及其評(píng)價(jià)

1.1 水環(huán)境的特點(diǎn)

城市中常見的水景觀或者說水環(huán)境包括河流、濕地、水塘、水庫、蓄水池和湖泊。河流或蜿蜒曲折或一瀉千里，湖泊或波光粼粼或平靜浩渺，總體而言，不同水環(huán)境具有不同的表現(xiàn)形態(tài)和景觀風(fēng)貌。這在根本上是由水體外在表象之下的地形地貌、水文水動(dòng)力、物理化學(xué)特性以及生物資源4個(gè)因子及其相互作用決定的。這4個(gè)因子不獨(dú)立存在，而是廣泛地相互依賴、相互依存。

其中，地形地貌作為水體的邊界條件是影響其水文水動(dòng)力的關(guān)鍵；而以水流和水量為代表的水文水動(dòng)力因子對(duì)水環(huán)境的物理化學(xué)特性和生物資源均具有決定性作用。它決定能量流動(dòng)、泥沙侵蝕、生境結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定，影響生物間的相互作用（通過提供食物、養(yǎng)料或造成一些物種的滅絕）、能量來源（通過引起河岸的侵蝕）和化學(xué)變化（通過水力轉(zhuǎn)移和稀釋污水影響水體中化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量）[2]。正如《歐盟水框架指令》（EU WFD）所述，水文水動(dòng)力因子影響著水生境的水文活力、水質(zhì)和生物資源，可以說是水生態(tài)景觀生境形成的直接驅(qū)動(dòng)力。而地形地貌、水文水動(dòng)力和物理化學(xué)特性中任何一個(gè)因子的細(xì)微變化都會(huì)最終引起水生動(dòng)植物群落結(jié)構(gòu)和特性發(fā)生改變。

因此，對(duì)于以上4個(gè)因子的定量化描述和評(píng)價(jià)是深入理解水環(huán)境、挖掘水環(huán)境變化規(guī)律的重要途徑。

1.2 水環(huán)境特點(diǎn)的評(píng)價(jià)

水環(huán)境的特點(diǎn)可以通過對(duì)地形地貌、水文水動(dòng)力、物理化學(xué)特性以及生物資源4個(gè)因子進(jìn)行評(píng)價(jià)而獲得。分形地貌理論、河流生態(tài)需水量理論、水環(huán)境容量理論和河流生態(tài)健康理論是該評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)。

1.2.1 地形地貌因子評(píng)價(jià)

早在1989年美國俄亥俄州環(huán)保署便從地貌角度選取河道彎曲程度、濱岸帶寬度、沖積平原質(zhì)量、深潭最大深度等多個(gè)指標(biāo)，用來表征和評(píng)價(jià)河流生物棲息地的物理環(huán)境性質(zhì)[3]。目前，針對(duì)水體地形地貌的評(píng)價(jià)常采用包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的多層地形地貌評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

目標(biāo)層面向不同的水環(huán)境分類，如濕地地貌、河流地貌、湖泊地貌、水庫地貌等；針對(duì)每一種水體類型，準(zhǔn)則層對(duì)其地形地貌進(jìn)行定性描述和特點(diǎn)分類；指標(biāo)層則是準(zhǔn)則層內(nèi)容的量化表達(dá)，集合了描述水體地形地貌形態(tài)特征的具體指標(biāo)，每種指標(biāo)均具有明確的計(jì)算方法。以河道地貌為例，其準(zhǔn)則層指標(biāo)包含河道穩(wěn)定性、縱向蜿蜒性和河岸帶多樣性，其下一層級(jí)的量化指標(biāo)包括深潭、淺灘和邊灘面積與主河槽面積的比值、穩(wěn)定河床河段與總河段的比值、河漫灘平均寬度等。

評(píng)價(jià)的依據(jù)來自自然。即以大量自然水環(huán)境為樣本，對(duì)照評(píng)價(jià)體系中的指標(biāo)層，計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)并統(tǒng)計(jì)，由此獲得的各項(xiàng)指標(biāo)參考區(qū)間值即為地形地貌評(píng)價(jià)的依據(jù)。

1.2.2 水文水動(dòng)力評(píng)價(jià)

水體的水流現(xiàn)象極其復(fù)雜，但經(jīng)過大量學(xué)者長時(shí)間的研究，目前針對(duì)水體水文和水動(dòng)力特性的研究成果非常成熟，常采用水位、水量和流速予以描述和評(píng)價(jià)。

河流生態(tài)需水量為水文水動(dòng)力的評(píng)價(jià)提供依據(jù)。它并不單單指生物體的需水量，而是具有保護(hù)維持生物棲息、維持水體自凈能力、維持水面蒸散發(fā)、維持水沙平衡以及維持水體水鹽平衡5層內(nèi)涵的生態(tài)環(huán)境需水量，以及與水量相匹配的水位、流速要求。

1.2.3 物理化學(xué)特性評(píng)價(jià)

對(duì)水環(huán)境物理化學(xué)特性的評(píng)價(jià)是掌握水體水質(zhì)的主要途徑。眾所周知，采用一些簡單且精確的方法，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)多種水質(zhì)或水體的物理化學(xué)特性指標(biāo)，如水溫、渾濁度、溶解氧、化學(xué)耗氧量等。

基于水環(huán)境容量理論，美國提出最大日負(fù)荷總量計(jì)劃（Total Maximum Daily Loads，簡稱TMDL）。該計(jì)劃以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和保持水生態(tài)系統(tǒng)健康為目標(biāo)，明確了在不影響某一水體正常使用的前提下，該水體所能容納的某種污染物的最大日負(fù)荷量。該指標(biāo)系列為水體的物理化學(xué)特性評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)。

1.2.4 生物資源評(píng)價(jià)

河流生態(tài)健康理論正在把水環(huán)境修復(fù)與管理的核心目標(biāo)從優(yōu)良的水質(zhì)轉(zhuǎn)移到維持整個(gè)水生態(tài)系統(tǒng)健康的價(jià)值方面。因?yàn)閱渭兊乃|(zhì)達(dá)標(biāo)不是一個(gè)水環(huán)境具有良好生態(tài)狀態(tài)的必要條件。隨著凈水技術(shù)的不斷提高，經(jīng)過現(xiàn)代高效水體凈化技術(shù)的處理后，雖然水體的水質(zhì)可以達(dá)到非常理想的狀態(tài)，但是河流的生境結(jié)構(gòu)和生物多樣性仍然很差的現(xiàn)象屢見不鮮。由此可見，水環(huán)境的生物資源可以說是水環(huán)境健康度的綜合表現(xiàn)。目前，歐盟水框架指令和生境指令、歐洲委員會(huì)及有關(guān)國際法規(guī)均支持并致力于生態(tài)水系統(tǒng)評(píng)價(jià)的研究和制定。

水環(huán)境生物資源評(píng)價(jià)常采取單指標(biāo)生物評(píng)價(jià)方法，就是從一個(gè)生物指示組中選擇一個(gè)目標(biāo)物種，并進(jìn)一步對(duì)其密度、數(shù)量或完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)已有研究顯示，在河流狀態(tài)評(píng)價(jià)中，由于生物的生活階段不同，選擇的生物指示物也會(huì)帶來精度上的誤差。下列指標(biāo)誤差變化的趨勢(shì)：浮游植物>浮游動(dòng)物>大型無脊椎動(dòng)物>大型植物>魚類[4]。這就是說以浮游生物為指示物種的評(píng)估常表現(xiàn)出較高的季節(jié)性差異，而以魚類為指示物種更為適宜。當(dāng)然如果同時(shí)使用多種指標(biāo)，能夠?qū)λh(huán)境的生物資源得到更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 基于數(shù)值模擬仿真技術(shù)的水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)流程與方法

2.1 緣起

人類借由規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)水體的改變由來已久，也是通過影響上述4個(gè)因子而實(shí)現(xiàn)的，特別是城市地區(qū)的水環(huán)境。參考羅斯納等[5]的研究報(bào)告，將人為建設(shè)對(duì)水體的負(fù)面影響歸納為：1）改變河濱地帶和洪泛平原連通的時(shí)間和程度[6]，使河道基流減少，水量不足，水位降低，水生動(dòng)植物生境被破壞；2）改變?cè)妓鳡顟B(tài)，低流速水流大范圍出現(xiàn)，污染物濃度增加、溶解氧減少，引發(fā)水質(zhì)問題，水生動(dòng)植物生境被破壞；3）水流被直線化束縛，使得水體的物理狀態(tài)均一化，降低了生態(tài)系統(tǒng)的水文異質(zhì)性或水流多樣性，水生動(dòng)植物生境被破壞；4）大量外界污染物侵入水體，水體水質(zhì)被破壞，水生動(dòng)植物生境被破壞。

不難看出，以水生動(dòng)植物生境被破壞為最終表象的背后原因：一類是人為活動(dòng)對(duì)水體物理環(huán)境（包括地形地貌和連通性）造成了負(fù)面影響，導(dǎo)致水體水文水動(dòng)力特征改變，進(jìn)而帶來水生動(dòng)植物生境的破壞；另一類是外界污染物入侵水體，水質(zhì)惡化導(dǎo)致的生境和生物資源破壞。后者多源于管理缺失，而前者與規(guī)劃設(shè)計(jì)關(guān)系密切。

水體物理環(huán)境作為水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)的直接對(duì)象，以此為媒介，了解規(guī)劃設(shè)計(jì)行為如何對(duì)水體水文水動(dòng)力以及水環(huán)境生物資源產(chǎn)生更進(jìn)一步的影響，是避免不當(dāng)人為規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)水環(huán)境造成負(fù)面影響的重要途徑。而針對(duì)水環(huán)境的數(shù)值模擬仿真方法為該路徑提供了關(guān)鍵的技術(shù)手段。

2.2 邏輯與流程

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程被認(rèn)為是一個(gè)以人的設(shè)計(jì)活動(dòng)和內(nèi)容為序列的單向線性過程，即以人為的規(guī)劃設(shè)計(jì)活動(dòng)終止為結(jié)束。隨著當(dāng)代對(duì)于規(guī)劃設(shè)計(jì)和生態(tài)效益關(guān)系的關(guān)注和發(fā)展，逐步認(rèn)識(shí)到完整的規(guī)劃設(shè)計(jì)過程包含規(guī)劃設(shè)計(jì)過程和規(guī)劃設(shè)計(jì)過程誘發(fā)下的生態(tài)演進(jìn)過程兩部分。前者短時(shí)可見，而后者具有明顯的滯后性，可能會(huì)在規(guī)劃設(shè)計(jì)工作完成后的很長一段之間后才會(huì)結(jié)束。兩者相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成一種“齒輪效應(yīng)”。作為以復(fù)雜而生態(tài)性突出的水環(huán)境為對(duì)象的水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)完全符合這一效應(yīng)（圖1）。在該效應(yīng)下，一個(gè)齒輪由水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)要素組成，包含地形設(shè)計(jì)、植物設(shè)計(jì)、空間設(shè)計(jì)等；另一個(gè)為由地形地貌、水文水動(dòng)力、物理化學(xué)特性以及生物資源4個(gè)因子構(gòu)成的水環(huán)境齒輪。適宜的要素可以產(chǎn)生與水環(huán)境齒輪相吻合的設(shè)計(jì)齒輪，兩者環(huán)環(huán)相扣促進(jìn)健康生境形成；而壞的設(shè)計(jì)則可能破壞水環(huán)境齒輪，使生境退化。這種“齒輪效應(yīng)”決定水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)需要明確了解怎樣的設(shè)計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生怎樣的水環(huán)境影響，并采用“設(shè)計(jì)—分析—評(píng)價(jià)—再設(shè)計(jì)”的“循環(huán)設(shè)計(jì)”過程予以支撐，而其中的“分析—評(píng)價(jià)”環(huán)節(jié)則需要借由數(shù)值模擬仿真技術(shù)來完成。

1 水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)的齒輪效應(yīng)The gear effect of water ecological landscape planning and design

水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)過程以保護(hù)、維持或修復(fù)水生態(tài)環(huán)境為首要目標(biāo)。因此“循環(huán)設(shè)計(jì)”需要首先設(shè)定生態(tài)目標(biāo)，其次確定待分析和評(píng)價(jià)的目標(biāo)水環(huán)境因子，并選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將待評(píng)價(jià)的水環(huán)境因子具體化和指標(biāo)化，然后將水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)方案帶入計(jì)算機(jī)模型，通過數(shù)值模擬仿真技術(shù)，計(jì)算獲得基于本方案的待評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值，并與目標(biāo)值進(jìn)行比較。如果滿足目標(biāo)指標(biāo)值，則方案設(shè)計(jì)階段停止；如果未達(dá)到目標(biāo)指標(biāo)值，則需對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)入第二輪設(shè)計(jì)循環(huán)，直至所有指標(biāo)均滿足目標(biāo)要求（圖2）。

2.3 工具

水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中，常以營造某種生境類型和為某些動(dòng)植物提供適宜生存繁殖環(huán)境為目標(biāo)，待評(píng)價(jià)的水環(huán)境因子包括最小生態(tài)需水量、水質(zhì)管理目標(biāo)和適生生境指標(biāo)等。而這些復(fù)雜的水環(huán)境因子?？梢耘c其相應(yīng)的水量、水位、流速以及污染物濃度分布來表征，并通過Hec-RAS、MIKE21、SWMM等水環(huán)境模擬方法計(jì)算獲得。其中，HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水面線計(jì)算模擬技術(shù)，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計(jì)算，操作簡單，可獲得不同降雨、上游補(bǔ)引水情況下河道水位、流速、流量信息。MIKE21可用于任何忽略分層的二維自由表面流的模擬，適用于模擬河流、湖泊、濕地、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境，具有較高精度，并可與GISMAP兼容，利于模擬結(jié)果的圖形可視化；SWMM暴雨洪水管理模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)的降水—徑流模擬模型，主要用于模擬某一單一降水事件或長期的水量和水質(zhì)過程模擬。

在水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中，可根據(jù)所需模擬的水環(huán)境特點(diǎn)、所需獲得的指標(biāo)類型以及精度要求，合理選擇模擬方法和軟件（表1）。

3 基于數(shù)值模擬仿真技術(shù)的水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 天津市七里海國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)修復(fù)實(shí)踐

天津市七里海國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是1992年經(jīng)由國務(wù)院批準(zhǔn)建立的國家級(jí)古海岸與濕地類型的保護(hù)區(qū)，總面積344.38 km2。本項(xiàng)目位于保護(hù)區(qū)的核心區(qū)，面積為44.85 km2。

七里海濕地形成于5 000多年以前，是渤海灣自全新世以來達(dá)到海侵最大范圍后，海水后退，逐漸成陸過程中遺留的眾多瀉湖洼地之一。但是自20世紀(jì)以來，受中國城市快速發(fā)展建設(shè)的影響，七里海濕地由于上游來水的逐漸減少，以及水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的影響，濕地水域面積減少，葦蕩日漸退化，濕地生境趨向單一。

2 基于數(shù)值模擬仿真技術(shù)的水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)流程Process of water ecological landscape planning and design based on numerical simulation technology

3 基于數(shù)值仿真技術(shù)的七里海濕地修復(fù)核心步驟和流程The key steps and process of Qilihai wetland restoration based on numerical simulation technology

表1 常見水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算和模擬方法Tab.1 Calculation and simulation methods of common water environment evaluation indexes

規(guī)劃的現(xiàn)狀分析以實(shí)地踏勘與“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”模型評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上明確了“以合理補(bǔ)引水為先導(dǎo)的濕地生態(tài)修復(fù)策略”，即以濕地水系統(tǒng)修復(fù)為抓手，進(jìn)而逐步實(shí)現(xiàn)濕地鳥類生境與植物群落的修復(fù)。

針對(duì)七里海濕地葦蕩因缺水而退化，并進(jìn)一步導(dǎo)致鳥類減少的突出問題，七里海濕地水系統(tǒng)恢復(fù)規(guī)劃部分旨在修復(fù)或局部重建濕地內(nèi)能夠起到輸送水源、涵養(yǎng)植被作用的溝渠系統(tǒng)。溝渠系統(tǒng)的修復(fù)規(guī)劃采用“設(shè)計(jì)—分析—評(píng)價(jià)—再設(shè)計(jì)”的“循環(huán)設(shè)計(jì)”過程（圖3）。第1步“設(shè)計(jì)”：首先本著“淺層動(dòng)土，原位調(diào)整”“只動(dòng)淤土層，不擾原土層”的原則，結(jié)合場(chǎng)地現(xiàn)狀，提出七里海補(bǔ)水溝渠平面草案；其次充分考慮到棲息在七里海濕地中涉禽的生境喜好和蘆葦生長的水深要求，確定溝渠斷面深度為0.5～0.8 m不等，主干溝渠深度在0.6～0.8 m之間，分支溝渠淺，深度在0.5～0.6 m之間。第2步“分析”：選定蘆葦作為溝渠輸水涵養(yǎng)的核心目標(biāo)物種，分析其生長過程中的需水規(guī)律[7-8]（圖4）。第3步“評(píng)價(jià)”：項(xiàng)目選取前文所述的地形地貌評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)指標(biāo)為濕地中不同生境類型的面積比值。美國Robert提出的“棲息型濕地由開放水面（深水區(qū)）、沼澤、灘涂組成，面積比為5∶4∶1”作為評(píng)價(jià)依據(jù)。針對(duì)規(guī)劃草案進(jìn)行“生境類型面積比”計(jì)算[9]。利用GIS平臺(tái)建立規(guī)劃草案的平面二維模型，導(dǎo)入MIKE21模擬界面后，以不同季節(jié)蘆葦生長的需水量作為邊界條件，模擬不同輸水情況下，七里海濕地核心區(qū)內(nèi)開放水面（水深大于2 m）、沼澤（常年有水）、灘涂（間歇性有水區(qū)域）的面積比（圖5）。第4步“再設(shè)計(jì)”：調(diào)整七里海補(bǔ)水溝渠平面草案直至其不同生境類型的面積比值接近評(píng)價(jià)依據(jù)，最終形成溝渠系統(tǒng)的修復(fù)規(guī)劃方案。

4 以蘆葦為指示指標(biāo)的七里海濕地不同季節(jié)的補(bǔ)引水規(guī)律The water diversion rule of Qilihai wetland in different seasons taking reeds as indicators

5 MIKE21模型下七里海濕地西海不同季節(jié)的淹沒模擬The inundation simulation of the west part of Qilihai wetland in different seasons under the MIKE21 model

待七里海濕地水系統(tǒng)恢復(fù)規(guī)劃方案形成后，項(xiàng)目進(jìn)一步對(duì)重點(diǎn)區(qū)域如鳥島、濱河灘地的植物群落和鳥類生境進(jìn)行詳細(xì)的恢復(fù)設(shè)計(jì)，以期在不同尺度上保障修復(fù)規(guī)劃的可實(shí)施性。

3.2 秦皇島市北戴河新區(qū)水系規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐

北戴河新區(qū)位于秦皇島市域?yàn)I海地區(qū)的西側(cè)。區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦、海拔較低，自西向東呈現(xiàn)有沖積洪積平原、瀉湖與海積平原、海岸沙丘帶、海灘、水下岸坡等地貌類型。由于該區(qū)為沖積平原向海域轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)，區(qū)內(nèi)入海河流眾多。河流沿岸生態(tài)環(huán)境基本良好，夏季蘆葦、菖蒲等挺水植物茂密蔥郁，常見白鷺、白鹮等鳥類在此棲息覓食。但近年來受到日益嚴(yán)重的氣候變化和河流上游水庫攔截影響，區(qū)內(nèi)河流特別是東沙河以及大蒲河的支流，流量季節(jié)性差異突出，河流生態(tài)環(huán)境存在退化隱患。

北戴河新區(qū)的開發(fā)建設(shè)給新區(qū)水系帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。如何遏制水系生態(tài)環(huán)境退化的趨勢(shì)，重新激發(fā)河流活力，推動(dòng)河流自身良性循環(huán)發(fā)展，使河流成為區(qū)內(nèi)環(huán)境提升、景觀營造的助推力是整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵。

基于實(shí)地踏勘和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、資料整理分析發(fā)現(xiàn)，北戴河新區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀水系水質(zhì)良好，地貌生境相對(duì)穩(wěn)定，但水源日益不足，水流減緩的問題成為該區(qū)域水系生態(tài)安全的薄弱環(huán)節(jié)。此外，新區(qū)開發(fā)建設(shè)將對(duì)水系生物資源造成潛在威脅。針對(duì)上述問題，當(dāng)?shù)卣岢鲆蠛铀胄鲁茄a(bǔ)水的設(shè)想，力爭在解決區(qū)內(nèi)水系水動(dòng)力不足的同時(shí)強(qiáng)化區(qū)域“生態(tài)水城”的新區(qū)規(guī)劃理念。

補(bǔ)引水方案中的引水量以目標(biāo)魚類的適宜水深為邊界條件確定。根據(jù)國內(nèi)外研究表明，適合魚類生存的生態(tài)水深的下限值約為魚類體長的3倍[10-12]。區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀河流中基本以鯽魚為主，存活良好，而且它是吸引白鷺、白鹮等鳥類棲息覓食的主要因素之一。因此，項(xiàng)目以0.6～0.9 m作為新區(qū)河流水深的下限值。根據(jù)場(chǎng)地DEM數(shù)據(jù)、河流典型斷面信息構(gòu)建新城水系的三維河網(wǎng)模型，以場(chǎng)地相關(guān)水文資料和符合適宜水深下限值的補(bǔ)引水量為邊界條件，采用Hec-RAS對(duì)河網(wǎng)的水文水動(dòng)力情況進(jìn)行模擬評(píng)估（圖6）。

根據(jù)流速評(píng)估結(jié)果，將水系方案劃分為高于適生流速區(qū)、低于適生流速區(qū)（以鯽魚的極限流速0.7 m/s為依據(jù)劃分）及水流不暢區(qū)，并以此為依據(jù)提出相應(yīng)的生態(tài)化景觀調(diào)節(jié)措施（圖7）。在低于適生流速區(qū)主要通過在其上游設(shè)置多級(jí)跌水堰雍水，抬高水頭，增加水流曝氣增氧的機(jī)會(huì)，并輔以水生植物、生態(tài)浮島等措施，一定程度上避免低流速區(qū)水流過緩導(dǎo)致的水質(zhì)惡化隱患；在規(guī)劃的中心湖景區(qū)，由于水流分支過多，豐水期存在水流不暢、緩滯等問題，建議結(jié)合地形、植物要素設(shè)計(jì)導(dǎo)流丁壩等，在發(fā)揮調(diào)節(jié)水流作用的同時(shí)增加河流生境、豐富水景形態(tài)。

4 討論及展望

以水環(huán)境特性評(píng)價(jià)模型為基礎(chǔ)，借助數(shù)值模擬仿真技術(shù)，使得科學(xué)地分析和預(yù)測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案對(duì)水體生態(tài)特點(diǎn)和功能的影響成為可能。針對(duì)不同地區(qū)、類型、規(guī)模的水環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)，篩選特性評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后選取適宜的數(shù)值模擬工具，在模擬工具的平臺(tái)上建立場(chǎng)地模型后，計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值，并進(jìn)一步將設(shè)定條件下描述水體情況的數(shù)字化信息轉(zhuǎn)換為圖形化形式，即可為方案優(yōu)化或多方案比選提供依據(jù)，完成循環(huán)設(shè)計(jì)涵蓋“設(shè)計(jì)—分析—評(píng)價(jià)—再設(shè)計(jì)”的全過程。這不僅益于提高水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，更利于促進(jìn)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)方法與方式的變革。

6 北戴河新區(qū)補(bǔ)引水方案河網(wǎng)模型的構(gòu)建與模擬結(jié)果The construction of river network model and simulation results of the water diversion scheme in Beidaihe New Area

7 基于數(shù)值模擬結(jié)果的景觀化水流調(diào)節(jié)措施與布局Measures and layout of landscape water flow regulation based on numerical simulation results

水生態(tài)景觀類型多樣，隨地區(qū)自然氣候條件的不同在形態(tài)、生態(tài)等方面存在明顯差異，而水生態(tài)景觀的規(guī)劃設(shè)計(jì)更是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因此，在運(yùn)用本文所述方法時(shí)，一方面需要充分分析項(xiàng)目對(duì)象的水環(huán)境特點(diǎn)，綜合項(xiàng)目目標(biāo)，準(zhǔn)確篩選出適宜的評(píng)價(jià)指標(biāo)；另一方面，在建立研究對(duì)象的模擬模型和輸入模擬邊界條件時(shí)，應(yīng)對(duì)繁雜的場(chǎng)地情況進(jìn)行合理整合或提煉，在保障模擬計(jì)算可操作性的同時(shí)提高計(jì)算精度。這就需要景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)者和研究者不斷加深對(duì)于水生態(tài)景觀的理解，并大量積累從事相關(guān)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)。

基于此，今后的水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)研究將著眼于以下兩方面繼續(xù)發(fā)展。首先，結(jié)合不同水生態(tài)景觀的特點(diǎn)，并綜合考慮氣候區(qū)因素，對(duì)水生態(tài)景觀進(jìn)行細(xì)化分類，建立不同氣候區(qū)、不同分類水景觀的水環(huán)境特性評(píng)價(jià)指標(biāo)菜單和適宜模擬工具的菜單。其次，針對(duì)風(fēng)景園林學(xué)科在水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中各環(huán)節(jié)的需求，嘗試運(yùn)用Python語言編寫功能插件嵌入已有的數(shù)值模擬軟件中，以期能夠使數(shù)值模擬軟件更好地為水生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)服務(wù)。

注釋：

① 圖1～7 均為作者自繪。

② 表格數(shù)據(jù)為作者編寫。