基于数值模拟的湖库型景观水体生态设计方法研究——以MIKE 21模型在大官塘水库规划方案中的应用为例

基于数值模拟的湖库型景观水体生态设计方法研究——以MIKE 21模型在大官塘水库规划方案中的应用为例
周燕;冉玲于;苟翡翠;余洋
【摘要】以大官塘水库为例,应用MIKE 21水环境模拟软件,建立水体二维水动力和水质模型,模拟库区水流及水质条件,将数值分析结果转译为水环境景观设计的科学基础,提出强化库区水动力、提升水质的水域空间设计总体策略,并对规划方案进行定量评估.研究发现,通过调整水域空间形态、布设水工设施,可有效提升整体水动力水平;通过合理配置挺水、浮水和沉水植物,构建高效植物生态系统,可有效提升湖区水质,降低大官塘水库局部区域水质恶化的风险,从而实现水生态环境质量改善和景观效果提升的耦合统一.此次研究探索了水动力、水质数值模拟指导下集咸水景观空间规划与水生态修复技术的湖库型水体景观综合生态规划方法,可为今后类似的项目实践提供建设思路与经验参考.%This study took the Daguantang Reservoir as an example,two-dimensional hydrodynamic and water quality models were established by using MIKE 21 water environment simulation software to simulate the water flow and water quality conditions in the reservoir area.The numerical analysis results will be translated into the scientific basis of water environment landscape design,the overall strategy of water space design for strengthening the hydrodynamic and enhancing water quality was proposed,and the planning scheme was quantitatively evaluated.It is found that the water dynamics can be improved effectively by adjusting the water space form,and the layout of the hydraulic facilities.By rational allocation of water,floating water and submerged plants,an efficient plant ecosystem can be constructed,the water quality of
artificial lake were effectively enhanced,and the risk of water quality deterioration of partial area was basically eliminated,so as to achieve the coupling unity of water ecological environment quality and the landscape effect improvement.This study explored the integrated ecological planning method of integrated lake water landscape planning and aquatic ecological restoration technology under the guidance of hydrodynamic and water quality simulation,which can provide reference for the construction of similar project practice in the future.
【期刊名称】《中国园林》
【年(卷),期】2018(034)003
【总页数】6页(P123-128)
【关键词】风景园林;水体景观规划;数值模拟;湖库型水体;生态设计方法
【作者】周燕;冉玲于;苟翡翠;余洋
【作者单位】武汉大学城市设计学院武汉430072;武汉大学城市设计学院武汉430072;武汉大学城市设计学院武汉430072;武汉大学城市设计学院武汉430072
【正文语种】中文
【中图分类】TU986
湖库型景观水体主要是指一些具有景观效益的湖泊或水库水体，该类水体相较于流动性强的江河溪流来说大多保持相对静止的状态，受到补水条件单一、封闭缓流和
自净能力弱等水环境的约束，其生态状况愈发脆弱，难以抵制水体污染进而导致水质恶化，给水生动植物造成不可估量的损害，同时也严重削弱了水体功能和景观效果，对人体健康和生活环境带来了影响。

本研究中的客体对象“大官塘水库”即为一典型的湖库型水体。

当前，针对湖库型水体的这些问题，人们普遍对水岸边际的景观效果和生态效益关注度很高，而对水体内部的水力条件关注度很低，以至于在不了解水循环过程中的水动力条件、水量和水质变化等因素的情况下，凭借个人经验和定性思维就做出背离水体生态的设计决策。

比如，为了满足人们回归自然的需求，设计师们多将湖岸设计为曲折多弯状，但是，这往往只是片面地对自然进行模拟，并没有科学依据的支撑，从而致使很多湖库型水体因弯度的不合理而出现“死角”，“死角”中水体流动性较差，长期得不到置换而进一步导致水质恶化。

湖库型水体的景观设计应该注重其水体本身的水力特征和生态需求，促进水体流动，提高水体自净能力，保证生态可持续性，因此，这就需要探索一些区别于以往的生态设计方法，在注重水生植物净化水质为主的研究与实践的同时[1～4]，还应注重水体内部的循环过程，进而在规划开始阶段就科学地测算场地现状，制定针对湖库型景观水体的量化指标来指导水体景观生态设计。

已有学者开始利用水动力学方面[5]的知识进行实践探究，如Onnish和Imasato[6]、Endon[7]使用水动力模式和验证手段对日本琵琶湖进行了系统而深入的研究，基本弄清了琵琶湖各种水动力过程的特征及形成机制，为保护琵琶湖的生态环境提供了依据；吴坚、濮培民[8]利
用不规则网格的有限差分法对太湖水动力学特征进行了二维数值模拟；Mohammad Zounemat-Kermani[9]通过结合二维水动力数学模型和三维水动力数学模型来模拟深水区域的风生流作用，并且与实测相比较验证了其适用性；叶上扬[10]运用了SMS和Delft-3D软件建立了多维数学模型，对西湖的各种引排水
工况进行模拟并且相互比较，得出了最优布水方案等。

目前，国际上常用的湖库型水体模拟软件有EFDC、WASP、SMS、MIKE 21、
CEQUAL-R1、CE-QUAL-W2等(表1)。

通过综合考虑研究区性质、数据可获取性和模型适用性等因素，本文最终采用了MIKE 21水动力模型进行湖库型景观水体
生态设计的研究。

MIKE 21是丹麦水利研究所开发的系列水动力学软件之一，它
是一个专业的工程软件包，可为模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙提供功能强大而全面的方法。

为工程应用、海岸管理及规划提供了完备、有效的设计环境。

MIKE 21模型软件提供了多模块的选择，包括前后处理模块、
水动力学模块、水质和环境评价模块和泥沙传输模块。

将该模型运用到水环境景观设计中的价值在于它可以协助探索和认识水体水循环和水文过程的规律，也可以辅助相关分析、预报和管理。

本文便是通过运用MIKE 21水动力模型，对水文动态
特征进行量化，模拟库区的水流和水质条件，并将可视化的数据转化为规划设计的依据要素，应用到“南京市高淳区桠溪国际慢城大官塘水库的规划设计方案”中。

意在展示一种将风景园林专业知识与数字化技术和环境科学专业相互结合的科学的规划设计手法，强调对水体内部生态需求的关注，实现生态环境质量改善和景观效果提升的耦合[13]。

1 基地水环境现状
大官塘水库位于南京市桠溪镇国际慢城境内，南界高淳区301县道，北临瑶池山庄，西东临桠溪慢城游客中心，周边被遮军山包围，水域周边为农田、林草地、茶园等(图1)。

通过现场调研与前期分析，发现水库水环境由于水循环受阻造成了水体淤堵的问题，即水库内部水源单一，并且由于水域内部形态、宽度、深浅和流速的差异，引起局部区段的淤堵，使水循环处于亚健康的状态，同时也存在着水土流失造成的泥沙沉积和农业化肥的径流污染问题。

表1 国内外常用湖库型水体数值模拟软件比较[11-12]模型名称研发者模块构成
模型特点推广范围Delft-3D三维水力计算软件荷兰DELFT水力学研究所水动力
模块波浪模块泥沙模块质点跟踪模块水质模块生态模块应用领域广，多为潮流和风生流的模拟，分层流和密度流、河川径流、溶解物及污染物输移等；综合考虑潮流、气象作用；计算效率高荷兰、俄罗斯、波兰、德国、澳大利亚、美国、西班牙、中国等国SMS水动力学模型美国布里格姆大学环境模型研究实验室计算水位、流速等的模块计算污染物运移模块计算波浪要素计算急变流模块计算泥沙模块结果精确度高；计算稳定性好；前后处理功能强大；运用范围广北美地区广泛应用，国际上较流行EFDC环境流体动态代码由美国国家环保署资助，John Hamrick等人根据多个数学模型集成开发研制水动力学模块水质模块运用范围广，可模拟多种地表水体的水动力水质变化、富营养化趋势和沉积物迁移转化等过程美国国家环保署最为推崇的数值模拟软件，国内也有广泛研究WASP水质分析模拟程序美国国家环保局环境研究实验室水动力学程序水质程序2个程序既可独立运算，也可联合运行；扩展性强，可与其他水动力模型耦合，增强水质模拟的效果国内外广泛应用MIKE 21平面二维自由表面动态流模型丹麦水动力研究所(DHI)前后处理模块水动力模块水质和环境评价模块泥沙传输模块用户交互界面友好；前后处理功能强大；多模块选择；可视化数据表现；可定义多种类型的水边界条件；生态系统分析管理的有效工具国内外广泛应用
2 基于场地的二维水动力-水质模型的建立
MIKE 21模型包含了四大模块，各个模块功能与所需数据均有所不同。

其中，前
后处理模块主要作为用户准备输入数据、数据转换和分析、结果演示的工具，是其他模块运行的基础；水动力模块是非常通用的水文学工具，用于模拟湖泊、河口和海岸地区的水位变化和由于各种力的作用而产生的水流变化；水质和环境评价模块则用于河流、湿地、湖泊、水库等的水质模拟，预报生态系统的响应，简单到复杂的水质研究工作，水环境影响评价及水环境修复研究，水环境规划和许可研究，水质预报；泥沙传输模块可用来确定泥沙的传输模式，意外遗漏、沉淀和衰减过程的
模拟等。

本研究的目的在于通过探究湖库型水体的水动力与水质状况来辅助景观方案的生成，其中，水质主要通过流速判断，水体流动性越差受污染的可能性就越大。

通过比较各个模块的功能与本次研究目的的契合性，最终选择了水动力模块作为模型构建的基础，前后处理模块作为前后期数据处理的辅助。

具体来说，首先将大官塘水库的DEM地形数据、基础水文资料、来流条件、水力半径、河床糙率、模拟网络和时间步长的数据进行集合预处理，生成河网文件、边界文件、断面文件、参数文件和时间序列文件，然后将这些文件输入水动力模块，再输出3张可视化数据图纸，即大官塘水系水深条件与分布图、大官塘水系流速
条件与分布图和大官塘水系水流流向条件图，进而辅助进行基于水深和水质条件的植物配置方案设计、基于水污染分布分析的设施方案设计和基于水域形态演变分析的水体形态设计等(图2)。

3 基于数值模拟的水环境改善和景观设计策略
3.1 水库水深分析与开发策略
从MIKE 21模型生成的大官塘水系水深数据(图3)中可以看出，水库内部水深大致分布在0～7m，而距离岸线6m处水域的水深最大达到7m，最小1m(图4)，这
意味着水深变化将对植物的分布范围和游览的安全产生影响。

因此，主要可以得到以下2个开发策略方案建议：一是对于水陆交接带植被结构设计的指导，即依据
植物的适水习性特征，可以划分为水生、湿生(沼生)、旱生、中生等植物生态类型，并将其按照特定区域的水深条件进行布置；二是对安全型活动区选点的指导，保障亲水活动的安全性是进行水环境与岸带活动设计最根本的基础与底线，依据大官塘水系水深分布条件，尽量将人的活动范围圈定在水深较浅处，进而选定出能进行诸如观景、垂钓、休闲、餐饮和动物栖息等活动的适宜点(图5)。

3.2 水库流向分析与开发策略
大官塘水库水源以季节性降雨为主，水域形态呈现季节周期性的变化。

在水流影响
下，水域岸线形态处于动态的演化过程中(图6)。

根据大官塘水系水流流向模拟结果，对其水系岸线在5年、10年和50年过程中
的演化情况进行分析(图7)，可见其部分岸线的波动是比较大的。

由此，可以得出
2个主要设计策略：一是对于弹性岸带形式的指导，基于大官塘水库形态及演化预测分析，岸带形式处理和形态设计需要预留长期发展的弹性空间；二是对引流设施类型与结构的指导，结合模型对水体流速现状的分析，对于流速混乱带进行生态岛的位置和形态设计，恢复因流向混乱造成的水动力损失(图8)。

图1 大官塘水库现场照片
图2 模型运作流程图
3.3 水库流速分析与开发策略
根据MIKE 21模拟的大官塘水系流速数据(图9)可以看出，水体流速大多分布在0～0.3m/s，其距离岸线6m处的流速最大达0.74m/s，最小为0.06m/s(图10)。

流速越大，越容易产生岸坡的安全隐患，而流速越小，则越容易造成污染物淤积和水质恶化，由此得出两大设计策略建议：一是对于防冲安全区段定位，依据大官塘水系水体流速分布，区划驳岸类型与结构，辅助实现治理成本小与工程量较小的高性价比防冲设计(图11)；二是水质污染风险点定位，通过对大官塘水系流速空间
分布的模拟，确定水质污染易发的风险点，可作为后期配置水污染预防与治理的工程措施、生态措施空间区位的依据(图12)。

3.4 基于水文水动力分析结果的规划建设引导
通过MIKE 21模型对自然水文特征的分析与数据处理，对大官塘水库的水体内部
循环产生的水动力情况有了量化依据，进而可以对水库的水量变化、水质状态和水域边界形态变动进行分析和预测，将定性经验判断与定量数据分析相结合，得出总体景观设计策略(表2)。

表2 基于MIKE 21模型分析结果的规划建设引导水文特征相关要素开发建设引导
水深条件活动安全性、湿地延展性、植被适水性、动植物栖息地条件1.基于安全考虑的防护设施2.基于湿地发育潜力的生态缓冲空间区划3.基于植被适水习性的植被结构空间区划水体流向条件岸带冲刷、泥沙沉积、泥沙路径1.基于演化规律的水系形态2.基于冲刷规律的弹性岸带空间3.基于流向引导的引流设施水流速条件岸带冲刷、泥沙沉积、植被抗冲、活动安全区域1.基于防洪、防冲安全的护坡形式与结构2.基于低流速分析的水质污染风险预防3.基于流速分布的植被群落抗冲结构设计
图3 MIKE 21模拟大官塘水系水深数据
图4 距离岸线6m处水深分布分析
图5 安全活动区分布
图6 MIKE 21模拟大官塘水系流向数据
4 结论与讨论
本研究以大官塘水库为例，应用MIKE 21水动力分析软件，建立了水体二维水动力—水质模型，模拟库区水流及水质条件，将数值分析结果转译为水环境景观设计的科学基础，提出了强化库区水动力、提升水质的水域空间设计总体策略，并对规划方案进行了定量评估。

研究发现，通过调整水域空间形态、布设水工设施，可有效提升整体水动力水平；通过合理配置挺水、浮水和沉水植物，构建高效植物生态系统，则可有效提升湖区水质，基本消除大官塘水库局部区域水质恶化的风险，从而实现水生态环境质量改善和景观效果提升的耦合统一。

但是，本研究也有局限性。

首先，在这次水环境定量分析过程中，数据采集来自实验室，而非自然状态下实地获取的数据，这或许与现实中的研究结果存在差异,建议应用时对模型可靠性进行验证，比如通过实时监测场地内的水动力与水质变化取得实测数据，将其与模拟值进行比对，以便做出相应调整，进而提高参数选择的恰当性与模型设置的合理性；其次，本研究采用单一要素变量的研究方法进行规划要
素的测度，如水深、水流速度等在规划层面上的影响，但规划设计是一个由多自然和多社会因素综合影响而产生的结果，所以，在深入研究阶段，科学构建水环境单一要素之间的权重影响体系，将是本次研究的一个重要环节，这直接关系到规划方案设计和水环境综合评价的科学合理性；最后，定量分析与定性分析的结果极有可能是相反的，因此，建议设计者权衡利弊，可通过多方案比较来寻找经济效益和生态效益的契合点。

无论如何，景观设计正在走向数字化，对场地进行科学合理的预估和判断将会指导我们做出更加全面的决策。

此次研究中提出的水动力、水质数值模拟指导下集成水景观空间规划与水生态修复技术的湖库型水体景观综合生态规划方法，可为今后类似的项目实践提供借鉴和参考。

图7 大官塘水库水系岸线演化情况分析
图8 大官塘水库弹性岸带形式与引流设施分布
图9 MIKE 21模拟大官塘水系流速数据注：文中图片均由研究团队成员共同拍摄或绘制。

图10 距离岸线6m处流速分布分析
图11 驳岸类型分布图
图12 水质污染风险点分布图
参考文献：
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