基于水動(dòng)力特性的河道景觀設(shè)計(jì)方法

張雅卓，練繼建

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yíng)造的需求[1]，通常是由水利和景觀專業(yè)分別承擔(dān)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(dòng)力特性進(jìn)行護(hù)岸、堤防和清淤斷面的設(shè)計(jì)，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(qiáng)調(diào)本專業(yè)及價(jià)值的重要性，而忽略了兩者的融合．本文對(duì)河道綜合治理中出現(xiàn)的水利、景觀相互間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和影響因子做出分析，提出基于水動(dòng)力特性的河道景觀設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)闡明河道水動(dòng)力特性對(duì)景觀設(shè)計(jì)的控制性指標(biāo)要求、濱河造景對(duì)策和河道斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略．對(duì)于河道綜合治理工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要參考和應(yīng)用價(jià)值．

1 河道水動(dòng)力特性對(duì)景觀設(shè)計(jì)的控制性指標(biāo)要求

河道景觀設(shè)計(jì)應(yīng)能適應(yīng)不同水文條件和運(yùn)行條件下河道水動(dòng)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(dòng)力特性對(duì)景觀設(shè)計(jì)的控制性指標(biāo)包括以下4個(gè)方面的要求．

(1) 適應(yīng)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(shè)置橡膠壩等保水工程措施．在河道行洪時(shí)，水位則上漲．所以需考慮水位變化對(duì)景觀的影響，有針對(duì)性地制定出適應(yīng)高低水位的景觀建設(shè)方案，特別是河道斷面景觀設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)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(yīng)“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(yīng)河道護(hù)岸和景觀設(shè)施防沖安全．河道護(hù)岸型式的選擇，主要取決于河道的流速和河勢(shì)變化：流速低的河道可采用自然生態(tài)護(hù)岸；而對(duì)流速高的河道或險(xiǎn)工段，護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式多為剛性結(jié)構(gòu)，主要采用漿砌或干砌塊石結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的護(hù)岸形式．河道內(nèi)設(shè)置的親水平臺(tái)、走廊、江心島、濕地景觀設(shè)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(jìn)行河道護(hù)岸的防護(hù)設(shè)計(jì)．

(3) 適應(yīng)河道行洪功能．從河道防洪角度來(lái)講，堤頂越高越安全，抵御洪水的能力越強(qiáng)；然而從城市景觀建設(shè)來(lái)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(guò)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(shè)造成的河道阻力變化和對(duì)河道行洪能力的影響，不能由于大量開(kāi)展河道景觀建設(shè)使得河道水面線大幅抬升，以確保河道行洪的安全．

(4) 適應(yīng)河道生態(tài)功能．修復(fù)河道生態(tài)功能是河道綜合整治的重要內(nèi)容，通過(guò)研究水力條件與生態(tài)狀況的相對(duì)關(guān)系，調(diào)整河流的水深、流速等水力特性以達(dá)到河道的生態(tài)要求，是水體生態(tài)修復(fù)的一個(gè)新途徑．

2 基于豐、枯水期水位變化的濱河造景對(duì)策

水資源時(shí)空分布不均勻是我國(guó)水資源的一大特征，是導(dǎo)致河流豐、枯水期水位差值較大的主要因素．濱河景觀的營(yíng)造強(qiáng)調(diào)親水特性，能最大程度地營(yíng)建出人水交流的場(chǎng)所，是河道水景觀設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)之一．如何構(gòu)筑滿足豐、枯水期不同水位的親水空間，是濱河造景對(duì)策中需要研究的重要內(nèi)容．

當(dāng)豐、枯水期的水位變化較大時(shí)，可以采用多級(jí)復(fù)式斷面形式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖 2所示，以構(gòu)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(yíng)建良好的親水景觀效果，可以在略高于常水位的位置設(shè)置親水平臺(tái)．平臺(tái)以下采用直立或斜線型護(hù)岸連接河底和平臺(tái)，平臺(tái)以上采用斜線型式連接平臺(tái)和堤頂．如用地局促或有景墻等特殊造景要求時(shí)，也可采用直立型擋墻；平臺(tái)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(dāng)正常最高水位和正常最低水位高差較大時(shí)，考慮選用3級(jí)復(fù)式斷面，即在上述2級(jí)復(fù)式斷面基礎(chǔ)上再加設(shè)一平臺(tái)，位于正常高、低水位間，打造不同時(shí)期的親水景觀．

以南京秦淮河為例進(jìn)行設(shè)計(jì)．結(jié)合河道水力特征，根據(jù)不同時(shí)期的水位，設(shè)定不同高度的平臺(tái)，設(shè)置 3階活動(dòng)空間，豐水期臨水階淹沒(méi)，枯水期亦能實(shí)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(hù)坡、生態(tài)草坡護(hù)坡的不同型式[2]，如圖 3所示．當(dāng)高低水位有一定變化但變化不大時(shí)，可以采用對(duì)水位變化范圍內(nèi)的護(hù)岸處進(jìn)行細(xì)部處理的方式來(lái)弱化水位變化帶來(lái)的影響．在略低于低水位的高度加設(shè)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(shí)裸露在水面上的硬質(zhì)護(hù)岸進(jìn)行遮擋，又可對(duì)硬質(zhì)護(hù)岸起到柔化軟化的作用，增加水陸過(guò)渡帶的生態(tài)效益．采用此種方式，應(yīng)注意當(dāng)?shù)退贿_(dá)到極限時(shí)，有可能不是水生植物的最宜生長(zhǎng)水深，甚至?xí)冻鏊妫瑧?yīng)做好相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)．

圖2 多級(jí)復(fù)式斷面適應(yīng)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(duì)護(hù)岸型式選擇的影響

河道護(hù)岸的型式包括天然護(hù)岸、人工生態(tài)護(hù)岸和人工剛性護(hù)岸，如圖 4所示．天然型護(hù)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(hù)岸形式．天然護(hù)岸一般是按照1∶3到1∶6的坡度進(jìn)行選取，具體設(shè)計(jì)中除依據(jù)現(xiàn)有自然坡度進(jìn)行考慮外，應(yīng)根據(jù)河岸的土質(zhì)特性進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，同時(shí)根據(jù)河道主槽及灘地用地范圍進(jìn)行綜合考慮．人工生態(tài)護(hù)岸是指河道護(hù)坡滿足防洪抗沖標(biāo)準(zhǔn)要求，構(gòu)建能透水、透氣、生長(zhǎng)植物的生態(tài)防護(hù)平臺(tái)，如三維植被網(wǎng)護(hù)坡、植被型生態(tài)混凝土護(hù)坡生態(tài)護(hù)坡袋等．坡腳加固方式可利用防腐木樁或仿木樁防護(hù)的木樁式、石材壓腳的拋石式以及利用柳樹(shù)耐水性強(qiáng)及迅速扎根發(fā)芽特征的柳桿式等．人工剛性護(hù)岸通常是利用半滲透或無(wú)滲透性人工材料對(duì)岸線進(jìn)行牢固處理的一種護(hù)岸形式，主要包括干砌石、漿砌石、混凝土和格賓網(wǎng)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(hù)岸類型的選擇首先要考慮河道的水動(dòng)力條件，應(yīng)考慮水流對(duì)表層土體沖刷的防護(hù)，還要考慮河道護(hù)岸沖刷引起的護(hù)岸整體滑動(dòng)導(dǎo)致的不穩(wěn)定，需綜合考慮河道的水力特性和土力學(xué)參數(shù)，以保證護(hù)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(jí)配(黏土的壓縮及固結(jié)狀態(tài))、河寬、彎道半徑、彎道中心角、河床糙率、防護(hù)結(jié)構(gòu)物外形、幾何尺寸及與水流的夾角等．根據(jù)沖刷影響因素?zé)o量綱分析，最大沖刷深度可表達(dá)為

式中：hs為彎道凹岸最大沖刷深度，m，從平均床面高程計(jì)；h為彎道進(jìn)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(duì)沖刷深度的影響系數(shù)，垂直墻即m＝0時(shí)為基數(shù)1；ogK 為河床泥沙不均勻性對(duì)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(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸后的彎道凹岸的局部最大沖刷深度[3]為

對(duì)于平順護(hù)岸沖刷深度，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范推薦計(jì)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(shè)計(jì)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(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取n＝1/4．

河道水流沖刷深度的預(yù)測(cè)是設(shè)計(jì)防護(hù)工程結(jié)構(gòu)形式和基礎(chǔ)埋深的重要依據(jù)．然而，河道的水流特性十分復(fù)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(tái)或親水廣場(chǎng)也會(huì)改變河道的水力特性，防護(hù)的需求也會(huì)變化．如圖 5所示，河流主槽的平均流速或流速梯度可達(dá)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(jìn)行分區(qū)防護(hù)設(shè)計(jì)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(fù)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(dòng)條件下不同高程的適宜植物配置

河道景觀營(yíng)造工程的植物配置中，水位變化及植物對(duì)此做出的反應(yīng)及種群適應(yīng)性，是設(shè)計(jì)師需要考慮的問(wèn)題．應(yīng)密切關(guān)注等深線及等高線的豎向要求，按照水深適應(yīng)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(shè)計(jì)．

植物在一定水深范圍內(nèi)能夠正常生長(zhǎng)發(fā)育和繁衍的生態(tài)學(xué)特性稱為植物的水深適應(yīng)性．按照水深適應(yīng)性可將植物品種分為 4個(gè)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(zhǎng)期在水中正常生活的植物，按照其生長(zhǎng)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(zhǎng)在河岸下或地下水位較高處等過(guò)度潮濕環(huán)境中的植物．中生植物是指形態(tài)結(jié)構(gòu)和適應(yīng)性均介于濕生植物和旱生植物之間，不能忍受嚴(yán)重干旱或長(zhǎng)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(zhǎng)，可耐受較長(zhǎng)期或較嚴(yán)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(zhǎng)條件，不同的植物有不同的適宜水深．按照植物水深適應(yīng)性分析將河底到堤頂高程的空間劃分為如下6 個(gè)段落[5-7]．

(1) 常水位以下，水深 1.0,m 以上．該區(qū)域?qū)儆谒h(huán)境的深水植物區(qū)，應(yīng)種植水生植物中的沉水植物和漂浮植物，如荇菜、金魚(yú)藻、狐尾藻、黑藻、苦草、眼子菜、沮草、金魚(yú)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?qū)儆谒h(huán)境的中深區(qū)，應(yīng)種植水生植物中的對(duì)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(shí)、眼子菜、苦草、金魚(yú)草等．

(3) 常水位以下，水深 0.3～0.6,m 內(nèi)．該區(qū)域?qū)儆谒h(huán)境的中淺區(qū)，應(yīng)種植植株高大對(duì)水深適應(yīng)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(yú)草、香蒲、菰、石龍芮等．

(4) 常水位以下，水深 0.3,m 內(nèi)．該區(qū)域?qū)儆谒h(huán)境的淺水區(qū)，應(yīng)種植水生植物中適宜在淺水生長(zhǎng)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(yú)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?qū)儆跐裆h(huán)境，不被水浸泡，但土壤長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，應(yīng)種植適宜在濕潤(rùn)環(huán)境中生長(zhǎng)的濕生植物，或?qū)λ屑胺墙?rùn)條件均有較強(qiáng)適應(yīng)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?qū)儆谥猩h(huán)境，一般當(dāng)?shù)仃懙爻Ｓ闷贩N皆可種植在該區(qū)域；但應(yīng)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(lái)臨時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失．

5 河道水動(dòng)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(dòng)力特性對(duì)景觀設(shè)計(jì)提出的控制性指標(biāo)要求主要包括河底、水面寬度及過(guò)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(shè)計(jì)中，往往會(huì)由于造景要求將原有河道“改線”，適當(dāng)拓寬或縮減，以達(dá)到曲折迂回處忽見(jiàn)豁然開(kāi)朗的意境．然而這種造景手法應(yīng)首先遵循水力計(jì)算提出的最小過(guò)流斷面等控制性指標(biāo)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(guān)乎灘地的面積，也是行洪過(guò)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(yíng)建曲徑通幽的同時(shí)更應(yīng)注意其安全性，過(guò)于蜿蜒的堤防，不但會(huì)增加培堤的工程量和成本，更為關(guān)鍵的是當(dāng)洪水來(lái)襲時(shí)，彎曲處也是易被沖蝕的地帶，從而形成險(xiǎn)工，對(duì)堤防的安全帶來(lái)隱患．基于河道水動(dòng)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(diǎn)整治河道和水力控制指標(biāo)

從防洪角度來(lái)講，堤頂越高越安全，抵御洪水的能力越強(qiáng)；然而從城市景觀建設(shè)來(lái)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(dòng)力特性，把阻礙行洪的河道“卡口”段確定為需重點(diǎn)整治的河道．“卡口”段的重點(diǎn)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(dòng)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(guò)整個(gè)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(diǎn)整治的河段[8]．根據(jù)河道行洪要求，提出滿足景觀設(shè)計(jì)需要的最小河道斷面、堤防高度及堤頂距的控制性指標(biāo)．

5.2 整治河道斷面的優(yōu)化策略

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不降低河道行洪要求并滿足景觀需求的前提下，實(shí)現(xiàn)整治工程成本最小和效益最大的目標(biāo)．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(tái)高程和寬度、灘地邊坡參數(shù)等，相應(yīng)河道斷面參數(shù)變化產(chǎn)生的河道水力學(xué)參數(shù)變化包括過(guò)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(chǎn)生的河道整治工程量變化包括河底清淤量、邊坡開(kāi)挖量、填筑量、岸坡各類護(hù)砌量、土方外運(yùn)量等．

優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型可構(gòu)建如下：目標(biāo)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(guò)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(tái)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(gè)體群，以治理工程成本最小和收益最高為目標(biāo)，在滿足河道過(guò)流要求的前提下，采取非完全隨機(jī)優(yōu)化計(jì)算方法對(duì)個(gè)體進(jìn)行尋優(yōu)，確定最優(yōu)的河道整治斷面．

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)以往河道綜合治理過(guò)程中水利設(shè)計(jì)和景觀設(shè)計(jì)缺乏融合性的特點(diǎn)，分析了不同水文條件下河道水動(dòng)力特性對(duì)景觀設(shè)計(jì)的控制性指標(biāo)要求，提出基于豐、枯水期水位變化的濱河造景對(duì)策，考慮河道水動(dòng)力特性的分區(qū)護(hù)岸原則，闡明不同水深下水生植物適宜品種及營(yíng)造手法；提出河道水動(dòng)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(duì)于河道綜合治理工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要參考和應(yīng)用價(jià)值．

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