基于Delft3D污染物擴(kuò)散模擬的城市湖泊景觀水體三維形態(tài)循證設(shè)計(jì)

汪潔瓊

陳 奕

毛永青

王 敏*

1 研究背景與目標(biāo)

風(fēng)景園林是一門集自然、藝術(shù)、人文、工程、社會(huì)、人類領(lǐng)域科學(xué)基礎(chǔ)性理論知識(shí)于一體的學(xué)科和專業(yè)，具有廣泛的交叉性[1]。以風(fēng)景園林生態(tài)方向?yàn)槔?，其背后依托于生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境工程學(xué)和植物學(xué)等多個(gè)學(xué)科。但仍有不少專業(yè)實(shí)踐依靠經(jīng)驗(yàn)主義和感性創(chuàng)作，糾結(jié)于各種設(shè)計(jì)風(fēng)格的選擇，搖擺于業(yè)主的喜好與專業(yè)精神，失望于絞盡腦汁的創(chuàng)意萌發(fā)被批評為“玩弄概念”，甚至由于缺乏生態(tài)知識(shí)，導(dǎo)致所謂的“生態(tài)項(xiàng)目”陷入生態(tài)困境，徒有其名。正如象偉寧教授所揭示的，這樣一類困境源于約翰遜范式(Johnson's Quadrant)或愛迪生范式(Edison's Quadrant)[2]，屬于自由感性創(chuàng)作抑或傳統(tǒng)的、以美學(xué)和設(shè)計(jì)理論方法為核心的經(jīng)驗(yàn)主義設(shè)計(jì)。朱黎青等[3]、陳箏等[4]也先后提出并強(qiáng)調(diào)“循證設(shè)計(jì)”(evidence-based design)的重要性，批判傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)主義的設(shè)計(jì)方法多依據(jù)規(guī)范、采用演繹推斷，或依賴于設(shè)計(jì)師個(gè)人的靈感迸發(fā)，不足以滿足當(dāng)前時(shí)代變革與中國社會(huì)發(fā)展對本學(xué)科、本行業(yè)的要求，風(fēng)景園林學(xué)科應(yīng)向以科學(xué)解釋和客觀可度量的循證設(shè)計(jì)方向轉(zhuǎn)變[4]。

城市湖泊景觀水體主要是指城區(qū)范圍內(nèi)具有景觀效益的面狀水體[5]，包括自然形成或人工開挖的湖泊、坑塘或水池，常受到人類活動(dòng)干擾，多為封閉緩流、補(bǔ)水條件單一、流動(dòng)性較低的水體[6]。當(dāng)前對于湖泊形態(tài)的研究主要圍繞二維形態(tài)展開，例如湖泊的面積動(dòng)態(tài)變化與岸線形態(tài)變化[7]，以及從湖泊的面積、周長、近圓形指數(shù)、形狀指數(shù)和分形維數(shù)等定量指標(biāo)對湖泊進(jìn)行形態(tài)特征分析[8-9]等。在湖泊形態(tài)設(shè)計(jì)方面，“理水”是中國造園的傳統(tǒng)手法，也是現(xiàn)代風(fēng)景園林學(xué)科工程實(shí)踐的重要領(lǐng)域，如城市公園中的湖泊水體設(shè)計(jì)和坑塘濕地設(shè)計(jì)等，其核心議題之一就是平面形態(tài)與豎向設(shè)計(jì)構(gòu)成的三維形態(tài)，包括由湖岸線、湖底地形、島嶼、堤壩等不同要素構(gòu)成的“骨架”。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法往往基于形態(tài)視覺美學(xué)的經(jīng)驗(yàn)主義和對濱水空間的想象進(jìn)行景觀水體的空間塑形，但景觀水體三維形態(tài)絕不僅僅是“好看與否”的問題，研究表明，諸多形態(tài)要素對水循環(huán)、污染物富集都能造成直接影響[5]。在長三角地區(qū)，地形平坦、水流緩慢、泥沙淤積，城市湖泊景觀水體多為淺水湖泊，面臨較大的富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)[10]，如何有效促進(jìn)水體循環(huán)、預(yù)測水體中污染物潛在富集的位置以強(qiáng)化水質(zhì)保障，已成為水景營造與健康發(fā)展亟待解決的問題。例如2007年上海天山公園中的葫蘆湖，有機(jī)污染物及氮磷指標(biāo)嚴(yán)重超過國家對地表景觀娛樂用水規(guī)定的水質(zhì)指標(biāo)[11]，2018年1月又出現(xiàn)紅藻泛濫現(xiàn)象。

循證設(shè)計(jì)倡導(dǎo)將設(shè)計(jì)建立在有客觀度量標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的循證知識(shí)基礎(chǔ)上[4]，可為解決城市湖泊景觀水體設(shè)計(jì)中的“瓶頸”問題提供有效幫助。這要求風(fēng)景園林師不僅要作為已知生態(tài)知識(shí)、原理和規(guī)律[12]的搬運(yùn)者，更要把握空間形態(tài)營造的學(xué)科核心[13]，積極通過學(xué)科交叉、跨界、協(xié)同，建立并發(fā)展屬于本學(xué)科的可指導(dǎo)實(shí)踐的知識(shí)體系、技術(shù)與技能，開拓與豐富風(fēng)景園林理論并通過生態(tài)實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證[2]。正如周燕等指出：“不了解水循環(huán)過程中的水動(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，容易做出背離水體生態(tài)的設(shè)計(jì)決策”[5]，如湖庫水體因過度追求“彎度”而出現(xiàn)的水體流動(dòng)性較差的“死角”。近5年來，中國風(fēng)景園林界開始出現(xiàn)基于參數(shù)化設(shè)計(jì)、水動(dòng)力模擬、水生態(tài)模擬的定量循證設(shè)計(jì)研究，如袁旸洋等利用Grasshopper軟件根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行算法編寫，實(shí)現(xiàn)水量、水體形態(tài)、工程量的多要素統(tǒng)籌設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)調(diào)控，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[14]；張琳等[15]、周燕等[5]先后采用MIKE 21水環(huán)境模擬軟件建立湖體二維形態(tài)，提出景觀與水域空間的設(shè)計(jì)策略；史鐵錘等提出以WASP模型為研究工具、以TMDL水質(zhì)管理思想為基礎(chǔ)的湖州市太湖河網(wǎng)區(qū)水質(zhì)管理模式[16]；李林子等選擇耦合EFDC和WASP 2個(gè)模型，建立了水污染事故對水質(zhì)影響的預(yù)測模型[17]；楊冬冬等采用MIKE、GISMAP、SWMM等模擬方法和軟件，提出設(shè)計(jì)-分析-評價(jià)-再設(shè)計(jì)的循環(huán)路徑[18]；喬菁菁等[19]、龔子藝等[20]采用Aquatox模型模擬湖體水生態(tài)系統(tǒng)，評估湖泊濕地系統(tǒng)中水質(zhì)凈化措施的有效性。已有研究多以水體平面形態(tài)為研究對象，較少針對風(fēng)景園林空間營造中的岸線、島嶼、堤壩等重要形態(tài)要素展開深入討論；進(jìn)行景觀水體形態(tài)設(shè)計(jì)方案比選時(shí)，往往缺乏對潛在水質(zhì)問題的預(yù)判與探索。

基于此，研究著眼于改進(jìn)城市湖泊景觀水體的三維形態(tài)設(shè)計(jì)，以水質(zhì)提升為切入點(diǎn)，兼顧生態(tài)與形態(tài)，旨在探討并回答：如何客觀科學(xué)地模擬城市湖泊景觀水體不同三維形態(tài)設(shè)計(jì)方案下可能產(chǎn)生的污染物擴(kuò)散與富集情況，并根據(jù)模擬開展循證設(shè)計(jì)研究。選取常熟市琴湖為實(shí)證案例，通過Delft3D模型模擬的方法，研究基于湖岸線、湖底地形、島嶼、堤壩等要素組合形成的2種平面形態(tài)和6種三維形態(tài)下的流場特征，模擬湖體中污染物總氮(TN)擴(kuò)散與富集狀況，揭示其動(dòng)態(tài)水質(zhì)變化過程。研究結(jié)果有助于篩選對水質(zhì)保持有利的湖體地形設(shè)計(jì)方案，也可為城市湖泊景觀水體的循證設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)支撐與參考。

2 研究方法

2.1 Delft3D模型及水動(dòng)力模擬特點(diǎn)

水動(dòng)力模擬長期以來都是環(huán)境工程與水利工程專業(yè)的強(qiáng)項(xiàng)，較為常用的是丹麥水利研究所(DHI)研究開發(fā)的MIKE系列軟件[21]、由美國國家環(huán)保局環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的WASP(Water Quality Analysis Simulation Program)模型[22]、由美國弗吉尼亞州海洋研究所開發(fā)的EFDC(Environmental Fluid Dynamic Computer Code)模型[23]，以及由荷蘭Delft大學(xué)WL Hydraulics研發(fā)的Delft3D模型[21]等，但相關(guān)研究更多聚焦水環(huán)境與水動(dòng)力的改善，較少從湖體形態(tài)設(shè)計(jì)的角度兼顧形態(tài)與生態(tài)探討水質(zhì)保障與優(yōu)化。目前國內(nèi)的相關(guān)研究主要以MIKE 21軟件為依托進(jìn)行流場、流向和流速模擬，但Delft3D三維水動(dòng)力計(jì)算軟件的適用范圍最廣，在我國已開展了太湖富營養(yǎng)化預(yù)測、鄱陽湖水動(dòng)力情況模擬，以及長江口鹽度擴(kuò)散模擬[24-25]等。馮雙平等利用Delft3D分析不同湖底造型條件下湖區(qū)內(nèi)進(jìn)出水及表面風(fēng)應(yīng)力引起的吞吐流、風(fēng)生流的流態(tài)及流速大小分布[26]。與其他軟件相比，Delft3D的優(yōu)勢在于其應(yīng)用的正交曲線網(wǎng)格坐標(biāo)與交替計(jì)算法(ADI)能夠較好地模擬淺水湖泊曲折和復(fù)雜的邊界，可獲得更好的模擬效果；可被應(yīng)用于自由地表水環(huán)境，具有靈活的框架，能夠模擬二維和三維的水流、波浪、水質(zhì)、生態(tài)、泥沙輸移及床底地貌，以及各個(gè)過程之間的相互作用，在污染物擴(kuò)散模擬方面優(yōu)勢明顯[27]。故該模型在風(fēng)景園林領(lǐng)域，尤其是景觀水體模擬方面具有較好的應(yīng)用前景。

2.2 研究對象與數(shù)據(jù)來源

選取江蘇省常熟市琴湖進(jìn)行實(shí)證研究。常熟市屬于長江三角洲沖積平原，全市地勢由西北向東南傾斜，境內(nèi)水網(wǎng)密布，湖蕩眾多、河港縱橫、集鎮(zhèn)臨河、村落傍水，是典型的江南水鄉(xiāng)。琴湖又稱“湖圩”，地處常熟市區(qū)東南處地勢最低洼的地塊，西起琴湖路，東至新世紀(jì)大道，南連白茆塘，北接湖圩路。2019年3月琴湖公園景觀項(xiàng)目啟動(dòng)，主要針對琴湖水體(約45hm2)及其濱水空間(約30hm2的綠地景觀及道路景觀)進(jìn)行景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)。整體而言，琴湖現(xiàn)狀水體近圓率較大，湖泊岸線較為規(guī)則，略有曲折，常水位平均水深2.97m?？紤]設(shè)計(jì)介入湖體三維形態(tài)改造的可能性，主要針對湖岸線、湖底地形、島嶼與堤壩展開以水質(zhì)提升為目標(biāo)的循證設(shè)計(jì)研究。其中，湖底地形以近岸地形設(shè)計(jì)為主，考慮湖底清淤等工程需求，研究也涉及對湖心局部區(qū)域的湖底地形改造。

琴湖水體相關(guān)數(shù)據(jù)來源包括：1)琴湖及其周邊土地利用狀況的CAD圖紙資料；2)各類相關(guān)規(guī)劃文本，包括《常熟市琴湖片區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃》《常熟片區(qū)水系規(guī)劃文本(2018)》等；3)高精度遙感影像。琴湖水環(huán)境數(shù)據(jù)主要通過田野調(diào)查法獲得，為避免雨水與高溫對水質(zhì)的影響，筆者團(tuán)隊(duì)于2019年4月17日晴天對琴湖及周邊水體進(jìn)行調(diào)研和水質(zhì)采樣①，共設(shè)12個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)，平均取水深度為1m，用流速儀測定流速。選取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中常用的化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)和氨氮(NH3-N)4個(gè)指標(biāo)作為反映水質(zhì)的表征指標(biāo)。使用SEAL的AQ-2型號(hào)全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測定樣品中磷酸根(以磷記)和氨氮的含量，采用島津TOC-L型號(hào)總有機(jī)碳分析儀檢測總有機(jī)碳(TOC)和總氮的含量，化學(xué)需氧量由總有機(jī)碳換算得出[28-29]。分析結(jié)果顯示(表1)：12個(gè)樣點(diǎn)的化學(xué)需氧量和總磷均達(dá)到III類水標(biāo)準(zhǔn)，琴湖內(nèi)部樣點(diǎn)總氮和氨氮含量也未超III類，但與其相連的外部環(huán)城河、白茆塘、大浜河等樣點(diǎn)的總氮和氨氮指標(biāo)劣于IV類，局部樣點(diǎn)劣于V類。根據(jù)水系規(guī)劃中湖體內(nèi)外連通的要求，琴湖內(nèi)部水體有較大被污染的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 琴湖及周邊水系樣點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)

2.3 湖體三維形態(tài)多方案設(shè)計(jì)

湖岸線與湖底地形是構(gòu)成湖體三維形態(tài)的“骨架”，決定了湖泊景觀空間的物理屬性和功能組織結(jié)構(gòu)。從水文動(dòng)力的角度，岸線形態(tài)主要影響水平向的蔓延與流動(dòng)，湖底地形主要影響水體垂直方向的循環(huán)與流動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)琴湖內(nèi)部水域達(dá)到III類標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)目標(biāo)，以湖底地形塑造、駁岸坡度、岸線形態(tài)等方面的設(shè)計(jì)調(diào)整為契機(jī)，提出2種湖岸線及3種豎向設(shè)計(jì)方案，最終生成6種琴湖三維形態(tài)方案。湖岸線設(shè)計(jì)方案I：基本保持現(xiàn)狀水體形態(tài)，湖中之獨(dú)立小島偏于西南側(cè)，且有土堤位于東南一隅，將集中水面劃分為大小懸殊的若干小塊(圖1)，既有大湖的遼闊開朗，亦有小池的幽靜。湖岸線設(shè)計(jì)方案II：根據(jù)《常熟片區(qū)水系規(guī)劃文本(2018)》進(jìn)行設(shè)計(jì)，從西北方向引環(huán)城河水入湖，進(jìn)水受琴湖路閘站管控，向西岸引水(圖2)。除此之外，方案II將西南側(cè)獨(dú)立島嶼改建為與湖岸帶相連的半島，并在東南側(cè)長堤上進(jìn)行局部寬度拓展?？紤]目前外圍水系的劣于IV類水引入琴湖的情況，方案II重點(diǎn)考察琴湖內(nèi)部水域水質(zhì)受此影響的具體情況。在上述2種湖岸線設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，基于已有文獻(xiàn)中將淺水湖泊湖底地形分為碟形、斜形[30]，或分為平底、雙碟形、長碟形[26]，提出琴湖湖體6種三維形態(tài)方案(表2)，將琴湖地形設(shè)計(jì)為平底形、碟形和雙碟形，并將湖岸坡度放緩至一定程度，預(yù)留充足的水陸交錯(cuò)帶[31]。其中，平底形坡岸呈直角，湖底地形較平坦；碟形和雙碟形地形在湖岸帶呈現(xiàn)出緩坡狀，碟形地形有一個(gè)平面重心，雙碟形地形的東、西側(cè)各有一個(gè)平面重心。

圖1 琴湖湖體平面形態(tài)方案I與水樣點(diǎn)分布

圖2 琴湖湖體平面形態(tài)方案II

表2 琴湖湖體6種三維形態(tài)方案

2.4 研究路徑與步驟

研究路徑與步驟如圖3所示。第1步“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備”：收集琴湖相關(guān)信息，梳理水系關(guān)系，采集水樣、獲得水質(zhì)數(shù)據(jù)及測定水體流速。第2步“數(shù)據(jù)預(yù)處理”：在CAD文件、高精度遙感影像圖的基礎(chǔ)上，提取琴湖邊界點(diǎn)坐標(biāo)，生成Delft3D軟件可識(shí)別、具有2個(gè)方向坐標(biāo)的邊界信息文件，運(yùn)用Grid模塊中的RGFGRID根據(jù)琴湖邊界生成計(jì)算網(wǎng)格，并進(jìn)行正交性校正與檢查。第3步“數(shù)據(jù)輸入”：使用Grid模塊將6種湖體三維地形方案輸入并計(jì)算網(wǎng)格，參考其他類似湖泊的已有研究成果，模型中主要參數(shù)的取值參見表3，主要包括水深、時(shí)間框架、時(shí)間步長、水位、水體TN原本平均濃度、計(jì)算平滑時(shí)間和風(fēng)條件等參數(shù)。第4步“模型運(yùn)行”：選擇水動(dòng)力模塊(Delft3D-Flow)進(jìn)行模擬。第5步“結(jié)果輸出”：可利用其搭載的matlab進(jìn)行模擬結(jié)果可視化(QUICKPLOT)，主要包括風(fēng)生流和流場模擬結(jié)果，以及在此基礎(chǔ)上加入污染物參數(shù)得到的污染物擴(kuò)散與富集的模擬結(jié)果。第6步“修正優(yōu)化”：調(diào)整進(jìn)水、出水的水文控制條件，重新運(yùn)算模擬結(jié)果，最終遴選最優(yōu)的水體設(shè)計(jì)方案。

圖3 研究路徑與步驟

表3 琴湖Delft3D Flow模塊中的主要參數(shù)設(shè)置

3 研究結(jié)果

3.1 湖體三維形態(tài)方案網(wǎng)格生成

如圖4所示，在Delft3D軟件的Grid模塊中，方案I-A、I-B、I-C由于湖岸線相同，共用一套網(wǎng)格體系，包括M方向83個(gè)網(wǎng)格單位，N方向77個(gè)網(wǎng)格單位；方案II-A、II-B、II-C共生成了M方向79個(gè)網(wǎng)格單位，N方向90個(gè)網(wǎng)格單位。在插入地形之后，以琴湖平均水深作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)水深范圍為0～3m。平底形地形設(shè)計(jì)中河岸帶呈陡坡狀，坡岸帶角度為60°～90°，湖底除島與堤外，無大的地形起伏；碟形地形坡岸帶角度為30°～60°，設(shè)計(jì)水深最深點(diǎn)與湖體的平面集合中心點(diǎn)相對應(yīng)；雙碟形地形設(shè)計(jì)順應(yīng)湖體本身形態(tài)，避開東南側(cè)小島與南部長堤，坡岸帶角度為10°～30°。根據(jù)滿足行船功能、湖面開闊處水深需相對較深，以及有利于風(fēng)生流的產(chǎn)生等需求，綜合考慮風(fēng)場、地形和島嶼等因素。

圖4 6種琴湖湖體三維形態(tài)方案網(wǎng)絡(luò)生成

3.2 流場特征模擬結(jié)果比較

在Delft3D多次模擬核算的基礎(chǔ)上，設(shè)定在夏季主風(fēng)東南(SE)風(fēng)向、風(fēng)速2.4m/s的狀況下模擬20天后的流場情況，但并不考慮熱力分層。在風(fēng)場及湖泊平面形態(tài)的影響下，湖泊表面流的出現(xiàn)促使湖泊自身垂向環(huán)流及東南、西北兩側(cè)水體的交換。對于6種地形方案下的流速大小進(jìn)行比較(圖5)：平底形地形方案下的2個(gè)方案的平均流速較慢，尤其是方案II-A下流速超過0.01m/s的區(qū)域只有進(jìn)出口處；碟形與雙碟形地形方案下的流場狀況相近，流速較快，在方案I-B和I-C中最快處可達(dá)0.05m/s。因此，從風(fēng)生流及流場特征的角度來看，對于平面形態(tài)的推薦順序?yàn)椋盒螒B(tài)方案I＞形態(tài)方案II；根據(jù)平均流速，對于湖泊湖底地形的推薦順序?yàn)椋旱巍蛛p碟形＞平底形。

圖5 6種湖體三維形態(tài)方案在SE2.4m/s風(fēng)況下的湖泊水深平均流速對比

3.3 污染物擴(kuò)散與富集模擬結(jié)果比較

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果，規(guī)劃中琴湖未來的污染物主要來源于西側(cè)環(huán)城河，流量為0.01m3/s，且灣里河的連接處為開邊界。由于磷元素一旦被吸收則易于固定且具有聚集性，同時(shí)在琴湖的水質(zhì)檢測報(bào)告中TP的濃度值均低于檢測限度，因此主要考慮氮(以TN為例)在湖體中的擴(kuò)散與富集情況。輸入TN濃度為4.07mg/L，平均初始TN濃度為檢測均值0.858 5mg/L。在數(shù)據(jù)庫計(jì)算運(yùn)行成功后，用Matlab的QUICKPLOT生成不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的TN擴(kuò)散可視化結(jié)果(圖6)，可見運(yùn)行20天后污染物主要集中于琴湖西部，同時(shí)可知6個(gè)方案中的最高區(qū)域濃度為方案I-A中的0.99mg/L，險(xiǎn)超III類水標(biāo)準(zhǔn)；極值最低的方案I-C為0.94mg/L。

圖6 6種湖體三維形態(tài)方案下湖體中總氮(TN)擴(kuò)散結(jié)果對比

琴湖南側(cè)有長堤，對琴湖自身水體循環(huán)有一定阻礙作用，當(dāng)湖底地形為平底形時(shí)，長堤南側(cè)水體水質(zhì)尚可，但長堤北側(cè)其他部分水體污染物呈較為明顯的富集狀態(tài)。就碟形與雙碟形結(jié)果而言，有所起伏的地形顯然對于琴湖本身水體流動(dòng)具有促進(jìn)作用，相較而言，雙碟形湖底地形更有利于東西方向上水體的交換，有利于TN的擴(kuò)散。

湖體平面形態(tài)方案II的3個(gè)地形方案中，西北角的突起、西南側(cè)半島的形成都不利于污染物在湖體中的擴(kuò)散，且南側(cè)長堤形狀的變化使污染物進(jìn)入南部湖區(qū)之后無法排出，易使該區(qū)的污染物濃度變高。

綜上所述，從水質(zhì)區(qū)域平衡的角度看，對于平面形態(tài)的推薦順序?yàn)椋盒螒B(tài)方案I＞形態(tài)方案II；從污染物擴(kuò)散與富集的角度看，對于湖泊湖底地形的推薦順序?yàn)椋弘p碟形≥碟形＞平底形。綜合而言，岸線的曲折度與位置會(huì)影響水體污染物的擴(kuò)散程度與速度，曲折度較大的岸線應(yīng)盡量不安排在非水流主方向上，若不能避免，建議通過連通管道等措施，增加水體流動(dòng)與交換的效率。

4 基于多方案比較的湖體三維形態(tài)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對6種不同琴湖三維形態(tài)方案進(jìn)行水動(dòng)力與污染物擴(kuò)散模擬后，將湖體3種豎向設(shè)計(jì)，即平底形、碟形、雙碟形的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，可得到關(guān)于湖底地形與湖岸帶地形的建議；將湖體平面形態(tài)方案I、II結(jié)果進(jìn)行對比，可得到關(guān)于湖岸線曲折度的建議；將6種方案模擬結(jié)果進(jìn)行對比，可得到關(guān)于堤壩、島嶼等復(fù)雜三維形態(tài)的建議(圖7)。

圖7 湖體三維形態(tài)設(shè)計(jì)營造建議

1)湖底地形與湖岸帶地形。

對于長三角城市淺水湖泊而言，湖泊岸線與湖底地形變化通過流場影響污染物擴(kuò)散與富集。擁有良好舒緩的岸帶結(jié)構(gòu)、略有起伏的湖底微地形，對湖體水動(dòng)力循環(huán)、植物種植效果綜合考量而言為最佳。從前期的模擬結(jié)果來看，雙碟形的湖底微地形不僅能夠形成更好的水流動(dòng)力，同時(shí)可有效降低污染物富集的濃度，推薦地形順序?yàn)椋弘p碟形≥碟形＞平底形。湖底微地形改造，近岸地形與駁岸地形建議同步進(jìn)行，一體化設(shè)計(jì)；湖底地形局部調(diào)整需考慮對水中生物與微生物的不利影響并具體評估其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，或利用湖底清淤、人工水體開挖等契機(jī)，因時(shí)因地因勢而為。

2)湖岸線曲折度。

曲折的湖岸線可以增加湖體邊緣的流速，但變化過度的邊緣形態(tài)會(huì)增加污染物富集的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致死角的出現(xiàn)，從而引發(fā)夏季藍(lán)藻暴發(fā)、富營養(yǎng)化加重等問題。因此，在保證水體自凈和水體交換效果的前提下，在水流的主方向上可適當(dāng)增加岸線曲折度，曲折度較大的岸線盡量不安排在非水流主方向上，否則將影響水體區(qū)域功能的正常運(yùn)行。

3)堤壩。

長堤割裂湖體形態(tài)時(shí)，建議堤壩下部設(shè)置連通管道，若是一味追求空間形態(tài)的豐富度，甚至將長堤提升體量成“島+堤”的形式，則水體連通將會(huì)受到嚴(yán)重影響，不利于兩側(cè)水體交換。

4)島嶼。

島嶼是城市湖泊景觀水體設(shè)計(jì)中最常見的三維形態(tài)構(gòu)成要素，形狀優(yōu)美、大小適中的島嶼擁有較高的景觀價(jià)值，是營造鳥類生境的良好選擇，同時(shí)也會(huì)對水循環(huán)過程產(chǎn)生影響，從而影響水體污染物的富集與擴(kuò)散。模擬結(jié)果也顯示，在進(jìn)行島嶼布局時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離岸線，若進(jìn)行半島或近岸島嶼布局時(shí)，需增加其他工程措施確保水體循環(huán)與連通性，避免死水區(qū)。

5 結(jié)語與展望

長三角地區(qū)城市湖泊景觀水體多屬于淺水湖泊，水文基底的平坦態(tài)勢導(dǎo)致水體流速緩慢、蕩漾徘徊，水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)易于富集、難于擴(kuò)散。為避免單純從“好看與否”出發(fā)的景觀水體“經(jīng)驗(yàn)主義”設(shè)計(jì)，本研究以常熟市琴湖為例進(jìn)行循證設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：1)Delft3D模型可以模擬并幫助研判不同景觀水體三維地形方案的優(yōu)劣，有效起到設(shè)計(jì)循證的作用；2)城市湖泊景觀水體三維形態(tài)設(shè)計(jì)需要考慮湖岸線、湖底地形、島嶼和堤壩4個(gè)要素，它們影響著水體污染物的富集與擴(kuò)散過程。兼顧生態(tài)與形態(tài)，以水質(zhì)提升為目標(biāo)，提出景觀水體三維形態(tài)四方面的營造建議，為城市淺水景觀湖泊的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)支撐與參考，為解決長三角城市湖泊景觀水體設(shè)計(jì)中的水質(zhì)“瓶頸”問題提供了新思路與新方法。

受到技術(shù)條件的限制，本研究的不足之處在于：1)主要針對長三角地區(qū)的城市淺水湖泊，多為可人工干預(yù)的，純自然型湖泊或不能對其三維形態(tài)有所改進(jìn)的湖泊并不屬于本文的研究范疇；2)尚未獲得不同季節(jié)的營養(yǎng)物實(shí)測數(shù)據(jù)，目前只針對春季而言，未考慮湖泊周邊地塊暴雨徑流所帶來的污染物影響；3)Delft3D模型由荷蘭研發(fā)，其模擬結(jié)果未能得到琴湖不同季節(jié)、不同時(shí)間實(shí)測數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，僅可作為景觀水體循證設(shè)計(jì)的輔助參考。未來的研究可關(guān)注不同季節(jié)模擬分析、模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比分析，以及人工湖體與自然湖體模擬的對比分析等，從而得到景觀水體三維形態(tài)更加細(xì)致的演算與推導(dǎo)，并結(jié)合水生植物與水中生物的研究，進(jìn)行水生態(tài)定量化模擬研究。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝啟迪設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司許彩芬總工程師、張杰龍等設(shè)計(jì)師對本課題的支持。

注釋：

① 采樣水體送同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室檢測。