基于SWMM的承德避暑山莊水系遺產(chǎn)定量化研究

崔怡凡

劉庭風(fēng)*

中國古典園林水系經(jīng)過數(shù)千年的積累，形成了一套根植于中國文化的園林水系營造方法和管理智慧[1]，不僅滿足風(fēng)景營造，也蘊(yùn)含著受納雨水、調(diào)蓄水量的雨洪管理理念，在防洪排澇方面發(fā)揮著重要作用，是風(fēng)景園林學(xué)界研究的重要議題[2-3]。然而，由于中國古典園林的雨洪管理方法被巧妙地隱藏在園林景觀中，因此對(duì)古典園林水系研究多停留在意境與文化方面，缺乏對(duì)其基本原理和方法的闡釋。近年來，隨著雨洪管理理念的成熟[4]，為全面認(rèn)知中國古典園林水系的理水思想與保護(hù)帶來了新的機(jī)遇[5]。目前，雨洪管理理念已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市市政工程建設(shè)與園林水系景觀研究中，并逐漸形成了以計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)為主的定量化研究新視角和新方法[6]。已有學(xué)者研究了城市雨洪模型構(gòu)建方法及發(fā)展歷程，并通過數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)住宅區(qū)的現(xiàn)狀管網(wǎng)能力進(jìn)行評(píng)估及積水點(diǎn)分析，判斷不同重現(xiàn)期管網(wǎng)隨時(shí)間變化的溢流情況[7]。也有學(xué)者開始重點(diǎn)關(guān)注古典園林與雨洪管理兩者之間的聯(lián)系，結(jié)合可持續(xù)雨洪管理理念對(duì)其保護(hù)與更新展開研究[8]。雨洪管理技術(shù)的應(yīng)用不僅增強(qiáng)了現(xiàn)代園林水體設(shè)計(jì)的精確性和合理性，同樣也為古典園林水系的研究提供了新思路。但是，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究古典園林水系的工作并沒有廣泛開展[9]。因此，本文從遺產(chǎn)保護(hù)角度出發(fā)，全面梳理了避暑山莊水系的理水方法與歷史變遷，利用SWMM軟件模擬研究不同暴雨重現(xiàn)期下的雨洪調(diào)蓄能力[10]，對(duì)其理水方法開展定量化分析，并針對(duì)如何保護(hù)避暑山莊水系給予科學(xué)建議。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論避暑山莊水系的遺產(chǎn)價(jià)值，以期為相關(guān)研究和保護(hù)提供重要參考。

1 研究對(duì)象

1.1 避暑山莊水系概述

避暑山莊位于河北省承德市北部，清代康熙皇帝在此選址，挖泥成湖，大修水利工程，從東北角開閘引武烈河水入園，沿途大小水閘20余座，由天然水源和人工河湖組成了“園中有水，水中有園”的人工水網(wǎng)體系(圖1)，修建了一系列的水系景觀，是我國現(xiàn)存規(guī)模最大的古代水利工程之一。避暑山莊在300多年的歷史進(jìn)程中不斷建設(shè)和完善，但自然災(zāi)害和歷史變亂使水系布局和整體意境遭到破壞，經(jīng)修復(fù)后得以保存原貌，后又為交通便利修建了一座鋼筋水泥大橋，從萬樹園通往如意洲，并保留了“知魚磯”通往“芳渚臨流”這段道路，今日所見已是歷史不斷疊加的結(jié)果[11]。

圖1 避暑山莊水系示意(作者改繪自參考文獻(xiàn)[11])

1.2 避暑山莊水系功能簡(jiǎn)析

承德市年降水量在時(shí)間和空間上分配不均，空間上總體趨勢(shì)為南部多于北部；時(shí)間上表現(xiàn)為汛期持續(xù)時(shí)間短，為6—9月，但降水量占全年降水量的80%左右[12]。避暑山莊水源豐富、水系連貫，作為我國古典園林的代表之作，其功能價(jià)值與美學(xué)價(jià)值并存，是水利建設(shè)與風(fēng)景構(gòu)劃結(jié)合的工程。其選址體現(xiàn)出了古人的理水智慧，山莊水系設(shè)計(jì)縝密有序，利用天然地形高差進(jìn)行建設(shè)，形成了“豎向結(jié)合重力排水”的天然排水模式，尊重場(chǎng)地西北高、東南低的特征，具有引水、調(diào)蓄、分洪等特點(diǎn)。根據(jù)避暑山莊水系形態(tài)及功能，將主干水系分為4段(圖2)。避暑山莊水系從入水口“暖流暄波”處引入武烈河水，從“暖流暄波”到“曠觀”一帶的半月湖狹長(zhǎng)形水系為a段；b段從“文津閣”分成2道自然彎曲的河流，在強(qiáng)降雨時(shí)湖水分別流經(jīng)“雙湖夾鏡”和“知魚磯”后進(jìn)入如意湖，以減緩“如意湖”的蓄洪壓力；c段水體為湖面區(qū)，一湖環(huán)抱“如意州”“環(huán)碧”“月色江聲”三島，并與“澄湖”“上湖”“下湖”“鏡湖”組成了布局合理且容量巨大的蓄水系統(tǒng)，上承來自武烈河的引水，下與排水湖“銀湖”相連；最后通過d段水體“五孔閘”處泄出，流入武烈河。整體水系設(shè)計(jì)在豎向處理上做到地形與水體緊密結(jié)合，縱向連續(xù)，橫向貫通，有序組織雨水排放，利用天然地形優(yōu)勢(shì)達(dá)到“次第蓄泄”的目的，增加了水體的調(diào)節(jié)能力，避免內(nèi)澇發(fā)生。由此可知，避暑山莊水系是集“引、分、蓄、泄”于一體的水利工程與風(fēng)景營造結(jié)合的典范。

圖2 避暑山莊4段水型分區(qū)(作者改繪自參考文獻(xiàn)[11])

2 研究方法

暴雨洪水管理模型SWMM是一款動(dòng)態(tài)降水及徑流模擬軟件，目前已被學(xué)者廣泛應(yīng)用于園林水系景觀的水文過程模擬中[13-15]。本節(jié)在對(duì)避暑山莊水系定性分析的基礎(chǔ)上，利用SWMM模擬不同降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)匯流過程，定量化分析避暑山莊水系水體設(shè)計(jì)合理性和雨洪調(diào)蓄能力，并提出保護(hù)建議。

2.1 避暑山莊子匯水區(qū)域概化

模型建立時(shí)，假設(shè)在降雨過程中各個(gè)子匯水區(qū)降水強(qiáng)度相同。通過避暑山莊資料記載和實(shí)地考察，確定其用地類型主要包括綠地、山林、水體和古建筑區(qū)[16](圖3)。

圖3 用地類型分布

根據(jù)實(shí)際地形匯流情況及用地種類，確定子匯水區(qū)邊界、匯水走向等，遵循概化原則，將研究區(qū)域概化為170個(gè)子匯水區(qū)域、24個(gè)節(jié)點(diǎn)、24條水渠和1個(gè)出水口(圖4)。

圖4 子匯水區(qū)域概化圖

2.2 SWMM模型建立及參數(shù)率定

SWMM中參數(shù)可分為2類：一種是可通過實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)得到的地面特征參數(shù)[17]，如子匯水區(qū)面積、坡度、不滲透比例等；另一種是水力參數(shù)，需用戶根據(jù)實(shí)際研究對(duì)象情況進(jìn)行取值，而取值是否準(zhǔn)確則需要以實(shí)際降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行率定。

結(jié)合數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)(圖5)和實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)得到研究區(qū)域的地面特征參數(shù)，另參考SWMM用戶手冊(cè)和相關(guān)文獻(xiàn)確定Horton土壤下滲模型和研究區(qū)域水力參數(shù)的初始值[18-20](表1)。

表1 初始水力參數(shù)

圖5 避暑山莊地形高程圖

雨型和降雨強(qiáng)度公式同樣是SWMM模擬的關(guān)鍵參數(shù)，將承德市降雨強(qiáng)度公式(式1)[21]和芝加哥雨型[19]合成不同暴雨重現(xiàn)期的降雨過程線(圖6)，并導(dǎo)入模型來模擬不同暴雨重現(xiàn)期下的降雨過程。

圖6 不同暴雨重現(xiàn)期降雨過程線

式中，P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，年；t為降雨歷時(shí)，min；q為暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)。

研究區(qū)域無詳細(xì)歷史分鐘降雨數(shù)據(jù)，以單次降雨量(數(shù)據(jù)來源于氣象網(wǎng))為參考對(duì)水力參數(shù)進(jìn)行率定。參考SWMM水力參數(shù)靈敏度研究文獻(xiàn)[22-24]并結(jié)合避暑山莊實(shí)際情況可知，不滲透性粗糙系數(shù)、不滲透性洼地蓄水、無洼地蓄水不滲透性及水渠粗糙系數(shù)4個(gè)參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果影響較大[25-26]。通過主調(diào)高靈敏度參數(shù)、微調(diào)其他參數(shù)使模擬結(jié)果與實(shí)際降雨數(shù)據(jù)吻合，最終率定出研究區(qū)域的水力參數(shù)(表2)。利用率定后模型對(duì)另外2次實(shí)際降雨過程進(jìn)行模擬驗(yàn)證可知，在相同降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間下，降雨量相對(duì)誤差分別為7.1%和4.9%(表3)，在允許范圍內(nèi)，模擬結(jié)果具有可靠性。

表2 率定后水力參數(shù)

表3 率定后模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 水體設(shè)計(jì)合理性分析

模擬結(jié)果表明，不同暴雨重現(xiàn)期下水流速度規(guī)律一致，且暴雨重現(xiàn)期越長(zhǎng)，規(guī)律越明顯。因此，以100年一遇的暴雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)2h的水文過程為例來闡述流速規(guī)律。

1)總體上，古人借天然地形優(yōu)勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，形成了首尾筆直狹長(zhǎng)、中間婉轉(zhuǎn)開闊的水系形態(tài)，使避暑山莊水系在保證觀賞性的同時(shí)具有始末處水體流速大、利于快速泄洪，中間水體(蓄水區(qū))流速小、緩解洪峰壓力的流速特征。

2)結(jié)合前文水系分區(qū)和模擬結(jié)果顯示(圖7)，不同區(qū)域流速峰值均出現(xiàn)在降雨1h后，表明水系具有快速匯集雨水的能力；所有區(qū)域流速均在4h左右回落到正常水平，表明水系具有快速泄洪的功能。4個(gè)區(qū)域平均流速值處于0.43～2.87m/s，大小排序?yàn)閂a＞Vd＞Vb＞Vc，綜合地形與流速分析可知以下幾點(diǎn)。

圖7 不同研究區(qū)域流速隨時(shí)間變化

(1)a段為整個(gè)水系入水口，水道狹長(zhǎng)，相對(duì)彎曲，河道水流阻力較小，水流速度較快，最高可達(dá)3.68m/s，這種地形更利于泄洪、排沙及河水引流。此外，該區(qū)兩側(cè)古建筑密集，快速引流可有效降低古建筑浸水的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)b段作為整個(gè)水系的緩沖區(qū)，水流形態(tài)較方且呈環(huán)抱之勢(shì)，形成半圍合空間，水流遇“文津閣”島被一分為二，使流速放緩，最大流速僅為1m/s，可保證山莊遭遇高強(qiáng)度降雨時(shí)，將上游雨水分流，減輕下游洪水壓力。

(3)c段是整個(gè)山莊最重要的湖景區(qū)，水流呈三面圍合的彎曲繞抱之勢(shì)，水流彎處圓轉(zhuǎn)如珠、流速最小，不超過0.8m/s，形成“凹岸侵蝕、凸岸堆積”的現(xiàn)象，如意洲三島的位置屬于“凸岸”，以堆積為主，不受河流沖刷且易形成肥沃的土壤。此處水體不僅承載著旅游觀光的重任，同時(shí)也起到了緩解洪峰、儲(chǔ)存水資源、保持水體穩(wěn)定性的功能。

(4)d段為水系的排出段，以順直河道為主，水流速度較大，可達(dá)3.24m/s，具有快速泄洪排澇功能，保證山莊水體的連貫性。

因此，避暑山莊水系整體設(shè)計(jì)可保證在面對(duì)高強(qiáng)度降雨時(shí)具有安全高效的泄洪能力，降低洪澇災(zāi)害對(duì)避暑山莊的危害。

3.2 雨洪調(diào)蓄能力分析

結(jié)合模擬結(jié)果和文物古跡防洪標(biāo)準(zhǔn)[27]分析避暑山莊水系的雨洪調(diào)蓄能力，結(jié)果表明如下。

1)從雨水收集和排放角度看，避暑山莊可滿足100年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。主要表現(xiàn)為：在面對(duì)不同暴雨重現(xiàn)期時(shí)，山莊出水口徑流流量過程曲線總體趨勢(shì)具有一致性(圖8)，峰值流量形成時(shí)間短，集中在1h左右出現(xiàn)，與前文流速峰值形成時(shí)間一致。峰值流量大小由1年一遇的31.89m3/s到100年一遇的128.6m3/s，差異明顯，表明避暑山莊水系具備快速收集雨水、形成徑流的能力。峰值流量持續(xù)時(shí)間均控制在4h以內(nèi)，且排盡時(shí)間短，表明其具有優(yōu)秀的排水能力。

圖8 不同重現(xiàn)期下水口徑流量特征

2)從水位高度控制方面看，避暑山莊防洪標(biāo)準(zhǔn)略差?！岸潭鴱?qiáng)”的徑流流量對(duì)水道高度要求較為苛刻，存在排放過程中產(chǎn)生溢流，沖刷植被、道路，浸泡古建筑的風(fēng)險(xiǎn)。模擬結(jié)果顯示：峰值水位隨降雨強(qiáng)度的增長(zhǎng)而上升，從表4中可以看出，當(dāng)重現(xiàn)期為1、5和10年時(shí)，未發(fā)生溢流情況；當(dāng)重現(xiàn)期為30、50和100年時(shí)，發(fā)生溢流，溢流高度分別為0.402、0.567和0.824m。以P=30為例分析整個(gè)降水過程中排水渠的水位高度(圖9)，隨著降雨時(shí)間的增加，排水渠水位逐漸升高，在50min時(shí)水渠b段末尾至c段(1 010～1 700m)率先充滿，并隨著時(shí)間增長(zhǎng)開始產(chǎn)生溢流；在60min時(shí)溢流達(dá)到最大(910～2 400m)，此時(shí)b、c、d段全部受溢流影響；但隨著降雨強(qiáng)度的減弱，水位迅速下降并在76min回落到排水渠高度以下，最終在4h左右回落到正常水位高度。當(dāng)P＝50或100時(shí)，溢流長(zhǎng)度會(huì)進(jìn)一步增加，逐漸波及a區(qū)。

表4 不同降雨重現(xiàn)期排水渠水位高度及溢出長(zhǎng)度

圖9 P＝30降雨過程排水渠水位變化

針對(duì)此問題可采取2種解決方法：一是充分發(fā)揮水系“暖流暄波”處引水閘和出口排水閘“五孔閘”作用，在面對(duì)強(qiáng)降雨時(shí)需提前關(guān)閉引水閘、打開出水閘，令山莊水位降低相應(yīng)高度，以此避免溢流情況發(fā)生，起到保護(hù)前置的作用；二是在保持閘口原來狀態(tài)下，對(duì)b、c段區(qū)域兩側(cè)岸邊進(jìn)行加高加固，以此提高控制峰值水位的能力。

3.3 模擬結(jié)果應(yīng)用與遺產(chǎn)保護(hù)建議

避暑山莊水系蘊(yùn)含古人的雨洪管理智慧，通過SWMM模擬結(jié)果分析可知，避暑山莊水系不僅滿足了風(fēng)景營造，更是一項(xiàng)出色的水利工程，具有“迅速收集、迅速排放”的雨洪調(diào)蓄能力；但面對(duì)超強(qiáng)降雨時(shí)，同樣存在被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)避暑山莊水系的發(fā)展及保護(hù)提出以下建議：

1)根據(jù)模擬結(jié)果可計(jì)算水流湍急水口是否可增加水力發(fā)電設(shè)備，為避暑山莊提供額外電力供應(yīng)，節(jié)約能源；

2)對(duì)于峰值流速大于2m/s的區(qū)域考慮加固岸邊措施，以減少?zèng)_蝕效應(yīng)；

3)將水位溢流情況與降水預(yù)測(cè)相結(jié)合，根據(jù)不同降雨強(qiáng)度下的溢流高度，通過進(jìn)出水閘提前調(diào)整水位高度，避免水患發(fā)生；

4)考慮進(jìn)一步模擬在歷史過程中已經(jīng)損毀的水道，討論其修復(fù)的可能性。

4 結(jié)語

本文在定性分析避暑山莊水系雨洪管理思想和方法的基礎(chǔ)上，使用SWMM數(shù)值模擬技術(shù)，定量分析了避暑山莊水系水體設(shè)計(jì)手法和雨洪調(diào)蓄能力。研究發(fā)現(xiàn)，避暑山莊集“可游、可賞、可用、可控”于一體，充分發(fā)揮了雨洪調(diào)蓄功能，在遭遇高強(qiáng)度降雨時(shí)可在1h內(nèi)快速形成徑流，并在4.5h左右排盡，實(shí)現(xiàn)了在快速泄洪的同時(shí)最大限度地保護(hù)山莊土地及古建筑的功能，發(fā)揮出優(yōu)秀的雨洪調(diào)蓄能力；但當(dāng)遭遇30年一遇或更高強(qiáng)度降雨時(shí)，存在峰值水位過高、水道發(fā)生溢流、沖刷道路和浸泡古建筑的問題，對(duì)此可采取調(diào)節(jié)進(jìn)出水閘或加高加固溢流處岸邊的方法來預(yù)防高強(qiáng)度降水帶來的風(fēng)險(xiǎn)，做到提前防范。

SWMM模擬技術(shù)與古典園林水系研究相結(jié)合，不僅為避暑山莊水系雨洪調(diào)蓄研究提供數(shù)據(jù)支持，對(duì)其發(fā)展與保護(hù)給出科學(xué)建議，而且為古典園林水系保護(hù)及修復(fù)提供了新視角。而現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與文化遺產(chǎn)相結(jié)合可進(jìn)一步推動(dòng)文化遺產(chǎn)定性化研究向定量化研究發(fā)展，為遺產(chǎn)的真實(shí)性、完整性研究提供更科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，助力文化遺產(chǎn)研究保護(hù)工作。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。