郭 湧 劉新棟 王 慶 胡宏昌

（1.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京 100084；2.濰坊市市政工程設(shè)計研究院，濰坊 261061；3.濰坊高新區(qū)規(guī)劃編研中心，濰坊 261111；4.清華大學(xué)水利水電工程系，北京 100084）

以山東省濰坊市高新區(qū)東部東瀑沙河、西瀑沙河和東浞河為研究對象，利用風(fēng)景園林信息模型（Landscape Information Modeling，LIM）對三個流域進行數(shù)字流域模型構(gòu)建并開展水文水動力數(shù)值模擬，探究流域水系空間特征和水文時空變化。模擬結(jié)果應(yīng)用于該區(qū)域的景觀規(guī)劃，以應(yīng)對該流域常年無穩(wěn)定徑流，河道匯水流域水體生態(tài)供水量時空動態(tài)變化導(dǎo)致水質(zhì)影響等問題。研究采取工程項目實施、技術(shù)實驗和科學(xué)探索在規(guī)劃設(shè)計過程中統(tǒng)籌綜合的研究路徑，整合數(shù)字模型構(gòu)建和數(shù)值模擬，針對研究對象構(gòu)建數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model，DTM），精確反映其空間特征；構(gòu)建數(shù)字水系，研究流域和水系的分布特點；進行數(shù)值模擬，揭示和預(yù)演河流水文過程。研究成果通過LIM模型與水文水動力數(shù)值模擬聯(lián)動的工作流作用于規(guī)劃決策。研究取得以下結(jié)果：（1）揭示了濰坊市高新區(qū)東三河自然匯水流域的形態(tài)和分布，解釋了東三河流域的地形匯水過程；（2）通過水文水動力模擬，揭示了東三河河道的水文特征；（3）驗證了數(shù)字水系在規(guī)劃應(yīng)用中的可信性與有效性，提高了水系在規(guī)劃中的整合程度。

風(fēng)景園林；風(fēng)景園林信息模型；水動力模擬；規(guī)劃應(yīng)用；數(shù)字水系

在城市化及海綿城市建設(shè)的大背景下，城域水文水動力模擬是防洪排澇、建設(shè)海綿城市的核心技術(shù)之一[1]。國內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)于水文水動力模型研究主要集中在海綿城市規(guī)劃、城市排水規(guī)劃設(shè)計、河道流域防洪規(guī)劃、河道管網(wǎng)[2-4]等方面，有效推動了城市規(guī)劃精細化管控與建設(shè)[5]?；谒乃畡恿W(xué)的城市洪澇模型主要模擬方法如表1所示。

表1 基于水動力學(xué)的城市洪澇模型主要模擬方法Tab.1 Main simulation methods of urban flood model based on hydrodynamics

風(fēng)景園林信息模型（Landscape Information Modeling，LIM）是指創(chuàng)建并利用數(shù)字化模型對風(fēng)景園林工程項目的設(shè)計、建造和運營全過程進行管理和優(yōu)化的過程、方法和技術(shù)[14]。LIM模型已經(jīng)在城市規(guī)劃、景觀設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等項目中展開應(yīng)用，不僅具有跨尺度的數(shù)據(jù)融合功能，為國土空間規(guī)劃、生態(tài)空間規(guī)劃、鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃等提供專業(yè)化數(shù)據(jù)分析，而且能夠進行數(shù)據(jù)交付，用于雨洪、水文水動力、風(fēng)環(huán)境、植被和土方等關(guān)鍵影響要素的動態(tài)仿真模擬[15]。

LIM模型與水文水動力數(shù)學(xué)模型結(jié)合，能模擬水文水動力時空特征，實現(xiàn)從降雨到淹沒的動態(tài)數(shù)值模擬。本研究以山東省濰坊市高新區(qū)東部東瀑沙河、西瀑沙河、東浞河三條河流（簡稱東三河）所在流域為研究對象，聚焦于東三河流域景觀規(guī)劃中河道上下游水源補給所面臨的問題，應(yīng)用LIM技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），精準(zhǔn)描述河道流域的自然空間特征，在此基礎(chǔ)上開展水文水動力數(shù)值模擬，揭示東三河流域的自然水文現(xiàn)象，為流域抗洪排澇和雨洪管理等相關(guān)規(guī)劃決策提供依據(jù)和支持。

1 研究區(qū)域概況

東三河位于山東省濰坊市高新區(qū)，地勢平坦，自然流域的季節(jié)性河流發(fā)育較淺且連通性差，常年無穩(wěn)定徑流。濰坊市年均降水量650 mm左右，年均徑流深177 mm，三條河流的流域面積為36.5 km2。降水量年際變化很大，其中2/3集中于夏季并易形成局部的積澇。東三河自東向西依次并列，流向均為自南向北（圖1）。以青銀高速公路為界，高速公路以北河道屬于河流下游，高速公路以南河道為上游區(qū)域。隨著行政區(qū)劃調(diào)整，東三河上游部分與下游部分統(tǒng)一歸于濰坊高新區(qū)的行政管理，具備了以自然流域為空間單元，對河流生態(tài)和景觀進行統(tǒng)籌治理的條件。尤其是在河道補水方面，治理迎來了從河道源頭展開的機遇。

圖1 濰坊市高新區(qū)東三河地理位置Fig.1 Location of the 3 reivers in the east of Weifang High-tech district

2 研究方法

2.1 設(shè)計研究

本研究應(yīng)用“貫穿設(shè)計的研究”（Research through Design，RtD）方法，將項目過程作為研究“介質(zhì)”，采取工程項目實施、技術(shù)實驗和科學(xué)探索在規(guī)劃設(shè)計過程中統(tǒng)籌綜合的研究路徑，整合三維數(shù)字模型構(gòu)建和數(shù)值模擬，針對研究對象構(gòu)建數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model，DTM），精確反映其空間特征；構(gòu)建數(shù)字水系，研究流域和水系的分布特點；進行數(shù)值模擬，揭示和預(yù)演河流水文過程。研究成果通過LIM模型與水文水動力數(shù)值模擬聯(lián)動的工作流作用于規(guī)劃決策。

2.2 LIM模型構(gòu)建

LIM模型構(gòu)建具有技術(shù)實驗和項目實踐兩方面意義：（1）基于LIM平臺整合地理信息和規(guī)劃信息，形成特定精度下覆蓋三條河道自然匯水流域的數(shù)字地面模型。在此過程中實驗基于LIM的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，收集和處理地理信息數(shù)據(jù)并提高數(shù)據(jù)的精度，彌補測繪數(shù)據(jù)的不足，并作用于規(guī)劃設(shè)計方案的表現(xiàn)、評價與優(yōu)化。（2）基于LIM平臺整合三維空間模型構(gòu)建與數(shù)值模擬運算相聯(lián)動的工作流?；凇皵?shù)據(jù)總線”的構(gòu)架邏輯，LIM模型中的空間模型信息以特定格式形成數(shù)據(jù)交付，作為數(shù)值模擬的輸入條件，數(shù)值模擬的結(jié)果則反饋為三維空間條件，作用于規(guī)劃決策。

2.3 水文水動力數(shù)值模擬

（1）收集與處理研究對象的地理信息數(shù)據(jù)，為數(shù)字模型構(gòu)建和數(shù)值模擬運算提供充分的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)條件；（2）構(gòu)建風(fēng)景園林信息模型（LIM），融合多源數(shù)據(jù)，匹配地理坐標(biāo)和測繪投影信息，形成描述研究對象空間特征的數(shù)字載體；（3）從LIM模型中提取河道區(qū)域的數(shù)字地面模型（DTM），為下一步運算提供基礎(chǔ)并限定條件；（4）通過數(shù)值運算提取數(shù)字流域與水系，精準(zhǔn)描述河道及其所在流域的自然空間特征，劃分下一步運算的空間網(wǎng)格和計算節(jié)點；（5）進行水文水動力過程模擬，揭示水文現(xiàn)象，從中分析其規(guī)律和原因；（6）從水文過程中提取水量平衡的相關(guān)因子進行專題研究，對其中的水源補水條件和補水效果進行專門分析。以上過程和結(jié)果為河流補水方案及相關(guān)規(guī)劃決策提供依據(jù)和支持，技術(shù)路徑如圖2。

圖2 技術(shù)路徑Fig.2 Technical approach

3 研究過程

3.1 數(shù)字流域與水系

數(shù)字流域與水系研究的目標(biāo)是解釋河道的空間特征，定量揭示河道的自然匯水區(qū)域和流域的構(gòu)成，并在數(shù)字模型中定義河道的空間分布。研究的基礎(chǔ)是LIM模型，以及從中提取和構(gòu)建的DTM模型。本研究采取30 mDEM與1∶10 000測繪圖數(shù)據(jù)融合形成的DTM數(shù)據(jù)，同時需要基于實際的測繪水系對DTM進行修正，使其能更為準(zhǔn)確地反映實際情況（圖3）。

圖3 研究區(qū)域內(nèi)的實際水系與數(shù)字高程Fig.3 Real watersheds and digital elevation model in the study area

在此基礎(chǔ)上，通過分析DTM實現(xiàn)對數(shù)字水系的提取，東瀑沙河、西瀑沙河、東浞河三條河流的流域面積和為36.50 km2，子流域數(shù)38個；其中東浞河流域面積為17.18 km2，子流域17個；西瀑沙河流域面積為7.75 km2，子流域7個；東瀑沙河流域面積為11.57 km2，子流域14個（圖4）。

圖4 數(shù)字高程模型（DEM）與數(shù)字水系Fig.4 Digital elevation model (DEM) and digital watersheds

3.2 水動力模擬

水文水動力過程通過對東三河水文過程的動態(tài)模擬，提取不同時間節(jié)點上水文現(xiàn)象發(fā)生時，河道內(nèi)的徑流深度、流速等關(guān)鍵指標(biāo)，進而對東三河的水文過程進行定量描述，研究結(jié)果可以支撐水量平衡的分析。

3.3 建模與應(yīng)用

基于LIM模型，對大范圍研究區(qū)域的30 m精度數(shù)字高程模型和重點區(qū)域三角網(wǎng)格進行數(shù)字高程值提?。簩?shù)字河流周邊范圍基于三角網(wǎng)格進行剖分，剖分的面積為14.94 km2，其中節(jié)點7 981個，邊22 482條，單元14 503個。對流域的所有支流設(shè)置入流節(jié)點，對25 h（1 500 min）過程的匯流過程進行模擬，獲取區(qū)域淹沒過程數(shù)據(jù)，得到流域的水流路徑和淹沒范圍，每隔1 h淹沒深度及河道流速如下圖（圖5-6）。

圖5 水深分布圖Fig.5 Water depth distribution

圖6 流速分布圖Fig.6 Flow velocity distribution diagram

最后將建模結(jié)果應(yīng)用于東浞河、西瀑沙河、東瀑沙河河道水動力中，驗證東三河水系匯流結(jié)果（圖7）。東浞河水系在水動力模擬運行至420 min時，河道上下兩處入流形成合流，東浞河河道匯流也接收了來自其東側(cè)數(shù)字水系所示區(qū)域的匯水，匯水于第660 min與東浞河河道匯流匯合。西瀑沙河河道水動力特征將河道分為兩段，青銀高速以北的下游河道水動力較強，入流流速均勻，在水動力模擬運行至420 min時，該段河道已經(jīng)充分過流，青銀高速以南的上游地區(qū)水動力較弱，該段河道在第1 080 min只有78%的部分完成過流。東瀑沙河河道水動力高于西瀑沙河，青銀高速以南的上游河道，在水動力模擬中到420 min時，已經(jīng)有接近一半的河道過流。東瀑沙河河道流速不均勻，在源頭附近出現(xiàn)局部流速激增的現(xiàn)象。造成該現(xiàn)象的原因一方面來自于地面高程模型精度不足，導(dǎo)致局部出現(xiàn)與現(xiàn)狀不符的高差；另一方面說明該區(qū)域地形復(fù)雜，不利于雨水匯集和貯留，不利于涵養(yǎng)水源。

圖7 東瀑沙河、西瀑沙河、東浞河河道匯流情況Fig.7 The river confluence of Dongpusha River,Xipusha River and Dongzhuo River

4 分析與結(jié)果

4.1 水動力模擬分析

4.1.1 東三河流域的水文水資源分析

（1）東三河入滲蒸發(fā)情況分析。濰坊市高新區(qū)東三河城鎮(zhèn)化比例較高，水系的入滲和蒸發(fā)在未進行現(xiàn)場勘探和土壤取樣化驗的情況下，根據(jù)河道長度取約值做綜合量化計算。其具體數(shù)值如表2所示。上游電廠達標(biāo)排放的退水是區(qū)域補水的重要水源，為此基于其設(shè)定的8 000 m3/d的水量，開展水動力過程模擬，具體分析水量平衡情況。

表2 東三河水系蒸發(fā)情況Tab.2 Evaporation of Dongsan rivers system

（2）東三河補水條件分析。從區(qū)域未來發(fā)展?jié)摿烷_發(fā)價值考慮，東三河補水應(yīng)優(yōu)先選擇西瀑沙河。著眼濰坊城市發(fā)展趨勢，城市格局向東對接青島，形成區(qū)域城市群的發(fā)展格局明顯。同時在國土空間規(guī)劃體系下，對三區(qū)三線的劃定和管控趨于嚴(yán)格?；谶@兩個趨勢，濰坊高新區(qū)東三河所在區(qū)域既具有城市東向門戶的屬性，又具有城市開發(fā)邊界東部邊緣的屬性。因此該區(qū)域的土地利用價值和開發(fā)潛力非常可觀，其中以西瀑沙河所在位置的價值和潛力最高。根據(jù)現(xiàn)場地形和已經(jīng)形成的河道條件，河道上游電廠退水距離西瀑沙河上游也更為接近，西瀑沙河接收電廠退水補充河道水量最為便利。

4.1.2 西瀑沙河水文水動力模擬分析

（1）基于水文水動力模擬的西瀑沙河分析。首先對西瀑沙河水系進行模擬，設(shè)西瀑沙河河道比降為千分之五，設(shè)定河寬為0.5 m，設(shè)定上游補水為電廠水源，開展相關(guān)模擬并分析其河道洪水演進過程（圖8）。按水源來水為8 000 m3/d計算，來水水量實為0.093 m3/s。根據(jù)實際情況推斷，電廠退水一般取固定流速均勻排放。則可根據(jù)排水水量和時間的關(guān)系模擬河道洪水演進過程。

模擬結(jié)果顯示，按恒定流量供水10 min時，隨著水量的入滲和蒸發(fā)，進入河道的水無法形成穩(wěn)定的徑流，在其起始位置進入河道形成的水深約為5 mm，沿河道流至6.5 km處，水量完全消耗，形成斷流。如圖8中藍色曲線所示。

當(dāng)按恒定流量持續(xù)供水20 min到12 h時，河道內(nèi)的水量不再出現(xiàn)斷流，河道源頭水深5 mm，下游水深隨著時間積累，逐漸從0.5 mm增至3.5 mm，形成持續(xù)徑流。如圖表中橙紅色、灰色、橙黃色、淺藍色和綠色曲線所示。當(dāng)按恒定流量持續(xù)供水12 h以上時，河道內(nèi)的水量趨于穩(wěn)定，形成穩(wěn)定徑流，下游水深保持在3.5 mm左右。如圖8中深藍色和咖啡色曲線所示。

圖8 西瀑沙河水動力模擬Fig.8 Hydrodynamic simulation of Xipusha River

根據(jù)以上模擬數(shù)據(jù)可知，電廠退水可以有效補充西瀑沙河上游河道。其有效的補水作用長度約6.5 km，所形成的補水效果為一道寬度0.5 m，深度3.5～5.0 mm的持續(xù)的河道中泓徑流。形成此效果的同時發(fā)生河流徑流下滲和蒸發(fā)過程，具有一定的生態(tài)補償效應(yīng)。

（2）基于數(shù)字水系模擬的西瀑沙河上游河道分析?；谧匀坏匦螀R水條件分析，東浞河和西瀑沙河之間源頭流域存在匯水條件，進一步分析西瀑沙河上游河道地形高程、坡向、局部匯水范圍，以及河道洪水淹沒范圍，依托現(xiàn)狀地形確定西瀑沙河河道布局，為未來的河道治理和景觀體系營造限定空間范圍（圖9）。

圖9 西瀑沙河上游詳細地形高程和匯水分析Fig.9 Detailed topography and catchment analysis of the upper reaches of Xipusha River

根據(jù)河道水動力模擬的結(jié)果，西瀑沙河上游5 km河道應(yīng)作為補水的重點河道。同時，應(yīng)重點對西瀑沙河上游河道的比降、斷面進行空間塑造，增強河道的水動力。

4.2 規(guī)劃應(yīng)用

4.2.1 城市區(qū)域數(shù)字水系分析

通過數(shù)值模擬運算所構(gòu)建的數(shù)字水系可應(yīng)用于水系景觀的規(guī)劃決策。根據(jù)數(shù)字地面高程的分析結(jié)果可判斷高新區(qū)地勢南高北低，規(guī)劃范圍橫跨4條自然水系匯水流域。通過數(shù)值模擬所構(gòu)建數(shù)字水系詳細反映了自然水系流域內(nèi)的子流域空間分布情況。根據(jù)這一模擬結(jié)果，高新區(qū)擬根據(jù)東三河匯水區(qū)上游水文條件，規(guī)劃新建“汶泉河”水系景觀（圖10紅色箭頭所示位置）。將數(shù)字水系與測繪數(shù)據(jù)描述的實際水系進行疊加分析，可見數(shù)字水系與實際水系高度吻合。說明數(shù)字水系用以支持水系景觀規(guī)劃決策具有可信性。

圖10 數(shù)字水系模擬與驗證Fig.10 Digital drainage system simulation and verification

4.2.2 水系整治規(guī)劃

基于LIM模型與水文水動力數(shù)值模擬相結(jié)合的工作流，水系整治規(guī)劃工作的科學(xué)合理性明顯提升?；谒乃畡恿δM結(jié)果，規(guī)劃部門提出了整體治理的方案，將汶泉河和西瀑沙河作為一體，統(tǒng)一規(guī)劃、整體治理和提升。依托新汶泉河水系，構(gòu)建長度8.9 km，面積約89 hm2的綠色基礎(chǔ)設(shè)施（圖11）。整體治理方案包含了水環(huán)境優(yōu)化治理、用地規(guī)劃優(yōu)化調(diào)整、水質(zhì)凈化提升等方面，并確定了相關(guān)的工程措施。

圖11 汶泉河水系整體治理Fig.11 Wenquan River system overall governance

在水環(huán)境優(yōu)化方面，依托現(xiàn)狀條件合理改造河道， 結(jié)合現(xiàn)狀水系條件，構(gòu)建4處水面節(jié)點，加強水安全，優(yōu)化水環(huán)境，提升水景觀。

在用地規(guī)劃方面，依托水系景觀提升的綜合價值，調(diào)整沿汶泉水系的土地利用方式，充分發(fā)揮水系提升的綜合作用，創(chuàng)造水綠融城的活力城區(qū)（圖12）。

圖12 汶泉河沿線區(qū)域用地規(guī)劃Fig.12 Land use along Wenquan River

在水體凈化方面，發(fā)電廠退水屬劣V類水，水質(zhì)較渾濁，有較多懸浮物，需進行人工濕地凈化處理。為解決此問題，在入流處設(shè)置沉淀池和凈化區(qū)，對水體進行過濾凈化；擴大主河道水面，形成濕地景觀，凈化水質(zhì)；采用當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土耐水濕的喬、灌、地被及水生植物，形成自然濕地群落，改善水體環(huán)境并帶動整個區(qū)域生態(tài)效益的提升。

在工程措施方面，根據(jù)電廠補水水量及河道比降，通過梯形布置攔蓄水壩，盡量形成河道連續(xù)水面，并根據(jù)整體景觀效果適當(dāng)調(diào)整攔河壩布置間距，打造主槽中泓小溪與連續(xù)整體水面交替布置的水體景觀。并進行縱斷面設(shè)計，疏浚拓挖河槽，使河道設(shè)計比降盡量接近現(xiàn)狀自然比降，盡量保持挖填平衡。

5 結(jié)論與討論

（1）研究揭示了濰坊市高新區(qū)東三河自然匯水流域的形態(tài)和分布，對東三河流域的地形匯水過程進行了解釋。根據(jù)流域的空間形態(tài)和自然地形條件，可以對河流補水的適宜機制做出判斷。其中，東浞河應(yīng)重點進行雨洪的資源化利用，考慮以雨水的收集利用作為河流的主要補水來源；西瀑沙河應(yīng)重點考慮依靠河道上游的水源向河道補水和應(yīng)用工程措施對入流徑流進行降速和滯流，并加強河道兩側(cè)雨洪管理和防洪；東瀑沙河應(yīng)加強源頭的水土保持和水源涵養(yǎng)，同時加強河道的防洪措施。

（2）研究通過水文水動力模擬，揭示了東三河河道的水動力特征。東浞河河道的水動力最強，東瀑沙河次之，而西瀑沙河分為兩段，青銀高速以北的下游河道，水動力較強，青銀高速以南的上游河道，水動力較弱，尤其是自匯流水域源頭向下5 km的河道范圍，水動力很弱?；谏鲜鼋Y(jié)論，對西瀑沙河的河道洪水演進過程進行了模擬。模擬結(jié)果論證了利用電廠退水為河道補水的效果。模擬結(jié)果顯示，利用電廠退水對西瀑沙河河道進行補水，可以有效影響西瀑沙河上游河道6.5 km長度范圍，在該范圍內(nèi)形成相對穩(wěn)定的0.5 m寬、3.5～5.0 mm深的河道中泓徑流，同時發(fā)生徑流入滲和蒸發(fā)的生態(tài)補償過程。

（3）驗證了數(shù)字水系在規(guī)劃應(yīng)用中的可信性與有效性，提高了通過規(guī)劃對水系實施整體治理的能力。根據(jù)數(shù)字地面模型的分析結(jié)果得到數(shù)字水系與實際測繪數(shù)據(jù)描述水系高度吻合，驗證了數(shù)字水系在規(guī)劃應(yīng)用中的可信性與有效性。將新建汶泉河水系與西瀑沙河統(tǒng)籌進行整體治理，分別從新汶泉河水系、現(xiàn)狀條件、水系景觀及專項排水規(guī)劃4方面展開，有效改善后期水環(huán)境。LIM模型與水文數(shù)值模擬相結(jié)合的工作流在城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展過程中，可以結(jié)合生態(tài)空間專項規(guī)劃、排水專項規(guī)劃、景觀系統(tǒng)專項規(guī)劃等規(guī)劃工作發(fā)揮有益作用，并應(yīng)用于國土空間規(guī)劃相關(guān)工作。

致謝：

感謝東盛生態(tài)科技股份有限公司為項目開展所提供的支持；感謝清華大學(xué)地景營建技術(shù)創(chuàng)新實驗室歐陽翠玉女士為本文所進行的資料匯總和整理工作。

注：文中圖表均由作者繪制。其中，項目資料來源為2019年度濰坊市優(yōu)秀城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計獎一等獎獲獎項目“濰坊高新區(qū)東三河補水研究”。項目組成員：郭湧、胡宏昌、張能、全龍、宋志生、包春雷、楊浩、李加忠、劉新棟、韓雷、王慶、陳芊蓉、方慧、呂俊、馬翠翠。