康嘉奇 彭圣杰 戈曉宇

北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 10083

承德避暑山莊是中國現(xiàn)存面積最大的自然山水式皇家園林,是古典園林中利用自然山水地形營建園林空間的典范[1],水系是整個山莊景觀的精髓所在?，F(xiàn)階段中國自然水景研究主要集中于兩類:一類是對中國古代各名園中的自然水景理法進(jìn)行分析研究；另一類則將水景作為專項研究,全盤介紹水景類型、設(shè)計和建造手法[2]。而目前關(guān)于承德避暑山莊的研究也主要集中在造園藝術(shù)手法和整體布局上[3],缺乏對避暑山莊水系集雨功能的量化研究。

1 研究區(qū)域概況

承德市位于河北省東北部燕山北麓山間盆地中,灤河支流武烈河沿岸,屬半干旱半濕潤的大陸季風(fēng)型山地氣候,平均年降雨量534.3 mm,雨量集中在夏季,森林覆蓋率達(dá)50%～70%[4]。避暑山莊位于承德市區(qū)北部、熱河上營沿武烈河西岸一帶狹長的天然河地,占地約564 hm2,四周群峰環(huán)抱[5]。根據(jù)避暑山莊DEM數(shù)字模型圖、坡向分析圖可知,避暑山莊內(nèi)海拔最高為469 m,其山體坡度大部分集中于0～29.64%,山岳景區(qū)小部分坡度達(dá)到了77.92%,山體朝向南面坡度居多。避暑山莊的水源主要來自3方面:一為園外武烈河與獅子溝之間隙水,是主要水源；二為西北群山上的泉水與雨水徑流；三為園內(nèi)熱河泉。避暑山莊內(nèi)依據(jù)地形主要劃分為山岳、湖泊和平原景區(qū)。大地形主要分布在山岳景區(qū)、山岳之中,自南向北為榛子峪、松林峪、梨山峪和松云峽4條峽谷,康熙利用峽谷中的溪流,形成“山夾水”“山臨水”“山水相望”[6]的山水關(guān)系。

1)現(xiàn)狀溝峪的匯流合一。通過設(shè)置湖面承接松林峪、梨山峪、榛子峪季節(jié)性匯水,對雨水徑流進(jìn)行匯流與收集,將原有分散的匯流整合為一處景觀水體。

2)園中園的徑流分散處理。避暑山莊中有眾多園中園,每個園中都有一處景觀水體,從沖溝順流而來的雨水徑流在園中園進(jìn)行滯留、下滲、凈化等過程后通過溪流、暗渠匯流進(jìn)入末端湖區(qū)。避暑山莊對于徑流的處理體系包含了源頭分散處理到末端集中調(diào)蓄,并將所有水工設(shè)施進(jìn)行景觀化處理,形成了集雨功能與園林景觀的統(tǒng)一,是山水理法中生態(tài)智慧的體現(xiàn)。

2 基于SWMM情景模擬的避暑山莊水系集雨能力

利用SWMM軟件對山莊內(nèi)水體調(diào)蓄雨洪的能力進(jìn)行情景模擬驗證,分析開發(fā)前、后24 h降雨時間下水體消減徑流總量、峰值流量,推遲峰現(xiàn)時間的能力。

2.1 降雨數(shù)據(jù)分析

根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式(公式1-1),同時通過資料查閱得到承德市的暴雨強(qiáng)度公式中各參數(shù)的數(shù)值(公式1-2)。再輸入重現(xiàn)期和降雨歷時數(shù)據(jù),計算得到各重現(xiàn)期降雨量:1年一遇降雨量為35.92 mm、2年一遇為43.79 mm、3年一遇為48.39 mm、5年一遇為54.19 mm、10年一遇為62.06 mm、20年一遇為74.44 mm、30年一遇為151.40 mm。利用芝加哥雨型生成器將重現(xiàn)期6h降雨歷時進(jìn)行降雨強(qiáng)度拆解,拆解后的各重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度曲線見圖1。

上式中q為暴雨強(qiáng)度(L/(S·hm2))；A1為雨力參數(shù)(mm)；C為雨力變動參數(shù)；P為重現(xiàn)期(a)；t為降雨歷時(h)；b為降雨歷時修正參數(shù)(min)；n為暴雨衰減指數(shù)

2.2 研究區(qū)域劃分

依據(jù)承德避暑山莊的地形特征,結(jié)合GIS對場地進(jìn)行的徑流、流域分析,將避暑山莊劃分為51 465個小匯水分區(qū)；再根據(jù)山莊地形,根據(jù)山脊線以及山谷的走向在SWMM中手動將山莊分為25個匯水分區(qū)以及1個末端出水口(各匯水區(qū)域的面積和劃分結(jié)果見表1,圖2)[7]。避暑山莊水系的匯水區(qū)主要來自西、北兩個方向,雨水產(chǎn)生的徑流分別通過匯水區(qū)域流向榛子峪、松林峪、梨山峪和松云峽4條峽谷及半月湖,再流向長湖和如意湖,最后與熱河泉匯合向東北自水心榭流入銀湖,自五孔鬧流出匯入武烈河,形成完整水系。

表1 各匯水分區(qū)的匯水面積hm2

圖1 各重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度曲線圖

2.3 構(gòu)建模型

根據(jù)古籍對熱河上營的描述構(gòu)建其情景模擬模型,山坡及山丘覆蓋大量植被,西側(cè)武烈河縈繞,土地肥沃。山間有季節(jié)性匯流的沖溝,徑流排放體系為山谷——山前沖溝。避暑山莊情景模擬模型構(gòu)建借鑒現(xiàn)今海綿城市建設(shè)中低影響開發(fā)模式,模型概化采用源頭消減—中途傳輸—末端調(diào)蓄的徑流排放體系,將場地內(nèi)沖溝、路邊溝渠、水池、水體等與植草溝、調(diào)蓄池相對應(yīng)。

同時根據(jù)承德避暑山莊土壤特性以及SWMM建模原理,對山莊內(nèi)建筑硬質(zhì)和綠地林地進(jìn)行情景模擬。降水下滲選用Horton模型,匯水分區(qū)各項相關(guān)參數(shù)參考SWMM用戶手冊推薦值以及相關(guān)文獻(xiàn),其中不滲透面積粗糙系數(shù)N值,根據(jù)暴雨洪水管理模型——EPA SWMM用戶教程[8]第85頁地表漫流的曼寧粗糙系數(shù)N值表,參考數(shù)據(jù)取0.011,滲透面積粗糙系數(shù)N值取0.4,面積及坡度依據(jù)山莊實際情況進(jìn)行設(shè)置。

通過查閱承德市土壤特性的相關(guān)文獻(xiàn)資料[9],結(jié)果發(fā)現(xiàn)承德避暑山莊土壤類型南北坡有所不同。陽坡土層較薄,約15～40 cm,多為砂土,石礫多,巖石裸露,土壤瘠薄,輕壤質(zhì)；陰坡土層厚約40～80 cm。平原景區(qū),武烈河兩岸為河流沖積母質(zhì)上發(fā)育形成的草甸褐土,土層為30～60 mm,下層為河砂。根據(jù)《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范(2016年版》[10]的土壤滲透系數(shù)表,確定山坡土壤滲透系數(shù)為1.16×10-5m/s,平原區(qū)土壤滲透系數(shù)為6×10-5m/s。

山莊內(nèi)的山體沖溝、道路邊溝在模型中轉(zhuǎn)化為植草溝,并對其參數(shù)進(jìn)行定義[11],根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研得出其深度為500mm,植被覆蓋值取0.2,表面粗糙系數(shù)值取0.03,表面坡度值取0.5%～12%,洼地邊坡為4。由于LID設(shè)施數(shù)量少,情況簡單,因此將LID設(shè)施單獨設(shè)置為一個獨立的匯水分區(qū),并與定義好的LID設(shè)施相關(guān)聯(lián)。

2.4 結(jié)果與分析

避暑山莊的徑流總量和出流總量模擬結(jié)果見表2,避暑山莊末端出水口徑流模擬結(jié)果及峰現(xiàn)時間見圖3。

圖2 避暑山莊匯水分區(qū)劃分圖

表2 重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度下出水口徑流模擬結(jié)果

圖3 重現(xiàn)期降雨條件下出水口徑流曲線

根據(jù)表2和圖3可以發(fā)現(xiàn),避暑山莊在1、2、3、5、10、20、30年一遇的降雨條件下徑流總量分別減少100%、72.1%、44.1%、25.4%、24%、15%、5.9%,峰現(xiàn)時間分別延遲80、75、55、30、22、18 min。根據(jù)SWMM情景模擬的結(jié)果可以看出,避暑山莊具有消減徑流、推遲峰現(xiàn)時間的作用,但是隨著重現(xiàn)期降雨量的增大、降雨強(qiáng)度的上升,徑流的消減作用逐漸減小。

3 基于HEC-Ras二維非恒定流模擬的匯水效果

利用HEC-Ras軟件對山莊內(nèi)雨水資源化利用形成景觀水體的能力進(jìn)行情景模擬和驗證,分析在10 mm、20 mm、30 mm、1年一遇、2年一遇、3年一遇降雨條件下湖區(qū)形成的季節(jié)性水位及水量。將國家地理數(shù)據(jù)云提供的承德雙橋區(qū)GDEMDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)疊加避暑山莊高程數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化為山莊TIN網(wǎng)格,為模型提供高程、坡度及坡長信息[12]。將10 mm、20 mm、30 mm、1年一遇、2年一遇、3年一遇的降雨量通過芝加哥雨型進(jìn)行拆解,生成每隔5 min的降雨強(qiáng)度值,通過SWMM軟件分析得到流量值。

由于山莊湖區(qū)的常水位無法確定,所以本研究只能進(jìn)行二維非恒定流模擬獲得湖區(qū)季節(jié)性水位數(shù)據(jù)。二維非恒定流模擬模型精度為1/1 024,采用50 m×50 m的二維網(wǎng)格,基于Ras mapper生成每個二維網(wǎng)格的水力特性關(guān)系,根據(jù)湖區(qū)形態(tài)對上下游出入水口進(jìn)行設(shè)置,上游入水口設(shè)置邊界條件為流量過程線,下游出水口設(shè)置邊界條件為正常水深[13],進(jìn)行6 h的二維非恒定流模擬。

分別對不同降雨條件下避暑山莊景觀水系的范圍進(jìn)行模擬,得到相應(yīng)的景觀水體淹沒范圍(表3,圖4)。山體雨水在沖溝內(nèi)匯聚成溪,依據(jù)山莊地形順勢而為,自然匯流入湖區(qū)作為季節(jié)性湖體景觀補充用水[14]

表3 HEC-Ras雨洪景觀模擬數(shù)據(jù)表

圖4 10 mm、20 mm、30 mm、1年一遇、2年一遇、3年一遇降雨量下雨水淹沒范圍

4 討論

承德避暑山莊水系和山體溝谷共同形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的徑流控制體系,使湖體具有良好的調(diào)蓄作用,避暑山莊砂土土質(zhì)的滲透能力可以應(yīng)對較小的降雨強(qiáng)度,因此避暑山莊水系能夠完全消納1年一遇降雨產(chǎn)生的徑流,推遲峰現(xiàn)時間。當(dāng)遇到超過1年一遇的降雨時,山地的土層較薄,土壤的雨水吸收能力下降,產(chǎn)流速度加快；另外山地的坡度導(dǎo)致匯流速度加快,峰現(xiàn)時間的推遲作用逐漸減弱,徑流總量超過了水系的承載能力,出水口開始產(chǎn)生出流。避暑山莊湖區(qū)的水景面積為28 hm2,在1年一遇的降雨條件下,僅靠雨水徑流匯集可形成約27%的水面面積,這說明雨水徑流對于避暑山莊水系的補水能力比較有限,僅靠雨水徑流的收集無法形成持續(xù)穩(wěn)定的水景效果。

避暑山莊巧妙地利用園外武烈河的水系,高處引水低處排水,依托自然河流形成了更加可靠的補水來源和更加強(qiáng)大的水安全保證[15]。同時將自然山水與人工疏理巧妙結(jié)合起來,成為自然山水園林的典范。這種將綠色空間與大自然相容,以小空間利用大自然彈性的設(shè)計方法大大增加了避暑山莊的“彈性”,也為造園者塑造優(yōu)美的園林景致提供了更大的自由度。規(guī)劃設(shè)計的過程本身是一個權(quán)衡利弊、綜合判斷的過程,是人、自然、城市多個層面需求不斷博弈的過程,單純依靠綠地內(nèi)部的彈性同時處理水景觀、水安全等多個層面的問題是非常困難的。將園林融于周邊環(huán)境的自然體系,借助自然的力量形成彈性,保持穩(wěn)定的水景觀效果和可靠的水安全作用是避暑山莊水系中蘊含的更深層次的生態(tài)智慧[16]。

潘谷西先生在《江南理景藝術(shù)》中說“自然山水風(fēng)景與‘園林之景’不同,不能人造,只能以利用為主,‘理’者,治理也”。避暑山莊“水心山骨”[4]的山水理法在保證山莊免受雨水沖擊的同時,營造出不同降雨量下季節(jié)性水體景觀,可見自古以來人們就在力求與自然達(dá)成最佳的和諧關(guān)系。在人地關(guān)系緊張的現(xiàn)代,借鑒古典園林山水理法所傳達(dá)出的生態(tài)智慧指導(dǎo)實踐就顯得意義重大。本文受研究條件所限,未能采集現(xiàn)場徑流數(shù)據(jù)作為模擬數(shù)據(jù)的校核,這也是未來研究可以拓展和延伸的重要方向。