LA研究 | 赵天逸成玉宁 | 景观规划是否应考虑河流形态演变？-建筑档案

全文刊登于《风景园林》2021年第02期 P76-82

赵天逸，成玉宁.基于 CAESAR-Lisflood 的弯曲型河流景观演化与洪泛区治理：以英国塞文河为例[J].风景园林，2021，28（2）：76-82.

基于 CAESAR-Lisflood 的弯曲型河流景观演化与洪泛区治理——以英国塞文河为例

赵天逸

女 / 东南大学建筑学院在读博士研究生 / 研究方向为景观水文与规划设计、景观参数化设计

成玉宁

男 / 博士 / 东南大学建筑学院教授、博士生导师 / 东南大学风景园林学科带头人，景观学系系主任 / 东南大学景观规划设计研究所所长 / 江苏省设计大师 / 国务院学位委员会风景园林学科评议组成员 / 本刊编委 / 研究方向为景园规划设计、景观建筑设计、景园历史与理论、数字景观及其技术

作者写作心得

摘要

在风景园林学科中，河流沿岸规划设计较少考虑河道景观长时空维度下的演化过程，而对演化规律的认知能够使设计方案更具科学性。以英国塞文河凯尔苏斯河段流域为例，以综合元胞自动机模型及流体动力学模型的CAESAR-Lisflood平台为依托，进行弯曲型河流河道景观长时空维度上的演化预测、洪泛区洪水多情境变化分析及生态防洪措施治理数值模拟。研究发现凯尔苏斯村庄流域汇水量大，河流搬运能力强，河床随时间变化逐步抬高，易发生洪水灾害及河流改道现象，村庄处于高洪水风险中，设置丁坝的防洪综合效益最好。首次将CAESAR-Lisflood模型运用到风景园林学科，对于河道景观演化的模拟研究，创新性地提出能够使防洪措施更精确可控的设置，为规划方案的设置与比选提供新思路，以此指导河流沿岸绿地空间景观规划。

关键词

风景园林；弯曲型河流；河流景观演化；数值模拟；CAESAR-Lisflood；洪泛区治理

人类生活和生产活动常对河流的形态产生影响，河道及洪泛区是受人类干预影响最严重的生态系统。由于经济、社会和工程需要的发展，以及当代对于规划设计和生态效益关系的关注，逐步认识到完整的规划设计过程不仅包含了设计过程本身，也涵盖了规划设计过程诱发下的生态演进过程。

风景园林学科中景观水文学的发展，使得设计师以水文规律为准则从事景观规划设计，现有生态水利工程中，对河流的形态演化与生态演替的过程和结果事先往往难以把控。水环境的数值模拟仿真技术能够帮助设计师了解平面或空间上的设计调整如何对场地的水环境产生影响，在规划设计前期进行方案比选，从而为水生态景观的规划设计提供反馈与支撑。

1 弯曲型河流景观演化与治理

弯曲型河流是冲积平原河流按河道平面形态及演变特点分类的一种常见河型。西方国家多采用Leopold等的方法将河流分为顺直、弯曲与辫状3类；1971年，Schumm等通过改变河道比降，获得了顺直—弯曲—游荡河型的转变。洪笑天等通过实验进一步研究了曲流形成的内在与外在条件，包括原始河谷形态、流量变幅和频率的变化、河床中泥沙运动特性及侵蚀基准面的变化等。金德生建立了一个过程响应模型，认为河床的边界条件，特别是河漫滩的物质结构和组成对曲流的发育有极大影响。

传统水利工程引起河流地貌特征、水文、水利学条件及栖息地质量等变化，对河流生态系统造成极大胁迫。1938年，德国Seifert率先提出“亲河川整治”理念，认为水利工程首先应具备传统治理功能，还需以达到近自然状况为目标。1983年，Bidner等提出河道治理首先要考虑河道水利学特性、地貌学特点与河流自然状况。1989年，Mitsch认为生态工程需考虑人类社会和自然环境2方面利益进行设计，为多自然型河道生态修复技术应用于河流景观规划打下理论基础。2003年，董哲仁提出“生态水工学”，认为在水利工程设计中应结合生态学原理，保证河流生态系统健康。

2 河流景观演化数值模型

2.1 河流数值建模研究

在河流演变背景下，数值模型作为河流系统数字化的简化抽象形式，旨在表示影响河流形态和动力变化的显著过程和特性，它能够研究环境条件（如气候、植被和地质）和内部过程（如侵蚀、输沙和河道宽度调整）影响河流系统的形态演变。

现有研究河流历史和演变的数值模型有景观演化模型（landscape evolution models, LEMs）、元胞自动机模型、计算流体动力学模型、冲积构造模型和河曲模型（图1）。这些模型在具有相似之处的基础上，也存在显著差异。LEMs覆盖整个流域，但细节缺失；元胞自动机模型可极大减少计算时间，却难以定量；计算流体动力学模型必须采用固定通道形式；冲积构造模型模拟了沉积相，但过分简化了水流特性；河曲模型将河道视为均匀宽度。

1 模拟河流系统的不同模型类型

2.2 CAESAR-Lisflood模型

凯撒二维水动力地表景观演变（CAESAR-Lisflood）模型综合了元胞自动机及计算流体动力学模型。1994年，Murray A. B.在《自然》杂志首次提出基于辫状河流的元胞自动机模型，较完整地模拟了辫状河流的形成过程，而CAESAR-Lisflood延续了Murray A. B.的思想，采用了比Murray A. B.的工作更复杂的流径算法，通过计算流动深度将Lisflood-FP二维水动力流模型与多粒径泥沙输移模型相结合，模拟多重流动路径及河流集水区的侵蚀和沉积，其能够在广泛的空间（1~1 000 km2）和时间（<1~1 000+年）范围内运行。

2.3 CAESAR-Lisflood实验构建

CAESAR-Lisflood模拟中集成泥沙、流模型、水文、植被、坡度与迭代等模块的数值参数。模拟输入端以数字高程模型（digital elevation model, DEM）为基本载体，采用河段模式，输入流域水量数据来进行多情景水量洪泛区模拟①。此外，CAESAR-Lisflood中泥沙模型模块将输入土壤性质的颗粒数据层作为河床基底。

CAESAR-Lisflood中水文模型模块中以“m”值控制降雨事件产生的水文曲线的峰值和持续时间，以及地表覆被类型。流模型中集成边缘单元的斜率、蒸发率（m/d）、发生侵蚀的水深阈值（m）、hflow阈值（m）、弗朗德数、曼宁斯系数、库恩数等。CAESAR-Lisflood中植被模型模块，包括植被生长率参数以及植被临界清除参数、植被侵蚀比例等。土壤的蠕变率、边坡破坏阈值和水土流失率，分别在坡度模型模块中得以体现。

CAESAR-Lisflood最终输出模型以迭代长时间序列为特征，对时间与空间维度上的河型及洪泛区演变进行预测，预测时间轴与模拟中相对时间进行换算，输出相应时间段及长时间尺度下相对时间点的高程、高差、流速、流量、水深等信息。文中案例以AALU自主编写python语言为依托，连接Rhino平台、CAESAR-Lisflood平台与GIS平台，实现数据三维可视化处理与二维模拟一体化。

3 塞文河流域景观演化与洪水治理研究

3.1 塞文河流域概况

塞文河全长354 km，位于英国威尔士中部，凯尔苏斯作为塞文河流域上的村庄，坐落于波厄斯郡（图2）。威尔士地区主要呈高地特征，河流系统多具有发达的冲击谷层。根据Gittins研究表明，威尔士河流系统对洪水频率和洪水强度变化高度敏感，而本研究区域塞文河凯尔苏斯河段是一段横向不稳定的砾石床弯曲型河流，适宜进行河段景观演化研究，河段紧邻村落，具有洪水治理研究的必要。本案例以Shreve流域结构模式为基准，得出塞文河凯尔苏斯河段的沟谷网络、分水线网络、主要水文节点14处，子流域16处（图3）。

2 塞文河流域区位

3 塞文河流域的子流域分区及水文节点

3.2 塞文河凯尔苏斯河段演化模拟

本案例选取塞文河流域受洪水灾害影响较大的凯尔苏斯河段，研究其长时间尺度下河型与洪泛区的空间演化。本案例包括流量、流速和径流深度，以及河床发育过程和河床高差变化。模拟中的时间序列为相对时间序列，截面选取凯尔苏斯河段流域范围总截面（图4），目标点间距25 m。据统计随时间变化，各子流域水量小幅波动，基本呈上升、下降再上升趋势（图5）。

4 凯尔苏斯河段取样截面及取样点

5 凯尔苏斯河段子流域 50~200 年间洪泛区水量变化

模拟中提取河床主槽及河漫滩处测试点对塞文河段的流速信息（图6）进行对比，截面一测试点11处在50~100年间流速最快，40号测试点处流速相对较快，随时间变化在200年时，测试点27处流速最快；截面二测试点11处在50~100年间最快，随时间变化，测试点20处变为流速最快区域。

6 凯尔苏斯河段水体流速变化

模拟中截面一的测试点10与40处在前期径流深度（图7）较大，150~200年间，径流深度最大处变为测试点37与45处，河道发生显著变化；截面二中测试点12与20处径流深度较大，随时间变化，2处测试点径流深度大幅增大。

7 凯尔苏斯河段径流深度变化

凯尔苏斯河段截面一与截面二河床发育演化特征（图8）相似，前期50~100年间，河床逐步抬高，沉积作用明显，150年时河道发生空间形态转变，达到临界点，其后侵蚀作用加剧，200年时，新河道逐步形成。

8 凯尔苏斯河段河床发育演化过程

凯尔苏斯河段截面一河床高差变化（图9）在50~100年期间，呈规律性依次增大或减小趋势，到达150年时，河床高差变化呈多样化，200年时，高差变化幅度最大；截面二河床高差基本随时间变化依次呈规律性增大与减小。

9 凯尔苏斯河段河床高差变化过程

综合研究结果表明：邻近凯尔苏斯村落流域汇水总量大，流速快，河流搬运能力强，随时间变化河床逐步抬高，发生洪水灾害程度不断增加，当河床发育演化至临界点时，河流发生改道现象，新河道形成，凯尔苏斯村落附近流域洪泛风险减弱但依然存在。

3.3 塞文河凯尔苏斯河段洪泛区治理

3.3.1 塞文河凯尔苏斯河段洪泛区模拟

本研究将CAESAR-Lisflood模型与Arc Hydro模型结合，模拟了塞文河段受气候周期变化的影响及河道洪泛区水文情况的周期性变化特征。本研究模拟了一年中流域洪泛区域的变化情况，根据不同洪水强度分为弱、次弱、次强、强4种淹没情境（图10），基于对塞文河流域子流域的划分，研究不同洪水强度下子流域水量动态变化。以此指导防洪措施的空间布局设置（图11）。可以看出，凯尔苏斯村处在高洪水风险区。

10 塞文河流域洪水强度情境

11 塞文河凯尔苏斯河段洪泛区水量

12 行洪河道措施模拟二维数据三维可视化

3.3.2 塞文河凯尔苏斯河段防洪措施模拟

河道治理规划在满足防洪的同时适应自然生态系统的要求，采用数值模型的计算方法，进行水与水工建筑物的相互作用分析，根据河流环境选择适当的工法，鼓励小规模泛洪、控制洪水淹没范围等手段，减少对生态系统的影响。

为改善凯尔苏斯河段流域洪水水情，研究使用多种生态防洪措施进行CAESAR-Lisflood模型模拟验证，设计依据目标河道河漫滩宽度，计算和模拟径流与泥沙数量，以强洪水情境为基准，在凯尔苏斯河段洪泛区现状溢水点处进行少量人工干预，合理整治洪泛平原，使河势向规划的方向发展。凯尔苏斯村紧邻河道洪泛区，河流流经地大部分为农业用地和防护绿地，少量为建设用地及空闲地，防洪措施以丁坝、生态堤，湖泊，行洪河道设计3种方式为主。

4 结论与展望

景观水文学重视地块的复杂动态过程，对水体、植被、土壤等多种生态系统要素进行统筹考虑，并关注阶段性的变化过程。基于景观水文学视角，针对特定自然河型洪泛区景观阶段性演化与治理的研究尚有空缺，认识河流的自动调整作用和调整规律，水系的特征指标及其与河流地质地貌、水文情势之间的关系，能够了解人类活动对自然生态的影响以及修复工作是否能达到所预想的状态，对景观空间规划具有指导意义。

河流景观的数值模拟仿真研究，是目前河流景观水文研究的趋势，基于CAESAR-Lisflood的水系、河流数学模型的建立，可以分析和测试河流中无法观察到的时期和空间内如何发展，此外，模型填补了小尺度模型与粗分辨率景观模型之间的空白，创建了模块化的景观演化模型。

注释(Notes)：

① 数据来源：A Geo-Portal for Wales。

图表来源：

图1引自http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/370/1966/2123；图2~12由作者绘制。其中，图2~4、6~10、12底图来源均为http://lle.gov.wales/GridProducts#data=LidarCompositeDataset。表1~4由作者绘制。

为了微信阅读体验，文中参考文献标注进行了删减，详见杂志。

参考文献(References)：

[1] 杨冬冬，曹磊，刘海龙，等.基于数值模拟仿真技术的水生态景观规划设计探索[J].风景园林，2019，26（5）：77-82.

[2] 牛贺道.城市生态河流规划设计[M].北京：中国水利水电出版社，2017：152.

[3] LEOPOLD L B, WOLMAN M G. River Channel Patterns: Braided, Meandering and Straight[P]. US Geol Survey Pro, 1957: 282-B.

[4] SCHUMM S A, KHAN H R. Experimental Study of Channel Patterns[J]. Nature, 1971, 233(5319): 407-409.

[5] 洪笑天，马绍嘉，郭庆伍.弯曲河流形成条件的实验研究[J].地理科学，1987（1）：35-40，42-43，101.

[6] 金德生.边界条件对曲流发育影响的过程响应模型实验研究[J].地理研究，1986（3）：12-21.

[7] SEIFERT A. Naturnaeherer Wasserbau[J]. Deutsche Wasser Wirtschaft, 1983, 33(12): 361-366.

[8] BINDER W, JUERGING P, KARL J. Naturnaher Wasserbau-Merkamale und Grenzen[J]. Grenzen und Landschaft, 1983, 93(2): 91-94.

[9] MITSCHI W J. Ecological Engineering: The 7-Year Itch[J]. Ecological Engineering, 1989, 10(2): 119-130.

[10] 董哲仁.生态水工学的理论框架[J].水利学报，2003（1）：1-6.

[11] COULTHARD T J, VAN DE WIEL M J. A Cellular Model of River Meandering[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2006, 31(1): 123-132.

[12] MURRAY A B, PAOLA C. A Cellular Model of Braided Rivers[J]. Nature, 1994, 371(1): 54-57.

[13] COULTHARD T J, MACKLIN M G. How Sensitive are River Systems to Climate and Land-Use Changes? A Model-Based Evaluation[J]. Journal of Quaternary Science, 2001, 16(4): 347 - 351.

[14] JONES A F, BREWER P A, MACKLIN M G. Geomorphological and Sedimentological Evidence for Variations in Holocene Flooding in Welsh River Catchments[J]. Global and Planetary Change, 2009, 70(1): 92-107.

[15] BEVEN K. Topmodel: a Critique[J]. Hydrological Processes, 1997, 11(9): 1069-1085.

[16] GITTINS S. Changes in Sediment Storage in Welsh Rivers, 1890–2002[D]. Aberystwyth: University of Wales, Aberystwyth, 2004.

[17] 朱思蓉，吴华意. Arc Hydro水文数据模型[J].测绘与空间地理信息，2006（5）：87-90.

[18] 吴丹子.城市河道近自然化研究[D].北京：北京林业大学，2015.

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