基于水动力特性的河道景观设计方法

张雅卓，练继建

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

在河道(特别是城市河道)综合治理工程中，往往要统筹考虑河道的行洪、排沥、供水、通航以及环境生态和景观营造的需求[1]，通常是由水利和景观专业分别承担不同的角色，由水利专业先根据不同水文条件下河流水动力特性进行护岸、堤防和清淤断面的设计，再由景观专业在河岸以上做美化环境的工作．这种做法的弊端是各自强调本专业及价值的重要性，而忽略了两者的融合．本文对河道综合治理中出现的水利、景观相互间的关联关系和影响因子做出分析，提出基于水动力特性的河道景观设计方法，重点阐明河道水动力特性对景观设计的控制性指标要求、滨河造景对策和河道断面的优化设计策略．对于河道综合治理工程的优化设计有重要参考和应用价值．

1 河道水动力特性对景观设计的控制性指标要求

河道景观设计应能适应不同水文条件和运行条件下河道水动力特性的变化，在不影响河道行洪、排沥、输水、通航等功能的前提下追求最佳的河道景观效果．基于河道水动力特性对景观设计的控制性指标包括以下4个方面的要求．

(1) 适应水位变化．河道水位随流量变化而变化，特别是北方的河流，在枯水期往往流量很小，甚至为零，为了保证最低限度的景观水位要求，需设置橡胶坝等保水工程措施．在河道行洪时，水位则上涨．所以需考虑水位变化对景观的影响，有针对性地制定出适应高低水位的景观建设方案，特别是河道断面景观设计应适应水位“沿程”变化的要求，如图 1所示．景观水位的确定，需综合考虑景观的需求、水资源保证的可能性、排沥和输水控制的要求以及通航净空的要求．

图1 适应“沿程”水位变化的河道断面变异Fig.1 Profile variation adapted to water level change along river

(2) 适应河道护岸和景观设施防冲安全．河道护岸型式的选择，主要取决于河道的流速和河势变化：流速低的河道可采用自然生态护岸；而对流速高的河道或险工段，护岸结构型式多为刚性结构，主要采用浆砌或干砌块石结构、现浇或预制混凝土结构、钢筋混凝土结构的护岸形式．河道内设置的亲水平台、走廊、江心岛、湿地景观设施都要满足防冲的要求．需要根据河道水流的分区特性进行河道护岸的防护设计．

(3) 适应河道行洪功能．从河道防洪角度来讲，堤顶越高越安全，抵御洪水的能力越强；然而从城市景观建设来考虑，总是希望缩小堤顶与常水位及市政路之间的高差，也就是希望尽可能降低堤顶高程．为降低堤顶高程，需通过优选综合河道整治方案以提高河道的行洪能力；特别是需要分析河道的景观建设造成的河道阻力变化和对河道行洪能力的影响，不能由于大量开展河道景观建设使得河道水面线大幅抬升，以确保河道行洪的安全．

(4) 适应河道生态功能．修复河道生态功能是河道综合整治的重要内容，通过研究水力条件与生态状况的相对关系，调整河流的水深、流速等水力特性以达到河道的生态要求，是水体生态修复的一个新途径．

2 基于丰、枯水期水位变化的滨河造景对策

水资源时空分布不均匀是我国水资源的一大特征，是导致河流丰、枯水期水位差值较大的主要因素．滨河景观的营造强调亲水特性，能最大程度地营建出人水交流的场所，是河道水景观设计所追求的目标之一．如何构筑满足丰、枯水期不同水位的亲水空间，是滨河造景对策中需要研究的重要内容．

当丰、枯水期的水位变化较大时，可以采用多级复式断面形式来进行设计，如图 2所示，以构筑丰、枯水期不同水位的亲水空间，使其更能满足不同水位下的景观要求．

为处理常水位和洪水位之间的高差，营建良好的亲水景观效果，可以在略高于常水位的位置设置亲水平台．平台以下采用直立或斜线型护岸连接河底和平台，平台以上采用斜线型式连接平台和堤顶．如用地局促或有景墙等特殊造景要求时，也可采用直立型挡墙；平台以上部分用于绿化种植和造景．

除上述需要考虑的洪水位和常水位之间的高差外，当正常最高水位和正常最低水位高差较大时，考虑选用3级复式断面，即在上述2级复式断面基础上再加设一平台，位于正常高、低水位间，打造不同时期的亲水景观．

以南京秦淮河为例进行设计．结合河道水力特征，根据不同时期的水位，设定不同高度的平台，设置 3阶活动空间，丰水期临水阶淹没，枯水期亦能实现亲水，使人一年四季都能与水相近．根据不同部位和不同水深，采用自然土坡、绿色生态混凝土护坡、生态草坡护坡的不同型式[2]，如图 3所示．当高低水位有一定变化但变化不大时，可以采用对水位变化范围内的护岸处进行细部处理的方式来弱化水位变化带来的影响．在略低于低水位的高度加设种植槽作为水生植物种植带，茂密的水生植物可以将低水位时裸露在水面上的硬质护岸进行遮挡，又可对硬质护岸起到柔化软化的作用，增加水陆过渡带的生态效益．采用此种方式，应注意当低水位达到极限时，有可能不是水生植物的最宜生长水深，甚至会露出水面，应做好相应的养护．

图2 多级复式断面适应水位变化的要求Fig.2 Multilevel compound section to adapt water level change

图3 秦淮河丰、枯水期滨河景观Fig.3 Landscape of Qinhuai River in dry season and wet season

3 河道水力特性对护岸型式选择的影响

河道护岸的型式包括天然护岸、人工生态护岸和人工刚性护岸，如图 4所示．天然型护岸是指利用原有自然土坡或依原坡比而建的土坡作为河岸，依靠土的自身缓坡抗滑抗冲的一种护岸形式．天然护岸一般是按照1∶3到1∶6的坡度进行选取，具体设计中除依据现有自然坡度进行考虑外，应根据河岸的土质特性进行稳定性计算，同时根据河道主槽及滩地用地范围进行综合考虑．人工生态护岸是指河道护坡满足防洪抗冲标准要求，构建能透水、透气、生长植物的生态防护平台，如三维植被网护坡、植被型生态混凝土护坡生态护坡袋等．坡脚加固方式可利用防腐木桩或仿木桩防护的木桩式、石材压脚的抛石式以及利用柳树耐水性强及迅速扎根发芽特征的柳杆式等．人工刚性护岸通常是利用半渗透或无渗透性人工材料对岸线进行牢固处理的一种护岸形式，主要包括干砌石、浆砌石、混凝土和格宾网等．

河道水流的冲刷是造成防岸塌陷、堤防溃决的重要因素．河道护岸类型的选择首先要考虑河道的水动力条件，应考虑水流对表层土体冲刷的防护，还要考虑河道护岸冲刷引起的护岸整体滑动导致的不稳定，需综合考虑河道的水力特性和土力学参数，以保证护岸稳定性的要求．

河道冲刷最为普遍的是弯道凹岸的冲刷，其影响最大冲刷深度 hs的参数主要有水深、流速、河床泥沙粒径和级配(黏土的压缩及固结状态)、河宽、弯道半径、弯道中心角、河床糙率、防护结构物外形、几何尺寸及与水流的夹角等．根据冲刷影响因素无量纲分析，最大冲刷深度可表达为

式中：hs为弯道凹岸最大冲刷深度，m，从平均床面高程计；h为弯道进口的行近水深，m；B为河槽宽度，m；r为弯道中线半径，m；d为泥沙中值粒径，m；Fr为行近水流的弗劳德数；Km为边坡系数对冲刷深度的影响系数，垂直墙即m＝0时为基数1；ogK 为河床泥沙不均匀性对冲刷深度的影响系数；k、a、b、c为待定系数和指数．

经试验数据回归后的弯道凹岸的局部最大冲刷深度[3]为

对于平顺护岸冲刷深度，堤防工程设计规范推荐计算式[4]为

式中：hB为局部冲刷深度，m，从水面算起；hp为冲刷处的水深，m，以近似设计水位最大深度代替；vcp为平均流速，m/s；va为河床面上允许不冲流速，m/s；n与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n＝1/4．

河道水流冲刷深度的预测是设计防护工程结构形式和基础埋深的重要依据．然而，河道的水流特性十分复杂，同一断面的不同区域水流特性不同，水流的冲刷深度也不同，打造亲水平台或亲水广场也会改变河道的水力特性，防护的需求也会变化．如图 5所示，河流主槽的平均流速或流速梯度可达河道岸边流速或流速梯度的 3～4倍，因而根据水流特性进行分区防护设计是必要的，既可以满足防冲要求又满足了河道景观的需求．

图5 典型复式断面的水流流速分布Fig.5 Flow velocity distribution of a typical compound river profile

4 基于水位变动条件下不同高程的适宜植物配置

河道景观营造工程的植物配置中，水位变化及植物对此做出的反应及种群适应性，是设计师需要考虑的问题．应密切关注等深线及等高线的竖向要求，按照水深适应性的植物分类分析不同水位的植物生存环境，做出合理的植物配置设计．

植物在一定水深范围内能够正常生长发育和繁衍的生态学特性称为植物的水深适应性．按照水深适应性可将植物品种分为 4个类型：水生植物、湿生植物、中生植物和旱生植物．

水生植物是能够长期在水中正常生活的植物，按照其生长方式可分为挺水植物、沉水植物、浮水植物和漂浮植物．湿生植物是指适宜生长在河岸下或地下水位较高处等过度潮湿环境中的植物．中生植物是指形态结构和适应性均介于湿生植物和旱生植物之间，不能忍受严重干旱或长期水涝，必须在水分条件适中的环境中生存的植物．旱生植物是指适宜在干旱环境下生长，可耐受较长期或较严重干旱的植物．

由于水位的变化，水岸空间的植物存在不同的生长条件，不同的植物有不同的适宜水深．按照植物水深适应性分析将河底到堤顶高程的空间划分为如下6 个段落[5-7]．

(1) 常水位以下，水深 1.0,m 以上．该区域属于水生环境的深水植物区，应种植水生植物中的沉水植物和漂浮植物，如荇菜、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、苦草、眼子菜、沮草、金鱼草、浮萍、槐叶萍、大漂、雨久花、凤眼莲、满江红、菱、睡莲等．

(2) 常水位以下，水深 0.6～1.0,m．该区域属于水生环境的中深区，应种植水生植物中的对水深要求较高的挺水植物及浮叶植物，如荷花、睡莲、萍蓬草、杏菜、慈姑、泽泻、水芋、黄花水龙、茨实、眼子菜、苦草、金鱼草等．

(3) 常水位以下，水深 0.3～0.6,m 内．该区域属于水生环境的中浅区，应种植植株高大对水深适应度高的挺水植物，如再力花、芦苇、芦竹、水葱、水烛、慈姑、海寿花、黄菖蒲、梭鱼草、香蒲、菰、石龙芮等．

(4) 常水位以下，水深 0.3,m 内．该区域属于水生环境的浅水区，应种植水生植物中适宜在浅水生长的植物品种，如泽泻、水生美人蕉、千屈菜、凤眼莲、菖蒲、玉蝉花、花叶芦苇、蜘蛛兰、灯心草、香菇草、节节草、石菖蒲、旱伞草、梭鱼草、紫芋、蔺草、水薄荷、三白草、玉带草．

(5) 常水位到其上2.0,m高程间．该区域属于湿生环境，不被水浸泡，但土壤长期处于饱和状态，应种植适宜在湿润环境中生长的湿生植物，或对水中及非浸润条件均有较强适应性的植物，如河柳、旱柳、柽柳、杞柳、水芹、银芽柳、美人蕉、千屈菜、红蓼、灯芯草、水葱、芦苇、芦竹、银芦、香蒲、草芙蓉、马兰、香根草、旱伞草狗牙根、假俭草、紫花苜蓿、紫花地丁、菖蒲、燕子花、蒲公英、二月兰等．

(6) 常水位以上 2.0,m．该区域属于中生环境，一般当地陆地常用品种皆可种植在该区域；但应在洪水常泛的河道考虑洪水线下不种植名贵但不喜水的植物品种，以减少洪水来临时的经济损失．

5 河道水动力特性及景观要求双重作用下河道断面的优化策略

基于水动力特性对景观设计提出的控制性指标要求主要包括河底、水面宽度及过水面积的控制，堤防高度和堤顶距控制以及堤防的形态控制．河道景观设计中，往往会由于造景要求将原有河道“改线”，适当拓宽或缩减，以达到曲折迂回处忽见豁然开朗的意境．然而这种造景手法应首先遵循水力计算提出的最小过流断面等控制性指标要求，也即大于等于河底、水面的控制宽度，才能保证河道的行洪排涝等基本功能不受影响．堤防高度和堤顶距的控制，关乎滩地的面积，也是行洪过流量的重要影响因素．堤防形态控制，即堤防的选线中不能单纯从美观的角度考虑，营建曲径通幽的同时更应注意其安全性，过于蜿蜒的堤防，不但会增加培堤的工程量和成本，更为关键的是当洪水来袭时，弯曲处也是易被冲蚀的地带，从而形成险工，对堤防的安全带来隐患．基于河道水动力特性及景观要求双重作用下河道断面的优化策略如下所述．

图6 某河道整治前后的水面线和水位坡降Fig.6 Curves of water level and gradient before and after regulation of the river

5.1 确定重点整治河道和水力控制指标

从防洪角度来讲，堤顶越高越安全，抵御洪水的能力越强；然而从城市景观建设来考虑，总是希望缩小堤顶与常水位及市政路之间的高差，也就是希望堤顶越低越好．分析现状的河道水动力特性，把阻碍行洪的河道“卡口”段确定为需重点整治的河道．“卡口”段的重点整治可有效地提高行洪能力、节省工程投资．

河道的水位坡降

式中：Q为流量；K为流量模数；α为动能修正系数；ξ为水头损失系数；g为重力加速度．

将水位坡降超过整个河道平均坡降 2倍的局部河道作为河道行洪的“卡口”段，如图 6所示，即重点整治的河段[8]．根据河道行洪要求，提出满足景观设计需要的最小河道断面、堤防高度及堤顶距的控制性指标．

5.2 整治河道断面的优化策略

通过优化设计，在不降低河道行洪要求并满足景观需求的前提下，实现整治工程成本最小和效益最大的目标．优选河道断面参数包括河道主槽底宽、主槽边坡参数、清淤深度、亲水平台高程和宽度、滩地边坡参数等，相应河道断面参数变化产生的河道水力学参数变化包括过流面积、湿周、水力半径、水面宽、水深、弗劳德数 Fr、流速、流量、水位坡降等，产生的河道整治工程量变化包括河底清淤量、边坡开挖量、填筑量、岸坡各类护砌量、土方外运量等．

优化设计数学模型可构建如下：目标函数为治理工程成本最小和收益最高；决策变量为河道断面参数群；约束条件为河道过流要求约束、水位约束、安全超高约束、岸坡稳定约束、景观需求约束(亲水平台高程、宽度)、河道衔接约束(底坡、上下游断面尺寸衔接、堤岸衔接)等．综合考虑多类型约束条件，生成表征整治方案的可行个体群，以治理工程成本最小和收益最高为目标，在满足河道过流要求的前提下，采取非完全随机优化计算方法对个体进行寻优，确定最优的河道整治断面．

6 结 语

本文针对以往河道综合治理过程中水利设计和景观设计缺乏融合性的特点，分析了不同水文条件下河道水动力特性对景观设计的控制性指标要求，提出基于丰、枯水期水位变化的滨河造景对策，考虑河道水动力特性的分区护岸原则，阐明不同水深下水生植物适宜品种及营造手法；提出河道水动力特性及景观要求双重作用下河道断面的优化策略．以上是景观河道综合整治需遵循的几条普遍原则，对于河道综合治理工程的优化设计有重要参考和应用价值．

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