拟自然水景的水均衡分析及水量设计研究

在水资源严重缺乏[1]而自然降水资源充沛地区洪涝现象愈发严重的情况下，以“排”为主的采用管道迅速排水的做法，和通过局部景观营造的“自扫门前雪”式的雨水管理方式，并不能实现整体水系统的良性循环[2]。针对城市雨水问题，当下提出了低影响设计和开发雨水系统[3]、雨水花园和巧妙利用“自然力”恢复和营造生态化湿地[4]等水生态改善措施。以北京为例，北京市通过开展绿地的雨水收集利用功能提升的研究，采取相应行政和技术措施，推进了一批将雨水回渗地下、尽可能接收“客水”，并且有条件地用于景观水面和绿地灌溉的“集雨型绿地”[5]。

拟自然水景的营造遵循海绵城市“渗、滞、蓄、净、用、排”理念，统筹考虑内涝防治、径流污染控制、雨水资源化利用和水生态修复等目标[6]，科学地利用雨水资源，达到缓解雨水洪涝、水资源污染及用水短缺等问题。拟自然水景参数化设计[7]力求满足景观功能、美学、生态学等要求，在尊重区域环境的同时充分利用区域自然降水、湖泊和河流等水资源，实现水资源的可持续发展利用。通过水均衡分析对区域拟自然水景进行参数化设计，目的在于了解区域水资源情况，减少水资源浪费，实现减量设计，为水景水量设计提供参考。

1 拟自然水景的水均衡分析及水量设计方法

1.1 拟自然水景营造要素

1.1.1 气候条件

本次研究中，拟自然水景水量主要来源于自然降水，而区域气候条件直接影响到降水和蒸发情况，进而影响到水景营造的自然水源供给能力。因此，水景营造就需要充沛的自然降水用于水景水量的补给和维持水景的水生态平衡，即拟自然水景的营造适宜在温暖湿润，且有充沛的可供给雨水资源区域。

1.1.2 地形地貌

因为拟自然水景是通过低影响设计和开发营造的，所以其适用于有一定地形起伏变化的山地或丘陵地区，并且有自然或者人工低影响开发形成的盆洼地。此外，汇水区的土层状况、下垫面类型和生境条件等会直接影响到汇水区保水蓄水能力和径流雨水的水质状况，从而影响到雨水径流和弃流的取值。集水区的地形地貌是影响汇水区渗漏、洼地填充、植物截流等雨水损耗量的重要因子。因此在只有自然降水供给的情况下，区域地形地貌条件尤为重要。

1.2 水均衡法概述

水均衡法也称水量平衡法或水量均衡法，其理论基础是质量守恒原理[8]。水量平衡是针对水循环系统中的某一环节而言的，并将这个环节视为相对独立的水系统，在一定时间段内和一定均衡区内的水量平衡方程式可以表示为式（1）[9]：

其中I和O分别为水系统中的总输入水量和总输出水量，△S为水系统内部蓄水量的变化量。式（1）为水系统中水量平衡方程式的通用式，对不同水系统需要进行具体的总输入和总输出水量分析，得出相应的水量平衡方程式。

1.3 水量平衡方程式的建立

研究区域考虑为仅有自然降水作为水源的水景观营造，构建区域可用汇水量全部用于水景观营造的相对理想的水景水量平衡方程式。另外，本次研究的水景营造的水量仅限于水景观赏功能所用，不包括人为取用水量和水景运营阶段的生态用水量。由此可知，本次研究的汇水区水量平衡方程式构建的均衡区属于天然水系统范畴，在分析均衡区内的总输入水量和总输出水量时，不考虑社会水系统。汇水区内雨水在汇集过程中因气候和地表状况等原因会有所损失，最终可用的雨水是除去损耗量（一般包括蒸发、渗漏、植物截流和洼地填充等雨水损耗量），和下雨前期因冲刷地面带有较多垃圾和污染物，被污染得较为严重的初期径流弃流量的剩余雨水径流量（图1）。

拟自然水景水量平衡方程式的构建引用水均衡法原理，即水景营造区域总汇水量等于总用水量（总耗损量和总需水量）。区域总汇水量为降雨总量除去雨水直接蒸发量、渗漏量、填洼量、植物截流量等的地表雨水径流总量W和水系统内部蓄水量的变化量 ；总耗损量为水景水量亏缺时的补水量Wb及富余时的储水量Wc（公式中合并为Wbc，富余时的储水量可存储用于亏缺时的水景水量补给），和下雨前期污染较严重的雨水弃流量Wi（弃流厚度一般为2～5mm），水景的蒸发量E和渗漏损失量Ws；总需水量主要为水景设计水量Qs和汇水区的水均衡水量Qsd。

由此可知，拟自然水景水量平衡方程式的主要影响因子，通过平衡方程式的构建及主要因子的计算，可对汇水区域进行初步的水均衡分析。水均衡分析主要营造区域拟自然水景水量设计方案和区域自然水源汇水方案2个模块，具体流程如下（图2）。

综上，结合水量平衡方程式通用式（1），可得出拟自然水景营造所属的汇水区水量平衡方程式（二）：

平衡方程式具体如式（三）：

其中：Wbc为“–”时为补水量，Wbc为“+”时为储水量。

1.4 拟自然水景水量计算方法

1.4.1 汇水区分析

1）水景的选址和设计。

拟自然水景的选址和设计需要兼顾景观、生态、经济等方面的因素，达到低影响开发和投入、生态和社会经济效益等目的。为使雨水尽可能少地受到人为干预即可汇集到汇水区，水景的营造应充分尊重区域地形地貌，经过少许的人为改造即可形成集水区，即一般选在区域地势较低处的盆洼地，通过尽可能少的筑坝和开挖等方式即可形成集水区。

1 雨水汇集及损耗示意—箐山森林公园主入口鸟瞰Rainwater catchment and wastage picture-aerial view of the main entrance of Qing Mount Forest Park

2 水均衡分析运用流程图Flow chart of water balance analysis

2）汇水面的确定。

对于水量是源于自然降水的水景水量设计，区域雨水径流量是需要求得的主要参数因子，而雨水径流量的计算需要确定研究区域的汇水面。汇水面的确定需要对初拟的水景选址片区进行地形分析，可借助ArcGIS等相关软件对研究区域进行地形模拟及水文分析，结合研究区域地形图资料，通过连接和围合周边山脊线，勾画出汇水面。

1.4.2 区域汇水量的估算

区域汇水量是扣除弃流量的雨水径流量，雨水径流量和弃流量的求值方法参照《建筑与小区雨水利用工程技术规范（GB50400-2006）》中雨水设计径流量计算方法，由此可知区域汇水量估算方法如下：

其中：Qi（m3）为区域汇水量；F（hm2）为汇水面积；k为雨水径流折减系数，一般结合渗漏和蒸发进行取值；hyi（mm）为i月多年平均降雨量（提取近5年以上的多年月均降雨量）；φc为平均径流系数，参照规范中各下垫面类型取值；δ为弃流径流系数，一般取值2～5mm。

汇水量各参数取值如下。由区域汇水量计算方法可知，其求值涉及雨水径流总量及弃流量的计算。对于雨水径流量的求值，需要搜集区域多年平均月降雨资料，勾画并求出各下垫面类型的面积，对研究区域进行实地调查确定存在的主要的下垫面类型，和不同下垫面对应的径流系数，并采用加权平均值求出区域结合径流系数[10]。综合所得参数，套用雨水设计径流量计算方法即可求出区域每个月对应的雨水径流总量。对于弃流量的计算，根据调查区域的环境状况，对弃流厚度进行设计取值，并结合所得的汇水总面积，即可求得弃流量。具体操作见（表1、2）。

1.4.3 水景的蒸发量和渗漏量的求值方法

1）水景的蒸发量求值方法。

目前中国主要采用E-601型蒸发器测定水面的蒸发量，但其测得的数值比水体实际蒸发量大，必须采用折减系数进行校准，一般蒸发器测定的蒸发量的折减系数为0.75～0.85之间。在没有测量仪器时，也可采用水景的蒸发量公式进行估算，具体蒸发量计算方法见公式（5）[11]：

其中E为蒸发量，e0对应水面温度的空气饱和度和水汽压，单位mbar（1bar=105pa）；e200为水面上空200cm处空气水汽压，单位mbar（1bar=105pa）；W200为水面上空200cm处的风速，单位（m/s）。

2）水景的渗漏量求值方法。

水景的渗漏损失计算是一个非常繁重复杂的计算工作，园林水景的渗漏损失量通常采用估算的方法，对水景一年的总渗漏损失量进行估算。园林水景的渗漏损失可参照（表3）进行估算[12]。

在进行园林水景的渗漏损失量计算时，应根据水景基地具体情况，将其对应于表中所述水景的防渗漏层状况大类中进行渗漏损失系数的设计。

1.4.4 水景水量设计

拟自然水景的设计水量，是将研究区域总汇水量全部用于水景水量设计的相对理想的雨水利用状态。基于汇水区水量要素的分析，通过相应参数设计取值，求得水景营造所处的汇水区的雨水径流量。结合汇水区环境状况，对雨水弃流系数进行设计取值，求出初期径流弃流量。综合以上2个水量要素，以月为单位，求得一年中每月对应的汇水量。因水景在营造后还需考虑到水景的蒸发和渗漏损失量，在进行水景的水量设计时，这2个主要的水量减少量是要考虑在内的。

表1 汇水区下垫面类型及径流系数统计分析表Tab. 1 Underside type of the catchment area and statistics of runoff coefficient

表2 区域多年平均月降雨量统计表Tab. 2 The average monthly rainfall in the region

表3 园林水景的渗漏损失表Tab. 3 Leakage loss of garden waterscape

水景的设计水量计算公式是通过分析水景的总输入和总输出水量要素，通过将总输入水量（每月汇水量）加权平均值后扣除水景的蒸发和渗漏损失量，得出的常水位时的水景设计水量求值方法。

水景的水深和面积关系计算方法：

水景设计水量计算方法：

水景营造的汇水区的设计水均衡水量计算方法：

水均衡水量公式是为维持水景营造所处的汇水区的水量平衡设计的水量，主要是保持汇水区总输入水量和总输出水量的动态平衡状态的一个水量。基于水均衡水量对水景进行每月的水量更新，通过水量平衡分析，提出降雨充沛季节的雨水储存量和降雨较少季节的雨水补水量建议。

以上所有公式，都是作者通过分析其相应的主要水量要素推理得出的公式。其中：Qs为水景的设计水量；ρ为折减系数；E为水景蒸发量；Ws为水景的渗漏量；Qi为i月的汇水量；Q为年总汇水量；Qw为现有水景的水量；Qsd为设计水均衡水量；n=12；Swb为b种深度的水体面积；Hwb为b种水深；a为水景存在的主要深度类型。

1.4.5 水均衡分析

通过拟自然水景水量平衡方程式的构建及方程式各因子的求值，可对区域水景水量进行水均衡分析；通过水均衡分析可了解区域现有水景水量状况，并提出适宜区域水景的动态水均衡水量，使水景水量设计科学合理。具体分析见表4。

2 拟自然水景的水均衡分析及水量设计应用

2.1 研究项目概况

2.1.1 气候条件

习水县属亚热带湿润季风气候，夏季高温多伏旱，秋季温度下降快，多绵雨；冬季多低温阴雨；春季气温回升不稳定，多夜雨。总之，习水全年多阴雨、少日照、湿度大；局地小气候明显；气候垂直差异十分显著。

2.1.2 地形地貌

研究区域为习水县箐山森林公园主入口景观区。区域东西北三面地势较高，其中西面和北面是较高的山地，在原始场地南面有自然形成的低洼地（图3、4），通过人工开挖已有水景形成（图5）；水景水量全部来源于自然降雨；汇水区内多为自然林地，间以沥青路面、休憩广场和园林建筑等。

2.2 项目前期水景营造存在的主要问题及设计理念

因习水县多年月均降雨充沛，在原始场地低凹处会有季节性雨水蓄集形成的湿地景观，但因集水区域过大和原始土质状况造成下渗量过大等原因，使得自然降雨汇水量不足以维持常水态的水景观。对于场地前期水景的设计，因为不了解汇水区能够汇集的水量情况，在水景水景设计时多是靠经验和景观观赏效果取值，没有可依据的汇水量估算方法。

水景设计前期，设计旨在遵循水景营造区域实现自然降水补给水景水量、尽可能减少挖填方量和对周边自然环境的影响、降低工程难度和运行费用等原则，以场地原有的自然湿地及场地地形条件为基础，通过开挖低洼地和铺设防漏层等措施进行水景区域土层改造，达到水景营造区的土层具有一定保水能力的目的。

2.3 汇水区下垫面类型的统计分析和对应参数的取值

将箐山森林公园主入口景观区的AutoCAD地形图导入ArcGIS中，通过地形图的校准和赋值，在ArcGIS中自动生成地形，通过在ArcGIS的3D视图模型中可直观地观察到公园主入口水景营造片区地形情况。通过较为粗糙的ArcGIS三维地形模型图中可初步了解水景营造区的汇水区域（图6）。

在分析箐山森林公园主入口水景营造片区的AutoCAD平面地形图时，结合其在ArcGIS中自动生成的三维地形模型，通过连接水景营造片区相邻的山脊线形成闭合的汇水线，进而得出较为准确的水景营造片区的汇水面。

通过对场地地形的分析，提取汇水总面积约为98 000m2（图7），其他各类型下垫面的面积、占总面积的比值、对应径流系数整理见表5，因建筑屋顶面积所占比值较小，对计算平均径流系数影响很小，在计算时已忽略；对于场地所需要的每月雨水径流量计算前多年月均降雨量资料的统计情况见表6。

表4 汇水区的水量平衡分析表（m3/月)Tab. 4 The water balance analysis in the catchment area (m3/month)

3 原始场地地形Original site landform

4 原始场地季节性雨水景Seasonal rainfall landscape of the original site

5 拟自然水景观场地—水景水量源于自然降水The ground water of nature imitating waterscape—waterscape yield comes from the natural rain

综上，基于拟自然水景的水量平衡方程式及各参数的统计、分析和求值，可对箐山森林公园主入口景观区水景进行水均衡分析及水量设计。

2.4 箐山森林公园主入口处水景的水量设计和汇水区水均衡分析

2.4.1 箐山森林公园主入口区拟自然水景的水量设计

基于水景所处的汇水区的各参数设计数据，将各参数分别代入水景的雨水径流量计算公式，求得每月水景的折减径流量。因汇水区处于风景区，境内环境状况良好，在本案中不考虑初期径流弃流量；因水景的蒸发量测定和计算工序十分复杂，缺乏相应的测量仪器和数据支撑，本次水景的蒸发量和渗漏损失一起进行估算。经调查汇水区内为典型的喀斯特地貌，表层约40cm厚黄壤土，其下即为砾石和岩石。根据汇水区土壤条件，本次渗漏损失系数设计取值为0.2。以上各水量要素的数据分析情况见表7。

6 3D视图中汇水区地形状况（预览情况）The topograghy of the catchment area in 3D view (preview situation)

7 AutoCAD地形图中汇水面的提取Extraction of water surface in AutoCAD topographic

本次箐山森林公园主入口处水景的平均水深设计为1.2m，由此可知，理论上常水位时水景的面积约为1 693m2。

2.4.2 箐山森林公园主入口处的水景面积设计

因水景营造的影响因素十分复杂，本着遵循LID设计理念和基本原则，为减少人为活动对公园主入口生态环境的影响，和降低水景工程建设和运营成本，水体规模的设计还要考虑到水景营造片区的地形状况。综合考虑以上因素，本次水景的面积设计约为2 000m2。

通过计算出的水景面积，对箐山森林公园主入口处进行了水景设计，其景观平面图如图8所示，实景如图5所示。

表5 箐山森林公园主入口景观区下垫面类型及径流系数统计分析表Tab. 5 Type of underside of the main entrance of Qing Mount forest park and statistics of runoff coefficient

表6 习水县多年平均月降雨量统计表Tab. 6 The average monthly rainfall in the region in Xishui

表7 箐山森林公园主入口区的水景的水量设计表（m3/月)Tab. 7 Waterscape yield design of the main entrance of Qing Mount Forest Park (m3/month)

2.4.3 箐山森林公园主入口水景营造所处的汇水区的水均衡分析

综合以上计算结果，将水量平衡方程式中各水量要素代入水量平衡分析表中进行水均衡分析。另外，水景现有的汇水区的水均衡水量为1 000m3，根据水景的水均衡水量设计公式（8）求得汇水区的水均衡水量为1 311m3。

因研究区域内蓄积的可用径流雨水全部直接用于水景观营造的水量设计，所以在进行水景的水量设计和汇水区的水均衡水量设计分析时，单纯只分析区域汇水量全部用于设计阶段的水景营造所需的水量。

将汇水区现有的水均衡水量和计算值进行比较，两者差值为311m3，水量设计差值较大。从水景一年的水量积存角度考虑，按照现有的汇水区的水均衡水量进行计算，一年下来会积存3 730m3的富裕雨水需要进行排放处理，平均到月则每月约有311m3，每月增加的水量对水景水深影响不大，计算出1.36m的水深与设计平均水深1.2m相近。由此得出，汇水区的水均衡水量较为科学。对于箐山森林公园主入口每月补给和储存的雨水径流量详见箐山森林公园主入口汇水区的水量平衡分析表（表8）。

3 结语

针对全球水资源问题日益严重的现象，在园林景观设计上提出节水和生态用水等理念进行水资源分配，在一定程度上缓解了水资源浪费现象，但没有从根本上解决问题。水景观设计与水资源供给不匹配，依然盲目追求视觉效果，造成许多“节假日水景观”[13]。面对中国突出的水生态问题，开展低影响开发雨水资源的研究尤为重要。拟自然水景参数化设计研究丰富了风景园林数字化规划设计[14]内容，为探讨水景水资源合理分配提供科学参考。

8 箐山森林公园主入口景观区总平面图Site-plan of the main entrance of Qing Mount Forest Park

表8 箐山森林公园主入口汇水区的水量平衡分析表（m3/月)Tab. 8 The water balance analysis in the catchment area of the main entrance of Qing Mount Forest park (m3/month)

致谢：

特别鸣谢关英智，张佳佳，谢伟，张玉伟的帮助。

注释：

①文中图片均源自贵州三阁园林生态股份有限公司。

②文中表3出自参考文献[11]，其余均由周虹宏绘制。

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[1]王衍祯.水景水量配置供需平衡比较研究—以北京朝阳公园为例[J]. 地理研究，2011（7）：1207-1214.Wang Yanzhen. A Comparative Study on the Balance Between the Water Demand and the Maximal Quota of Water Consumption in Water Allocation of Waterscape of Beijing's Chaoyang Park[J]. Chinese Landscape Architecture, 2011(7): 1207-1214.

[2]俞孔坚，林双盈，丛鑫，等.海岛雨洪管理系统构建的景观设计途径—以印度尼西亚巴厘岛海龟岛为例[J].中国园林，2014（1）：29-33.Yu Kongjian, Lin Shuangying, Cong Xin, et al. Landsape Approach of Stormwater Management on Islands—Taking the KURA Bali Island of Indonesia as an Example[J].Chinese Landscape Architecture, 2014(1): 29-33.

[3]《海绵城市建设技术指南—低影响开发雨水系统构建(试行)》发布实施[J].城市规划通讯，2014（21）：8.Construction Technical Guide of Low Impact Development—Building Rainwater System of Low Impact Development[J].Town Planning Newsletter, 2014(21): 8.

[4]成玉宁，袁旸洋，成实.人工引导下的湿地公园生态修复[J].中国园林，2014（4）：5-10.Cheng Yuning, Yuan Yangyang, Cheng Shi. Ecological Restoration of Wetland Park with Artificial Guidance[J].Chinese Landscape Architecture, 2014(4): 5-10.

[5]强健.北京推进集雨型城市绿地建设的研究与实践[J].中国园林，2015（6）：5-10.Qiang Jian. Promoting the Research and Practice of Rainwater Harvesting Green Space Construction in Beijing[J]. Chinese Landscape Architecture, 2015(6): 5-10.

[6]仇保兴.海绵城市(LID)的内涵、途径与展望[J].建设科技，2015（1）:11-18.Qiu Baoxing. The Connotation, Approach and Prospect of Low Impact Development(LID)[J]. Construction of Science and Technology, 2015(1): 11-18.

[7]成玉宁，袁旸洋.山地环境中拟自然水景参数化设计研究[J].中国园林，2015（7）：10-14.Cheng Yuning, Yuan Yangyang. Research on Parametric Design of Imitating Natural Waterscape in Mountain Environment[J]. Chinese Landscape Architecture, 2015(7):10-14.

[8]井涌.水量平衡原理在分析计算流域耗水量中的应用[J].西北水资源与水工程，2003（2）：30-32. Jin Yong. Application of Water-balance Principle to Analysis and Calculation for Water-consumption of River Basin[J]. Northwest Water Resources and Water Engineering, 2003(2): 30-32.

[9]李文运，张伟，戈建民，等.水量平衡分析方法及应用[J].水资源保护，2011，27（6）：83-87.Li Wenyun, Zhang Wei, Ge Jianmin, et al. Water Balance Analysis Method and Its Application[J]. Water Resources Conservation, 2011, 27(6): 83-87.

[10]车伍，程文静，李海燕.雨水利用与水量平衡分析在城市园区水景设计中的应用[J].中国园林，2006，22（12）：62-65.Che Wu, Cheng Wenjing, Li Haiyan. The Application of Rainwater Utilization and Water Balance Analysis in Design of Waterscape for Urban Garden and Residential[J].Chinese Landscape Architecture, 2006, 22(12): 62-65.

[11]朱敏，张媛媛.园林工程[M].上海:上海交通大学出版社，2012.Zhu Min, Zhang Yuanyuan. Landscape Architecture Engineering[M]. Shanghai: Shanghai Traffic University Press, 2012.

[12]许大为，路毅，刘铁冬.风景园林工程[M].北京:中国建筑工业出版社，2014.Xu Dawei, Lu Yi, Liu Tiedong. Landscape Architecture Engineering[M]. Beijing: Chinese Construction Industry Press, 2014.

[13]王衍祯.园林水景生态环境需水量的研究[J].地理科学，2011（7）：874-878.Wang Yanzhen. Research on Ecological Environment Water Demand of Landscape Water[J]. Geographical Science, 2011(7): 874-878.

[14]蔡凌豪.风景园林数字化规划设计概念谱系与流程图解[J].风景园林，2013（1）：48-57.Cai Linghao. The Concept Hierarchy and Procedure Diagram of Landscape Architecture[J]. Landscape Architecture, 2013(1): 48-57.