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 成玉宁

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，包括河道硬化、洪涝灾害和河岸植被破坏等。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[1]77-82。

风景园林学科中景观水文学的发展，使得设计师用一种新视角理解水文现象，以水文规律为准则从事景观规划设计实践，而水文现象对景观形成演变的影响已经成为景观水文学研究的重要内容，在现有的生态水利工程中，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，使工程处于一定风险中。此时，有针对性的定性研究甚至定量研究变得尤其重要，水环境的数值模拟仿真技术提供了途径和思路，这一方法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]77-82。

1 弯曲型河流景观演化与治理

1.1 弯曲型河流景观演化

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，一般处于河流中下游，多存在于河谷比较宽广、两岸缺少控制性地物的河段中，其河岸和河底均由可冲刷土壤构成[2]。现今，西方国家多采用Leopold等的方法[3]将河流分为顺直、弯曲与辫状3类；1971年，Schumm等[4]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[5]通过实验进一步研究了曲流形成的内在条件与外在条件，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[6]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的影响。

1.2 河流治理

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的变化，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[7]。1962年，Odum首次提出“生态工程”（ecological engineering）一词，将生态系统自组织行为运用到工程中，旨在促进生态学与工程学结合[8]。1983年，Bidner等[9]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，以权衡河道治理与河流生态系统干扰活动之间的尺度。1989年，Mitsch[10]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[11]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，保证河流生态系统的健康。

2 河流景观演化数值模型

2.1 河流数值建模研究

在河流演变的背景下，数值模型作为河流系统数字化的简化抽象，旨在表示影响河流形态和动力变化的显著过程和特性，它们提供了可控制的环境，允许在建模环境中模拟和观察过去的事件，此外，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，这使它们一定程度适合于模拟河流历史和演变的特定方面。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。尽管这些模型都可以预测侵蚀和沉积过程以及河流景观演变，但由于河流系统通常具有非线性响应，因此某些预测区域可能仍然是有限制且短期的。

1 模拟河流系统的不同模型类型Different model types for simulating the river systems

河流系统从单个卵石的夹带到洪泛区蜿蜒带的发展，再到大规模沉积盆地的形成，表现出不可预测的、非线性和混乱的特征[12]，这对模型的定量预测造成了一定限制。因此，需要不确定性更高的数值模型方法，通过多次运行得出综合概率，找出河流系统中的一般性的特征。

2.2 CAESAR-Lisflood模型

凯撒二维水动力地表景观演变（CAESARLisflood）模型[13]综合了元胞自动机及计算流体动力学模型。1994年，Murray A. B.[14]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（允许流动越过障碍物并且能够在任意方向上流动），CAESARLisflood将Lisflood-FP二维水动力流模型[15]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。CAESAR-Lisflood已被应用于研究气候和地表覆盖对河流系统的影响[16]，以及识别非线性河流响应和河流系统中可能存在的自组织临界状态[17]。最近的发展包括弯曲和侧向侵蚀的结合，使CAESAR-Lisflood有潜力模拟从编织河道向弯曲型河流的过渡[13]。近年来，少数中国学者开始运用CAESARLisflood进行土壤侵蚀研究，谢军等[18]率先将模型运用于震后极端降雨的泥沙输移模拟。

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，将栅格重采样为10 m以维持计算稳定性。研究采用河段模式，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，其中囊括土壤粒度大小与粒度分布比例状况[19]（表1），模拟中河床被分为碎石、表层和地下层等一系列活土层。考虑到悬浮泥沙及其下落速度，所有具有流动深度的细胞，使用爱因斯坦–布朗（Einstein-Brown）公式来计算河流冲蚀和沉积，并应用于嵌入在一系列活性层中的9种不同粒度，促进有限地层的形成；泥沙数值融合渠道侧向侵蚀率及横向侵蚀率[20]，以此控制通道的宽窄、沉积物的凝聚力。此外，为削弱一定时间内数值变化的不稳定性，设定最大侵蚀极限、向下侵蚀细胞量、边缘平滑滤波器通过次数等参数。

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，其与TOPMODEL中的“m”值相同，“m”的典型值是从0.02（低，表示低洪峰和较长时间的水文过程）到0.005（较高，短暂的峰值）[21]，实验中参数设置为0.015，来代表本案例研究区域植被密度较低的农田和草地。流量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）、弗朗德数流量限制、曼宁斯系数等，以库恩数来控制流量模型的数值稳定性和运行速度[22]。CAESAR-Lisflood中植被模型模块，包括植被生长率参数（用来模拟植被在几年内达到成熟的速度）以及植被临界清除参数（用来调整河流侵蚀能否在一定程度上清除植被）、植被侵蚀比例（用来调整植被在生长过程对河床及两岸造成的侵蚀程度）等。此外土壤的蠕变率、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平台与地理信息系统（GIS）平台，使得模拟二维信息能够以三维形式更加清晰地呈现，也能够将模拟数据进行三维再编辑后，导入二维模拟平台及GIS平台进行实验与分析，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，是英国最长的河流，凯尔苏斯作为塞文河流域上的一个村庄，坐落于波厄斯郡，北纬52°30′55.44″，西经3°25′08.76″（图2）。在一般天气条件下，塞文河的凯尔苏斯河段水位介于1.04～2.08 m之间，在过去一年中，至少有150 d处于正常水位，在较极端天气条件下，水位范围通常介于0.97～2.11 m之间，塞文河水位记录的最高水平是3.69 m②。

2 塞文河流域区位Location of the Severn River basin

威尔士地区面积较小，主要呈高地特征，但河流系统的地貌多样性很高。在山前和低地河段，威尔士河流系统多具有发达的冲击谷层，易于保存地质历史资料。根据Gittins[23]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，非常适宜进行弯曲型河段景观演化研究，而河段紧邻村落，具有洪水治理研究的必要性。因此本研究选取塞文河作为科研案例，其暂不具有项目实施意义。

本案例以Shreve流域结构模式[24]为基准，从数字高程模型提取流域特征，形成树状流域结构模型，用Arc Hydro水文数据模型算法，以栅格模型为依托，以最大坡降及最陡坡度原则进行流向分析，通过计算单位栅格点上汇集的水流栅格数目，建立包含所有栅格单元水流聚集点的数据模型，通过设定NIP阈值进行汇流分析并提取主要汇水网，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）。对此流域的结点集、沟谷段集、分水线集和界线集进行界定。

3 塞文河流域的子流域分区及水文节点Subwatershed subdivisions and hydrological nodes of the Severn River basin

3.2 塞文河凯尔苏斯河段演化模拟

河流作为改造地表的主要地质营力之一，当一个河段改变时，会引起上下游的整体调整，同一河流不同河段，或同一河段在不同时期，河流的动能不同。在动能的作用下，河流进行侵蚀、搬运和沉积三大地质作用。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，进行河段流域局部演化研究。在对塞文河凯尔苏斯流域进行空间分析的基础上，本案例的模拟实验增加迭代时间序列，研究在长时间尺度下河型与洪泛区的空间演化，对水系自组织形成与发展的随机过程进行探讨。作为河流系统的简化抽象，表现河流演变的突出过程和属性，包括河流形态和动态的变化，为案例研究提供了探讨河流演变的受控环境。

河流水情要素是反映河流水文情势的重要因子[25]，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。研究中使用河流水文量化指标公式：

4 凯尔苏斯河段取样截面及取样点Sampling section and sampling points of the Caersws River reach

其中，U为断面平均流速（m/s），R为水力半径，I为水面比降，C为谢才系数；

其中，Y为径流深度（mm），W为径流量（m3），F为流域面积（km2）。据统计，14号子流域总水量在不同时间段都处于最高位，8与9号流域水量明显高于其他子流域，而随时间变化，各子流域水量小幅波动，基本呈上升、下降再上升趋势（图5）。

5 凯尔苏斯河段子流域50～200年间洪泛区水量变化Floodplain water volume changes in the Caersws River reach between 50 and 200 years

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）进行捕捉对比，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Variation of water velocity in the Caersws River reach

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，径流深度最大处逐渐变为测试点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Variation of runoff depth in the Caersws River reach

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The process of bed development and evolution in the Caersws River reach

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The change process of bed height difference in the Caersws River reach

综合研究结果表明：邻近凯尔苏斯村落流域汇水总量大，河道流速快，河流搬运能力强，随时间变化河床逐步抬高，发生洪水灾害可能性及灾害程度不断增加，当河床发育演化抬高至临界点时，河流发生改道现象，此后径流深度增加，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；此外，凯尔苏斯流域河道曲度越大，越易产生洪泛情况及河流改道现象。

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

塞文河流域洪泛区域历史变化显著，本研究将CAESAR-Lisflood模型与Arc Hydro数据模型结合，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。通过对塞文河历史洪水数据的调查，基于现有的沉积物输入数据的统计来模拟输入值，设定给水量，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。

10 塞文河流域洪水强度情境Basin flood intensity scenario of the Severn River

塞文河凯尔苏斯河段14号流域洪泛区水量最大；8～10号子流域洪泛区水量相对较大，这些子流域基本相邻，紧邻凯尔苏斯河段主河道两侧，6号子流域面积较小，但具备一定水量（图11）。在4种洪水强度情境下，洪水强度与不同子流域间的洪泛区水量基本呈正相关性，随着洪水强度增大，子流域水量依次增大。可以看出，凯尔苏斯村处在高洪水风险区，具有洪水整治的必要性。

11 塞文河凯尔苏斯河段洪泛区水量The amount of water in the flooded area of the Caersws reach of the Severn River

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，参考水文和地理数据，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CAESARLisflood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（子流域14、6、8）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、生态堤疏导河道形态，湖泊增加弹性蓄洪空间，行洪河道设计3种方式为主。

以导流丁坝、生态堤疏导河道形态的方式，增加河道水体流速变化丰富度，使河道在保持自身动力的情况下，借助小部分外力来使河道形态处于可控状态。增设湖泊（面状水域）以增加弹性蓄洪区，在极端降雨情境下，提升城市河流自身防洪能力。增设行洪河道，依据河流空间建设复杂的河道形态，改单级河道为多级河道，上部河道主要用于行洪，枯水河道主要用于改善栖息地质量和提高河流的泥沙输移能力。

模拟结果表明：以疏导河道形态为主的生态堤（C）方案，在凯尔苏斯河3处主要溢水点处人工干预后能起到较好的防洪效果，村庄近郊地区不会受到洪水影响；丁坝（B）方案基本能够有效控制洪水，靠近河道小范围区域会受到洪水影响（表2）。以增加弹性蓄洪空间为主的水库（湖泊）方案在人工干预后防洪效果差，洪泛区域增大（表3）。以设计河道形态为主的行洪河道（F）方案，在增加了6处支流后能够对洪泛区域进行有效控制，小范围洪水情况都发生在远离凯尔苏斯村的非建设用地（表4，图12）。

表2 凯尔苏斯河段丁坝与生态堤措施模拟Tab.2 Simulation of spur dike and ecological dike measures in the Caersws River reach

表3 凯尔苏斯河段湖泊措施模拟Tab.3 Lake measure simulation of the Caersws River reach

表4 凯尔苏斯河段行洪河道措施模拟Tab.4 Simulation of flood channel measures in the Caersws River reach

12 行洪河道措施模拟二维数据三维可视化3D visualization of 2D data of flood channel measures simulation

以防洪、生态与经济因素综合考虑丁坝、生态堤、湖泊与行洪河道4种方案。以防洪效果为基准，湖泊方案无法达到基本防洪标准，予以排除；增设行洪河道方案能够较好控制洪水，但需增设多条河道，对地区地貌干扰较大，不建议考虑；生态堤方案防洪效果最优，但需设置多处，且对弯曲河型的自组织演化造成一定限制；丁坝方案需增设地点少，对地貌及河流结构扰动小，虽有小规模洪泛，但不影响建设用地，综合效益较好，因此，建议选择丁坝或生态堤作为此河段工程措施。

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[26]。基于风景园林学科中的景观水文学视角，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，以及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，不仅是探索水系发展、演变规律的重要内容，也是流域水资源开发利用和洪水治理规划工作的需要，其能够预测人类的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，对风景园林学科中的景观空间规划具有指导性意义。

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CAESARLisflood的水系、河流数学模型的建立，有助于从微观上开创一个崭新的研究领域。CAESAR-Lisflood能够模拟在长达几千年的时间内河流流域或河段的形态变化，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，模型以洪水为基础，填补了小尺度模型与粗分辨率景观模型之间的空白，通过已建立的数值模拟技术，探索气候、水文和景观之间的复杂相互作用，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。

② 数据来源：River Levels UK。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

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=LidarC ompositeDataset。表1～4由作者绘制。