基于燕尾洲生態護堤模式的金華江流域防洪效應研究

酈宇琦,王春連

1 北京大學建筑與景觀設計學院, 北京 100871 2 北京大學景觀設計學研究院, 北京 100871 3 華盛頓大學城市設計與規劃學院, 西雅圖 98105 4 北京土人城市規劃設計股份有限公司, 北京 100080

近一個世紀,全球氣候持續變暖。在全球變暖背景下,極端天氣事件頻發[1],引發了地震、泥石流、旱災、洪災等自然災害,造成巨大的經濟損失[2- 3]。在由不同自然災害造成的全球經濟損失中,洪災成為困擾人類的首要自然災害[4- 6]。

人類防治洪水災害可采取水利工程和生態護堤兩種措施。水利工程措施如修筑、加固堤防通常被視作抵御洪水的最終方案,然而,這些防御措施不僅建設成本高、維護費用昂貴[7- 8],并且降低河岸對洪水的自適性能力,使其喪失本應具備的天然防洪能力[9-12]。生態護堤能夠彌補水利工程產生的諸多生態、環境問題,是一種更可持續的防洪戰略。近期在歐洲的實踐表明,與傳統堤防的防洪效果相比,采取生態護堤具有更高的可持續性與成本效益,并具有額外的優勢和較少的負作用[9]。又如紐約市構建的沿海綠色基礎設施-有生命的防洪堤,能夠在保護或拓寬海灘的同時削弱風浪,降低沿海風暴潮風險,并減少建筑物和基礎設施的破壞[13]。

生態護堤依據生態工法思路,采用天然材料、人工材料或混合材料構筑沿河護堤,既能發揮自然堤岸的生態系統作用,又能抵御洪水災害、防止堤岸侵蝕[10, 14-15]。生態護堤依據河道斷面形式及承接河流類型的不同,可分為立式,斜式和階式[16-17]；或可依據護堤材質的差異,分為自然原式,自然式與人工自然式[18]。在生態護堤防洪效應方面,國內外研究多以定性描述其防洪功能為主,僅少數學者對生態護堤相較水泥堤防的防洪效果進行對比研究。在定量對比研究中,Acreman等對現狀河道、經恢復河道和渠化河道三種情景進行洪峰削減量的計算,得出相較現狀河道,洪峰在經恢復河道內削減了10%,而洪峰在渠化河道內增加了50%—150%[19]。劉靜[20]研究了河道糙率對河道水位、流速的影響,并分別建立水位、流速與河道糙率的擬合公式。結果表明,河道內植被越密集,糙率越大,植被對流水的阻力越大,水流流速越低、水位越高[20]。定性對比研究方面,僅Temmerman等對沿海傳統工程堤防和生態護堤分別進行了優劣分析與案例綜述,提出沿海建設生態護堤的可行性與潛在價值[9]。綜上,國內外研究多以定性探討生態護堤類型、防洪效果為主[14,16,18,21],較少定量對比研究不同生態護堤相較水利工程措施的洪水削減能力。

在生態護堤的防洪設計實踐方面,位于金華市金華江流域出口的燕尾洲公園打破了公園傳統設計手法,提出以可淹沒的梯田式生態護堤替代傳統水泥防洪堤方案。這一方案不僅能有效緩解防洪壓力,更使得公園成為兼具防洪功能與休憩娛樂的美麗景觀[22]。

為探究不同設計模式生態護堤的防洪效應,研究以燕尾洲公園生態護堤設計手法為依據,選擇以燕尾洲公園所屬金華江流域為研究區,通過單獨或同時改變護堤植被覆蓋、坡度和改造護堤所占面積比例三個護堤設計參數,設計流域尺度不同生態護堤模式。利用SWAT流域水文模型,模擬研究流域不同生態護堤模式的流量調控、洪峰削減與水位調節效應。研究深入揭示了護堤模式變化下的洪水響應機制,為流域尺度推廣燕尾洲護堤模式提供理論依據。同時,在全國探索建設海綿城市、推進河長制背景下,研究河流生態護堤取代水泥堤防有重要的實踐意義。

1 研究區域概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究以燕尾洲公園所在流域——金華江流域為研究區(圖1)。金華江流域位于浙江省最大的金衢盆地東部,流域地勢南北高,中間低,屬于亞熱帶季風氣候,四季分明,雨熱同季,光溫互補[23]。流域降水受地形影響,空間分布不均,年平均降水量1458 mm,年降水量變化范圍1300—2000 mm[24]。流域4—6月和7—9月分別受梅雨和臺風控制,全年存在兩個雨季[25]。流域汛期為5—9月,汛期降水量可達年降水量的55%[26]。

圖1 研究區位置圖Fig.1 The study site

燕尾洲公園位于金華市多湖片區東市街以西,三江國際花園以北,義烏江和武義江匯合處,面積約75萬m2。公園將場地原有的硬質駁岸改造為具有不同安全級別的可淹沒的防汛堤,采用梯田形式,并在臺地上種植鄉土植物,從而實現洪水削減與生態多樣性的恢復[22]。

1.2 SWAT模型與數據預處理

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是由美國農業部(USDA)開發的新一代分布式流域水文模型。SWAT模型待輸入數據包括DEM、土壤類型圖、土地利用類型圖、氣象數據(降水、氣溫數據等)、水庫出流數據(月尺度)等。本研究通過實地調研、文獻獲取和相關部門數據庫查詢等獲取數據資料,后用Matlab、ArcGIS等軟件進行預處理,編入數據庫。預處理后數據如圖2。

圖2 SWAT模型預處理后數據: (A) 研究區土地利用類型圖; (B) 研究區土壤分布圖; (C) 研究區水文站分布圖; (D) 研究區子流域劃分圖Fig.2 Preprocessed data in SWAT model: (A) land use map; (B) soil map; (C) hydrographic station distribution map; (D) sub-watershed division map

1.3 模型校正與驗證

SWAT模型在初次運行完畢后,需要對模型進行校正與驗證。本文在SWAT-CUP模型中,利用拉丁超立方體抽樣和多元回歸方法進行SWAT模型參數敏感性分析,并利用金華站和對家地站的實測月流量數據,對模型進行參數率定與模型校準。選取納什系數NS(Nash-Sutcliffe efficiency)和偏差百分比(PBIAS)兩個指標來評價模型的適用性,相關研究認為NS>0.5、|PBIAS|<25%時模擬結果良好[27-28]。模型校正期與驗證期結果見表1和圖3。

表1 模型校正期與驗證期評價結果對比

圖3 水文站月徑流量實測值與模擬值對比圖Fig.3 Comparison of observed and simulated monthly flow in two hydrological station

由表1和圖3可知,模型校正期、驗證期NS系數均大于0.65,PBIAS絕對值均小于25%(表1),模型驗證期模擬值與實測值吻合度高(圖3),模型模擬效果很好,可被用于情景模擬。

2 生態護堤模式設計及模型模擬

2.1 燕尾洲公園生態護堤設計模式

燕尾洲公園位于東陽江和武義江的交匯之處,占地面積約為75萬m2。生態護堤將原有水泥堤防拆除,替以梯田式生態護堤,減緩護堤坡度的同時,于梯田臺地上種植鄉土植物(池衫、水杉、吉祥草等),將護堤改造為可被洪水淹沒的梯田種植帶,實現與洪水為友的彈性防洪。這一生態護堤模式不但能夠增加行洪斷面、緩解對岸城市一側的防洪壓力,同時滿足了人們的日常休閑活動和對景觀美的需求。

燕尾洲公園的生態護堤模式包括以下兩類：1)護堤材質由水泥改為梯田種植帶,2)護堤形態由直壁改為梯田式緩坡。前者包括拆除水泥堤防,種植鄉土植物,修復河堤自然生境,建立群落層次；后者指減緩護堤坡度,改斜式堤防為階梯式。公園生態護堤改造概念圖如圖4所示。

圖4 公園生態護堤改造概念圖Fig.4 The conceptual graphic of Yanweizhou Ecological Embankment

2.2 流域尺度生態護堤模式設計

以燕尾洲公園生態護堤設計模式為參照(圖4),通過單獨或同時改變護堤植被覆蓋、坡度和改造護堤所占面積比例3個護堤設計參數,設計流域尺度不同生態護堤模式。研究提取河道覆被參數(C)、河道形態參數(S)和面積比例參數(A)三組參數進行護堤模式設計與情景模擬。

2.2.1河道覆被參數設定

生態護堤與水泥堤防在植被覆蓋度、土壤下滲性能上均存在明顯差異。研究選取河道覆被參數(C)——主河道曼寧系數與主河道有效水力傳導率兩個參數,共同表達不同護堤的植被覆蓋差異。

主河道曼寧系數(又名糙率)是當河道內的水通過過流邊界表面時所受的綜合阻力[20]。不同表面的曼寧系數值可通過查閱美國霍爾頓編制的河渠與天然河道糙率表[29]獲得。參照糙率表,結合燕尾洲生態護堤植被類型,與SWAT用戶手冊建議曼寧系數取值范圍[30],設定研究流域曼寧系數取值。選取0.014(模型默認值)作為水泥堤防的曼寧系數值,0.050(植被稀疏,伴以拋石)作為植被覆蓋率低的生態護堤曼寧系數值,0.100(植被茂密,伴以拋石)作為植被覆蓋率高的生態護堤曼寧系數值。

主河道有效水力傳導率指單位水力梯度下,單位時間內流經單位面積土壤剖面的水量,反映土壤下滲性能。參考SWAT用戶手冊中主河道有效水力傳導率取值范圍[30],可得研究區14種土壤對應有效水力傳導率值。

2.2.2河道形態參數設定

燕尾洲公園將原本硬質堤防拆除,以緩坡梯田式生態護堤替代,河道岸線后退,坡度減緩。研究沿用燕尾洲生態護堤設計思路,改變河道斷面形態,設定河道形態參數(S)。研究選取3個坡度梯級：90°(垂直護堤),45°(高坡護堤),和18°(緩坡護堤)進行情景模擬。

在確定護堤坡度后,需要相應在SWAT模型中調整該坡度下河道溢出時齊岸寬度。在護堤坡度為90°時,河道溢出時齊岸寬度等于河底寬度；坡度為45°時,河道溢出時齊岸寬度=河底寬度+2×河道深度；坡度為18°時,河道溢出時齊岸寬度=河底寬度+2×3×河道深度。

2.2.3面積比例參數設定

研究同時考慮上述河道覆被因子、形態因子在不同空間尺度上的應用效果。換言之,研究設定面積比例參數(A),在東陽江、武義江的32個子流域中,從上游至下游逐步增加參與生態護堤情景模擬的子流域個數,兩條江同步開始增加。A取值為1—16。A值每增加1，代表兩條江上各有1個子流域進行生態護堤改造。A=16代表兩條江32個子流域全部完成生態護堤改造。

2.2.4護堤模式設計小結

考慮原始情景與三組因子(C、S、A)的單一及組合效果,設計不同生態護堤模擬情景共計129種(如表2)。在SWAT模型中,在流域尺度,對每種生態護堤情景進行水文過程模擬,模擬次數共計129次。結合燕尾洲建成時間(2014年5月),與所獲氣象資料(日尺度,截止至2016年12月31日),研究設定情景模擬時間為2012年1月1日—2016年12月31日,模擬精度為日。

3 流域尺度燕尾洲不同護堤模式防洪效應

3.1 不同護堤模式流量過程分析

研究以初始情景(垂直水泥堤防模式)作為基準情景,在此基礎上改變參數C、S和A進行2012—2016年日流量過程模擬。模擬方案共計129種。按照表2,將除初始情景0之外的128種情景,每16種情景分為一組,共計8組,分別對應于參數A由小至大變化下：情景1—16:只改變參數C,植被稀疏,伴以拋石；情景17—32:只改變參數C,植被茂密,伴以拋石；情景33—48:只改變參數S,45°坡度；情景49—64:只改變參數S,18°坡度；情景65—80:同時改變參數C、S,45°坡度,稀疏生態護堤,伴以拋石；情景81—96:同時改變參數C、S,45°坡度,茂密生態護堤,伴以拋石；情景97—112:同時改變參數C、S,18°坡度,稀疏生態護堤,伴以拋石；情景113—128:同時改變參數C、S,18°坡度,茂密生態護堤,伴以拋石。加之初始情景,9種生態護堤模式設計下的流量過程線見圖5。

由圖5可知,a為初始情景,b—f為在某種C、S設定值下,由小至大改變參數A取值時,流域出口斷面的流量。b—f中曲線簇的最低流量過程線代表A取值最小時的日尺度流量過程線；曲線簇的最高流量過程線代表A取值最大(即所有子流域均參與生態護堤改造)的日尺度流量。圖中陰影面積代表在退水過程中,A的不同取值對同場降水的洪峰削減。由圖5可明顯看出在A取值變化下,退水曲線變化對河流水量的影響：生態護堤相較水泥堤防而言,能夠減小洪峰流量,增加退水過程時洪水流量,從而使洪水過程線更平緩。對于初始情景(水泥垂直堤防模式,圖5a),五年日尺度最大洪峰流量發生于2013年10月,接近5a一遇最大洪量；在只改變參數C,A取最大值時,隨著主河道曼寧系數由0.050(圖5b)增加至0.100(圖5c),退水過程時的流量增加值由67.96 m3/s增加至83.70 m3/s,五年最大洪峰削減率由70%增至87%。植被覆蓋率越高(C值越大),洪水過程線越平緩；在只改變參數S,A取最大值時,隨著護堤坡度由90°減為45°(圖5d)和18°(圖5e),流量過程線與初始情景一致,退水過程流量和洪峰流量未發生明顯改變。說明改變參數S對河道洪峰流量與洪水過程線均無明顯影響。

同時改變參數C與S,A取最大值,逐漸增大C值(增大植被覆蓋率)：曼寧系數由初始情景0.014逐漸增為0.050(圖5f,h)和0.100(圖5g,i)時,退水過程時的流量增加值明顯增加約15 m3/s,退水過程平均流量增加值變化率介于19.27%—23.16%。結果顯示對于退水過程流量的增加,兩組參數同時改變較單獨改變某一組參數的效果更明顯。其中以退水過程平均流量增加值為評價指標,在控制S一定,逐漸增大C值,參數C對退水過程增加的貢獻率在97%以上,且在S取1時減小(99.88%→99.52%),在S取3時增大(97.80%→99.02%)。

表2 研究區不同護堤模式情景設定

CH_N：主河道曼寧系數 Manning′s "n" value for the main channel；CH_K：主河道有效水力傳導率 Effective hydraulic conductivity in main channel alluvium；CH_SIDE：護堤坡度 Channel Side Slope；CH_W：河道溢出時齊岸寬度 Average width of main channel at top of bank

圖5 研究流域9組情景日尺度流量過程線(2012—2016年)Fig.5 The daily flow hydrography of 9 scenarios in 2012—2016a):初始情景；b):情景1—16；c):情景17—32；d):情景33—48；e):情景49—64；f):情景65—80；g):情景81—96；h):情景97—112；i):情景113—128

同時改變參數C與S,A取最大值,逐漸增大S值(減緩護堤坡度)：坡度由垂直90°,逐漸變為陡坡45°(圖5f,g)和緩坡18°(圖5h,i)時,退水過程流量增加值變化率介于0.08%—2.2%,變化率不如逐漸增大C值時的退水過程流量增加值的變化效果明顯。以退水過程平均流量增加值為評價指標,在控制C一定,逐漸增大S時,參數C對退水過程增加的貢獻率在97%以上,但逐漸減小(99.88%→97.80%；99.52%→99.02%)。

3.2 不同護堤模式洪峰削減

研究繪制8組情景洪峰流量箱線圖(圖6)和洪峰流量削減表(表3)。圖6中每個子圖的第一列為初始情景。

圖6 研究流域8組情景洪峰流量箱線圖Fig.6 The flood peak discharge of 8 groups in study area a):情景1—16；b):情景17—32；c):情景33—48；d):情景49—64；e):情景65—80；f):情景81—96；g):情景97—112；h):情景113—128；橫坐標中，0為初始情景，1-16為A取不同值

由圖6和表3可知,在單獨改變參數C、S,或組合改變C與S情況下,逐漸增大A值,洪峰流量逐漸降低,年變化范圍逐漸減小,當流域內全部采用燕尾洲梯田式生態護堤時,洪峰削減率最大可達53%—63%。參數貢獻率分析表明,流域范圍內全部以生態護堤替代水泥堤防時,河道覆被參數對年最大一日洪峰削減率的貢獻率在84%以上,且隨植被覆蓋率增大、坡度減緩而減小。

對于圖6a—d：(1)只改變參數C時,隨著主河道曼寧系數由0.050(圖6a)增加至0.100(圖6b),洪峰年最大削減率分別為55%和53%,均在50%以上,C的不同取值對應年最大洪峰削減值較為接近(2%以內)；中間模式(6—14)年平均洪峰削減量增大,但全年50%洪峰流量(四分位距內)變化幅度增加,河道調蓄能力增大,不穩定性同時增加。在只改變參數C,A取最大值時,河道調蓄能力增強,且能夠在相同雨強下,將流域洪峰流量變化范圍嚴格控制在1550 m3/s以內。(2)在只改變參數S時,隨著護堤坡度由90°減為45°(圖6c)和18°(圖6d),洪峰流量未發生明顯改變,故改變水泥堤防坡度對河道洪峰流量削減無明顯作用。

對于圖6e—h：(1)在同時改變參數C與S,曼寧系數由初始情景0.014逐漸增為0.050(圖6e,g)和0.100(圖6f,h)時,結果顯示,除C=0.014時洪峰流量未有明顯削減,C取值為0.050和0.100時,洪峰流量變化趨勢相同,對應年最大洪峰流量削減率分別為58%、57%(CH_SIDE=1),和61%、63%(CH_SIDE=3)。可見S取值一定,逐漸增大C時(C≠0.014),年最大洪峰削減率在2%范圍內波動,但均在57%以上。(2)在同時改變參數C與S,坡度由垂直90°逐漸變為陡坡45°(圖6e,f)和緩坡18°(圖6g,h)時,洪峰流量變化趨勢相同,對應年最大洪峰流量削減率分別為55%、58%、61%(CH_N=0.050),和53%、57%、63%(CH_N=0.100)。可見C取值一定,逐漸增大S時,年最大洪峰削減率逐漸增大,且均在50%以上。

若考慮生態護堤改造成本,則可根據所需洪峰削減率目標值或洪峰流量設定值,參考表3,減少被改造護堤數量。

表3 不同護堤設計情景下洪峰削減表

3.3 不同護堤模式洪水水位調節

研究進一步利用金華江洪峰流量—水位擬合公式,計算129種不同生態護堤情景下流域出口水位。研究區流域出口斷面的洪峰流量—水位經驗擬合公式如下[31]：

H=35.6888+0.0006F

式中,H為水位(m),F為洪峰流量(m3/s)。根據識別后洪峰流量值,參照上述公式,計算不同情景下流域出口最高水位。研究時段選取洪水頻發的汛期(5—9月),可得汛期洪峰流量對應最高水位(表4)。

表4 情景1—128汛期最高水位表

由表4可知,在初始情景下,流域出口斷面洪峰水位最大值為37.64 m,大于金華站危急水位37.00 m[32]。當以生態護堤逐步替代水泥堤防時,流域出口洪峰水位最大值可減小至36.42 m,小于危急水位。

4 討論

4.1 生態護堤較水泥堤防的洪水削減優勢

洪水退水過程時流量計算結果表明,在研究流域內利用生態護堤代替水泥堤防,洪水過程線更為平緩(圖5b,c,f—i),經生態護堤處理過的洪峰流量較水泥堤防更低。隨著流域范圍內全部以生態護堤替代水泥堤防,日尺度退水過程的洪水流量增加值介于67.96—83.70 m3/s,即生態護堤能在洪水退水過程時蓄積更多雨水,從而利于修復自然生境,恢復河堤自然系統。此外,河道覆被參數(C)對退水過程平均流量增加值的貢獻率在97%以上,調節該參數對控制退水過程更為有效。

洪水流量削減結果表明,在流域內沿用燕尾洲生態護堤模式代替水泥堤防,可顯著削減年最大一日洪峰流量。在研究流域內,相較水泥堤防,采用生態護堤的洪峰削減率最高可達63%,說明燕尾洲公園護堤模式較水泥堤防有極好的洪水削減作用。Acreman等人的研究結果也表明,相較生態護堤,洪峰在渠化河道內增加了50%—150%[19]。本研究結果與Acreman等人的研究結果相似。此外,流域范圍內全部以生態護堤替代水泥堤防時,河道覆被參數(C)對年最大一日洪峰削減率的貢獻率最高,可達84%,且隨植被覆蓋率增大、坡度減緩而減小。因此,可通過調控C參數來顯著減小流域洪峰流量。

圖7 不同情景下燕尾洲公園淹沒范圍圖 Fig.7 The submerged area of Yanweizhou Park under 129 scenarios

4.2 汛期燕尾洲公園水位調節驗證

在獲得129種護堤情景下的汛期流域最高水位后,研究參考燕尾洲生態護堤的DEM,結合模擬水位結果,繪制以生態護堤替代水泥堤防的水位調控效果。燕尾洲公園位于流域出口,其在不同情景下的淹沒范圍可由研究流域出口水位估算得出。不同情景下燕尾洲公園(即流域出口)淹沒范圍如圖7所示。

如圖7,以燕尾洲公園紅線為邊界,其內淹沒區可分為三類：(1)一級淹沒區：該區域會被所有情景下研究時段內最大洪水淹沒。表明公園生態護堤及內部場地在所有情景的最大洪峰下均保持完好,僅洲頭濕地被淹沒；(2)二級淹沒區：該區域會被108種情景下研究時段內最大洪水淹沒。此時僅有第四層梯田和洲頭被淹沒,內部場地和其余梯田臺地保持完好；(3)三級淹沒區：該區域在所有情景下均不會被淹沒。即護堤第三級以上及所圍合中心區在所有情景下均不會被淹沒。該結果表明,燕尾洲公園生態護堤能夠成功抵御模擬年份內所有場次洪水,且能夠有效避免河道的硬化和白化,具有較強的推廣應用價值。

5 結論

本研究以金華江流域為研究區,以燕尾洲公園生態護堤設計模式為典型,自行設計流域不同生態護堤模式,運用SWAT模型模擬不同護堤模式下退水過程的流量改變、洪峰削減與水位調節效果。研究結果表明,利用生態護堤代替水泥堤防,洪水過程線更為平緩,流域內年最大一日洪峰削減率最高可達63%,燕尾洲公園生態護堤模式較水泥堤防有良好的洪水削減作用。在未來研究中,如何模擬燕尾洲護堤形態外其他護堤模式的流域防洪效應,需要進一步探討。這方面的研究成果將為“生態治水”和“國土海綿”建設提供科學依據[33,34]。