基于CAESAR-Lisflood的彎曲型河流景觀演化與洪泛區治理
——以英國塞文河為例

趙天逸 成玉寧

人類生活和生產活動常對河流的形態產生影響，河道及洪泛區是受人類干預影響最嚴重的生態系統，包括河道硬化、洪澇災害和河岸植被破壞等。由于經濟、社會和工程需要的發展，以及當代對于規劃設計和生態效益關系的關注，逐步認識到完整的規劃設計過程不僅包含了設計過程本身，也涵蓋了規劃設計過程誘發下的生態演進過程[1]77-82。

風景園林學科中景觀水文學的發展，使得設計師用一種新視角理解水文現象，以水文規律為準則從事景觀規劃設計實踐，而水文現象對景觀形成演變的影響已經成為景觀水文學研究的重要內容，在現有的生態水利工程中，對河流的形態演化與生態演替的過程和結果事先往往難以把控，使工程處于一定風險中。此時，有針對性的定性研究甚至定量研究變得尤其重要，水環境的數值模擬仿真技術提供了途徑和思路，這一方法幫助設計師了解平面或空間上的設計調整如何對場地的水環境產生影響，在規劃設計前期進行方案比選，從而為水生態景觀的規劃設計提供反饋與支撐[1]77-82。

1 彎曲型河流景觀演化與治理

1.1 彎曲型河流景觀演化

彎曲型河流是沖積平原河流按河道平面形態及演變特點分類的一種常見河型，一般處于河流中下游，多存在于河谷比較寬廣、兩岸缺少控制性地物的河段中，其河岸和河底均由可沖刷土壤構成[2]。現今，西方國家多采用Leopold等的方法[3]將河流分為順直、彎曲與辮狀3類；1971年，Schumm等[4]通過改變河道比降，獲得了順直—彎曲—游蕩河型的轉變。洪笑天等[5]通過實驗進一步研究了曲流形成的內在條件與外在條件，包括原始河谷形態、流量變幅和頻率的變化、河床中泥沙運動特性及侵蝕基準面的變化等。金德生[6]建立了一個過程響應模型，認為河床的邊界條件，特別是河漫灘的物質結構和組成對曲流的發育有極大的影響。

1.2 河流治理

傳統水利工程引起河流地貌特征、水文、水利學條件及棲息地質量等的變化，對河流生態系統造成極大脅迫。1938年，德國Seifert率先提出“親河川整治”理念，認為水利工程首先應具備傳統治理功能，還需以達到近自然狀況為目標[7]。1962年，Odum首次提出“生態工程”（ecological engineering）一詞，將生態系統自組織行為運用到工程中，旨在促進生態學與工程學結合[8]。1983年，Bidner等[9]提出河道治理首先要考慮河道水利學特性、地貌學特點與河流自然狀況，以權衡河道治理與河流生態系統干擾活動之間的尺度。1989年，Mitsch[10]認為生態工程需考慮人類社會和自然環境2方面利益進行設計，為多自然型河道生態修復技術應用于河流景觀規劃打下理論基礎。2003年，董哲仁[11]提出“生態水工學”，認為在水利工程設計中應結合生態學原理，保證河流生態系統的健康。

2 河流景觀演化數值模型

2.1 河流數值建模研究

在河流演變的背景下，數值模型作為河流系統數字化的簡化抽象，旨在表示影響河流形態和動力變化的顯著過程和特性，它們提供了可控制的環境，允許在建模環境中模擬和觀察過去的事件，此外，它能夠研究環境條件（如氣候、植被和地質）和內部過程（如侵蝕、輸沙和河道寬度調整）影響河流系統的形態演變。

現有研究河流歷史和演變的數值模型有景觀演化模型（landscape evolution models,LEMs）、元胞自動機模型、計算流體動力學模型、沖積構造模型和河曲模型（圖1）。這些模型在具有相似之處的基礎上，也存在顯著差異，這使它們一定程度適合于模擬河流歷史和演變的特定方面。LEMs覆蓋整個流域，但細節缺失；元胞自動機模型可極大減少計算時間，卻難以定量；計算流體動力學模型必須采用固定通道形式；沖積構造模型模擬了沉積相，但過分簡化了水流特性；河曲模型將河道視為均勻寬度。盡管這些模型都可以預測侵蝕和沉積過程以及河流景觀演變，但由于河流系統通常具有非線性響應，因此某些預測區域可能仍然是有限制且短期的。

1 模擬河流系統的不同模型類型Different model types for simulating the river systems

河流系統從單個卵石的夾帶到洪泛區蜿蜒帶的發展，再到大規模沉積盆地的形成，表現出不可預測的、非線性和混亂的特征[12]，這對模型的定量預測造成了一定限制。因此，需要不確定性更高的數值模型方法，通過多次運行得出綜合概率，找出河流系統中的一般性的特征。

2.2 CAESAR-Lisflood模型

凱撒二維水動力地表景觀演變（CAESARLisflood）模型[13]綜合了元胞自動機及計算流體動力學模型。1994年，Murray A. B.[14]在《自然》雜志首次提出基于辮狀河流的元胞自動機模型，較完整地模擬了辮狀河流的形成過程，而CAESAR-Lisflood延續了Murray A. B.的思想，采用了比Murray A. B.的工作更復雜的流徑算法，通過計算流動深度（允許流動越過障礙物并且能夠在任意方向上流動），CAESARLisflood將Lisflood-FP二維水動力流模型[15]與多粒徑泥沙輸移模型相結合，模擬多重流動路徑及河流集水區的侵蝕和沉積，其能夠在廣泛的空間（1～1 000 km2）和時間（<1～1 000+年）范圍內運行。CAESAR-Lisflood已被應用于研究氣候和地表覆蓋對河流系統的影響[16]，以及識別非線性河流響應和河流系統中可能存在的自組織臨界狀態[17]。最近的發展包括彎曲和側向侵蝕的結合，使CAESAR-Lisflood有潛力模擬從編織河道向彎曲型河流的過渡[13]。近年來，少數中國學者開始運用CAESARLisflood進行土壤侵蝕研究，謝軍等[18]率先將模型運用于震后極端降雨的泥沙輸移模擬。

2.3 CAESAR-Lisflood實驗構建

CAESAR-Lisflood模擬中集成泥沙、流模型、水文、植被、坡度與迭代等模塊的數值參數。模擬輸入端以數字高程模型（digital elevation model, DEM）為基本載體，將柵格重采樣為10 m以維持計算穩定性。研究采用河段模式，輸入流域水量數據來進行多情景水量洪泛區模擬①。此外，CAESAR-Lisflood中泥沙模型模塊將輸入土壤性質的顆粒數據層作為河床基底，其中囊括土壤粒度大小與粒度分布比例狀況[19]（表1），模擬中河床被分為碎石、表層和地下層等一系列活土層。考慮到懸浮泥沙及其下落速度，所有具有流動深度的細胞，使用愛因斯坦–布朗（Einstein-Brown）公式來計算河流沖蝕和沉積，并應用于嵌入在一系列活性層中的9種不同粒度，促進有限地層的形成；泥沙數值融合渠道側向侵蝕率及橫向侵蝕率[20]，以此控制通道的寬窄、沉積物的凝聚力。此外，為削弱一定時間內數值變化的不穩定性，設定最大侵蝕極限、向下侵蝕細胞量、邊緣平滑濾波器通過次數等參數。

CAESAR-Lisflood中水文模型模塊中以“m”值控制降雨事件產生的水文曲線的峰值和持續時間，以及地表覆被類型，其與TOPMODEL中的“m”值相同，“m”的典型值是從0.02（低，表示低洪峰和較長時間的水文過程）到0.005（較高，短暫的峰值）[21]，實驗中參數設置為0.015，來代表本案例研究區域植被密度較低的農田和草地。流量模型中集成邊緣單元的斜率、蒸發率（m/d）、發生侵蝕的水深閾值（m）、hflow閾值（m）、弗朗德數流量限制、曼寧斯系數等，以庫恩數來控制流量模型的數值穩定性和運行速度[22]。CAESAR-Lisflood中植被模型模塊，包括植被生長率參數（用來模擬植被在幾年內達到成熟的速度）以及植被臨界清除參數（用來調整河流侵蝕能否在一定程度上清除植被）、植被侵蝕比例（用來調整植被在生長過程對河床及兩岸造成的侵蝕程度）等。此外土壤的蠕變率、邊坡破壞閾值和水土流失率，分別在坡度模型模塊中得以體現。

CAESAR-Lisflood最終輸出模型以迭代長時間序列為特征，對時間與空間維度上的河型及洪泛區演變進行預測，預測時間軸與模擬中相對時間進行換算，輸出相應時間段及長時間尺度下相對時間點的高程、高差、流速、流量、水深等信息。文中案例以AALU自主編寫python語言為依托，連接Rhino平臺、CAESAR-Lisflood平臺與地理信息系統（GIS）平臺，使得模擬二維信息能夠以三維形式更加清晰地呈現，也能夠將模擬數據進行三維再編輯后，導入二維模擬平臺及GIS平臺進行實驗與分析，實現數據三維可視化處理與二維模擬一體化。

3 塞文河流域景觀演化與洪水治理研究

3.1 塞文河流域概況

塞文河全長354 km，位于英國威爾士中部，是英國最長的河流，凱爾蘇斯作為塞文河流域上的一個村莊，坐落于波厄斯郡，北緯52°30′55.44″，西經3°25′08.76″（圖2）。在一般天氣條件下，塞文河的凱爾蘇斯河段水位介于1.04～2.08 m之間，在過去一年中，至少有150 d處于正常水位，在較極端天氣條件下，水位范圍通常介于0.97～2.11 m之間，塞文河水位記錄的最高水平是3.69 m②。

2 塞文河流域區位Location of the Severn River basin

威爾士地區面積較小，主要呈高地特征，但河流系統的地貌多樣性很高。在山前和低地河段，威爾士河流系統多具有發達的沖擊谷層，易于保存地質歷史資料。根據Gittins[23]研究表明，威爾士河流系統對洪水頻率和洪水強度變化高度敏感，而本研究區域塞文河凱爾蘇斯河段是一段橫向不穩定的礫石床彎曲型河流，非常適宜進行彎曲型河段景觀演化研究，而河段緊鄰村落，具有洪水治理研究的必要性。因此本研究選取塞文河作為科研案例，其暫不具有項目實施意義。

本案例以Shreve流域結構模式[24]為基準，從數字高程模型提取流域特征，形成樹狀流域結構模型，用Arc Hydro水文數據模型算法，以柵格模型為依托，以最大坡降及最陡坡度原則進行流向分析，通過計算單位柵格點上匯集的水流柵格數目，建立包含所有柵格單元水流聚集點的數據模型，通過設定NIP閾值進行匯流分析并提取主要匯水網，得出塞文河凱爾蘇斯河段的溝谷網絡、分水線網絡、主要水文節點14處，子流域16處（圖3）。對此流域的結點集、溝谷段集、分水線集和界線集進行界定。

3 塞文河流域的子流域分區及水文節點Subwatershed subdivisions and hydrological nodes of the Severn River basin

3.2 塞文河凱爾蘇斯河段演化模擬

河流作為改造地表的主要地質營力之一，當一個河段改變時，會引起上下游的整體調整，同一河流不同河段，或同一河段在不同時期，河流的動能不同。在動能的作用下，河流進行侵蝕、搬運和沉積三大地質作用。本案例選取塞文河流域受洪水災害影響較大的凱爾蘇斯河段，進行河段流域局部演化研究。在對塞文河凱爾蘇斯流域進行空間分析的基礎上，本案例的模擬實驗增加迭代時間序列，研究在長時間尺度下河型與洪泛區的空間演化，對水系自組織形成與發展的隨機過程進行探討。作為河流系統的簡化抽象，表現河流演變的突出過程和屬性，包括河流形態和動態的變化，為案例研究提供了探討河流演變的受控環境。

河流水情要素是反映河流水文情勢的重要因子[25]，本案例包括流量、流速和徑流深度，以及河床發育過程和河床高差變化。模擬中的時間序列為相對時間序列，截面選取凱爾蘇斯河段流域范圍總截面（圖4），目標點間距25 m。研究中使用河流水文量化指標公式：

4 凱爾蘇斯河段取樣截面及取樣點Sampling section and sampling points of the Caersws River reach

其中，U為斷面平均流速（m/s），R為水力半徑，I為水面比降，C為謝才系數；

其中，Y為徑流深度（mm），W為徑流量（m3），F為流域面積（km2）。據統計，14號子流域總水量在不同時間段都處于最高位，8與9號流域水量明顯高于其他子流域，而隨時間變化，各子流域水量小幅波動，基本呈上升、下降再上升趨勢（圖5）。

5 凱爾蘇斯河段子流域50～200年間洪泛區水量變化Floodplain water volume changes in the Caersws River reach between 50 and 200 years

模擬中提取河床主槽及河漫灘處測試點對塞文河段的流速信息（圖6）進行捕捉對比，截面一測試點11處在50～100年間流速最快，40號測試點處流速相對較快，隨時間變化在200年時，測試點27處流速最快；截面二測試點11處在50～100年間最快，隨時間變化，測試點20處變為流速最快區域。

6 凱爾蘇斯河段水體流速變化Variation of water velocity in the Caersws River reach

模擬中截面一的測試點10與40處在前期徑流深度（圖7）較大，150～200年間，徑流深度最大處逐漸變為測試點37與45處，河道發生顯著變化；截面二中測試點12與20處徑流深度較大，隨時間變化，2處測試點徑流深度大幅增大。

7 凱爾蘇斯河段徑流深度變化Variation of runoff depth in the Caersws River reach

凱爾蘇斯河段截面一與截面二河床發育演化特征（圖8）相似，前期50～100年間，河床逐步抬高，沉積作用明顯，150年時河道發生空間形態轉變，達到臨界點，其后侵蝕作用加劇，200年時，新河道逐步形成。

8 凱爾蘇斯河段河床發育演化過程The process of bed development and evolution in the Caersws River reach

凱爾蘇斯河段截面一河床高差變化（圖9）在50～100年期間，呈規律性依次增大或減小趨勢，到達150年時，河床高差變化呈多樣化，200年時，高差變化幅度最大；截面二河床高差基本隨時間變化依次呈規律性增大與減小。

9 凱爾蘇斯河段河床高差變化過程The change process of bed height difference in the Caersws River reach

綜合研究結果表明：鄰近凱爾蘇斯村落流域匯水總量大，河道流速快，河流搬運能力強，隨時間變化河床逐步抬高，發生洪水災害可能性及災害程度不斷增加，當河床發育演化抬高至臨界點時，河流發生改道現象，此后徑流深度增加，新河道形成，凱爾蘇斯村落附近流域洪泛風險減弱但依然存在；此外，凱爾蘇斯流域河道曲度越大，越易產生洪泛情況及河流改道現象。

3.3 塞文河凱爾蘇斯河段洪泛區治理

3.3.1 塞文河凱爾蘇斯河段洪泛區模擬

塞文河流域洪泛區域歷史變化顯著，本研究將CAESAR-Lisflood模型與Arc Hydro數據模型結合，模擬了塞文河段受氣候周期變化的影響及河道洪泛區水文情況的周期性變化特征。通過對塞文河歷史洪水數據的調查，基于現有的沉積物輸入數據的統計來模擬輸入值，設定給水量，本研究模擬了一年中流域洪泛區域的變化情況，根據不同洪水強度分為弱、次弱、次強、強4種淹沒情境（圖10），基于對塞文河流域子流域的劃分，研究不同洪水強度下子流域水量動態變化。以此指導防洪措施的空間布局設置。

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

塞文河凱爾蘇斯河段14號流域洪泛區水量最大；8～10號子流域洪泛區水量相對較大，這些子流域基本相鄰，緊鄰凱爾蘇斯河段主河道兩側，6號子流域面積較小，但具備一定水量（圖11）。在4種洪水強度情境下，洪水強度與不同子流域間的洪泛區水量基本呈正相關性，隨著洪水強度增大，子流域水量依次增大。可以看出，凱爾蘇斯村處在高洪水風險區，具有洪水整治的必要性。

11 塞文河凱爾蘇斯河段洪泛區水量The amount of water in the flooded area of the Caersws reach of the Severn River

3.3.2 塞文河凱爾蘇斯河段防洪措施模擬

河道治理規劃在滿足防洪的同時適應自然生態系統的要求，參考水文和地理數據，采用數值模型的計算方法，進行水與水工建筑物的相互作用分析，根據河流環境選擇適當的工法，鼓勵小規模泛洪、控制洪水淹沒范圍等手段，減少對生態系統的影響。

為改善凱爾蘇斯河段流域洪水水情，研究使用多種生態防洪措施進行CAESARLisflood模型模擬驗證，設計依據目標河道河漫灘寬度，計算和模擬徑流與泥沙數量，以強洪水情境為基準，在凱爾蘇斯河段洪泛區現狀溢水點處（子流域14、6、8）進行少量人工干預，合理整治洪泛平原，使河勢向規劃的方向發展。凱爾蘇斯村緊鄰河道洪泛區，河流流經地大部分為農業用地和防護綠地，少量為建設用地及空閑地，防洪措施以丁壩、生態堤疏導河道形態，湖泊增加彈性蓄洪空間，行洪河道設計3種方式為主。

以導流丁壩、生態堤疏導河道形態的方式，增加河道水體流速變化豐富度，使河道在保持自身動力的情況下，借助小部分外力來使河道形態處于可控狀態。增設湖泊（面狀水域）以增加彈性蓄洪區，在極端降雨情境下，提升城市河流自身防洪能力。增設行洪河道，依據河流空間建設復雜的河道形態，改單級河道為多級河道，上部河道主要用于行洪，枯水河道主要用于改善棲息地質量和提高河流的泥沙輸移能力。

模擬結果表明：以疏導河道形態為主的生態堤（C）方案，在凱爾蘇斯河3處主要溢水點處人工干預后能起到較好的防洪效果，村莊近郊地區不會受到洪水影響；丁壩（B）方案基本能夠有效控制洪水，靠近河道小范圍區域會受到洪水影響（表2）。以增加彈性蓄洪空間為主的水庫（湖泊）方案在人工干預后防洪效果差，洪泛區域增大（表3）。以設計河道形態為主的行洪河道（F）方案，在增加了6處支流后能夠對洪泛區域進行有效控制，小范圍洪水情況都發生在遠離凱爾蘇斯村的非建設用地（表4，圖12）。

表2 凱爾蘇斯河段丁壩與生態堤措施模擬Tab.2 Simulation of spur dike and ecological dike measures in the Caersws River reach

表3 凱爾蘇斯河段湖泊措施模擬Tab.3 Lake measure simulation of the Caersws River reach

表4 凱爾蘇斯河段行洪河道措施模擬Tab.4 Simulation of flood channel measures in the Caersws River reach

12 行洪河道措施模擬二維數據三維可視化3D visualization of 2D data of flood channel measures simulation

以防洪、生態與經濟因素綜合考慮丁壩、生態堤、湖泊與行洪河道4種方案。以防洪效果為基準，湖泊方案無法達到基本防洪標準，予以排除；增設行洪河道方案能夠較好控制洪水，但需增設多條河道，對地區地貌干擾較大，不建議考慮；生態堤方案防洪效果最優，但需設置多處，且對彎曲河型的自組織演化造成一定限制；丁壩方案需增設地點少，對地貌及河流結構擾動小，雖有小規模洪泛，但不影響建設用地，綜合效益較好，因此，建議選擇丁壩或生態堤作為此河段工程措施。

4 結論與展望

景觀水文學重視地塊的復雜動態過程，對水體、植被、土壤等多種生態系統要素進行統籌考慮，并關注階段性的變化過程[26]。基于風景園林學科中的景觀水文學視角，針對特定自然河型洪泛區景觀階段性演化與治理的研究尚有空缺，認識河流的自動調整作用和調整規律，以及水系的特征指標及其與河流地質地貌、水文情勢之間的關系，不僅是探索水系發展、演變規律的重要內容，也是流域水資源開發利用和洪水治理規劃工作的需要，其能夠預測人類的活動對自然生態的影響以及修復工作是否能達到所預想的狀態，對風景園林學科中的景觀空間規劃具有指導性意義。

河流景觀的數值模擬仿真研究，是目前河流景觀水文研究的趨勢，基于CAESARLisflood的水系、河流數學模型的建立，有助于從微觀上開創一個嶄新的研究領域。CAESAR-Lisflood能夠模擬在長達幾千年的時間內河流流域或河段的形態變化，可以分析和測試河流中無法觀察到的時期和空間內如何發展，此外，模型以洪水為基礎，填補了小尺度模型與粗分辨率景觀模型之間的空白，通過已建立的數值模擬技術，探索氣候、水文和景觀之間的復雜相互作用，創建了模塊化的景觀演化模型。

注釋(Notes)：

① 數據來源：A Geo-Portal for Wales。

② 數據來源：River Levels UK。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1引自http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/370/1966/2123；圖2～12由作者繪制。其中，圖2～4、6～10、12底圖來源均為http://lle.gov.wales/GridProducts#data=LidarC ompositeDataset。表1～4由作者繪制。