北京奥林匹克森林公园水质数学模拟和水系维护系统设计.pdf

中国园林 北京奥林匹克森林公园水质数学模拟和水系维护系统设计 D e s i g nf o rS i mu l a t i o n 通过经济和技术比较 选择较优方案进行相应的工程方案设计 设计过程中采用的方法具有一定的普适性 可以用 于其他景观水系规划的模拟 分析以及保障方案的制定和评价 关 键 词 风景园林 奥林匹克森林公园 规划设计 水系水质模拟和维护 文章编号 1 0 0 0 6 6 6 4 2 0 0 6 0 8 0 0 2 2 0 5 中图分类号 T U 9 8 6文献标识码 A 收稿日期 2 0 0 6 0 7 1 3 修回日期 2 0 0 6 0 7 1 9 A b s t r a c t T h ed e s i g nt oe x p r e s st h et h r e ec o n c e p t so ft h e2 0 0 8G a me s G r e e nO l y mp i c s H i g h T e c hO l y mp i c sa n d P e o p l e sO l y mp i c sa n dd e v o t e st os u s t a i n a b l ed e v e l o p me n to fw a t e rs y s t e m i nO l y mp i cF o r e s tP a r k T h ed e s i g no f w a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rq u a l i t yma i n t e n a n c ew a so b t a i n e dt h r o u g hw a t e rh y d r a u l i ca n dw a t e rq u a l i t ys i mu l a t i o na n d a p p l i c a t i o n o fa e s t h e t i c w e t l a n d t h e f i n a ls c e n a r i o w a s o p t i mi z e d b y e c o n o mi c a la n d e n g i n e e r i n g f a c t o r s T h e me t h o d o l o g yi nt h ed e s i g np r o c e s sc a nb ea p p l i e di no t h e rc i t yw a t e rs y s t e m d e s i g n se s p e c i a l l yw a t e rs y s t e msi n p a r k K e yw o r d s L a n d s c a p eA r c h i t e c t u r e O l y mp i cF o r e s tP a r k P l a n n i n ga n dD e s i g n S i mu l a t i o na n dMa i n t e n a n c eo fWa t e r Q u a l i t yi nWa t e rS y s t e m 1项目背景 奥林匹克森林公园位于北京市区北 部 城市中轴线的北端 属于2 0 0 8年奥运 会的核心区域 根据奥林匹克森林公园规 划设计要求 公园水系设计要体现 龙形 水系 的整体景观意象 结合场地西南高 东北低的地形条件 充分利用现状洼里公 园湖区以及碧玉公园湖区水系 构筑森林 公园以 主湖 为主水面的整体 龙头 水 系格局 图1 公园水系拟采用清河再生水厂的再生 水作为主要补水水源 为了保障奥林匹克 森林公园水系水质的长期稳定 为北京市 中轴线北端建设一个多功能的生态节点 受奥林匹克森林公园管理委员会的委托 进行奥林匹克森林公园水系模拟和水系 统维护设计 通过该方案的规划设计 从 总体上制定保障公园水系统水量和水质 稳定的技术方案 为公园水系水环境的维 护提供强有力的技术保障 2设计原则 本方案设计的总体原则是 通过水系 统的集成模拟和复合生态湿地系统的设 计 将奥林匹克森林公园建成一个水体循 环净化 雨水收集 再生水利用 水污染治 理和水资源保护的综合示范工程 为北京 市水系统的维护和各种城市水处理维护 系统的设计提供一个样板 针对奥林匹克 森林公园水系模拟和水系统维护设计 确 定如下具体规划设计原则 1 亲近自然 根据公园的特点 选择 自然的 生态化的 高效复合的技术 尽量 避免采用工程痕迹明显的技术 避免使用 过多的机械设备和装置 为人们提供一个 感受自然的场所 2 经济 适 用 在 确 保 公园水系统安 全 有效运行的基础上 选择占地面积小 运行成本低 建设投资少的方案 减轻 2 0 0 8年奥运会以后森林公园水系统维护 的经济负担 避免盲目追求高 精 尖 3 环境安全 通过科学的水质模拟和 S p e ic a l T o p ic L a n d s c a p eP la n n in ga n dD e s ig no f B e ijin gO ly mp icF o r e s t P a r k 专题 北京奥林匹克森林公园规划设计 2 2 中国园林 系统设计 确保不利情况下森林公园水系 统的环境安全 确保整套系统的建设和运 行不对周围景观或环境产生不良影响 并 提出有效的应急和保障措施 4 景观优美 在选择生态化技术的同 时 要根据公园整体景观特点 建设既能 实现水质维护目标 又能改善公园景观生 态的设计方案 实现水维护系统与公园整 体的和谐统一 5 以人为本 结合公园水系的流动特 征 根据景点设置和游人参观顺序 选择 合理的地点布置生态湿地和水系维护设 施 减少动力消耗 同时有利于人们的参 观游览 3水文水质模型介绍 为了更好地反映公园的水系特征和水 环境特征 预测水质的时空变化 根据公 园水系的特点 结合国内外模型的新进 展 拟建立二维水质 水动力学模型来进 行不同维护方案水量与污染物质浓度的 变化情况的模拟 在模型选择时综合考虑 模型的实用程度 数据可获取性和模型先 进性 最终确定的模型 水动力学为E F D C 模型 水质为WA S P模型 将E F D C和 WA S P进行耦合 搭建了本方案设计使用 的二维水动力学 水质模型 E F D C T h e E n v i r o n me n t a l F l u i d D y n a mi c sC o d e 是威廉玛丽大学 V I MS V i r g i n i aI n s t i t u t eo fMa r i n eS c i e n c ea t t h eC o l l e g eo fWi l l i a m a n dMa r y J o h n H a mr i c k教授开发的三维地表水模型 是 美国国家环保局 U S E P A 推荐的三维地 表水水动力模型 可实现河流 湖泊 水 库 湿地系统 河口和海洋等水体的水动 力学和水质模拟 是一个多参数有限差分 模型 E F D C模型在水平曲线正交网格 垂向S拉伸网格上求解静水力学 湍流平 均 方程 模 型 采 用Me l l o r Y a ma d a2 5 阶紊流闭合方程 根据需要可以分别进行 一维 二维和三维计算 WA S P模型是美国国家环保局开发 的水质模型 它的E U T R O模块适合模拟 以富营养化为主要水 质 问题 的 湖 泊 水 库 河湾等 E U T R O模块常被用于模拟分 析传统的污染物行为 包括D O B O D5 营 养物质和浮游植物等因子 这些变量构成 了4个相互作用的系统 浮游生物动态变 化 磷循环 氮循环和溶解氧平衡 图2 考虑到公园水系的规划水深较浅的特 点 以及日后面临的主要水质问题是水体 藻类生长和富营养化 本次模拟在水动力 学计算中利用E F D C的二维计算功能 在 水质 计 算 中采 用WA S P模型 的E U T R O 模块进行 图3 4水质模拟与方案选择 4 1模型概化 要使用水文水质模型进行模拟计算 需要对规划水系进行空间概化和边界条 件的界定 根据湖体的几何形状和湖底的 高程 并考虑水系的面积 连接关系 水文 特征等具体情况 将主湖网格化为5 5 6个 单元格 鉴于公园水系为浅水水系 垂直 方向不再分层 模型二维概化的结果如 图 4 所示 根据湖体周边的规划地形和人为分界 线 如道路 河道等 利用G I S分析工具 划分和识别湖体的自然汇水区 并进行水 体的水量平衡计算 平衡关系式可表示 为 W Q g Q r q 1 q2 q3 式中 W 年需水量 Q g 主湖内绿 地的需水量 Q r 湖底渗透量 q 1 蒸发水 量 q 2 水面降水量 q3 地表径流量 选择适合公园水系的各个参数 进行 计算得到水量平衡计算表 表1 通过初步分析得到 如果利用再生水 直接进行补水 主湖水质指标将迅速恶化 主湖将面临藻类大量繁殖 水体产生恶臭 气味 水体发生富营养化的危险 因此 需要一定的工程措施来净化水 体 其中可行措施包括 对再生水进行深度 处理 提高进入湖体的再生水水质 湖内水 体再经过湿地循环净化 严格控制面源污 染进入湖内 提高湖体自净能力等 考虑 到技术的可行性 实施的难易程度以及维 护费用等因素 首先考虑通过复合湿地系 统的构建提高湿地的去除效率 优化入湖 水质 并对湖内的水体进行循环净化 调 整循环水量进行方案的模拟 图1奥林匹克森林公园水系总体规划 2 3 中国园林 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 合计 蒸发量 1 4 1 7 3 4 5 8 7 2 6 8 4 9 4 1 3 8 3 1 1 9 1 3 4 5 4 绿地需水量 0 0 0 0 5 0 5 0 5 0 5 8 6 2 6 2 5 8 5 0 5 0 0 0 4 9 0 主湖渗透量 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 6 0 地表径流量 0 1 0 2 0 4 0 9 1 5 3 4 8 1 7 0 2 0 1 0 0 3 0 1 2 5 0 水面降水量 0 1 0 2 0 3 0 7 1 1 2 5 5 8 5 0 1 4 0 7 0 2 0 1 1 8 1 总需水量 1 7 1 8 8 2 9 8 1 0 2 4 9 0 0 0 0 5 5 7 0 6 9 1 6 5 7 6 表1公园主湖水量平衡计算表 单位 万m3 对 表2 的4个情景进行模拟 对再生 水中超标比较严重的总氮指标进行了比 较 得出如下结论 1 如果使用深度处理的再生水补水 总体水质处于比较好的水平 但是由于雨 季有暴雨径流的输入 湖水的总氮 总磷 浓度有每年逐渐升高的趋势 2 正常年份 通过循环量的调节 得 出当3 1 1月每月循环3 0天 每天循环湖 水1万m3时 每年通过地表径流和天然 降雨进入湖内的总氮 总磷等污染物将基 本被湿地系统去除 湖内的总氮 总磷浓 度保持在比较稳定的水平 4 2推荐情景结论 经过多次的情景调整和模拟计算 得 到的推荐情景为再生水经过多级湿地处 理补水并在3 1 1月进行1万m3 d的湖 水循环处理 该情景有以下几点结论 1 在当前模拟条件下 湖水水质指标 处在I I I I V类水平 2 水体循环净化处理对水质改善有 积极的作用 特别是去除由于地表径流进 入湖体的营养物质 3 在雨季 由于周边径流的影响 局 部地区的水质会有一定的波动变化 4 叶绿素浓度处在中营养水平 不易 发生富营养化 另外 在模拟过程还发现在湖体中存 在一些水质的 死区 特别是暴雨径流入 水口 图5 在这些地方需要采取一定的工 程措施 以防止局部地区的水质恶化 同时也可以考虑将灌溉取水口尽量 设置在这些位置 以加速该区域的水体交 换 防止水质的局部恶化 5推荐方案工程设计 5 1工艺流程 根据模拟结果 选择推荐情景进行工 程设计 根据方案设计条件 结合实际的 地形和景观的需要 设计维护方案的处理 工艺流程如 图6 所示 清河再生水厂的再生水通过市政管道 到达主湖后 部分再生水 6 0 0 m3 d 进入展 示温室 主要用于展示先进的水处理技术 并起到更好的生态示范和教育的功能 图2水质模拟反应动力 学关系图 图3森林公园水质模拟 与技术方案选择技 术路线 图4湖体高程以及网格 概化图 23 4 m 2 4 中国园林 情景名称 深度处理再生水补水 再生水补水 不循环 再生水补水 每月2 0天循环 再生水补水 每月3 0天循环 情景描述 使用深度处理的再生水补充湖水 再生水经过复合湿地系统处理后补充湖水 再生水经过复合湿地系统处理后补充湖水 每月2 0天进行湖水循环 循环水量为1万m3 d 再生水经过复合湿地系统处理后补充湖水 每月3 0天进行湖水循环 循环水量为1万m3 d 表2调整情景列表 图5水质 死区 示意图 图6南区水维护方案处理工艺流程 图7南区湿地系统总平面图 5 6 7 利用多种水处理技术进行处理 之后 进入表面流湿地 另外一部分再生水 约26 0 0 m3 d 进入潜流湿地进行处 理 然后进入植物氧化塘 在植物氧化 塘和跌水花台之间建立内部循环系统 从植物氧化塘中提升部分水进入跌水 花台 以达到景观效果 同时起到一部 分净化水体的作用 循环水通过提升泵站首先进入潜 流湿地进行处理 然后与植物氧化塘的 出水共同进入生态氧化塘 最后通过生 物功能区进入湖体 循环水量根据主湖 水质的实际情况在1 2万m3 d进行 调节 5 2平面布局设计 根据场地条件 推荐方案的湿地系 统布局如 图7 在 该 方 案 中 总 湿 地 面 积 为 1 2 4 8 h m2 其 中 垂 直 潜 流 湿 地 为 4 5 h m2 1 5 h m2用于处理再生水 3 h m2 用 于 处 理 循 环 水 展 示 温 室 为 0 1 5 h m2 表面流湿地为0 3 4 h m2 表面 流跌水湿地为1 2 9 h m2 植物氧化塘为 1 1 5 h m2 生态氧化塘为2 h m2 生物功 能区为3 0 5 h m2 通过多种湿地和处理 工艺的配合 构建一个复合 稳定的水 处理和维护系统 图8 9 5 3湖内生态维护 通过以上设计构建的复合水处理 系统是维护主湖水系的一个重要环节 但从根本上讲 还需要构建湖体内部的 多种生态群落和复杂生态系统 以提高 湖体的自净能力 提高湖体本身对水质 的稳定和缓冲能力 才能从本质上保障 主湖水系的水质能维持在一个比较好 的水平 根据湖体的水深 基底等环境条 件 在湖边种植不同的植物群落 表3 通过不同的植物群落构建一个复杂的 生态系统 利用植物的吸收稳定水质 2 5 中国园林 作者简介 佟庆远 1 9 7 9年生 男 辽宁 人 毕业于清华大学 北京清华 城市规划设计研究院环境与市 政所副所长 研究方向为环境规 划 水系模拟 北京1 0 0 0 8 4 赵冬泉 1 9 7 8年生 男 甘肃 兰州人 毕业于清华大学 北京 清华城市规划设计研究院环境 与市政所技术主管 研究方向为 水系模拟 G I S应用和开发 北京 1 0 0 0 8 4 胡洁 1 9 6 0年生 男 北京 人 毕 业 于 美 国 伊 利 诺 大 学 U r b a n a C h a mp a i g n分校 北京 清华城市规划设计研究院景观 园林设计所所长 研究方向为风 景园林规划设计 北京1 0 0 0 8 4 表3 植物群落环境条件 建群种伴生种 群落构成 湖滨植物群落构建模式 群落一 群落二 群落三 群落四 芦苇群落 水葱群落 荆三棱群落 静 水 湖 泡 基 底 为 泥 底 水 深 达 1 0 0 1 5 0 c m 开阔静水水体 水深1 m以上 水深7 0 1 2 0 c m 开阔静水水体中 水深1 0 0 2 0 0 c m 水深在2 0 c m以上 水位稍浅 水深约5 0 c m 水位较浅 靠近岸边 穗状狐尾藻 My r i o p h y l l u m s p i c a t u m 龙 须眼子菜 P o t a mo g e t o n p e c t i n a t u s 荇菜 N y mp h o i d e sp e l t a t m 狭叶香蒲 芦苇 P h r a g mi t e sa u s t r a l i s 菰 Z i z a n i ac a d u c i f l o r a 香蒲 芦苇 水葱 荆三棱 狭叶香蒲 T y p h aa n g u s t i f o l i a 睡莲 N y mp h a e ah y b r i d a 浮萍 L e mn ami n o r 龙须眼子菜 两 栖 蓼 P o l y g o n u m a mp h i b i u m 睡 莲 小 慈 姑 S a g i t t a r i a n a t a n s 槐叶萍 S a l v i n i an a t a n s 狐尾藻 My r i o p h y l l u m v e r t i c i l l a t u m 茨藻 N a j