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    山地环境中拟自然水景参数化设计研究

    关键词:风景园林;山地环境;参数化;拟自然;水景设计

    Key words:landscape architecture; mountain environment; parametric; imitating natural; waterscape design

    摘要:科学地调蓄水资源,实现地表水资源保护与景观营造的双赢,是景园规划设计重要的议题。参数化方法的引入使得拟自然水景的设计过程更加可控与精准,不仅可以满足山地水景观设计的多目标,而且有助于实现可持续、减量化设计。针对山地环境,重点探讨了参数化机制与拟自然水景的模型构建,并以南京牛首山景区北部片区的工程实践为例,研讨参数化拟自然水景模型的应用。

    Abstract:It is an important issue in landscape planning and design to regulate water resources scientifically and achieve a win-win situation of surface water resources protection and landscape construction. The introduction of parametric method makes imitating natural waterscape design process more controllable and accurate. And it not only can satisfy the multi-objective of waterscape design in mountain environment, but also helps in achieving sustainable and minimization design. In view of mountain environment, this paper focuses on the parameterized mechanism and imitating natural waterscape model. And taking the engineering practice of northern area in Nanjing Niushou Mountain Scenic Area as an example, it discusses the application of parameterized model of imitating natural waterscape.

    内容:人类对“水”有着特殊的感情,不仅生产生活离不开水,而且在人类历史发展过程中形成了对“水”的审美积淀。古今中外,水景营造一直是风景园林设计的重要组成。从秦始皇引渭河入兰池,到颐和园昆明湖引玉泉山泉水入园,中国古代的造园家们通过巧妙地利用自然,以营造山水相依的自然式景观。“湖光秋月两相和,潭面无风镜未磨”①,中国历代诗人写下了无数描写水景观的诗句,“水”已深深地根植于中国景园文化体系。
    除了审美、文化方面的意义,水景观之于景园规划设计具有重要的生态意义。城市“海绵体”除包括了河、湖、池塘等水系,也涵盖了绿地、花园、可渗透铺装面这样的城市基础设施。而景园规划设计不局限于建成环境,更包括风景环境在内。在景观环境中永久或临时的水体均有着极其重要的生态价值。一方面水体的存在,尤其是由一系列水体所形成的水系能够对集水区内降水进行收集,在无降水期间将水缓慢释放至周边土壤,调节水量平衡;另一方面,水系良好的调蓄作用能够缓解突发性大量降水产生的瞬时地表径流,减缓对下游的冲击,在保持水土方面有着重要意义;此外,水陆交接带是生物多样性最为丰富的区域,水系的存在有助于维系良好生境。
    综上,水景观的营造之于风景环境在美学、生态学上均有着积极的意义。合理地调蓄水资源,实现水资源保护与景观营造的双赢,是当下景园规划设计中具有重要研究价值的课题。

    1  拟自然水景的营建
    1.1  拟自然水景的解读
    中国传统造园崇尚自然,以“源于自然,高于自然”为审美标准,也形成了包括拟自然水景在内的传统。哲学上将未经过人类改造的自然称为“第一自然”。“拟自然”则是指通过人工营造有如自然一样的景观环境。中国园林讲求“因地制宜”,拟自然水景观营造的重点在于“理”。潘谷西先生在《江南理景艺术》中说:“自然山水风景与‘园林之景’不同,不能人造,只能以利用为主……‘理’者,治理也。[1]”所谓“理水”便指的是就现有的山之形,水之势,因势利导,通过梳理形成新的水景观或优化原有的水景观。“拟自然水景”有着形式与规律的双重意义。首先,从形式上看,拟自然水景营造是通过人工的作用以形成自然形态的水景要素,如泉、潭、池、瀑、溪、汀、渚、滩、河、湖等,这些水体与要素共同构成了自然水系;其次,就规律而言,水景的营造需要通过人为的有限干预生成拟自然的水生态系统,即遵循自然规律形成具有自我维系能力的水景环境。
    1.2  拟自然水景的多义性
    在风景环境中拟自然水景的营造对于整个区域而言不仅有着积极的生态学价值,而且能够通过蓄积和缓释的过程实现区域水资源的调节与优化,既缓解了缺水又能够有效避免水量过大。将人工营造的水景纳入自然的系统,有助于维持区域水系的完整性和系统性。同时水系的生成还可以优化区域内水体的分布状况,合理调配水资源。此外,集约化思维在拟自然水景的营造中有着重要的意义。从研究场所出发,通过对地形地貌、水文条件等现状因素的分析,因地制宜、顺应地形,减少对于自然环境的干预。经过“分析—控制—优化”的过程,最大限度的利用现存的条件生成拟自然态的水景观。实现景观形态与生态保护、工程合理与经济的多赢,因而拟自然水景的营造具有满足多目标的意义。
    1.3  拟自然水景的设计述要
    拟自然水体与天然水体的形成原理相同,需要有地形与水源的配合,水体的形成需要有天然的洼地、人工筑坝、挖掘形成的闭合凹陷区域(图1)。从保护环境与控制工程量出发,在水文分析的基础上,选取地表径流汇集区域,通过合理挖方与筑坝的方式存蓄水,实现最低限度的环境扰动基础上生成水体。山地环境拟自然水景的补给水源以自然降水形成的地表径流为主,辅以地下径流。在池盆洼地储水能力一定的情况下,水源的补给量决定了蓄水容积。此外,“水本无形,因势成之”,故而水体形态是水景观营造的另一重点。水体形态与淹没线紧密相关,由于自然地形的起伏多变,不同水位淹没线对应的水体形态各异。由此,拟自然水景的营造存在着三大要点:汇水量、工程量与水体形态。
    自然状态下水景观并不是独立存在的,而是互相关联成为一个“水网系统”。水系的营造需要依径流方向分级生成,上一级富余的水量随着高差流向下一级水体。从上文的分析能够看出,水位、水量及地形共同决定了水体形态,由此三者之间存在着联动的关系。人工干预下的“水体”生成主要依靠“筑坝”来实现,而坝的高度又与水位紧密相关。故而水量、工程量与形态之间产生了一种动态的关联,因此拟自然水景观的营造是一项系统工程。

    2  拟自然水景的参数化模型构建
    于山地环境中营造拟自然水景,通常面对的是较大尺度的区域,GIS软件的水文分析工具能够有效支撑相关分析工作。这一过程可分解为:降水量计算—集水区分析—汇水量计算—筑坝位置选择—坝高计算—水体形态的生成。在拟自然水景的生成过程中,降水量、汇水量、坝高、水体形态等作为一系列参数参与整个运算过程,同时这些参数又互相联动,互为因果。图2展示了拟自然水体参数化设计框图,体现设计过程以及各参数之间的逻辑关联。
    2.1  汇水区分析
    拟自然水景强调利用自然降水,因而关于汇水面积、分水线、径流线、汇水区域的研究为首要。结合汇水区域天然或人工生成池盆洼地,通过沟渠、池塘等水体蓄积地表水。其中主要涉及要素有径流、盆域与倾泻点(图3)。
    2.2  水景的选址
    地表径流网络不均质地分布于景园规划设计的整个场所,需要结合设计需求及现状地形条件选择适宜的水景营造位置。根据径流网络图分析水体存在的可能性,在可能的条件下充分利用地形选择合理的筑坝位置。对应于参数化拟自然水景设计模型,主要涉及要素有:坝址、集水区。
    2.3  水量的估算
    在水文学中,降水在重力的作用下,除直接蒸发、植物截留、渗入地下、填充洼地外沿地表或地下流动的水流称之为径流。由降雨到径流一般分解为产流和汇流2个过程。降水达到地表后,进入水体的先后顺序依次为:水面降雨、地表径流、地下径流、地下水。其中,扣除降水损失的部分,剩下的能够形成地表径流及地下径流的部分为净雨,净雨的水量与径流量是相等的,不同的只是两者形成的时间各有差异。由上述可知,在径流的形成过程中,由于截留及蒸发会导致水量的损耗,因而降水总量难以全部供给成为水景营造的水量。主要涉及要素有:集水区降水总量、损耗量。
    2.4  坝高的推算
    人工营造拟自然水景需要通过筑坝的方式生成池盆洼地,当坝体与常水位等高时,上游水会向下游倾泻,形成瀑布、跌水等水景观。通过上一步的计算可得到集水区汇集的能够用于水景营造的水量,即为最大的水体体积。该体积对应的坝顶标高即为该水体最大可能水位。为了保证水景的常年有水,坝顶标高不应超越拟定常水位。由体积公式:V=S·h反映了体积一定时,水面面积与坝高之间的关系。ArcGIS软件提供了“表面体积”计算工具,将地形以及坝高作为参数输入该工具,能够计算得出对应的水体体积。不同的坝高对应了各不相同的水面形态,水体形态的优美与否是判断水景观营造成功的重要指标,故而在水量一定的约束下,坝高的最终确定需要建立在水体形态评价的基础之上,由此坝高、水量与水体形态三者之间形成了参数化的动态关联。
    2.5  水体形态的模拟
    由于地形的不均质变化,所以不同水位对应的水面形态必然不同。拟自然水体的生成需要多参数的集约化设计,基于最大水量,结合坝体高度控制与水面形态优选,通过动态关联与多方案比较优化,确定适宜的坝体高程与水面形态。

    3  拟自然水景参数化设计实践
    牛首山位于南京市南部,属宁镇山脉西段中的南分支,也是沿长江低山丘陵的一部分。牛首山自古便是著名的踏青赏花胜地,“牛首烟岚”为“金陵四十八景”之一。不仅自然风光秀丽,而且牛首山蕴含着丰富的历史文化资源,是禅宗的一支——“牛头宗”的祖庭所在。本文以南京牛首山景区北部地区拟自然水景设计为例,详细论述拟自然水景参数化设计机制。
    3.1  汇水区分析
    1)径流分析。
    利用数字高程模型(DEM),GIS软件能够分析出整个场地地表径流汇集的“水网”,根据阈值设定可调控径流网络的密度。径流分析对于拟自然水景营造的意义在于能够清晰地展示设计场所中的径流分布情况,同时为判断径流在径流网络中的等级提供直观的图示,为下一步的分析和设计做好准备。经由比较,选取阈值为2 000时生成的径流网络作为径流分析的结果。在径流网络确定的基础上,根据参数化拟自然水景营造模型,需要对径流网络中的各段径流进行分级,为坝址的选择及汇水量的计算做好准备工作。本文采取什里夫(Shreve)河流分级法[2]对径流网络进行分级。图4展示了径流分级的结果,图中由冷色到暖色体现了径流的等级程度,并以数字标出了各径流的等级,暖色部分代表了较高等级的径流,其所承接的水量为上级所有径流水量的总和,故而水量较大。
    2)集水区分析。
    集水区是收集水的区域,又称为集水盆地、流域,与地形有着紧密的关联。通过集水区的分析可知拟自然水景所位于的流域,进而得出这一集水区域的面积,这也是汇水量计算的依据。利用GIS软件,将地形栅格、流向栅格、流量栅格分别作为参数输入运算,可得到如图5-1所示的径流盆域及集水区分析图。该图反映出整个场地的盆域划分,及每支径流所对应的集水区,为水景观营造的定位提供依据。结合图5-2可看出,编号为2~5的4个盆域的径流网络较为完整,汇水区面积较大,所对应的汇水量也较大,故而存在营造景观水系的良好条件。盆域4位于山间谷地,径流网络状况良好,但现仅有零散的小型水面存在,因而具有进一步梳理形成景观水系的可能。同时结合规划设计构思及分区定位,本区域被定位为“禅文化”主题,通过山间潺潺溪流的以寓意“梵音”。经过以上的分析及与规划设计的耦合,选择盆域4作为拟自然水景观的营造场所。
    3.2  水体的选址
    确定盆域之后,通过查询选定盆域的属性信息,利用GIS中按属性提取工具,将选定盆域从规划区域的盆域栅格中提取。通过对选定盆域内径流位置与等高线的判读能够初步筛选出具有形成水面潜质的区域。图6中黄色圈定的范围展示了一处具有潜质的区域:位于山脊之间的谷地,四周围合较好,天然形成了一个不闭合的盆地区域,西南侧地势较高,东北侧地势低,故而出水口位于东北一侧。倾泻点又称为出水点,是流域内水流的出口,也是整个流域的最低处。倾泻点的定位为人工筑坝的选址提供了参考。每段径流均存在起始点和终止点,终止点同时又为2个径流段的连接点。通过对径流连接的分析能够得出整个区域范围内径流网络的所有起始点、终止点及倾泻点,即径流的节点。依据径流的倾泻点分析,可得到图中所示A、B、C、D 4处可能的筑坝位置。4点均位于较高等级的径流位置,保证了水量的供给要求。其中A处位于盆地边缘,如若形成水面,则水面将向盆地的西南侧移动,但西南侧地形变化较大,形成的水面较为局促;B点位于盆地中地势较为平缓的部分,四周地形围合较弱,如若在此筑坝工程量相对较大;C处与B处的劣势基本相同,故而排除;D处位于盆地的东北地势较低处,四周地形围合较好,且与前3处相比径流量更大,代表所能汇集的水量更大,同时能够充分利用盆地地形生成水面,位置较为有利,故而选择D处为坝址。在坝址确定的基础上,提取有效汇水的径流所对应的集水区D。根据径流网络的分级原理,坝址所在径流的上游径流水量均为该径流的水量来源。据此,所提取的集水区D范围为上游各径流的集水区域之和(图7)。
    3.3  水量的估算
    到达地面的降水主要由4部分组成:一部分被植被表面拦截,这个过程称为截留;一部分直接被土壤吸收,这个过程被称为渗透;另外有部分被储存在地表一些小的凹地及洼地内,这一过程称为洼地蓄水;剩余部分雨水沿地表流动,生成地表径流,最后汇集到沟道、河流和池塘等水体之中。水文循环是一个高度复杂的非线性系统,降雨径流的形成过程受多种因素的影响与制约,同样也是一个极为复杂的非线性过程。在水文学的研究中通过构建水文模型对水文现象进行模拟和计算,并对不同的水文过程进行模型的细分,已有大量成果,但已超出了本文的研究范畴。针对本文的研究,采取简化的方法对集水区的汇水量进行估算,即将降水量扣除植物截留及土壤入渗后利用系数,计算公式如下[3]:


    式中:W为可利用的水量;k、m分别为第i种土地利用类型的集水区下垫面径流系数和径流折减系数;A为第i种土地利用类型的集水区面积(m2); P为多年平均降水深(mm)。根据牛首山地区观测资料及实际情况,估算得出坝址D的汇水量为80 423.1m3。
    3.4  形态的模拟与坝高的确定
    “库容曲线”表示的是水库水位与其相应库容关系的曲线。本文的研究中“库容曲线”对应是池盆洼地蓄水的坝顶标高及蓄水体积之间的关系曲线,纵坐标指代坝顶标高,横坐标指明蓄水体积。利用ArcGIS软件可通过构建不规则三角网(TIN)数字高程模型,输入参数基于既有函数模型实现库容的计算。本文采取逼近法,建立库容曲线,逆向估算坝高的阀值(图8)。由坝址D的汇水量可得坝顶标高为66.8m,即最大筑坝标高。以66.8m坝顶标高为限,在GIS软件中对于不同坝高对应的水面形态进行模拟。自汉代起,中国古人已对自然水景的形态有具体而微的描述。在近现代的湖泊科学研究中,对以湖泊为代表的水体形态描述,目前较常用的参数有面积、水深、容积、湖长、湖宽、湖岸线长度、岸线发展系数、岛屿率、湖盆坡降等[4]。除岸线发展(发育)系数、近圆率、形状率、紧凑度等欧式几何形态指标,分形维数也常用于水体形态的评价。选取以上评价要素对不同坝高生成水体形态进行比较,筛选出较为理想的水体形态,进而确定最终的坝高。
    3.5  水系的生成
    对应于盆域4,第一级营造的水体确定后,便可利用参数化拟自然水景模型进行下一级水体的设计工作。需要注意的是,就下一级水体而言,其所能利用的水量为集水区内汇集与承接上一级水体倾泻的水量之和。由此可见,水系的营造过程是一个依据盆域高程由高向低逐级推进的过程,水系中所形成的池、沼、塘、湖之间由水量为纽带,存在着紧密的关联。图9展示了牛首山景区北部地区运用参数化拟自然水景模型进行水景营造的水系透视图。依托于参数化的分析与计算,原本被直接排入周边城市管网的降水得以蓄积。该水系由3个不同高程的较大水面及溪流、跌水组成,在水量的估算与调控下,能够确保常年有水。该项目已竣工一年有余,水体形态自然优美,水声潺潺,水系生态系统已基本稳定,与周边自然山体环境融为一体,且不需要人工加以维护,真正实现了设计全过程的可持续(图10)。

    4  结语
    “山因水活,水随山绕”,山水构成了中国景园文化的核心。水景观的营造之于风景环境设计而言,具有审美、生态、文化等诸多层面的重要意义。通过拟自然水景参数化模型的构建与运用,使水景设计过程更加可控、可靠与精准,从而为水景观的营造提供了科学的支撑,实现水景设计将“理性的知觉与感性的直觉”有机结合。

    注:文中图片均由作者提供。


    参考文献:
    [1] 潘谷西.江南理景艺术[M].南京:东南大学出版社,2001:1.
    [2] Shreve R L. Statistical law of stream number[J]. Journal of Geology, 1966, 74: 17-37.
    [3] 董杨.川中丘陵区小流域雨水资源化潜力分析与计算[J].人民长江,2013(9):9.
    [4] 窦鸿身,姜加虎.中国五大淡水湖[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2003:11.

    (编辑/王媛媛)