水文學知識介入風景園林設計的空間機制分析框架

岳邦瑞 錢芝弘 姚龍杰

風景園林設計離不開對水文學知識的研究與應用，如何將現代水文學新理論、新方法有效應用到風景園林設計中是尚待解決的問題。水文學的研究目標、范式、內容和體系均與風景園林學存在顯著差異，雖然已有不少水文學知識和技術方法被應用在風景園林設計中，但是缺乏從2個學科的核心內容和底層邏輯出發，能夠在學科之間搭建起橋梁的分析框架。此外，對水文學知識缺乏機制層面的理解可能導致知識的誤用。因此，本文引入“空間機制”概念，即特定景觀空間與景觀功能之間存在的因果關系，并提出空間機制分析框架，探索水文學知識轉譯并應用于風景園林設計的途徑。

地表空間和生態系統之間存在2類關系：依隨生態規律自然形成的空間關系，以及依隨既定空間出現的生態關系。風景園林設計是通過調整景觀空間來改變生態關系，因此明確何種景觀空間模式與何種生態機制相關聯是提出合理設計方案的前提[1]，而水文學、生態學等自然科學知識是認知此關聯的關鍵。在水文學的相關研究中，關于人類活動產生水文效應的研究，揭示了土地利用、覆被變化、水利工程等活動對水文過程的影響機制；關于生態水文的研究，揭示了水文過程與生態過程的作用機制，以及其對生態功能產生的影響。風景園林師需要對這些知識進行篩選、整合，并轉化為能夠直接指導空間營建的設計語言。因此，本研究提出將水文學知識轉譯為空間設計語言的“景觀空間變量-水文要素變量-景觀功能變量”分析框架，以期為水文學知識介入風景園林設計提供有效的媒介。

1 水文學知識在風景園林設計中的應用困境

1.1 水文學知識及其與風景園林設計的關系

現代水文學知識體系是在傳統水文學與多學科融合及相關技術發展的基礎上形成的(表1)，包含眾多分支學科。主要研究內容包括：1)揭示自然界中水的形態、演化、分布、運動和質量等規律；2)分析水與自然環境和人類社會的關系及其之間的相互作用；3)探討水資源開發利用與水環境保護等問題[2]2。

表1 水文學學科分類[2]3-4

許多風景園林設計實踐都需要來自不同分支學科的水文學知識作為支撐。如在海綿城市建設中，在設計與布局雨水花園、透水鋪裝和下沉綠地等設施時，需要通過水文模擬技術預測設計方案對場地水文過程的影響；在河流生態修復設計中，需要針對不同季節河流水文特征的分析、計算和產生的生態效應展開研究，確定修復目標及景觀設計策略；在濕地景觀設計中，需要通過水文過程模擬、生態水文效應分析等方法，確定水體、植被、地形等設計要素的空間特征與布局；在河口濕地、干旱區公園綠地等特殊區域的風景園林設計中，需要基于相應區域的水文特征研究提出設計策略。雖然風景園林設計所需的涉水知識不限于水文學，但水文學知識是其中應用最基礎和最廣泛的。

1.2 將水文學知識應用于風景園林設計實踐的困境

在人類營建理想家園和營造詩意風景時[3]，如古城、村落的選址布局，公園綠地和古典園林的水景營建，以及水利工程、風景名勝區的規劃設計等，都將水文、水利的知識和技術與規劃設計進行了融合。當前，城市雨洪管理、水系生態修復、濕地公園設計等已成為將水文學知識運用于風景園林設計的主要實踐領域，但在應用過程中仍存在諸多困境，主要表現如下。

1)水文學學科的思考方式和術語表達方式與風景園林學不一致?！八膶W語言”體系包括大量術語、定理、公式、理論與方法，而風景園林設計有自己的“空間設計語言”體系，即景觀設計要素的組合和空間布局等，2類語言存在本質上的差別。水文學研究注重水文循環的物理過程，在研究水文問題時會將一些景觀要素，如植物，用地表特征參數表征。例如，在分析河流水文過程時，會將河道中的植物當作粗糙系數考慮[4]。只有將景觀設計要素的空間特征、組織布局與粗糙系數、滲透系數等水文學語言相結合，才能夠借助水文學定理和公式等進行風景園林設計。由此，一些風景園林領域專家提出了景觀水文理念，倡導專業的對接與協作，包括知識、原理、技術、標準和手段等，目的是激發創新思維與手段以解決現實問題。其核心要求是深入景觀系統內部，從景觀的整體視角理解水文現象，按照水文規律從事設計實踐[5]，而這需要深入到機制層面展開研究。

2)水文模型種類多樣且設計實踐對水文計算的要求逐漸提升。風景園林設計研究中經常需要進行水文模擬，通過一系列景觀空間變量來刻畫不同設計方案，進而模擬不同方案對區域產匯流、入滲、排水等水文過程的影響[5]。隨著技術的進步，水文模型種類趨于多樣化、復雜化。要實現對水文模擬技術的靈活應用具有一定難度，需要從模型背后的水文原理著手，了解景觀空間、水文過程及功能之間的關系(即空間機制)，從而更準確地應用水文模型，并對結果可能存在的不確定性有充分認知。

綜上，如何分析水文學知識中蘊藏的空間機制，并將其轉譯為風景園林設計語言，成為其應用于風景園林設計的關鍵。

2 水文學知識應用于風景園林設計的分析框架

2.1 空間機制分析路徑

以函數關系式y=f(x)的變量思維來看，風景園林設計是通過設計塑造景觀空間(自變量x)來實現景觀功能(因變量y)，空間機制研究就是要找出景觀空間與功能之間的“f”，即因果關系[6]。

景觀空間是由各種類型、大小、數量、位置和形狀的風景園林設計要素以特定方式組合而成，是自然、人文過程的載體。這些自然、人文過程中包含了眾多塑造空間的動因和驅動力，二者相互作用，驅動著景觀的整體變化，并呈現出一定的功能特征[7]，當功能與人類需求相關聯，就產生了能夠為人類提供福祉的景觀服務[8]。作為空間意義上的自然-人文復合系統，風景園林同時具有生態功能和社會文化功能[9]，其設計目標往往就是實現特定的景觀功能。但景觀空間與功能之間的因果關系通常是非顯性的(圖1)，需要通過篩選與整合其他學科知識和進一步分析來認知。

圖1 景觀空間與功能之間的因果關系黑箱

引入“自然過程”可打開部分景觀空間與功能之間關系的“黑箱”，能夠建立起二者之間的邏輯關系。自然科學領域的觀測、實驗及模擬研究，已經為景觀空間與自然過程之間的邏輯或定量關系的認知奠定了基礎。本研究選擇與水文過程相關的水文學知識展開轉譯，以期為其他與自然過程相關的知識轉譯提供參照。這些知識須能夠反映景觀設計要素的空間組織、自然過程和景觀功能彼此之間的某種作用關系，將這些知識以特定的方式組合，以期分析特定情景下的空間機制。

2.2 空間機制分析框架

引入水文過程的相關研究可打開景觀空間與涉水景觀功能之間因果關系的“黑箱”。水文過程與生態水文過程①是水文學、生態水文學、河流生態學等領域的重要研究內容，形成的理論、原理等可被引入風景園林設計研究。

在實踐中，通過風景園林設計調控水文過程，不僅可以直接提升雨洪調蓄、水源涵養等功能，而且可以對生態過程產生影響，能夠幫助重塑生境、控制植被群落，以及調整、配置景觀中的“流”(包括營養物、污染物、礦物質、有機質等)[4]，間接達到提升生物多樣性、凈化水質等目的。例如，“海綿城市”建設的目標就是實現水文過程的動態管理與調控，水文學知識就是奠定其理論和實踐的基礎[10]。

整合水文學知識，通過“景觀空間變量-水文要素變量-景觀功能變量”框架進行空間機制分析，可將其轉譯為風景園林設計語言(圖2)?？蚣苤械摹八囊刈兞俊笔潜碚魉倪^程的重要變量，包括降雨量、蒸發量、水位、流速、流量、水溫、含沙量、冰凌和水質等用以描述水文情勢的物理量，是水文過程模擬與調控的關鍵對象[10-11]。景觀空間變化對水文過程的影響，以及水文過程與景觀功能之間的關系，是該分析框架的2個關鍵部分，也是提出風景園林設計策略的重要依據。

圖2 以河流廊道景觀設計為例的空間機制分析路徑

3 空間機制分析框架的應用——以河流流速相關知識在河流廊道景觀設計中的應用為例

3.1 河流流速計算公式蘊含的空間變量分析

將水文學知識中涉及描述空間的變量篩選出來并轉化為空間語言，是空間機制分析的關鍵步驟。河流流速是表征河流水文過程的重要水文要素之一，受流域及河流廊道景觀格局的影響，會作用于生境供給、雨洪調蓄、水質凈化等多種景觀功能，其影響因素包括河流的地形地勢、平面形態、結構、寬度、水量、含沙量及風速，其中與空間相關的有地形地勢、平面形態、結構及寬度。

在沒有實測資料時，通過公式(1)可計算河流的平均流速[12]260。公式(1)中的變量R、s、n均能夠被轉譯為可指導設計的空間語言，轉譯過程如圖3所示。因此，通過設計調整河道景觀特征(圖4)，可改變河流流速。

圖4 河道空間變量示意

式中，v為河流流速，m/s；R為水力半徑，代表河水深度，指河流橫斷面面積(A)與河床內有水部分的斷面周長(P)的比值；s為河道的縱向坡度或傾斜度；n為河床基底粗糙系數。

由公式(1)可以推導出河流流速與河道空間變量之間的關系(圖5)：河道縱向坡度/傾斜度s(即河床比降)和河水深度(可表征水力半徑R)與河流流速v呈正比，而河床的粗糙系數n與河流流速v呈反比，且在同等比例下，河水深度對河流流速v的影響要略大于河道坡度的影響[12]261。此外，在水量一定的情況下，河道越寬，河水越淺；在高差一定的情況下，河道曲率越小，水流過境的總距離越短，河道坡度越大。因此，河流流速與河道曲率和河道寬度呈反比。圖4是簡化后的渠化河道示意圖，而自然和半自然河流廊道的河漫灘空間也會對河流流速產生影響。由此，通過河流流速與河流廊道空間變量的關系分析，可幫助實現水文水力學公式向風景園林設計語言的轉譯。

圖5 河流流速與河道空間變量的關系

3.2 受河流流速影響的景觀功能分析

河流廊道的景觀功能受多種水文要素變量影響，其中，受流速影響的功能主要有雨洪調蓄、生境供給、水質凈化、休閑游憩和侵蝕控制等(圖6)。

圖6 河流水文要素變量對景觀功能的影響

1)雨洪調蓄。

通過設計調整河流廊道景觀空間，可以改變河流流速，以提升防洪功能。研究發現，城市化帶來的不透水下墊面增加及排水管網的大量建設，導致地表集流速度加快；河道的渠化及裁彎取直減少了水流的滯留時間，使河流流速進一步增大。這些人類活動雖然在一定程度上提高了特定區段河道的過水能力，但在更大尺度上，若遇極端降水，整體匯流時間變短，易引發更嚴重的洪澇災害。此外，河流流速越高，河水在重力作用下產生的縱向推力、下切力和側向分力越強，若沖擊力、曳引力超出堤岸和河床砌體穩定臨界值，則會發生塌岸、堤防滑坡和坡面土壤侵蝕，破壞河道結構，沖毀植被，從而降低河道行洪能力，發生險情[13]?；诳臻g機制分析，可知在城市化程度較高的區域，通過拓寬河道、增設濱河濕地、恢復河流蜿蜒形態等景觀設計手段，能夠從整體上降低汛期的河流流速，進而降低由于流速過高而導致下游洪水泛濫的風險。

2)生境供給。

在河流生態修復設計中，通過改變河流廊道景觀空間特征，可以控制特定區域的河流流速，進而為關鍵保護物種提供適宜的棲息與繁衍生境。研究發現，河流流速的增加、河床基質的變化，以及物理、化學和生物污染物的增加等都可能對河流生物群產生影響[14-16]。例如，為適應城市河流流速的增加，蠑螈的繁殖模式會發生變化[17]；而一些耐受性低的物種，則可能數量減少或消失。在自然河流中，不同區域通常分布有不同流速特征的生境，能夠為不同生物種群提供適宜的生存環境。而在裁彎取直和渠化后的人工河流中，河流流速趨于均一化，無法提供多樣生境，導致河流生物多樣性降低。在人工河流的生態修復設計中，通過改變岸線形態、設置深潭淺灘等措施，能夠形成不同的流速環境，豐富河流廊道的生境類型。

3)水質凈化。

河流流速與水質關系密切，通過設計手段改變河流廊道景觀空間特征，控制特定區域的河流流速，可提升河流的水質凈化能力。從凈化機制來看，水體自凈作用包括物理凈化、化學凈化和生物凈化3類。河流流速越快，水流產生的能量越大，越容易發生河床侵蝕、泥沙遷移及污染物質的稀釋混合，沉淀作用也會被減弱?？梢?，較高的河流流速一方面促使產生擴散、混合、沉淀等物理作用，凈化水質；另一方面也使得河流侵蝕能力增強、泥沙遷移量增加，導致水中污染物質增加。此外，過低的流速會增加河流發生水華的風險，尤其是在污染物降解能力有限的渠化河道，水華會使河流水質惡化、水質凈化能力降低[18]。因此，通過河流廊道景觀設計控制流速以提升水質凈化能力，是一個較為復雜的過程，需要根據特定區域的自然條件選擇適宜的設計策略。

河流流速和其他水文要素變量共同影響河流廊道的多種景觀功能。在風景園林設計中，改變河流廊道景觀空間特征，控制流速以實現預設的景觀功能，往往離不開水文學知識的支撐。在河流流速與景觀功能關系分析中，流速對生境的影響是生態水文領域的核心研究內容；流速對防洪功能的影響研究需要基于水文與水利計算技術；流速對水質凈化能力的影響分析也需要引入環境水文學知識。綜上，關于河流流速和景觀功能變量之間的關系認知，需要水文學與其他學科的交叉研究作為支撐。

3.3 基于空間機制分析的多情景河流廊道景觀設計策略

風景園林設計通常以景觀功能目標為導向，以期找到最合理的設計策略，明確特定情景下景觀功能的提升目標，研究其與河流流速之間的關系，進而提出流速控制目標。根據河流流速與河流廊道空間變量關系的分析結果(圖5)，提出適宜的空間設計策略(表2)。在水文模擬技術及河流生態學、水文水利學等領域研究的支撐下，可以進一步實現設計策略的精準量化。

表2 不同景觀功能目標導向下的河流廊道景觀設計策略

1)情景1。

汛期過高的河流流速帶來的巨大沖刷力，會導致駁岸被侵蝕、河堤及濱水植被被沖毀。在此情景下，若要提升河流廊道防洪功能，削弱河水對駁岸的侵蝕，形成穩定生境，就需要降低最大河流流速。由圖5可知，拓寬河道、恢復濱河濕地、增加次級河道可有效降低流速。這些設計策略或使過水斷面加寬，或通過次級河道、濱河濕地分流，均能夠降低水深、減小水力半徑R以降低流速。

在洛杉磯河復興項目中(圖7)，為防洪和提升植被穩定性，控制河流流速成為河道改造的重要目標之一。在規劃設計中，針對子河段的生態修復設計策略包括：(1)以河道重塑的方式最大限度地拓寬河道；(2)在河道外恢復濕地并連接濕地與主河道；(3)利用新建的支流分流主河道水流；(4)將混凝土河底恢復為自然河底，并減緩河底坡度以降低流速，維護河床穩定[20]。

圖7 洛杉磯河復興項目中子河段修復設計項目

2)情景2。

自然河流中不同流速特征的環境不僅能為多種生物提供棲息地，還能形成類型豐富的景觀。然而，許多城市為達到防洪、排澇、引水等目的，將蜿蜒曲折的自然河流渠化，河道斷面被修整為矩形或梯形，導致生物棲息地環境及景觀效果單一化，生物多樣性被破壞。由圖5可知，河流寬度和河水深度會影響流速，因此通過生態修復設計將渠化河道改造為寬窄變化的河道并構建深潭淺灘，恢復具有不同流速特征的多種生境，可形成豐富的景觀效果。如在美國圣安東尼奧河濱水區設計和德國伊薩河慕尼黑段修復項目中，就采用了塑造深潭淺灘和加大局部河道寬度形成回水灣的設計策略[21]。

3)情景3。

水體缺氧是河水黑臭的根本原因之一，而較高的水流速度可促進上下層水體混合，使水體保持好氧狀態和良好的流動性，增強好氧微生物活力，使水體污染物得以凈化和稀釋。然而，在許多河流的中下游，河底縱向坡度變緩、河流流速減慢，使污染物富集，導致水體黑臭。根據圖5分析結果，河底縱向坡度的增加會提升河流流速。因此在上述情景的河流廊道景觀設計中，適當增加局部河段的河底縱坡，可提升河流水質凈化能力。如深圳新大河禾塘濕地公園就利用了水體高差，使水流速度增加，進而提升了水質凈化能力[19]62。

在生態修復實踐中，將河流水文情勢恢復到什么程度才能實現生態修復目標[22]，是河流生態學、水文學等領域需要深入研究的問題。而探究如何通過空間設計手段實現生態水文的恢復，提升特定景觀功能，則是風景園林師需要解決的關鍵問題。根據上述研究，可提出基于空間機制分析的水文學知識轉譯方法及將其應用于風景園林設計的途徑(圖8)，以期促使水文學知識更好地應用于風景園林設計實踐。

圖8 以空間機制分析為媒介的水文學知識轉譯及應用于風景園林設計的途徑

4 結語

本文依據空間機制分析路徑，提出水文學知識介入風景園林設計的分析框架，旨在建立起學科交叉的橋梁。首先，闡明水文學研究對風景園林涉水設計的意義及其應用瓶頸。其次，提出“景觀空間變量-水文要素變量-景觀功能變量”的空間機制分析框架。最后，以河流流速為例，基于水文學知識，分析河流流速與河流廊道景觀空間及防洪、生境供給、侵蝕控制和美景欣賞等功能間的關系。此框架為風景園林師理解水文現象提供了更加系統的分析工具。

在河流廊道景觀設計實踐中，涉及的水文要素還包括流量、水溫、泥沙含量等，景觀空間的優化也包含了流域、廊道、河段等多個尺度。本研究僅以“河流廊道空間變量-河流流速-景觀功能變量”之間關系的解析為例展開論述，用到的知識也僅有河流流速計算公式及部分生態水文知識，由此提出的水文學知識轉譯及應用于風景園林設計的途徑是否具有廣泛適用性，尚需進一步深入研究。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。

致謝：感謝西安建筑科技大學建筑學院王丁冉老師，蘭澤青、王敬儒、潘衛濤、王蓓、費凡、朱宗斌博士研究生在本文寫作過程中給予的幫助。

注釋：

①生態水文過程是指水文過程與生物動力過程之間的功能關系，是揭示生態格局和生態過程變化水文機理的關鍵，包括生態水文物理、化學過程及其生態效應[4]，是生物多樣性維持、水質凈化、土壤保持、侵蝕控制等功能產生的基礎。