论城市河湖水环境工程设计中功能与形式的辩证统一

2020-08-22井向阳

中国农村水利水电 2020年8期

井向阳

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072；2.四川省城市水环境工程治理技术研究中心，成都 610072)

建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计；面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势，必须树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，走可持续发展道路[1]。

城市水环境工程是生态文明建设的重要组成部分。近年来，我国实施了一大批城市河湖水环境项目，如贵阳南明河水环境综合整治工程、北京六海清淤工程、东太湖综合整治工程、成都兴隆湖综合治理工程、西昌东西海三河水环境综合整治工程、深圳茅洲河流域水环境综合整治工程等。然而，在当前的城市水环境工程建设中，传统的以水工结构为核心的工程设计思想和方法，正在遭受着日益强烈的质疑和挑战，表现出了诸多的不适应性[2,3]。

本文从涉水工程建筑物的功能与形式的关系出发，融入治水新思想，系统地研究了现状工程设计中存在的问题，进而探索出了一种新的河湖水环境工程设计思想与方法，并规划、设计了相应的技术路线与措施。

1 城市河湖水环境工程的起源与发展

城市河湖水环境工程起源于传统水利工程，是水利工程在新时期的表现形式之一。总结我国水利工程的发展过程，可以分为4个阶段。

1.1 传统水利工程时期

在原始社会时期和封建社会时期，水利工程的目的主要有3个：①解决最基本的人类生存问题，如上古时期的“大禹治水”、封建社会时期的“治黄”工程等[4]；②解决农耕用水问题，如春秋战国时期的都江堰、郑国渠等[5]；③解决航运问题，如京杭大运河、灵渠等[6]。

1.2 近代水利工程时期

清朝末年至民国时期，随着西方的一些科学技术传入中国，其中包括一些先进的水利工程技术、测绘技术、地勘技术等，再加上新型建筑材料如水泥、钢筋的运用，我国水利工程的建设水平达到了一个新的层次。在此期间，我国水利工程的目的主要是解决防洪、排涝、灌溉、供水、航运等问题，如关中八惠渠、内蒙古河套渠、永定河屈家店闸、珠江芦苞闸、苏北运河船闸等[7,8]。

1.3 现代水利工程时期

新中国成立初期，百废待兴，水利建设位居重要地位，我国先后开展了对海河、黄河、长江的治理，主要包括上游区域的水土保持工程、长江荆江分洪工程、治淮工程、官厅水库工程、三门峡水利枢纽工程等。我国的水利建设方针也逐渐由防洪、排涝、减灾扩大为在此基础上大力扩展农业灌溉，同时兼顾航运、发电、养殖等方面。

改革开放以来，经济社会高速发展，防洪、调蓄、发电、水资源综合利用逐渐成为水利建设的重点，一大批举世瞩目的水利工程相继建成，如长江三峡水利枢纽、南水北调工程、黄河小浪底水电站、雅砻江二滩水电站、金沙江溪洛渡水电站、澜沧江小湾水电站等。

1.4 治水工程新时期

进入21世纪以来，经济持续快速增长与资源环境约束的矛盾呈逐步增加的趋势。河流是水资源、水环境、水生态、水景观、水文化的重要载体，是生态文明建设的重点之一。国内近年来对治水的思路逐渐发生了变化，开始关注河湖的自然属性、尊重自然所具有的生物多样性[3]。目前对河道治理的观念已经逐渐由传统的以满足防洪、排涝的要求逐渐转变为保障“防洪排涝安全、水质洁净优良、生态系统健康、环境整洁优美”，使河道由“单一功能”向“综合功能”转变，由“工程水利”向“生态水利”转变，由“传统水利”向“河湖水环境”转变。

2 涉水工程建筑物的功能与形式解析

工程设计的本质是“为人造物”，指明了工程设计必须是人工创造的产物，不仅要具备实用功能，同时应当具有一定的形式。所谓“看不见的是功能”、“看得见的是形式”，“功能”主要是指事物所发挥的有利的作用、效能，“形式”主要是指事物的形状、色彩、材料等。

2.1 功能

在水环境工程中，常见的涉水工程建筑物有坝、堰、闸、渠、堤、管、岸坡、护底、栈桥、堤带路等，按照作用的不同，将其功能分为效用功能和结构功能(见表1)。

表1 常见涉水工程建筑物的功能解析表Tab.1 Parsing table of the function of common water engineering buildings

2.2 形式

2.2.1 形状

工程建筑物的形状主要通过几何图形来呈现，包括单一形状和复合形状。单一形状主要包括直线、折线、曲线等；复合形状是由正方形、圆形、三角形等基本图形组合而成，常用的组合方法有分离、嵌套、减缺、穿插、相接、发射、渐变、重复等[9]。

2.2.2 色彩

工程建筑物的色彩包括裸露结构的原状色彩、铺装材料的色彩、表面涂料或镀层的色彩等。色彩不仅是材料自身的特性，还是一种文化信息的传递媒介，它含有人类附加在其上的内涵(见表2)。

图1 复合形状的构图方式Fig.1 Composition methods of composite shapes

表2 色彩的联想及象征意义[10]Tab.2 Symbolic meanings and associations of colours

2.2.3 材料

工程建筑物的材料可分为结构材料、装饰材料和其他专用材料(见表3)。

表3 常见涉水工程建筑物的材料Tab.3 Materials of common water engineering buildings

2.3 功能与形式的呈现方式

(1)功能依从规范。遵循“功能至上”理念，在河湖水环境工程设计中，以满足行业所要求的技术规程、规范为依据，仅考虑建筑物的效用功能、结构功能，忽略建筑物的形式。

(2)形式追随文化。水是人类生存和发展的基础，人类的古老文明伴水而生，因水而兴。我国几千年的灿烂文化史，很多都与水有关。因此，在治水工程项目的设计过程中，会特别注重文化理念的植入，主要从建筑物形式和附属结构的造型上予以体现。

(3)功能造就形式。美国建筑师路易斯·沙利文曾提出“形式追随功能”，而后又被推到另一个高度，即：好的功能就是美的形式，无需再对形式做进一步的探讨[11]。在这种理念下，功能是设计之本，仅从技术、经济两方面入手，通过对功能进行优化设计，自然就对应了一种形式，即“功能造就形式”。

(4)形式引领功能。随着景观元素及生态理念的引入，涉水工程建筑物的形式呈现多样化，一种“先有形式、后有结构”的设计思想正在形成，即：先拟定建筑物的形式，然后做结构设计，最后进行功能验证。

3 功能与形式的冲突

3.1 功能的内部约束与外部排斥

新的治水理念下，涉水工程建筑物的功能出现了“异常”，表现为：来自功能内部的“约束”、对外部新加功能的“排斥”。

(1)内部约束。功能的内部约束包括：①效用功能的增强，如防洪标准的提升、跌水样式的复杂多样化等；②结构功能的指标水平变化，如水工建筑物结构稳定计算标准的提升、混凝土及地基材料的分项作用系数的变化、快速施工条件带来的应力变形控制水平的变化等。

(2)外部排斥。功能的外部排斥包括：①海绵城市的建设，要求实现水体的自然渗透，对岸坡的防渗是不利的；②生态宜居水岸工程要求增加亲水设施，变相减小了行洪断面，对河道的防洪是不利的；③一些新材料和新工艺的引入，缩小了断面尺寸，对结构稳定是不利的；④在消落带和河滩地范围内种植了大量的挺水植物，对河道的防洪是不利的。

3.2 形式的环境要求与材料选择

新的治水理念下，涉水工程建筑物的形式出现了“异常”，表现为：来自外部环境的“苛刻要求”、犯了“材料选择困难症”。

(1)环境要求。“外部环境”对“形式”的要求越来越严苛，导致形状不再是几何形状的简单叠加，形式不再是单方面的追随文化、追随景观、追随生态，更多的是讲究“人水和谐”[12]。

(2)材料选择。形式的材料选择包括两个层次：①常规材料的重新组合；②新材料的选择与应用。随着建筑材料技术的迅速发展，在水环境工程设计过程中，经常会面临同一结构有多种可选用的材料，且各有优势，难以“选择”。

4 功能与形式的辩证统一设计方法

4.1 功能的“否定之否定”

(1)功能的肯定与发展。河湖水环境工程中的涉水工程建筑物大多都是从传统的水利工程演化而来，其基本的效用功能和结构功能依然可以发挥重要作用。因此，在工程设计过程中，应当首先予以肯定；其次，在设计过程中，应当结合现代城市的发展需要，考虑新增加一些功能，如亲水功能、“海绵城市”功能等(见表4)。

表4 新增功能解析表Tab.4 Parsing table of the newly increased functions

(2)功能的否定与改进。根据效用功能和结构功能的控制指标水平的变化，重新复核各工程建筑物的结构设计过程，需回答两个问题：①在当前的城市水环境条件下，原有的效用功能和结构功能是否依然有存在的必要？如果没有必要，需要改进设计；②在当前的城市水环境条件下，原有的断面结构是否依然适用？如果不适用，需要改进设计。

(3)功能的再次肯定。将改进的功能应用于具体的工程项目中，通过工程实践验证所设计的功能的正确性。

4.2 形式的“多元互变”

(1)形状的“直”与“曲”。在平面布局上，根据河势及地形的特点，因地制宜地考虑将跨河(湖)建筑物由“直线型”变为“曲线型”，或者由“曲线型”变成“直线型”，体现形状之美(见图2)。

图2 形状的“直”与“曲”示意图Fig.2 Sketch map of the straight and the crooked of shapes

(2)体型的“胖”与“瘦”。在体型上，根据结构功能的变化、建筑材料的特点，考虑对涉水工程建筑物的体型进行优化，主要采用两种思路：①由传统的“以保证结构安全为第一要务”的“胖型”优化为“同时兼顾结构安全、视觉效果、空间布局”的“瘦型”，体现形态之巧，即为由“胖”到“瘦”(见图3)；②由常规的“仅考虑结构功能”的“瘦型”优化为“同时兼顾结构功能与亲水功能”的“胖型”，体现形态之灵，即为由“瘦”到“胖”(见图4)。

图3 体型由“胖”到“瘦”示意图Fig.3 Sketch map of the shapes from fat to slim

图4 体型由“瘦”到“胖”示意图Fig.4 Sketch map of the shapes from slim to fat

(3)流态的“势”与“灵”。在对水流的控制上，根据涉水工程建筑物的规模大小以及水边环境要求，考虑将水流的流态由“势”向“灵”转变，即通过对过流建筑物的结构样式进行改进，将传统的“溢流”改为“跌水”、“叠水”、“瀑布”等形式，体现水的流态之美。

图5 流态的“势”与“灵”示意图Fig.5 Sketch map of the power and the cleverness of the flow state

(4)色彩的“单”与“多”。在建筑材料的选择上，根据城市的总体布局要求和建材的特点，考虑将工程建筑物的色彩由“单一色彩”扩展为“多元色彩”，实现工程与环境的视觉融合统一，体现城市之美、人文之美。

4.3 时间与空间的结合

(1)雨洪综合管控设计。雨洪综合管控是城市河湖水环境工程的重要任务之一，应当从时间与空间相结合的角度出发，从两个方面进行综合规划设计(见图6)：①特征水位设计，即需要满足同一水文频率条件下各建筑物区域的水位衔接问题，同时还需满足偶然频率条件下的水边环境安全问题，主要通过涉水工程建筑物的结构尺寸设计来实现；②雨洪滞蓄结构设计，即通过在坝前后、堰前后、闸前后、渠内外侧、河滩地等部位设置一些滞蓄结构，进而实现雨洪的滞流，同时可用于临时调蓄。

图6 雨洪综合管控设计示意图Fig.6 Sketch map of the integrated control design of the stormwater

(2)水体流速与过水断面尺寸的协调统一。水体流速与过水断面尺寸是相互关联、相互影响的两个要素。同一流量条件下，流速越大，所需过水断面越小；同一过水断面条件下，流速越大，过流能力越强。因此，在对涉水工程建筑物进行结构设计时，应当根据周边环境的要求和地形特点，从时间和空间结合的角度，对水体流速和过水断面尺寸进行多目标优化设计，即需要同时满足防洪安全、戏水安全、景观安全、流态稳定等目标。

4.4 总体与局部的结合

(1)总体布局中的局部外观设计。在进行坝、堰、闸等跨河(湖)建筑物的结构设计时，可以依据“从简”原则，在结构尺寸及形状上只需满足基本功能即可，然后再进行外观铺装设计。在进行堤、桥、路等滨水建筑物的结构设计时，依据“从严”原则，需要对结构的断面形式及尺寸进行精确设计，然后再采用涂料进行粉刷装饰。

(2)宏观挡水结构中的内部透水设计。按照“自然积存、自然渗流、自然净化”的原则，在对水边建筑物进行结构设计时，应当考虑结构内部的透水性。对于渠道两侧边坡以及湖泊的岸坡，可采用生态化的透水结构，如植草护岸、堆石护岸等。对于堤带路，可采用透水混凝土路面或石材铺装路面。对于跨河(湖)的跌水堰，为了减缓雨洪的影响、增加过流能力，可以考虑在堰体中间增设透水孔，增加水的灵动性。对于跨河(湖)的人行栈桥，应当具备透水功能或者及时排水功能，确保栈桥被河(湖)水的波浪或者突发洪水淹没以后，可以快速恢复至正常状态。

(3)大体积建筑物的“掩盖”设计。为了更好地达到“人水和谐”效果，可以降低工程建筑物的曝光比例，因此需要对一些大体积建筑物进行“掩盖”设计，可通过采用植物、景观小品或者铺装等方式进行“掩盖”。例如，在对河道堤防进行设计时，需要将混凝土挡墙“掩盖”；在对地下埋管进行设计时，需要将进出口进行“掩盖”；在对闸进行设计时，需要将金属结构进行“隐藏”。

4.5 动态与静态的结合

4.5.1 监控设施的智慧化

水是动的，工程建筑物是静的，再引入“互联网+”，就是“智慧水环境”，这是当前我国城市河湖水环境工程的重要发展方向之一[13]。“智慧水环境”是利用互联网、计算机、无线通讯技术、3S技术、云存储、云计算等多种现代化信息技术手段，实现河湖信息的采集、整合、管控、共享、应用及发布[14,15]。对“智慧水环境”而言，监控设施的智慧化设计是其中的一个重要环节，可通过监控设施的布置设计、监控设备的选择设计来实现。

(1)监控设施的布置设计。在实施中，不仅要考虑对动态的水的监控，同时还要考虑对静态的建筑物的监控，此外还要考虑对生态系统和人类活动的监控，以确保智慧监控的全面性。因此，需要对监控设施进行综合布置设计，涉及监控设施的布置范围、位置、数量等。

(2)监控设备的选择设计。在实施中，不仅要考虑监控成果的精度，同时还要考虑数据采集分析的实时、高效，因此应当根据不同的监控任务合理选择设备，为“智慧水环境”提供基础支撑。

4.5.2 水流控制的自动化

河湖水环境工程的核心是水，对水的控制应当是实时、动态的，即当出现环境需求时，可以迅速实现对水流的调控。在实施中，主要可通过以下两个方面来实现：

(1)闸的设计。由于城市河湖水环境工程的跌水落差一般都较小，可用的常见闸门都是中小型的闸门，主要包括平板闸、气盾闸、钢板闸、橡胶闸、翻板钢闸等。在实施过程中，应首先对闸门进行自动化设计，同时对闸门的启闭效率进行优选，以实现对水流的动态控制。例如，对于跌水落差较小的城区河道，可以考虑采用翻板钢闸，可根据上游来水的变化自动旋转挡水面板，实现水位的自动调控；对于河道较宽、水流湍急的河道，可考虑采用气盾闸，通过布置于岸边的控制室进行自动调控。

(2)阀的设计。阀主要是用于管道的水流控制，其控水规模相对较小，且大部分都布置于水下或地面以下，不易操作，因此应当采用自动控制阀。例如，对于水下连通管的阀门，可考虑设计自动开合装置，即根据水位的实时变化，自动调节阀门的开合度，维持上下游水位和流态的稳定。