基于数值模拟的风景园林工程地表径流调蓄虚拟仿真实验探索

朱里莹，李霄鹤，林宇，黄河

（1.福建农林大学，福建 福州 350001；2.福州滨海实验学校，福建 福州 350000）

1 前言

在遵循生态文明思想、响应海绵城市建设的时代背景下，尊重自然水文过程和规律，借助地表径流调蓄以消纳和利用雨水径流，是实现城乡暴雨水管控和防治的重要手段[1]。作为风景园林工程中给排水工程以及水景工程中的重要内容，地表径流调蓄一直是风景园林工程教学中的重难点。以一定体量的湖池为例，既需要考虑美学功能也需要结合地表雨水径流调蓄功能来理解风景园林水景作为城市水系统的一部分而起到的生态支撑和雨水管控作用。然而，受到传统地表径流调蓄实验教学中真实场景不可及、水文过程不可视、数据运算更改难等因素的限制，如何帮助学生克服对繁琐数据计算的畏难情绪、激发学生探究性学习的分析和思辨能力成为教学难点。

随着计算机建模和仿真技术发展，虚拟现实技术借助物理、数字和虚拟世界的融合，形成具有沉浸式、交互性和构想性等特征的交互体验，并结合数值模拟技术，逐渐由原有的简单场景式模拟实验转向深度结合数值运算和关联的数值式模拟实验，为突破地表径流调蓄实验教学的局限性创造了条件[2-4]。庭院景观砌体工程虚拟仿真实验、南方四角攒尖亭建造虚拟仿真实验、拟自然水景设计虚拟仿真实验等都实现了风景园林工程场景式和流程性的交互体验[5-7]。在风景园林拟自然水景设计中，东南大学率先引入数值模拟技术，研发了参数化拟自然水景设计虚拟仿真实验，通过参数调控设计变量，提升了学生在设计过程中的认知能力和自主创新意识[7]。本研究力求在虚拟仿真数值模拟的发展中更进一步，通过建设基于数值模拟的地表径流调蓄虚拟仿真实验，探索涉及大量数据运算的风景园林工程类虚拟仿真实验由场景式转向数值式模拟的过程，力求在辅助学生沉浸式理解相关知识点和实验原理的同时，激发其自主学习的能动性。

2 风景园林工程地表径流调蓄实验的教学难题

2.1 高成本的暴雨水气候模拟

如何模拟暴雨水环境下的极端气候一直是地表径流调蓄实验中的难点。在暴雨水天气下实地采集径流数据具有高危险性，且暴雨所造成的损失难以逆转。而在实验室环境下模拟台风暴雨水天气下的地表径流需要搭建台风实验室和气旋模拟仪器等设备，成本极高。

2.2 枯燥繁琐的大量数据计算

在传统教学中，地表径流调蓄实验涉及大量数据和数学公式，往往一个参数的简单变化就牵动整个计算流程和结果的变动，计算量大且繁琐，过程相对枯燥，容易引发学生的畏难情绪。

2.3 单一结果难以匹配多重目标

地表径流调蓄的难点还在于针对不同层级降雨进行调蓄，因此涉及多个不同的目标和与之相适应的应对方案。传统单一实验结果的调蓄方案显然难以满足多重目标的需求。

3 基于数值模拟的地表径流调蓄虚拟仿真实验优势

3.1 虚拟仿真实现不同降雨层级模拟

虚拟仿真借助视觉、听觉等多传感通道与计算机技术，突破时空限制，实现对高风险、高成本三维仿真场景的构建，有效模拟常规、内涝、超标3 种层级降雨场景，在虚拟场景中实现仿真，变现实模拟中的不可能为可能。

3.2 深度数值模拟协助自主参数动态设置

相较于早期虚拟仿真实验以场景式实验为主，通过将数值模拟深度融入虚拟仿真场景，借助自主动态设置实验参数，不但可以简化计算过程及消除学生畏难情绪，还可以更直观、便捷地呈现参数变动的结果。

3.3 多目标、多方案比选，鼓励开放式探究性结果

不同降雨层级下的地表径流调蓄目标不同，基于数值模拟的虚拟仿真实验可以在大幅度缩减实验成本的基础上，利用参数变动形成多种方案，直观实现多方案比选，鼓励学生形成探索性开放性思维。

4 基于数值模拟的地表径流调蓄虚拟仿真实验案例

4.1 建设思路

依托福建省虚拟中心，基于数值模拟建设“应对暴雨水环境的生态公园地表径流调蓄虚拟仿真实验”。实验以问题为导向，以任务为驱动，要求学生以通过生态手段维护人居环境安全为己任，围绕“应对暴雨水环境的生态公园地表径流调蓄湖池最少应当有多深”这一核心问题，在核心问题的驱动下，通过3 大教学模块开展实验，其中以地形分析为基础模块、地表径流调蓄为核心模块、水位确定和综合模拟为应用模块，层层递进，提升学生分析问题、解决问题以及综合应用的能力。学生最初可根据自己的实际生活经验，在未掌握实验内容之前，初步预测水池深度，并在后续实验过程中不断修订最初的预测结果，激发学生探寻结果的热情。

4.2 教学目标

应对暴雨水环境的生态公园地表径流调蓄虚拟仿真实验教学目的为掌握地表径流调蓄的基本原理及实验方法、熟悉地表径流调蓄技术手段、培养探索性开放性思维和灾害风险评估能力、建立人与自然可持续发展的社会责任感。实验需掌握的10 个核心知识点包括地形认知、汇水区划分、径流系数、平均径流系数计算、降雨强度、设计重现期、设计降雨量、径流系数法计算调蓄容量、不同层级降雨的调蓄容量计算、不同层级的调蓄水位确定。

4.3 建设内容

4.3.1 基础模块：地形分析

该实验以地形分析为基础模块，通过观察法和比较分析法进行高程分析、坡度分析和坡向分析，帮助学生熟练掌握场地情况。在尚未掌握实验全部内容时，初步预测生态公园中用于地表径流调蓄水池的深度，在后期实验中验证初步预测结果的准确性并做出修正。

4.3.2 核心模块：地表径流调蓄

实验以地表径流调蓄为核心模块，打破暴雨水环境在现实环境中的不可模拟性，以虚拟仿真的形式呈现不同降雨时期常规、内涝和超标3 种层级降雨。打破传统虚拟仿真实验仅仅是场景模拟的局限，引入深度数值模拟，将不同降雨层级下相互关联的复杂公式（常规降雨强度、内涝防治以上标准降雨强度计算公式等）应用于降雨实验之中，形成了由“平均径流系数-设计降雨量-径流调蓄容量-水位高度”4 个核心知识维度的动态关联。通过任务驱动法、控制变量法、观察法、自主设计法进行汇水分析，完成其中的流向分析、汇水区分析、径流系数选定和平均径流系数计算，并将汇水分析结果代入降雨分析中，任意一个数值的改变都将影响最终的实验结果。

实验中以福州市为例，使用的常规降雨强度计算公式为：

式中：q为暴雨强度；t为积水时间；TE为非最大值取样的设计降雨重现期。

当降雨超过内涝防治以上标准时，采用最大值取样方法确定暴雨强度公式，福州市计算公式为：

式中：i为最大值取样降雨强度；t为积水时间；T为设计降雨重现期。

4.3.3 应用模块：水位确定和综合模拟

以水位确定和综合模拟为应用模块作为本实验的综合提升部分，通过自主设计法、数值模拟法和比较法，对比分析极限水位、丰水期水位、常水位和枯水期水位的水位情况，将一系列水位结果代入综合模拟应用，再根据综合模拟结果修正最初预测的水池深度值。学生可以在掌握全部实验内容后，再次预测水池深度，并通过综合模拟结果验证其准确性。根据降雨强度公式，将在核心模块中得到的常规、内涝和超标3 个层级下的设计降雨量，并将不同降雨量之间的差异代入调蓄容量分析中。借助数值模拟法和比较法，掌握3 种不同层级设计降雨量下调蓄容量的关联变化。

在传统风景园林暴雨水管控教学中，自主参数设置的难度在于数值的变化涉及大量的计算过程，难以判断结果的准确性，为实验评价带来困难，因此只能采用统一的数据，用标准性的答案来简化评价体系。该实验的优势在于智能编程可以有效保证计算过程的准确性，为自主参数设置提供了可能，并鼓励开放式探究型实验结果。评价标准不必拘泥于统一的标准答案，可以在保证一定准确性的区间范围内，引入更多景观偏好、景观美学等评价要素，激发学生的创造性思维，提升思辨能力。

图2 虚拟仿真实验界面

5 结语

为应对解决复杂风景园林问题的需求，虚拟仿真实验打破传统教学的局限，由简单的场景式模拟走向融合深度数值运算和关联的数值式模拟是发展的必然趋势。相较于传统的教学方式，基于数值模拟构建的应对暴雨水环境的地表径流调蓄虚拟仿真实验，通过“基础-核心-应用”3 大模块层层递进，以地形分析为实验基础掌握相关原理和知识点，熟悉虚拟仿真提供的真实场景模拟；以地表径流调蓄为核心，掌握不同生态下垫面的地表径流水平，借助数值关联和模拟动态调整参数变化，模拟“常规-内涝-超标”3 种降雨层级下地表径流的变化过程以及调蓄重点；以水位确定和综合模拟实现综合应用，通过虚拟仿真设置风景园林生态湖池的水位高低指向现实应用问题，实现多目标多方案比选，提前预判多种可能性结果，有效辅助决策。基于数值模拟建设应对暴雨水环境的地表径流调蓄虚拟仿真实验，创新性地将虚拟世界作为生态文明思路下保障海绵城市建设的虚拟演练场，有效提升学生的思辨能力以及分析和解决复杂问题的能力，为培养复合型应用型风景园林人才奠定了基础。