水文学知识介入风景园林设计的空间机制分析框架

岳邦瑞 钱芝弘 姚龙杰

风景园林设计离不开对水文学知识的研究与应用，如何将现代水文学新理论、新方法有效应用到风景园林设计中是尚待解决的问题。水文学的研究目标、范式、内容和体系均与风景园林学存在显著差异，虽然已有不少水文学知识和技术方法被应用在风景园林设计中，但是缺乏从2个学科的核心内容和底层逻辑出发，能够在学科之间搭建起桥梁的分析框架。此外，对水文学知识缺乏机制层面的理解可能导致知识的误用。因此，本文引入“空间机制”概念，即特定景观空间与景观功能之间存在的因果关系，并提出空间机制分析框架，探索水文学知识转译并应用于风景园林设计的途径。

地表空间和生态系统之间存在2类关系：依随生态规律自然形成的空间关系，以及依随既定空间出现的生态关系。风景园林设计是通过调整景观空间来改变生态关系，因此明确何种景观空间模式与何种生态机制相关联是提出合理设计方案的前提[1]，而水文学、生态学等自然科学知识是认知此关联的关键。在水文学的相关研究中，关于人类活动产生水文效应的研究，揭示了土地利用、覆被变化、水利工程等活动对水文过程的影响机制；关于生态水文的研究，揭示了水文过程与生态过程的作用机制，以及其对生态功能产生的影响。风景园林师需要对这些知识进行筛选、整合，并转化为能够直接指导空间营建的设计语言。因此，本研究提出将水文学知识转译为空间设计语言的“景观空间变量-水文要素变量-景观功能变量”分析框架，以期为水文学知识介入风景园林设计提供有效的媒介。

1 水文学知识在风景园林设计中的应用困境

1.1 水文学知识及其与风景园林设计的关系

现代水文学知识体系是在传统水文学与多学科融合及相关技术发展的基础上形成的(表1)，包含众多分支学科。主要研究内容包括：1)揭示自然界中水的形态、演化、分布、运动和质量等规律；2)分析水与自然环境和人类社会的关系及其之间的相互作用；3)探讨水资源开发利用与水环境保护等问题[2]2。

表1 水文学学科分类[2]3-4

许多风景园林设计实践都需要来自不同分支学科的水文学知识作为支撑。如在海绵城市建设中，在设计与布局雨水花园、透水铺装和下沉绿地等设施时，需要通过水文模拟技术预测设计方案对场地水文过程的影响；在河流生态修复设计中，需要针对不同季节河流水文特征的分析、计算和产生的生态效应展开研究，确定修复目标及景观设计策略；在湿地景观设计中，需要通过水文过程模拟、生态水文效应分析等方法，确定水体、植被、地形等设计要素的空间特征与布局；在河口湿地、干旱区公园绿地等特殊区域的风景园林设计中，需要基于相应区域的水文特征研究提出设计策略。虽然风景园林设计所需的涉水知识不限于水文学，但水文学知识是其中应用最基础和最广泛的。

1.2 将水文学知识应用于风景园林设计实践的困境

在人类营建理想家园和营造诗意风景时[3]，如古城、村落的选址布局，公园绿地和古典园林的水景营建，以及水利工程、风景名胜区的规划设计等，都将水文、水利的知识和技术与规划设计进行了融合。当前，城市雨洪管理、水系生态修复、湿地公园设计等已成为将水文学知识运用于风景园林设计的主要实践领域，但在应用过程中仍存在诸多困境，主要表现如下。

1)水文学学科的思考方式和术语表达方式与风景园林学不一致。“水文学语言”体系包括大量术语、定理、公式、理论与方法，而风景园林设计有自己的“空间设计语言”体系，即景观设计要素的组合和空间布局等，2类语言存在本质上的差别。水文学研究注重水文循环的物理过程，在研究水文问题时会将一些景观要素，如植物，用地表特征参数表征。例如，在分析河流水文过程时，会将河道中的植物当作粗糙系数考虑[4]。只有将景观设计要素的空间特征、组织布局与粗糙系数、渗透系数等水文学语言相结合，才能够借助水文学定理和公式等进行风景园林设计。由此，一些风景园林领域专家提出了景观水文理念，倡导专业的对接与协作，包括知识、原理、技术、标准和手段等，目的是激发创新思维与手段以解决现实问题。其核心要求是深入景观系统内部，从景观的整体视角理解水文现象，按照水文规律从事设计实践[5]，而这需要深入到机制层面展开研究。

2)水文模型种类多样且设计实践对水文计算的要求逐渐提升。风景园林设计研究中经常需要进行水文模拟，通过一系列景观空间变量来刻画不同设计方案，进而模拟不同方案对区域产汇流、入渗、排水等水文过程的影响[5]。随着技术的进步，水文模型种类趋于多样化、复杂化。要实现对水文模拟技术的灵活应用具有一定难度，需要从模型背后的水文原理着手，了解景观空间、水文过程及功能之间的关系(即空间机制)，从而更准确地应用水文模型，并对结果可能存在的不确定性有充分认知。

综上，如何分析水文学知识中蕴藏的空间机制，并将其转译为风景园林设计语言，成为其应用于风景园林设计的关键。

2 水文学知识应用于风景园林设计的分析框架

2.1 空间机制分析路径

以函数关系式y=f(x)的变量思维来看，风景园林设计是通过设计塑造景观空间(自变量x)来实现景观功能(因变量y)，空间机制研究就是要找出景观空间与功能之间的“f”，即因果关系[6]。

景观空间是由各种类型、大小、数量、位置和形状的风景园林设计要素以特定方式组合而成，是自然、人文过程的载体。这些自然、人文过程中包含了众多塑造空间的动因和驱动力，二者相互作用，驱动着景观的整体变化，并呈现出一定的功能特征[7]，当功能与人类需求相关联，就产生了能够为人类提供福祉的景观服务[8]。作为空间意义上的自然-人文复合系统，风景园林同时具有生态功能和社会文化功能[9]，其设计目标往往就是实现特定的景观功能。但景观空间与功能之间的因果关系通常是非显性的(图1)，需要通过筛选与整合其他学科知识和进一步分析来认知。

图1 景观空间与功能之间的因果关系黑箱

引入“自然过程”可打开部分景观空间与功能之间关系的“黑箱”，能够建立起二者之间的逻辑关系。自然科学领域的观测、实验及模拟研究，已经为景观空间与自然过程之间的逻辑或定量关系的认知奠定了基础。本研究选择与水文过程相关的水文学知识展开转译，以期为其他与自然过程相关的知识转译提供参照。这些知识须能够反映景观设计要素的空间组织、自然过程和景观功能彼此之间的某种作用关系，将这些知识以特定的方式组合，以期分析特定情景下的空间机制。

2.2 空间机制分析框架

引入水文过程的相关研究可打开景观空间与涉水景观功能之间因果关系的“黑箱”。水文过程与生态水文过程①是水文学、生态水文学、河流生态学等领域的重要研究内容，形成的理论、原理等可被引入风景园林设计研究。

在实践中，通过风景园林设计调控水文过程，不仅可以直接提升雨洪调蓄、水源涵养等功能，而且可以对生态过程产生影响，能够帮助重塑生境、控制植被群落，以及调整、配置景观中的“流”(包括营养物、污染物、矿物质、有机质等)[4]，间接达到提升生物多样性、净化水质等目的。例如，“海绵城市”建设的目标就是实现水文过程的动态管理与调控，水文学知识就是奠定其理论和实践的基础[10]。

整合水文学知识，通过“景观空间变量-水文要素变量-景观功能变量”框架进行空间机制分析，可将其转译为风景园林设计语言(图2)。框架中的“水文要素变量”是表征水文过程的重要变量，包括降雨量、蒸发量、水位、流速、流量、水温、含沙量、冰凌和水质等用以描述水文情势的物理量，是水文过程模拟与调控的关键对象[10-11]。景观空间变化对水文过程的影响，以及水文过程与景观功能之间的关系，是该分析框架的2个关键部分，也是提出风景园林设计策略的重要依据。

图2 以河流廊道景观设计为例的空间机制分析路径

3 空间机制分析框架的应用——以河流流速相关知识在河流廊道景观设计中的应用为例

3.1 河流流速计算公式蕴含的空间变量分析

将水文学知识中涉及描述空间的变量筛选出来并转化为空间语言，是空间机制分析的关键步骤。河流流速是表征河流水文过程的重要水文要素之一，受流域及河流廊道景观格局的影响，会作用于生境供给、雨洪调蓄、水质净化等多种景观功能，其影响因素包括河流的地形地势、平面形态、结构、宽度、水量、含沙量及风速，其中与空间相关的有地形地势、平面形态、结构及宽度。

在没有实测资料时，通过公式(1)可计算河流的平均流速[12]260。公式(1)中的变量R、s、n均能够被转译为可指导设计的空间语言，转译过程如图3所示。因此，通过设计调整河道景观特征(图4)，可改变河流流速。

图4 河道空间变量示意

式中，v为河流流速，m/s；R为水力半径，代表河水深度，指河流横断面面积(A)与河床内有水部分的断面周长(P)的比值；s为河道的纵向坡度或倾斜度；n为河床基底粗糙系数。

由公式(1)可以推导出河流流速与河道空间变量之间的关系(图5)：河道纵向坡度/倾斜度s(即河床比降)和河水深度(可表征水力半径R)与河流流速v呈正比，而河床的粗糙系数n与河流流速v呈反比，且在同等比例下，河水深度对河流流速v的影响要略大于河道坡度的影响[12]261。此外，在水量一定的情况下，河道越宽，河水越浅；在高差一定的情况下，河道曲率越小，水流过境的总距离越短，河道坡度越大。因此，河流流速与河道曲率和河道宽度呈反比。图4是简化后的渠化河道示意图，而自然和半自然河流廊道的河漫滩空间也会对河流流速产生影响。由此，通过河流流速与河流廊道空间变量的关系分析，可帮助实现水文水力学公式向风景园林设计语言的转译。

图5 河流流速与河道空间变量的关系

3.2 受河流流速影响的景观功能分析

河流廊道的景观功能受多种水文要素变量影响，其中，受流速影响的功能主要有雨洪调蓄、生境供给、水质净化、休闲游憩和侵蚀控制等(图6)。

图6 河流水文要素变量对景观功能的影响

1)雨洪调蓄。

通过设计调整河流廊道景观空间，可以改变河流流速，以提升防洪功能。研究发现，城市化带来的不透水下垫面增加及排水管网的大量建设，导致地表集流速度加快；河道的渠化及裁弯取直减少了水流的滞留时间，使河流流速进一步增大。这些人类活动虽然在一定程度上提高了特定区段河道的过水能力，但在更大尺度上，若遇极端降水，整体汇流时间变短，易引发更严重的洪涝灾害。此外，河流流速越高，河水在重力作用下产生的纵向推力、下切力和侧向分力越强，若冲击力、曳引力超出堤岸和河床砌体稳定临界值，则会发生塌岸、堤防滑坡和坡面土壤侵蚀，破坏河道结构，冲毁植被，从而降低河道行洪能力，发生险情[13]。基于空间机制分析，可知在城市化程度较高的区域，通过拓宽河道、增设滨河湿地、恢复河流蜿蜒形态等景观设计手段，能够从整体上降低汛期的河流流速，进而降低由于流速过高而导致下游洪水泛滥的风险。

2)生境供给。

在河流生态修复设计中，通过改变河流廊道景观空间特征，可以控制特定区域的河流流速，进而为关键保护物种提供适宜的栖息与繁衍生境。研究发现，河流流速的增加、河床基质的变化，以及物理、化学和生物污染物的增加等都可能对河流生物群产生影响[14-16]。例如，为适应城市河流流速的增加，蝾螈的繁殖模式会发生变化[17]；而一些耐受性低的物种，则可能数量减少或消失。在自然河流中，不同区域通常分布有不同流速特征的生境，能够为不同生物种群提供适宜的生存环境。而在裁弯取直和渠化后的人工河流中，河流流速趋于均一化，无法提供多样生境，导致河流生物多样性降低。在人工河流的生态修复设计中，通过改变岸线形态、设置深潭浅滩等措施，能够形成不同的流速环境，丰富河流廊道的生境类型。

3)水质净化。

河流流速与水质关系密切，通过设计手段改变河流廊道景观空间特征，控制特定区域的河流流速，可提升河流的水质净化能力。从净化机制来看，水体自净作用包括物理净化、化学净化和生物净化3类。河流流速越快，水流产生的能量越大，越容易发生河床侵蚀、泥沙迁移及污染物质的稀释混合，沉淀作用也会被减弱。可见，较高的河流流速一方面促使产生扩散、混合、沉淀等物理作用，净化水质；另一方面也使得河流侵蚀能力增强、泥沙迁移量增加，导致水中污染物质增加。此外，过低的流速会增加河流发生水华的风险，尤其是在污染物降解能力有限的渠化河道，水华会使河流水质恶化、水质净化能力降低[18]。因此，通过河流廊道景观设计控制流速以提升水质净化能力，是一个较为复杂的过程，需要根据特定区域的自然条件选择适宜的设计策略。

河流流速和其他水文要素变量共同影响河流廊道的多种景观功能。在风景园林设计中，改变河流廊道景观空间特征，控制流速以实现预设的景观功能，往往离不开水文学知识的支撑。在河流流速与景观功能关系分析中，流速对生境的影响是生态水文领域的核心研究内容；流速对防洪功能的影响研究需要基于水文与水利计算技术；流速对水质净化能力的影响分析也需要引入环境水文学知识。综上，关于河流流速和景观功能变量之间的关系认知，需要水文学与其他学科的交叉研究作为支撑。

3.3 基于空间机制分析的多情景河流廊道景观设计策略

风景园林设计通常以景观功能目标为导向，以期找到最合理的设计策略，明确特定情景下景观功能的提升目标，研究其与河流流速之间的关系，进而提出流速控制目标。根据河流流速与河流廊道空间变量关系的分析结果(图5)，提出适宜的空间设计策略(表2)。在水文模拟技术及河流生态学、水文水利学等领域研究的支撑下，可以进一步实现设计策略的精准量化。

表2 不同景观功能目标导向下的河流廊道景观设计策略

1)情景1。

汛期过高的河流流速带来的巨大冲刷力，会导致驳岸被侵蚀、河堤及滨水植被被冲毁。在此情景下，若要提升河流廊道防洪功能，削弱河水对驳岸的侵蚀，形成稳定生境，就需要降低最大河流流速。由图5可知，拓宽河道、恢复滨河湿地、增加次级河道可有效降低流速。这些设计策略或使过水断面加宽，或通过次级河道、滨河湿地分流，均能够降低水深、减小水力半径R以降低流速。

在洛杉矶河复兴项目中(图7)，为防洪和提升植被稳定性，控制河流流速成为河道改造的重要目标之一。在规划设计中，针对子河段的生态修复设计策略包括：(1)以河道重塑的方式最大限度地拓宽河道；(2)在河道外恢复湿地并连接湿地与主河道；(3)利用新建的支流分流主河道水流；(4)将混凝土河底恢复为自然河底，并减缓河底坡度以降低流速，维护河床稳定[20]。

图7 洛杉矶河复兴项目中子河段修复设计项目

2)情景2。

自然河流中不同流速特征的环境不仅能为多种生物提供栖息地，还能形成类型丰富的景观。然而，许多城市为达到防洪、排涝、引水等目的，将蜿蜒曲折的自然河流渠化，河道断面被修整为矩形或梯形，导致生物栖息地环境及景观效果单一化，生物多样性被破坏。由图5可知，河流宽度和河水深度会影响流速，因此通过生态修复设计将渠化河道改造为宽窄变化的河道并构建深潭浅滩，恢复具有不同流速特征的多种生境，可形成丰富的景观效果。如在美国圣安东尼奥河滨水区设计和德国伊萨河慕尼黑段修复项目中，就采用了塑造深潭浅滩和加大局部河道宽度形成回水湾的设计策略[21]。

3)情景3。

水体缺氧是河水黑臭的根本原因之一，而较高的水流速度可促进上下层水体混合，使水体保持好氧状态和良好的流动性，增强好氧微生物活力，使水体污染物得以净化和稀释。然而，在许多河流的中下游，河底纵向坡度变缓、河流流速减慢，使污染物富集，导致水体黑臭。根据图5分析结果，河底纵向坡度的增加会提升河流流速。因此在上述情景的河流廊道景观设计中，适当增加局部河段的河底纵坡，可提升河流水质净化能力。如深圳新大河禾塘湿地公园就利用了水体高差，使水流速度增加，进而提升了水质净化能力[19]62。

在生态修复实践中，将河流水文情势恢复到什么程度才能实现生态修复目标[22]，是河流生态学、水文学等领域需要深入研究的问题。而探究如何通过空间设计手段实现生态水文的恢复，提升特定景观功能，则是风景园林师需要解决的关键问题。根据上述研究，可提出基于空间机制分析的水文学知识转译方法及将其应用于风景园林设计的途径(图8)，以期促使水文学知识更好地应用于风景园林设计实践。

图8 以空间机制分析为媒介的水文学知识转译及应用于风景园林设计的途径

4 结语

本文依据空间机制分析路径，提出水文学知识介入风景园林设计的分析框架，旨在建立起学科交叉的桥梁。首先，阐明水文学研究对风景园林涉水设计的意义及其应用瓶颈。其次，提出“景观空间变量-水文要素变量-景观功能变量”的空间机制分析框架。最后，以河流流速为例，基于水文学知识，分析河流流速与河流廊道景观空间及防洪、生境供给、侵蚀控制和美景欣赏等功能间的关系。此框架为风景园林师理解水文现象提供了更加系统的分析工具。

在河流廊道景观设计实践中，涉及的水文要素还包括流量、水温、泥沙含量等，景观空间的优化也包含了流域、廊道、河段等多个尺度。本研究仅以“河流廊道空间变量-河流流速-景观功能变量”之间关系的解析为例展开论述，用到的知识也仅有河流流速计算公式及部分生态水文知识，由此提出的水文学知识转译及应用于风景园林设计的途径是否具有广泛适用性，尚需进一步深入研究。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。

致谢：感谢西安建筑科技大学建筑学院王丁冉老师，兰泽青、王敬儒、潘卫涛、王蓓、费凡、朱宗斌博士研究生在本文写作过程中给予的帮助。

注释：

①生态水文过程是指水文过程与生物动力过程之间的功能关系，是揭示生态格局和生态过程变化水文机理的关键，包括生态水文物理、化学过程及其生态效应[4]，是生物多样性维持、水质净化、土壤保持、侵蚀控制等功能产生的基础。