從自然科學(xué)技術(shù)原理向風(fēng)景園林設(shè)計語言轉(zhuǎn)譯—河段尺度下的生態(tài)設(shè)計手法研究

王敬儒 岳邦瑞 蘭澤青

1 河流生態(tài)修復(fù)中理論與實踐的落差

在河流生態(tài)修復(fù)研究中，理論與實踐之間存在著較大的落差。20世紀(jì)60年代，河流生態(tài)問題引起了歐美發(fā)達(dá)國家的注意，由此開始了河流生態(tài)修復(fù)的理論與實踐研究。河流生態(tài)修復(fù)是指通過適度的人工干預(yù)，促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到近自然狀態(tài)的過程[1]。河流生態(tài)修復(fù)問題較為復(fù)雜，無法依賴單一學(xué)科進(jìn)行，它包括生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、地貌學(xué)、水利工程、環(huán)境工程、風(fēng)景園林學(xué)等多個學(xué)科方向的交叉融合。綜合國內(nèi)外研究可知，河流生態(tài)修復(fù)的研究主要包含3類：1）近自然生態(tài)工法；2）水文模式修復(fù)法；3）河流分類法[2]。在技術(shù)層面上，河流生態(tài)修復(fù)主要包括河流形態(tài)多樣性的修復(fù)、河流水文條件的改善以及水質(zhì)凈化等[3]。除此以外，生態(tài)學(xué)中的尺度等級也是研究河流的重要理論，在不同時空尺度下研究不同問題，并采取不同的措施[4]。目前，歷經(jīng)大半個世紀(jì)的河流生態(tài)修復(fù)已具備了豐富的理論研究與實踐探索，已經(jīng)從單純的結(jié)構(gòu)性修復(fù)發(fā)展到生態(tài)系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)、功能與動力學(xué)過程的綜合修復(fù)。然而，河流生態(tài)修復(fù)研究中豐富的理論并未完全運(yùn)用到實際中。

究其根本，河流的治理工作由水利部門主導(dǎo)，而水利工程是以控制和調(diào)配自然界水資源，達(dá)到除害興利而興建的工程。水利工程的基本目標(biāo)不同于風(fēng)景園林，風(fēng)景園林的規(guī)劃設(shè)計以生態(tài)為本，而水利工程則倡導(dǎo)基于防洪排澇等功能之上的生態(tài)修復(fù)，因而導(dǎo)致河流生態(tài)修復(fù)理論研究與實踐之間的落差。

2 風(fēng)景園林學(xué)在河流生態(tài)修復(fù)中的關(guān)鍵角色

風(fēng)景園林學(xué)是可以整合不同學(xué)科理論，并最終轉(zhuǎn)化為實踐的最佳途徑。不僅能解決河流生態(tài)修復(fù)研究中理論與實踐的落差問題，更能滿足人類對河流的多元化需求。原因在于以下2個方面。

1）風(fēng)景園林具有落地性。風(fēng)景園林的落地性體現(xiàn)為一切風(fēng)景園林現(xiàn)象都是有關(guān)土地營造的現(xiàn)象，都是在不同尺度的土地上發(fā)生的現(xiàn)象[5]。這一特性使風(fēng)景園林學(xué)作為工學(xué)學(xué)科，不同于生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、林學(xué)等學(xué)科，能將河流生態(tài)修復(fù)研究中的理論轉(zhuǎn)化為空間設(shè)計語言。然而，落地性在水利工程中也有所體現(xiàn)，水利工程的落地性表現(xiàn)為工程技術(shù)的落地性，主要解決河流治理中的某一類問題，而風(fēng)景園林的落地性則強(qiáng)調(diào)各類要素在地表空間系統(tǒng)上的組織，更注重空間的營造，因此筆者以河流的空間營造為基本，提煉出一套風(fēng)景園林設(shè)計語言。

2）風(fēng)景園林具有整合性，整合性并不是指要素間的簡單拼貼，而是在河流生態(tài)修復(fù)中在充分認(rèn)識機(jī)制的基礎(chǔ)上，發(fā)揮設(shè)計師的創(chuàng)造力[6]。整合性體現(xiàn)在2個層面：①對學(xué)科的整合，風(fēng)景園林提供了一個連接的橋梁和框架，銜接人文與自然兩大領(lǐng)域，實現(xiàn)兩者的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，再將兩者整合為一個有機(jī)體系，發(fā)揮比單一學(xué)科更大的效能[7]；②人與自然的整合，風(fēng)景園林的整合性是將人與自然視為一體，旨在創(chuàng)造人與自然和諧共生的環(huán)境，最終達(dá)成人與河流共同發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)[8，9]。

在當(dāng)下研究中，從自然科學(xué)技術(shù)原理到風(fēng)景園林設(shè)計語言的轉(zhuǎn)譯仍處在初探階段。在理論研究方面，束晨陽等對城市河道的設(shè)計原則進(jìn)行了分析，并給出河道平面、斷面、河岸等3種設(shè)計模式[10]；溫全平等側(cè)重于堤岸景觀生態(tài)化設(shè)計，提出了3種模式及其適用范圍[11]；付飛等根據(jù)生態(tài)廊道原理提出了城市河流的景觀空間模式[12]；王文奎等將河流進(jìn)行分類，提出與之相適應(yīng)的近自然化景觀策略[13]。然而，上述研究或針對單一類型的問題，給出幾種設(shè)計模式，或?qū)⒑恿鲉栴}進(jìn)行分類，給出幾種優(yōu)化策略，缺乏將自然科學(xué)技術(shù)原理轉(zhuǎn)化到設(shè)計中的系統(tǒng)性研究。因此，本研究的核心是將河流生態(tài)修復(fù)中自然科學(xué)技術(shù)原理轉(zhuǎn)化為風(fēng)景園林設(shè)計語言，提供一套具備生態(tài)性、空間性、歸納性、尺度性和類型性的設(shè)計工具。該設(shè)計工具重點在于拉近規(guī)劃設(shè)計與生態(tài)修復(fù)理論之間的落差，以生態(tài)修復(fù)為基本目標(biāo)，在實踐中為設(shè)計師提供參考。設(shè)計師可在此基礎(chǔ)上開展多樣化設(shè)計，盡可能滿足人類對河流的多元化需求。

3 河段尺度下的生態(tài)設(shè)計手法研究

本研究的核心工作是將河流生態(tài)修復(fù)中的理論轉(zhuǎn)化為生態(tài)設(shè)計手法，主要采用T-P-C途徑。即從原理（theory）推導(dǎo)出基于原理的設(shè)計空間導(dǎo)則或空間格局（pattern），并最終通過有效實踐案例（case）進(jìn)行應(yīng)用檢驗與修正[14]。該方法在《圖解景觀生態(tài)規(guī)劃設(shè)計原理》一書中被提出，可證明T-P-C途徑具有廣泛的普適性[15]。本研究中的T指的是河流空間要素的劃分與河流生態(tài)學(xué)原理的選擇；P指的是對河流修復(fù)相關(guān)原理的分析，并基于原理提煉出相應(yīng)的設(shè)計法則；C指的是將法則放在某一具體情境或問題中，給出具體的生態(tài)設(shè)計手法，并用案例進(jìn)行驗證。

3.1 T：河段尺度的空間特征與相關(guān)原理

3.1.1 河段尺度的空間特征

按照T-P-C途徑，首先從風(fēng)景園林學(xué)的角度對河流空間要素進(jìn)行分析（圖1）。河流空間要素的劃分包括3個尺度：流域尺度、廊道尺度和河段尺度[16]。本研究以河段尺度為主要研究對象，原因有二：1）在流域與廊道尺度上，河流的生態(tài)問題主要在于人類活動所引發(fā)的水生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展間的矛盾，風(fēng)景園林學(xué)在理論與實踐中更關(guān)注管控策略而非設(shè)計，因此該尺度不作為本研究的討論對象；2）在河段尺度上，河流受人工干擾程度較大，生態(tài)問題較多，且風(fēng)景園林學(xué)在河段尺度上的理論與實踐研究以設(shè)計為主，與本研究生態(tài)設(shè)計手法的研究相符，更具研究價值。

1 河流空間要素分析The analysis of river spatial elements

在流域尺度上，每條河流都有自己的流域，一個大流域可以按照水系等級分成數(shù)個小流域，小流域又可以分成更小的流域[17]。在大流域中，河流單獨作為一個子系統(tǒng)，其周圍的地貌環(huán)境為地貌子系統(tǒng)，2個子系統(tǒng)共同組成了流域。地貌子系統(tǒng)主要包括了五大地形，即山地、盆地、高原、丘陵和平原[18]。河流子系統(tǒng)即河流廊道，河流廊道在縱向上可劃分為河源、上游、中游、下游和河口5個部分。

河段尺度的空間要素劃分主要以橫向結(jié)構(gòu)為主，橫向結(jié)構(gòu)涉及河流的橫向自然過程。河流從河源到河口，由于坡降比的變化，河流在不同河段上的橫向結(jié)構(gòu)是不同的。河流的河源區(qū)多為冰川、沼澤，是河流的水源地。河流的上游段大多位于山區(qū)或高原，縱坡陡峭，水流湍急，以河流的侵蝕、沖刷為主，其空間要素由河床和階地構(gòu)成[19]。河流的中游段大多位于山區(qū)與平原交界處，下游段大多位于平原區(qū)，縱坡趨于平緩，側(cè)向侵蝕明顯，以河流的淤積作用為主。因此，中下游的空間要素由河床、河漫灘和階地構(gòu)成。河口由于潮汐作用的影響，其空間要素的構(gòu)成更為復(fù)雜，是由主河道、分支河道、天然堤、決口扇和三角洲構(gòu)成[20]，河口在本研究中暫不做考慮。河漫灘包括了島、湖泊、沼澤和天然堤。階地是指高出洪水期水位的階梯狀地形。河漫灘的范圍是指河流漫過河床的水位，在某一頻率下所對應(yīng)的淹沒區(qū)域，在該空間要素上發(fā)生的生態(tài)過程較多，所以河漫灘的研究價值相對較高。

表1 河流景觀生態(tài)學(xué)原理Tab.1 River landscape ecology principles

2 河流景觀生態(tài)學(xué)原理圖示River landscape ecology principles diagram

3.1.2 河流生態(tài)修復(fù)原理的選擇

對河流生態(tài)修復(fù)原理的研究，是河流生態(tài)設(shè)計手法提煉的理論基礎(chǔ)。河流生態(tài)修復(fù)原理包括了河流景觀生態(tài)學(xué)原理以及景觀生態(tài)學(xué)原理的相關(guān)內(nèi)容，主要研究景觀格局與生態(tài)過程之間的關(guān)系。河流景觀生態(tài)學(xué)迄今提出的較有影響力的概念模型主要有10種，除去流域等級概念以及地帶性概念與河流生態(tài)設(shè)計手法研究關(guān)聯(lián)較小，另有景觀異質(zhì)性以及源匯理論2個原理與河流生態(tài)修復(fù)密切相關(guān)[21]。筆者基于河流生態(tài)修復(fù)相關(guān)原理推導(dǎo)出設(shè)計法則，將設(shè)計法則放在具體問題中，可提煉出生態(tài)設(shè)計手法。

3.2 P：基于原理的設(shè)計法則推導(dǎo)

從原理推導(dǎo)出設(shè)計法則的具體方法，是將8個河流景觀生態(tài)學(xué)的概念模型以及2個景觀生態(tài)學(xué)原理[22-24]進(jìn)行詮釋，對其空間因子及相關(guān)生態(tài)功能進(jìn)行分析（表1），根據(jù)分析作出圖示（圖2），并推導(dǎo)出相應(yīng)的設(shè)計法則。

3.3 C：通過案例解析提煉有效手法

3.3.1 河流生態(tài)問題分析

對河流生態(tài)問題的指認(rèn)，是運(yùn)用設(shè)計法則解決現(xiàn)實問題的基礎(chǔ)。河流生態(tài)修復(fù)旨在改善河流生態(tài)功能，而河流生態(tài)功能障礙則由人工干擾所引起，因此通過對河流生態(tài)功能與人工干擾因素的分析來指認(rèn)河流生態(tài)問題。按照河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來劃分，生態(tài)系統(tǒng)是由生物群落與無機(jī)環(huán)境構(gòu)成的統(tǒng)一整體[25]，所以河流的生態(tài)功能主要包含兩方面。首先，從河流生態(tài)系統(tǒng)中的生物群落出發(fā)，即水生態(tài)的角度，河流生態(tài)系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在生物多樣性及初級生產(chǎn)力。其次，從河流生態(tài)系統(tǒng)中的無機(jī)環(huán)境出發(fā)，即水文和水質(zhì)的角度，河流生態(tài)系統(tǒng)具有提供水資源、調(diào)節(jié)氣候等與生態(tài)水量相關(guān)的功能，以及調(diào)節(jié)洪水等與生態(tài)水位相關(guān)的功能，還有泥沙輸移、泥沙攔截等與物質(zhì)傳輸相關(guān)的功能，并且還具有水體凈化等與水質(zhì)凈化相關(guān)的功能[26]。綜上所述，河流的生態(tài)功能主要分為3類，共計7種。

3 河流生態(tài)修復(fù)目標(biāo)及人工干擾因素的關(guān)系The relationship between river ecological restoration targets and artificial interference factors

4 直線化河道修復(fù)The restoration of river cutoff

5 河床改造The reconstruction of riverbed

通過文獻(xiàn)綜述可知，河流存在20種人工干擾因素（圖3），將6類生態(tài)問題（即生態(tài)修復(fù)目標(biāo)）與20種人工干擾因素進(jìn)行對照，可解析出河流的生態(tài)問題因何而起，然后結(jié)合設(shè)計法則，提出應(yīng)對河流生態(tài)問題的設(shè)計手法，使河流恢復(fù)原有的生態(tài)功能。

3.3.2 河段尺度下的生態(tài)設(shè)計手法與案例

生態(tài)設(shè)計手法是依據(jù)河流生態(tài)問題，結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計法則而提煉的，并通過案例進(jìn)行驗證。在河段尺度上，河流的生態(tài)設(shè)計手法提煉根據(jù)其空間要素劃分為河床、河漫灘及河床—河漫灘3個方面，其目標(biāo)以生態(tài)修復(fù)為主，恢復(fù)河流的生態(tài)功能。本研究以平原地區(qū)的城市河流為主要研究對象，其他特殊情況暫不做考慮。

1）河床部分。河床部分的人工干擾問題主要有5個，即裁彎取直、河床硬化、城市建設(shè)、大壩水庫、各類污水導(dǎo)致的水體污染。針對以上5個問題，分別有不同的生態(tài)設(shè)計手法。

① 由于裁彎取直導(dǎo)致的河道的直線化問題，根據(jù)河流生產(chǎn)力及近岸保持力原理，提煉出“改造河道蜿蜒度”“改造邊灘蜿蜒度”“增設(shè)回水灣”3種手法（圖4），運(yùn)用該手法將直線化的河道恢復(fù)為原有的自然彎曲狀態(tài)，可提高河流中的生態(tài)水量，提高河流生產(chǎn)力及生物多樣性，以上手法可在美國圣安東尼奧河流改造設(shè)計和洛杉磯鐵路站場可行性研究中得到驗證。

② 河道硬化問題，根據(jù)河流四維連續(xù)體概念，可提煉出“生態(tài)河床”的手法（圖5），運(yùn)用該手法可改善河流在豎向上的物質(zhì)能量交換，由此提高生物多樣性，該手法可通過德國伊薩河修復(fù)的案例進(jìn)行驗證。

③ 由于城市建設(shè)擠壓河道，而導(dǎo)致河道變窄的問題，根據(jù)景觀異質(zhì)性原理，可提煉出“拓寬河床”的手法（圖5）。該手法根據(jù)廊道越寬生態(tài)效益越高的原理，提高生態(tài)水量與生物多樣性，可通過新加坡碧山宏茂橋公園的案例進(jìn)行驗證。

④ 河道筑壩問題，根據(jù)河流四維連續(xù)體概念及串聯(lián)非連續(xù)體概念，提煉出“生態(tài)筑壩”的手法（圖5）。該手法將普通大壩水庫改為生態(tài)筑壩，提高河流在縱向上的連通性，以此提高生物多樣性，以德國伊薩河河流改造設(shè)計中生態(tài)筑壩為例進(jìn)行驗證。

⑤ 由于各類污水排放導(dǎo)致的水體污染問題，根據(jù)源匯模型提煉出了“人工湖改造”的手法（圖6）。通過增大水域面積提高水體自凈能力，解決水體污染問題，以美國圣安東尼奧河流改造設(shè)計中開挖人工湖為例進(jìn)行驗證。

2） 河漫灘部分。在河漫灘部分，人工干擾問題主要有城市建設(shè)、圍墾、植被破壞等，由此而導(dǎo)致河漫灘結(jié)構(gòu)單一化、河漫灘受擠壓、河漫灘用地不合理等問題。針對以上3個問題，分別有不同的生態(tài)設(shè)計手法。

① 河漫灘結(jié)構(gòu)單一化，根據(jù)河流生產(chǎn)力、近岸保持力、河流四維連續(xù)體概念、源匯模型等原理，提煉出“濕地復(fù)原”的手法（圖7）。主要通過恢復(fù)河漫灘濕地來提高河漫灘結(jié)構(gòu)的多樣性，以此提高河流生態(tài)多樣性，以貴州六盤水明湖濕地公園為例進(jìn)行驗證。

② 河漫灘受擠壓問題，根據(jù)景觀異質(zhì)性原理，提煉出“拓寬河漫灘”的手法（圖7）。該手法運(yùn)用廊道越寬生態(tài)效益越高的原理，運(yùn)用該手法可提高河流生物多樣性，以新加坡碧山宏茂橋公園為例進(jìn)行驗證。

③ 河漫灘用地不合理，根據(jù)河流生產(chǎn)力、近岸保持力、河流四維連續(xù)體概念，提煉出“調(diào)整用地性質(zhì)”的手法（圖7）。將城鎮(zhèn)用地調(diào)整到離河漫灘較遠(yuǎn)的位置，恢復(fù)河漫灘綠地，以此提高河流生物多樣性，以寧波生態(tài)走廊規(guī)劃設(shè)計為例進(jìn)行驗證。

3） 河床—河漫灘部分。在河床—河漫灘部分，人工干擾問題主要因城市建設(shè)導(dǎo)致的護(hù)坡硬化、多河道變單河道、植被破壞、防洪堤等問題，分別有不同的生態(tài)設(shè)計手法。

① 護(hù)坡硬化問題，根據(jù)河流四維連續(xù)體及近岸保持力概念，提煉出“木框擋土墻”“石籠駁岸”“塊石駁岸”“植物駁岸”4種生態(tài)護(hù)岸的手法（圖8）。運(yùn)用該手法可提高河流物質(zhì)、能量在橫向上的交換，提高河流生物多樣性，通過美國圣安東尼奧河流改造設(shè)計、金華燕尾洲公園、秦皇島海濱生態(tài)恢復(fù)、寧波生態(tài)走廊4個案例進(jìn)行驗證。

② 多河道變單河道的問題，主要有2種。一種是兩河交匯處河道結(jié)構(gòu)由繁變簡，根據(jù)景觀異質(zhì)性原理，提煉出“河口濕地公園”的手法（圖9）。通過恢復(fù)河口處濕地來提高空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，從而提高河流生物多樣性，以澇渭濕地改造為例進(jìn)行驗證。另一種是由于城鎮(zhèn)發(fā)展將原有的多條河道擠壓成單條河道，根據(jù)景觀異質(zhì)性原理，提煉出“多河道修復(fù)”的手法（圖9）。通過恢復(fù)多河道，提高空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，從而提高河流生物多樣性，以中國遷安三里河綠道項目為例進(jìn)行驗證。

6 人工湖改造The reconstruction of artifical lake

7 河漫灘改造The reconstruction of flood land

8 4種生態(tài)護(hù)岸4 kinds of ecological riverbanks

9 濕地與多河道修復(fù)Multi-channel and wetland restoration

10 植物群落配置Configuration models of plant community

11 階梯式堤岸Stepped embankment

③ 植被破壞問題，根據(jù)河流生產(chǎn)力概念和近岸保持力概念，提煉出“植物群落配置”的手法（圖10）。恢復(fù)河流周邊植被，提高河流生物多樣性，以英國小烏斯河河岸修復(fù)為例進(jìn)行驗證。

④ 防洪堤問題，根據(jù)河流四維連續(xù)體概念，提煉出“階梯式堤岸”的生態(tài)防洪手法（圖11）。通過堤岸與地形結(jié)合的形式，在保障河流橫向連通性的同時防止洪水泛濫，以芝加哥濱河步道的四維設(shè)計為例進(jìn)行驗證。

4 結(jié)語

風(fēng)景園林學(xué)在河流修復(fù)方面有諸多研究，但在自然科學(xué)技術(shù)原理向風(fēng)景園林設(shè)計語言轉(zhuǎn)譯方面，仍處在初探階段。筆者通過對河流生態(tài)修復(fù)中自然科學(xué)技術(shù)原理的分析，總結(jié)并提煉出15種生態(tài)設(shè)計手法，并以實踐案例進(jìn)行驗證。設(shè)計師可通過對上述手法的運(yùn)用，解決河段尺度下的生態(tài)問題，也可在此基礎(chǔ)之上注入創(chuàng)造性思維，發(fā)揮河流的多樣化功能。目前本研究尚未對山地型河流、河段中的河口部分等特殊區(qū)域展開研究，在后續(xù)研究中將繼續(xù)進(jìn)行探索。

圖表來源(Sources of Figures and Table)：

文中圖片均由作者繪制；表1根據(jù)參考文獻(xiàn)[20-23]繪制。