天津市綜合性公園湖泊景觀形態(tài)設計定量研究

付一丁，吳 軍，李鵬波

（天津城建大學 建筑學院，天津 300384）

“園以水活”，湖泊景觀具有豐富的景觀空間和形式，不僅增添生機與色彩，還能傳遞平靜怡神的氛圍信息，所以湖泊景觀對城市綜合公園整體設計十分重要.設計時常以湖泊景觀為中心布置園路、景點等其他要素，從而起到引導游人、拉長游覽路線、分隔視線、調節(jié)小氣候等作用.城市綜合公園湖泊形態(tài)或曲或直，或狹長或開闊，不同形態(tài)表達著不同的美，也影響著公園空間布局的變化.因此，深入研究湖泊形態(tài)是城市綜合性公園景觀設計發(fā)展的必然要求.

建國以來，天津積累了大量的城市綜合性公園，深受市民喜愛，滿足研究可行的基礎環(huán)境要求.另外，天津海河支流遍布，水景形式多樣，天津人民對水有著與生俱來的親切感.天津市各綜合公園在條件允許的情況下，基本都建有湖泊景觀，為天津綜合性公園湖泊景觀形態(tài)設計定量研究提供了數(shù)據(jù)來源.

1 調研公園選擇

以2011年天津市市容園林委公布的《天津市公園名錄》（近年未更新）為主要范圍進行選擇有湖泊景觀的綜合性公園（見表1）.以《城市綠地規(guī)劃標準》（GB/T 51346—2019）[1]中對綜合公園的要求為根據(jù)，補充近年來新建的城市綜合性公園，以保證數(shù)據(jù)的完整性和更新性.具體要求為：一是綜合公園適宜規(guī)模不小于10公頃；二是要具備包括運動健身、兒童游戲、休閑游覽、公共服務等多種功能在內(nèi)的設計分區(qū)；三是要便于周圍居民使用.另外，城市綜合性公園湖泊景觀應具有一定規(guī)模且運行良好、湖岸優(yōu)美，因此選擇湖泊面積≥1公頃且湖泊形態(tài)不完全規(guī)則的公園，避免出現(xiàn)水體形態(tài)量化的極端數(shù)值.

表1 天津市綜合性公園名錄

根據(jù)上述要求，篩選出24個天津城市綜合性公園，包括水上公園、南翠屏公園、長虹生態(tài)園、綠水園、北寧公園、橋園公園、二宮公園、人民公園、西沽公園、雙青公園、東麗湖自然藝苑、月牙河公園、水西公園、梅江公園、河濱公園、綠島公園、新港公園、河西公園、大港公園、泰豐公園、渤龍湖公園、印象海堤公園、華翠公園、方舟公園，并對其湖泊景觀進行調查與研究.

2 研究對象與數(shù)據(jù)轉化分析

2.1 研究對象

在實地調研過程中，對照0.46米/像素的公園衛(wèi)星圖，結合現(xiàn)實可到達情況，確定公園邊界和湖泊邊界.然后，在ArcGIS軟件平臺[2]中進行湖泊形態(tài)分區(qū)矢量化，分區(qū)結果如圖1所示.采取分區(qū)處理的原因有兩點：一是在中國古典園林理水藝術中，水景營造分為集中式布局和分散式布局[3]，其中分散式布局將集中整體的水面分散開來，使其遍布全園形成水系，雖分散相連，但有相對獨立的景觀空間，從形態(tài)研究的角度來說，適合將整體化為局部區(qū)域提取形態(tài)再進行研究；二是組織湖面時，通常會使用橋、堤、島等要素來分割水面，以豐富景觀層次，擴大湖泊景觀觀賞范圍，此時湖泊自然被劃分成不同的獨立區(qū)域，需要按獨立區(qū)域提取形態(tài)再進行研究.因此，將整體湖泊形態(tài)在保持獨立區(qū)域水域完整、視覺通視效果好的情況下進行分區(qū).

圖1 湖泊形態(tài)分區(qū)處理結果

因此，本文以區(qū)域湖泊形態(tài)面積≥5 000 m2的42個樣本為研究對象，進行湖泊形態(tài)數(shù)據(jù)收集與處理，各區(qū)域湖泊形態(tài)面積具體結果見表2.

表2 區(qū)域湖泊形態(tài)面積

2.2 數(shù)據(jù)轉化分析

將ArcGIS軟件平臺的區(qū)域湖泊形態(tài)矢量化結果導入至Rhino+Grasshopper（下文簡稱“R+G”）參數(shù)化設計平臺[4]，進行湖泊形態(tài)定量數(shù)據(jù)的轉化獲取工作，并直接計算形態(tài)指標值.將形態(tài)指標值匯總至SPSS 24軟件平臺，對單一要素進行頻率分析和正態(tài)分布，對2個相關要素建立回歸模型進行回歸分析.

3 湖泊形態(tài)定量指標及數(shù)據(jù)獲取

3.1 湖泊形態(tài)定量指標

（1）湖泊面積（A）：湖泊面積按水陸交接線所在位置圈定，體現(xiàn)湖泊的大小和規(guī)模.

（2）湖泊周長（P）：指湖岸線長度，按水陸交接線所在位置劃定，影響分形維數(shù)、近圓率等指標.

（3）湖泊最長軸（L）：指湖岸線形態(tài)輪廓上距離最遠兩點連線的長度，影響形狀率指標.

（4）形狀率（FR）

形狀率反映湖面的開闊程度和環(huán)流形成，是湖泊景觀形態(tài)研究方面的常用指標.形狀率較小的湖泊，湖面寬窄變化大，岸線曲率大、局部形狀相對封閉[5].形狀率較大的湖泊，一般湖面開闊，湖流通暢，不易形成死水區(qū)[6].

（5）近圓率（CR）

近圓率是將湖面形態(tài)和相同面積的圓作比較，體現(xiàn)空間的離散程度.湖泊形態(tài)近圓會使駁岸輪廓線趨于均質，導致湖泊景觀缺乏空間變化，削弱其生態(tài)功能.湖泊形態(tài)的近圓率影響景深和岸線曲率，表現(xiàn)為近圓率越小，景深越大，岸線曲率越大[7].

（6）岸線發(fā)育系數(shù)（DL）

岸線發(fā)育系數(shù)用以描述湖岸的曲折程度，它將湖泊形態(tài)與相同面積的圓比較，以反映湖岸的曲折程度，其值越大則湖岸越曲折，是常用的湖泊形態(tài)指標[8].另外，該指標還與沉水植物和漂浮植物多樣性呈顯著正相關關系，影響生態(tài)效益[9].

（7）水體空間包容面積（ΔA）

公式中R代表面積相等的標準圓半徑，R0代表最大外接圓半徑.由于公園面積是一定的，所以湖泊面積和陸地面積成反比關系.城市中用地緊張，公園需要足夠的陸地面積來發(fā)揮各種功能，但湖泊景觀作為重要的興趣景觀，其景觀效果不應只局限于公園的某一部分.在這種情況下，可以通過調整湖泊形態(tài)，擴大湖泊景觀在公園景觀中的控制范圍，其控制范圍反映為空間包容效應.ΔA指當湖泊面積不變、其形態(tài)改變時所增加的包容面積.通過優(yōu)化城市綜合公園湖泊形態(tài)，達到更好的空間包容效果，加強水陸空間的正向耦合效果.

（8）緊湊度（C）

公式中A代表湖泊面積，A0代表最小外接圓面積.緊湊度側重反映湖面的開闊程度，其數(shù)值與湖面開闊程度成正比關系.

3.2 湖泊形態(tài)數(shù)據(jù)獲取

湖泊形態(tài)數(shù)據(jù)傳統(tǒng)的收集方法是按指標公式需要的值對每一個湖泊形態(tài)進行測量，再進行計算和統(tǒng)計，步驟繁瑣且效率較低.本研究通過R+G參數(shù)化軟件平臺，以一種簡單高效的方式完成從矢量圖形到指標數(shù)據(jù)的轉化.

具體方法為：將ArcGIS平臺中的湖泊形態(tài)矢量化結果導入R+G平臺，搭建“湖泊形態(tài)數(shù)據(jù)參數(shù)化收集”運算集，以泰豐公園c區(qū)湖泊形態(tài)為例運行運算.即拾取泰豐公園c區(qū)湖泊形態(tài)的矢量化線條，直接對湖泊的面積（A）、周長（P）、最長軸（L）進行數(shù)據(jù)提取.然后直接進入湖泊形態(tài)指標公式計算模塊進行計算，得到湖泊形態(tài)的形狀率（FR）、近圓率（CR）、岸線發(fā)育系數(shù)（DL）、水體空間包容面積（ΔA）和緊湊度（C）的計算結果，結果如圖2所示.這種操作方式極大的簡化了數(shù)據(jù)獲取的步驟，提高了工作效率和精度.

圖2 湖泊形態(tài)數(shù)據(jù)參數(shù)化收集運算集

將湖泊面積≥5 000 m2的42個區(qū)域湖泊形態(tài)數(shù)據(jù)匯總并進行指標統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表3，為數(shù)據(jù)分析做準備.

表3 湖泊形態(tài)指標數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4 湖泊形態(tài)指標數(shù)據(jù)分析

4.1 頻率分析

圖3為湖泊形態(tài)指標頻率分析圖.由圖3可知，83.3%的湖泊面積集中于[0，50 000]的區(qū)間內(nèi)，即本研究對5公頃以內(nèi)的區(qū)域湖泊形態(tài)設計有較大的參考意義.另外，在[50 000，500 000]的區(qū)間內(nèi)也有少量的樣本分布，即本研究對大于5公頃，小于50公頃的區(qū)域湖泊形態(tài)設計也有一定的參考意義.

圖3 湖泊形態(tài)指標頻率分析圖

90.4 %的湖泊周長集中于[500，3 000]的區(qū)間內(nèi).92.9%的湖泊最長軸集中于[0，1 000]的區(qū)間內(nèi).97.6%的形狀率集中于[0，0.4]的區(qū)間內(nèi).92.9%的近圓率集中于[0，0.4]的區(qū)間內(nèi).90.4%的岸線發(fā)育系數(shù)集中于[2.5，6.5]的區(qū)間內(nèi).95.2%的水體空間包容面積集中于[0，650 000]的區(qū)間內(nèi)，71.4%的水體空間包容面積集中于[0，150 000]的區(qū)間內(nèi).97.6%的緊湊度集中于[0，0.5]的區(qū)間內(nèi)，76.2%的緊湊度集中于[0，0.35]的區(qū)間內(nèi).

數(shù)值區(qū)間反映了天津綜合性公園湖泊景觀的形態(tài)特征，主要表現(xiàn)為區(qū)域湖泊多具有一定的開闊度，景深效果適中，空間格局緊湊度適中，湖岸線自然流暢，形態(tài)曲折變化豐富，水體空間包容效果好.形成視線通達、岸線自然、空間豐富的天津綜合性公園湖泊景觀，從而為公園整體景觀增添魅力，提高游人觀景游覽興趣度，有效加強自然景觀與城市景觀的聯(lián)系.

4.2 回歸分析

4.2.1 湖泊面積-湖泊周長

圖4為天津綜合性公園湖泊面積（A）和湖泊周長（P）的回歸分析圖，湖泊面積的sig值低于0.05，表明湖泊面積對岸線周長具有顯著影響.對應的回歸方程為：P=0.007A+980.585（R2=0.813）.由圖可知，隨著湖泊面積的增加，湖泊周長也隨之增加.因此，在進行綜合性公園湖泊景觀設計時，可通過擴大湖泊面積來延長湖岸線長度.

圖4 湖泊面積-湖泊周長回歸分析圖

4.2.2 湖泊最長軸-湖泊面積、湖泊周長

圖5、圖6分別為天津綜合性公園湖泊最長軸（L）和湖泊面積（A）、湖泊周長（P）的回歸分析圖.對應的回歸方程為：A=322.83L-83 780.322（R2=0.725）、P=2.868L+122.857（R2=0.911）.由圖可知，湖泊面積隨湖泊最長軸的增大而增大，湖泊周長也隨湖泊最長軸的增大而增大.也就是說，湖泊最長軸同時控制影響著湖泊面積和湖泊周長.將圖6與圖4對比可知，相比面積，最長軸對湖泊周長的影響程度更大.因此，在進行綜合性公園湖泊景觀設計時，可通過設計湖泊最長軸長度來增加景深效果，延長游覽路線，形成自然流暢的湖泊形態(tài).

圖5 湖泊最長軸-湖泊面積回歸分析圖

圖6 湖泊最長軸-湖泊周長回歸分析圖

4.2.3 湖泊最長軸、湖泊周長-水體包容面積

圖7、圖8分別為天津綜合性公園湖泊最長軸（L）、湖泊周長（P）和水體包容面積（ΔA）的回歸分析圖.對應的回歸方程為：ΔA=815.417L-195 906.048（R2=0.866）、ΔA=250.62P-182.081.424（R2=0.739）.由圖可知，水體包容面積隨湖泊最長軸的增大而增大，也隨湖泊周長的增大而增大.由于圖6反映了湖泊周長隨湖泊最長軸的增大而增大，則可推出湖泊最長軸直接影響水體包容面積.結合前文可知，當湖泊最長軸在一定范圍內(nèi)增長時，湖泊面積、湖泊周長和水體包容面積同步增長，可以有效提高湖面占比，并加強水陸空間的正向耦合效果.因此，在進行綜合性公園湖泊景觀設計時，湖面最長軸應在范圍區(qū)間內(nèi)選擇該值最大的湖泊形態(tài).

圖7 湖泊最長軸-水體包容面積回歸分析圖

圖8 湖泊周長-水體包容面積回歸分析圖

4.2.4 岸線發(fā)育系數(shù)-近圓率、形狀率

圖9、圖10分別為天津綜合性公園岸線發(fā)育系數(shù)（DL）和近圓率（CR）、形狀率（FR）的回歸分析圖.對應的回歸方程為：CR=-0.093DL-0.663（R2=0.823）、FR=-0.66DL+0.499（R2=0.602）.由圖可知，近圓率隨岸線發(fā)育系數(shù)變大而變小，形狀率也隨岸線發(fā)育系數(shù)變大而變小.數(shù)據(jù)表明岸線曲折度增大會延長景深，同時會加劇水面的寬窄變化.一定范圍內(nèi)岸線曲折度數(shù)值的增加可以使湖泊形態(tài)更明顯、景觀空間感更強.但是，當岸線曲折度數(shù)值的增加超出范圍后，會導致湖面狹窄，影響環(huán)流，甚至形成死水區(qū).因此，在進行綜合性公園湖泊景觀設計時，要控制岸線曲折度值的區(qū)間，不能一味追求形態(tài)變化而放棄湖泊景觀的可持續(xù)發(fā)展能力.

圖9 岸線發(fā)育系數(shù)-近圓率回歸分析圖

圖10 岸線發(fā)育系數(shù)-形狀率回歸分析圖

4.2.5 形狀率-近圓率、緊湊度

圖11、圖12分別為天津綜合性公園形狀率（FR）和近圓率（CR）、緊湊度（C）的回歸分析圖.對應的回歸方程分別為：CR=0.938FR+0.054（R2=0.611）、C=1.248FR+9.931×10-5（R2=0.996）.由圖可知，近圓率隨形狀率變大而變大，緊湊度隨形狀率變大而變大.也就是說形狀率越大，湖泊形態(tài)越近圓且緊湊，會使湖面開闊，但也會使湖岸線均質單一、景深變小.因此，在進行綜合性公園湖泊景觀設計時，對主要節(jié)點的區(qū)域湖泊形態(tài)選擇形狀率范圍內(nèi)的較小值，確定面積寬廣、形態(tài)變化豐富、湖岸線優(yōu)美流暢的區(qū)域湖泊做主要水面.對次要節(jié)點的區(qū)域湖泊形態(tài)選擇形狀率范圍內(nèi)的較大值，確定面積相對較小、形態(tài)飽滿的區(qū)域湖泊做次要水面，使整體湖泊形態(tài)達到收放自如的效果，避免湖泊形態(tài)出現(xiàn)過于曲折或者過于僵化的問題，實現(xiàn)大水面與小水面的平衡與配合.

圖11 形狀率-近圓率回歸分析圖

圖12 形狀率-緊湊度回歸分析圖

5 結果與分析

（1）湖泊形態(tài)要重視湖泊最長軸的設計.湖泊最長軸越大，加強畫面景深的效果越好，同時延長游覽路線，并有效提高湖面占比，加強水陸空間的正向耦合效果.當有多種湖泊形態(tài)方案時，可在范圍區(qū)間內(nèi)選擇湖泊最長軸為最大值的方案，以形成自然流暢、空間豐富的湖泊景觀.

（2）湖泊形態(tài)要控制岸線發(fā)育系數(shù)值.岸線發(fā)育系數(shù)在一定范圍內(nèi)增大可以強化湖泊形態(tài)，增強人的景觀空間感受，還可以提高植物的多樣性.但超出范圍時，可能導致湖面過于狹窄，逐漸形成死水區(qū).當有多種湖泊形態(tài)方案時，可在范圍區(qū)間內(nèi)選擇岸線發(fā)育系數(shù)為最大值的方案.

（3）湖泊形態(tài)要控制形狀率值.可對主要節(jié)點的區(qū)域湖泊形態(tài)選擇形狀率范圍內(nèi)的較小值，對次要節(jié)點的區(qū)域湖泊形態(tài)選擇形狀率范圍內(nèi)的較大值，使大水面與小水面、主要節(jié)點和次要節(jié)點有機組合，形成湖岸優(yōu)美、空間豐富的綜合性公園湖泊水系.

6 結語

本文對24個天津市綜合性公園進行實地調研，以42個區(qū)域湖泊形態(tài)為研究對象，搭建“湖泊形態(tài)數(shù)據(jù)參數(shù)化收集”運算集對42個區(qū)域湖泊形態(tài)指標進行數(shù)據(jù)提取并匯總.通過對形態(tài)數(shù)據(jù)進行定量分析，挖掘各指標間的內(nèi)在關系，找到對城市綜合性公園湖泊景觀設計有參考價值的形態(tài)指標.

城市綜合性公園湖泊景觀具有復雜性，其形態(tài)設計既需要依據(jù)本文所述的形態(tài)指標進行量化控制，為形態(tài)選擇提供數(shù)據(jù)參考，也需要設計師依據(jù)現(xiàn)實情況和藝術審美進行綜合調整，由此共同完成城市綜合性公園優(yōu)美流暢、運行良好的湖泊景觀形態(tài)設計.