智能化河堤綠化設(shè)計(jì)研究

汪瑞軍，韓軼群，謝明坤，呂曉倩

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230601；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210024)

0 引言

堤防可能是世界最早廣為采用的防洪工程措施[1]，通過(guò)限制或改變水流方向來(lái)保護(hù)濱水區(qū)域的人類定居點(diǎn)免受洪水的侵襲。雖然以消除水患和開發(fā)利用水資源為主要目的修建，但作為調(diào)節(jié)人與自然關(guān)系的一種空間介質(zhì)，堤防的景觀與生態(tài)功能一直與工程作用相伴而生。在愈發(fā)關(guān)注環(huán)境保護(hù)與提升的今天，堤防的功能復(fù)合性更加受到重視。2020年水利部出臺(tái)《健康河湖評(píng)價(jià)指南》，將生物、社會(huì)服務(wù)功能納入到評(píng)價(jià)體系之中；2021年江蘇省河長(zhǎng)辦頒布《江蘇省幸福河湖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》提出“河安湖晏、水清岸綠、魚翔淺底、文昌人和、群眾滿意”5個(gè)指標(biāo)體系。強(qiáng)化包含堤防在內(nèi)的水利設(shè)施的綜合服務(wù)功能是當(dāng)下水利工程建設(shè)的重要目標(biāo)與趨勢(shì)。

宋代蘇東坡主持疏浚西湖并筑起了近3km的長(zhǎng)堤，栽柳植桃，鋪路修橋，提升西湖蓄水功能的同時(shí)營(yíng)造出一條游湖的最佳線路，并獲贊“西湖十景”之首[2]，與之類似的還有都江堰、范公堤等等，既是造福一方的民生工程，也很好地將景觀、人文融合在一起，成為水利設(shè)施充分發(fā)揮社會(huì)服務(wù)功能的典范。生態(tài)服務(wù)功能則與水利設(shè)施的自身屬性相關(guān)，水陸交界地帶是眾多動(dòng)植物的棲息地，河湖及其沿岸區(qū)域以1%～2%的陸表面積占比為至少1/3的脊椎動(dòng)物提供了完整生命周期必需的生活環(huán)境[3]。這其中河流尤為重要，在人類活動(dòng)的高度擴(kuò)張下自然、半自然空間易被切割、限制，河流承擔(dān)著重要生態(tài)廊道功能，在有些地方甚至是唯一的[4]。堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展不僅是一種要求，更是一種責(zé)任[5]。

本文以泰州引江河河堤為研究對(duì)象，提出了一種針對(duì)常見大型河堤的智能化綠化設(shè)計(jì)方法：通過(guò)空間與生態(tài)特征響應(yīng)下綠化模式的劃分，以及篩選-組合-呈現(xiàn)一體化機(jī)制的建立，實(shí)現(xiàn)綠化方案的快速生成、實(shí)時(shí)比較和三維表達(dá)。為典型堤防空間綠化提供了更加科學(xué)、高效的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)也搭建了一種可推廣的應(yīng)用平臺(tái)，具有在方案設(shè)計(jì)階段促進(jìn)設(shè)計(jì)方、決策方、使用方相互溝通，增強(qiáng)設(shè)計(jì)方案可行性的優(yōu)勢(shì)。

1 研究對(duì)象

泰州引江河位于泰州市與揚(yáng)州市交界處，南起長(zhǎng)江，北接新通揚(yáng)運(yùn)河，全長(zhǎng)24km，河道寬150～180m。引江河工程是一項(xiàng)以引水為主，兼顧灌溉、排澇、航運(yùn)的綜合利用大型水利設(shè)施，屬于我國(guó)南水北調(diào)的水源工程。本文研究的具體河堤位于引江河南端高港樞紐工程范圍內(nèi)，如圖1所示，由護(hù)堤地、迎水坡、堤頂和背水坡4部分構(gòu)成。護(hù)堤地寬15～20m不等，汛期可被短時(shí)淹沒(méi)，迎水坡為漿砌塊石表面，堤頂為雙向兩車道瀝青路面，車道之間及與迎水坡交界處設(shè)兩條綠化帶，背水坡用混凝土框格加固，框格內(nèi)含種植土層。

圖1 引江河河堤標(biāo)準(zhǔn)段三維模型

2 河堤綠化設(shè)計(jì)特征

2.1 綠化設(shè)計(jì)的技術(shù)路線

作為水利設(shè)施，工程需求決定了河堤的基本空間形態(tài)，形成了河堤綠化的空間基礎(chǔ)。因以植物為工作主體，結(jié)合植物的形態(tài)、習(xí)性、審美等各方面屬性，對(duì)于河堤綠化的分析可以從材料、景觀和生態(tài)3個(gè)維度展開。材料維度指將綠化植物視為河堤基本功能表達(dá)的一部分，既包括防浪、固土等積極作用，也包含為保護(hù)堤身而產(chǎn)生的一些種植限制。景觀維度是河堤社會(huì)服務(wù)功能的集中體現(xiàn)，主要由植物自身觀賞特性與河堤的空間特征共同決定。生態(tài)維度包含兩層內(nèi)容，一層是所在區(qū)域的生態(tài)特征(宏觀)及河堤內(nèi)部的生態(tài)條件差異(微觀)，另一層是河堤綠化所希望達(dá)到的生態(tài)效益或目標(biāo)。因此，河堤綠化設(shè)計(jì)的技術(shù)路線可概括總結(jié)為圖2所示。

圖2 河堤綠化設(shè)計(jì)技術(shù)路線

2.2 綠化空間的生態(tài)調(diào)查

宏觀上的生態(tài)特征屬于背景信息，泰州市屬于北亞熱帶濕潤(rùn)氣候，雨量充沛，土壤類型以黃棕壤和潮土為主[6]，研究區(qū)域?yàn)辄S棕壤。微觀上的生態(tài)條件差異源自場(chǎng)地空間形態(tài)的變化，對(duì)于河堤而言雖然整體上屬于濱水空間，但其內(nèi)部存在高程與坡度上的變化，而這兩個(gè)因素能夠作用于土壤水的局部分配，產(chǎn)生影響植物生長(zhǎng)的主要生態(tài)因子之一--土壤含水量的差異[7]。為了解土壤含水量差異的具體表現(xiàn)，設(shè)計(jì)了如下現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查方式：在引江河河堤上以20m為間隔設(shè)置5個(gè)調(diào)查斷面，并在每個(gè)斷面的護(hù)堤地、堤頂和背水坡分別取點(diǎn)實(shí)測(cè)土壤含水量，時(shí)間為2022年6月(多雨季)和2022年10月(少雨季)，迎水坡不具備直接栽植條件，故不在調(diào)查范圍內(nèi)。測(cè)量?jī)x器為AZS-100定時(shí)定位TDR土壤水分儀，輸出結(jié)果為體積含水量，測(cè)量深度為20cm。

測(cè)量結(jié)果如圖3-4所示，3個(gè)區(qū)域的土壤含水量差異顯著。護(hù)堤地低平，不僅容易匯集地表雨水徑流，且長(zhǎng)年受到河水的影響，土壤含水量始終處于較高的水平，多雨季節(jié)和少雨季節(jié)相差不大，基本處于或接近該地土壤的飽和含水量范圍[8]。堤頂種植區(qū)主要是道路旁的綠帶，幾乎不受河水的影響，土壤含水量季節(jié)性差異較大，多雨季節(jié)的均值為33.68%，少雨季節(jié)為24.70%，但也都屬于土壤的有效含水量范疇[9]。背水坡不僅得不到河水的水分支持，在坡度的影響下還很難留住雨水就地下滲，并且地表徑流的沖刷還會(huì)帶走表土的細(xì)粒成分，增大孔隙率，進(jìn)一步降低土壤的保水能力[10]?？偨Y(jié)來(lái)看，護(hù)堤地偏向于濕生環(huán)境，堤頂屬于中生環(huán)境，而背水坡則更偏向于旱生環(huán)境，土壤水分是三者生境差異的主導(dǎo)因子，綠化植物的選擇在生態(tài)習(xí)性上應(yīng)與之相符，構(gòu)成生態(tài)適宜的植物群落。

圖3 多雨季(6月)土壤含水量測(cè)量結(jié)果分析

圖4 少雨季(10月)土壤含水量測(cè)量結(jié)果分析

2.3 綠化空間的設(shè)計(jì)差異

對(duì)于河堤的水利功能而言，不同位置對(duì)綠化植物的要求不盡相同。依據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，護(hù)堤地范圍可設(shè)置防浪林帶、防護(hù)林帶，堤身和戧臺(tái)范圍內(nèi)不宜種植樹木，土面堤坡宜種植草本植物防止水土流失[11]。河堤的景觀功能在于營(yíng)造觀賞空間，而觀賞又可以分為對(duì)河堤本身的觀賞和以河堤為載體對(duì)河道和周圍景色的觀賞，因此河堤綠化不僅需要考慮自身的視覺(jué)效果，還要關(guān)注與周圍景物共同營(yíng)造怡人的風(fēng)景界面和視線。另外，對(duì)于線性空間的游覽，植物造景的連續(xù)性與節(jié)奏感十分重要，段落化栽植是比較合適也常用的方法。對(duì)于生態(tài)層面的問(wèn)題，除了上述綠化植物的篩選需與河堤空間內(nèi)部生態(tài)條件的差異相適應(yīng)外，河堤生態(tài)效益的提升以及對(duì)河道生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)的關(guān)鍵在于護(hù)堤地的植物群落營(yíng)造，水陸交接的空間特性使其成為眾多依水而生動(dòng)植物的理想棲息地，地帶性、多樣性和粗放性是綠化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

總結(jié)不同綠化空間的設(shè)計(jì)特征如圖5所示，越靠近中心表示在該設(shè)計(jì)維度受到的限制越大，越遠(yuǎn)離中心則表示對(duì)該設(shè)計(jì)維度的需求越大。護(hù)堤地綠化在3個(gè)維度均表現(xiàn)出需求占主導(dǎo)，可以種植樹木并能起到防護(hù)的作用，作為濱水界面既可營(yíng)造自身的觀賞性，也能作為前景提升河道的風(fēng)景構(gòu)圖，還是構(gòu)建或完善濱水生態(tài)系統(tǒng)的主要載體。迎水坡以漿砌塊石覆蓋，不是綠化的主要范圍。因不宜新增樹木，堤頂綠化在材料維度表現(xiàn)出受限為主，而作為提供觀賞路徑的空間其在景觀維度的需求最為突出，生態(tài)維度上種植條件適宜但生態(tài)需求不強(qiáng)，處于適中的位置。背水坡綠化面積大，但堤身保護(hù)限制和土壤條件限制也均較大，因此僅景觀維度表現(xiàn)出需求為主。

圖5 河堤內(nèi)部不同空間綠化設(shè)計(jì)特征分析

3 綠化模式分析

綠化模式對(duì)應(yīng)綠化空間及其屬性，是在區(qū)域自然、人文特征的背景下提出的具體綠化措施，一種綠化空間可對(duì)應(yīng)多種綠化模式。根據(jù)上文對(duì)研究河堤綠化空間的分析，筆者提出了10種綠化模式，見表1，并分別列出了主要采用的植物種類與營(yíng)造方法。綠化模式的選擇與不同區(qū)段的空間特征和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等具體條件相關(guān)，例如河道寬闊處護(hù)堤地綠化宜采用地被型、疏林型，以打開觀景視野，而收窄或周邊視覺(jué)要素欠佳時(shí)則可采用林帶型予以遮擋，以打造內(nèi)部觀賞特征。建設(shè)和管理成本也是重要的考慮因素，遠(yuǎn)離城區(qū)的區(qū)段宜以粗放型模式為主，降低投入，如堤頂?shù)幕ň承停徑菂^(qū)的區(qū)段游覽需求較大，綠化宜適當(dāng)精細(xì)化，如堤頂?shù)男棠拘汀?/p>

綠化模式間的相互組合可以形成多樣化的綠化設(shè)計(jì)方案，而多方案比選是優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容，滿足設(shè)計(jì)要求的有效手段。模塊化處理方式將復(fù)雜設(shè)計(jì)過(guò)程拆解，能以一種更易理解和更加高效的方式實(shí)現(xiàn)多方案生成。

4 智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建

4.1 構(gòu)建邏輯

以對(duì)綠化空間的認(rèn)識(shí)和綠化模式的建立為基礎(chǔ)，主要通過(guò)三維模擬和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)構(gòu)建智能化的河堤綠化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。構(gòu)建邏輯如圖6所示。首先建立河堤標(biāo)準(zhǔn)段各綠化空間不同綠化模式的數(shù)字模型庫(kù)；其次搭建決策平臺(tái)可對(duì)不同綠化模式進(jìn)行篩選組合，并即時(shí)呈現(xiàn)三維場(chǎng)景動(dòng)畫或通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示，以更加直觀、便捷的服務(wù)于設(shè)計(jì)決策；最終確定設(shè)計(jì)方案后可一鍵導(dǎo)出相應(yīng)的綠化配植信息，包括植物種類構(gòu)成表、配植與管理說(shuō)明等等。

圖6 智能化河堤綠化設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建邏輯

4.2 構(gòu)建方法與結(jié)果

綠化模式數(shù)字模型的制作方式由很多種，常用的軟件有3ds max、SketchUp、Rhino等等，性能各有側(cè)重，本研究使用的是SketchUp，具有操作簡(jiǎn)便、易兼容等優(yōu)勢(shì)。智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的前端采用Vue框架構(gòu)建交互式用戶界面，它提供了一套聲明式的、組件化的編程模型，可以和第三方庫(kù)或者已有的項(xiàng)目進(jìn)行整合，讓前端的開發(fā)更加的規(guī)范和便捷。在Vue框架內(nèi)應(yīng)用3D繪圖協(xié)議WebGL，可在任何兼容的Web瀏覽器中渲染高性能的交互式3D和2D圖形，而無(wú)需使用插件，并因利用底層的圖形硬件加速功能而能使渲染過(guò)程更加流暢[13]。系統(tǒng)的后端采用Spring MVC框架，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和組織不同組件以完成請(qǐng)求處理并返回響應(yīng)的工作。與之對(duì)接的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)由MySQL結(jié)合Redis構(gòu)成，前者為使用SQL(結(jié)構(gòu)查詢語(yǔ)言)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，后者是一種高性能的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，屬于緩存數(shù)據(jù)庫(kù)，以MySQL為主Redis為輔，保證數(shù)據(jù)可靠性的同時(shí)可以大大提高數(shù)據(jù)的讀寫速度。

如圖7所示為護(hù)堤地選擇林帶型、迎水坡選擇藤本覆蓋、堤頂選擇小喬木型、背水坡選擇灌叢型，并組合形成設(shè)計(jì)方案后的系統(tǒng)界面。生成的組合模型可以進(jìn)一步通過(guò)與系統(tǒng)聯(lián)接的渲染軟件進(jìn)行動(dòng)畫或VR效果展示，本研究使用的是光輝城市Mars軟件，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)光影的動(dòng)態(tài)變化，還能夠模擬出不同天氣和季節(jié)的效果，有效營(yíng)造出空間的氛圍感。

圖7 智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面示例

5 結(jié)語(yǔ)

從空間認(rèn)知到綠化模式，再到設(shè)計(jì)系統(tǒng)，共同構(gòu)成了本文所討論的智能化設(shè)計(jì)方法。前兩者形成了模塊化設(shè)計(jì)邏輯的基礎(chǔ)，后者是設(shè)計(jì)邏輯得以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑。不同于以工程技術(shù)為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)類型(例如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、交通設(shè)計(jì)等)，綠化景觀設(shè)計(jì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的美學(xué)特征，設(shè)計(jì)結(jié)果的不確定性高。本研究在服務(wù)于提升河堤綠化設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，也是在探討一種從“圖紙式”設(shè)計(jì)過(guò)渡到“系統(tǒng)化”或稱為“平臺(tái)式”設(shè)計(jì)的思路，以增強(qiáng)綠化設(shè)計(jì)的適配性和協(xié)調(diào)性。目前該系統(tǒng)僅包含一種堤型及適配的綠化模式，為提高應(yīng)用性及處理復(fù)雜地形的能力，下一步將研究增加堤型選擇或空間調(diào)整環(huán)節(jié)。另外，也將嘗試與水文模擬、地表徑流模擬等相結(jié)合，以綜合分析綠化設(shè)計(jì)的預(yù)期功能與表現(xiàn)。