智能化河堤綠化設計研究

汪瑞軍，韓軼群，謝明坤，呂曉倩

(1.合肥工業大學，安徽 合肥 230601；2.河海大學，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]，通過限制或改變水流方向來保護濱水區域的人類定居點免受洪水的侵襲。雖然以消除水患和開發利用水資源為主要目的修建，但作為調節人與自然關系的一種空間介質，堤防的景觀與生態功能一直與工程作用相伴而生。在愈發關注環境保護與提升的今天，堤防的功能復合性更加受到重視。2020年水利部出臺《健康河湖評價指南》，將生物、社會服務功能納入到評價體系之中；2021年江蘇省河長辦頒布《江蘇省幸福河湖評價標準》提出“河安湖晏、水清岸綠、魚翔淺底、文昌人和、群眾滿意”5個指標體系。強化包含堤防在內的水利設施的綜合服務功能是當下水利工程建設的重要目標與趨勢。

宋代蘇東坡主持疏浚西湖并筑起了近3km的長堤，栽柳植桃，鋪路修橋，提升西湖蓄水功能的同時營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，成為水利設施充分發揮社會服務功能的典范。生態服務功能則與水利設施的自身屬性相關，水陸交界地帶是眾多動植物的棲息地，河湖及其沿岸區域以1%～2%的陸表面積占比為至少1/3的脊椎動物提供了完整生命周期必需的生活環境[3]。這其中河流尤為重要，在人類活動的高度擴張下自然、半自然空間易被切割、限制，河流承擔著重要生態廊道功能，在有些地方甚至是唯一的[4]。堅持生態優先、綠色發展不僅是一種要求，更是一種責任[5]。

本文以泰州引江河河堤為研究對象，提出了一種針對常見大型河堤的智能化綠化設計方法：通過空間與生態特征響應下綠化模式的劃分，以及篩選-組合-呈現一體化機制的建立，實現綠化方案的快速生成、實時比較和三維表達。為典型堤防空間綠化提供了更加科學、高效的設計方法，同時也搭建了一種可推廣的應用平臺，具有在方案設計階段促進設計方、決策方、使用方相互溝通，增強設計方案可行性的優勢。

1 研究對象

泰州引江河位于泰州市與揚州市交界處，南起長江，北接新通揚運河，全長24km，河道寬150～180m。引江河工程是一項以引水為主，兼顧灌溉、排澇、航運的綜合利用大型水利設施，屬于我國南水北調的水源工程。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，如圖1所示，由護堤地、迎水坡、堤頂和背水坡4部分構成。護堤地寬15～20m不等，汛期可被短時淹沒，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兩條綠化帶，背水坡用混凝土框格加固，框格內含種植土層。

圖1 引江河河堤標準段三維模型

2 河堤綠化設計特征

2.1 綠化設計的技術路線

作為水利設施，工程需求決定了河堤的基本空間形態，形成了河堤綠化的空間基礎。因以植物為工作主體，結合植物的形態、習性、審美等各方面屬性，對于河堤綠化的分析可以從材料、景觀和生態3個維度展開。材料維度指將綠化植物視為河堤基本功能表達的一部分，既包括防浪、固土等積極作用，也包含為保護堤身而產生的一些種植限制。景觀維度是河堤社會服務功能的集中體現，主要由植物自身觀賞特性與河堤的空間特征共同決定。生態維度包含兩層內容，一層是所在區域的生態特征(宏觀)及河堤內部的生態條件差異(微觀)，另一層是河堤綠化所希望達到的生態效益或目標。因此，河堤綠化設計的技術路線可概括總結為圖2所示。

圖2 河堤綠化設計技術路線

2.2 綠化空間的生態調查

宏觀上的生態特征屬于背景信息，泰州市屬于北亞熱帶濕潤氣候，雨量充沛，土壤類型以黃棕壤和潮土為主[6]，研究區域為黃棕壤。微觀上的生態條件差異源自場地空間形態的變化，對于河堤而言雖然整體上屬于濱水空間，但其內部存在高程與坡度上的變化，而這兩個因素能夠作用于土壤水的局部分配，產生影響植物生長的主要生態因子之一--土壤含水量的差異[7]。為了解土壤含水量差異的具體表現，設計了如下現場調查方式：在引江河河堤上以20m為間隔設置5個調查斷面，并在每個斷面的護堤地、堤頂和背水坡分別取點實測土壤含水量，時間為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，故不在調查范圍內。測量儀器為AZS-100定時定位TDR土壤水分儀，輸出結果為體積含水量，測量深度為20cm。

測量結果如圖3-4所示，3個區域的土壤含水量差異顯著。護堤地低平，不僅容易匯集地表雨水徑流，且長年受到河水的影響，土壤含水量始終處于較高的水平，多雨季節和少雨季節相差不大，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，土壤含水量季節性差異較大，多雨季節的均值為33.68%，少雨季節為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帶走表土的細粒成分，增大孔隙率，進一步降低土壤的保水能力[10]。總結來看，護堤地偏向于濕生環境，堤頂屬于中生環境，而背水坡則更偏向于旱生環境，土壤水分是三者生境差異的主導因子，綠化植物的選擇在生態習性上應與之相符，構成生態適宜的植物群落。

圖3 多雨季(6月)土壤含水量測量結果分析

圖4 少雨季(10月)土壤含水量測量結果分析

2.3 綠化空間的設計差異

對于河堤的水利功能而言，不同位置對綠化植物的要求不盡相同。依據GB 50286-2013《堤防工程設計規范》，護堤地范圍可設置防浪林帶、防護林帶，堤身和戧臺范圍內不宜種植樹木，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造觀賞空間，而觀賞又可以分為對河堤本身的觀賞和以河堤為載體對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效果，還要關注與周圍景物共同營造怡人的風景界面和視線。另外，對于線性空間的游覽，植物造景的連續性與節奏感十分重要，段落化栽植是比較合適也常用的方法。對于生態層面的問題，除了上述綠化植物的篩選需與河堤空間內部生態條件的差異相適應外，河堤生態效益的提升以及對河道生態系統維護的關鍵在于護堤地的植物群落營造，水陸交接的空間特性使其成為眾多依水而生動植物的理想棲息地，地帶性、多樣性和粗放性是綠化設計的要點。

總結不同綠化空間的設計特征如圖5所示，越靠近中心表示在該設計維度受到的限制越大，越遠離中心則表示對該設計維度的需求越大。護堤地綠化在3個維度均表現出需求占主導，可以種植樹木并能起到防護的作用，作為濱水界面既可營造自身的觀賞性，也能作為前景提升河道的風景構圖，還是構建或完善濱水生態系統的主要載體。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，生態維度上種植條件適宜但生態需求不強，處于適中的位置。背水坡綠化面積大，但堤身保護限制和土壤條件限制也均較大，因此僅景觀維度表現出需求為主。

圖5 河堤內部不同空間綠化設計特征分析

3 綠化模式分析

綠化模式對應綠化空間及其屬性，是在區域自然、人文特征的背景下提出的具體綠化措施，一種綠化空間可對應多種綠化模式。根據上文對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造方法。綠化模式的選擇與不同區段的空間特征和建設標準等具體條件相關，例如河道寬闊處護堤地綠化宜采用地被型、疏林型，以打開觀景視野，而收窄或周邊視覺要素欠佳時則可采用林帶型予以遮擋，以打造內部觀賞特征。建設和管理成本也是重要的考慮因素，遠離城區的區段宜以粗放型模式為主，降低投入，如堤頂的花境型，鄰近城區的區段游覽需求較大，綠化宜適當精細化，如堤頂的小喬木型。

綠化模式間的相互組合可以形成多樣化的綠化設計方案，而多方案比選是優化設計內容，滿足設計要求的有效手段。模塊化處理方式將復雜設計過程拆解，能以一種更易理解和更加高效的方式實現多方案生成。

4 智能設計系統構建

4.1 構建邏輯

以對綠化空間的認識和綠化模式的建立為基礎，主要通過三維模擬和數據庫技術構建智能化的河堤綠化設計系統。構建邏輯如圖6所示。首先建立河堤標準段各綠化空間不同綠化模式的數字模型庫；其次搭建決策平臺可對不同綠化模式進行篩選組合，并即時呈現三維場景動畫或通過虛擬現實技術展示，以更加直觀、便捷的服務于設計決策；最終確定設計方案后可一鍵導出相應的綠化配植信息，包括植物種類構成表、配植與管理說明等等。

圖6 智能化河堤綠化設計系統構建邏輯

4.2 構建方法與結果

綠化模式數字模型的制作方式由很多種，常用的軟件有3ds max、SketchUp、Rhino等等，性能各有側重，本研究使用的是SketchUp，具有操作簡便、易兼容等優勢。智能設計系統的前端采用Vue框架構建交互式用戶界面，它提供了一套聲明式的、組件化的編程模型，可以和第三方庫或者已有的項目進行整合，讓前端的開發更加的規范和便捷。在Vue框架內應用3D繪圖協議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程更加流暢[13]。系統的后端采用Spring MVC框架，負責協調和組織不同組件以完成請求處理并返回響應的工作。與之對接的數據庫系統由MySQL結合Redis構成，前者為使用SQL(結構查詢語言)的關系型數據庫，后者是一種高性能的非關系型數據庫，屬于緩存數據庫，以MySQL為主Redis為輔，保證數據可靠性的同時可以大大提高數據的讀寫速度。

如圖7所示為護堤地選擇林帶型、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，并組合形成設計方案后的系統界面。生成的組合模型可以進一步通過與系統聯接的渲染軟件進行動畫或VR效果展示，本研究使用的是光輝城市Mars軟件，不僅能夠實現光影的動態變化，還能夠模擬出不同天氣和季節的效果，有效營造出空間的氛圍感。

圖7 智能化設計系統界面示例

5 結語

從空間認知到綠化模式，再到設計系統，共同構成了本文所討論的智能化設計方法。前兩者形成了模塊化設計邏輯的基礎，后者是設計邏輯得以實現的技術途徑。不同于以工程技術為主導的設計類型(例如結構設計、交通設計等)，綠化景觀設計表現出較強的美學特征，設計結果的不確定性高。本研究在服務于提升河堤綠化設計方法的同時，也是在探討一種從“圖紙式”設計過渡到“系統化”或稱為“平臺式”設計的思路，以增強綠化設計的適配性和協調性。目前該系統僅包含一種堤型及適配的綠化模式，為提高應用性及處理復雜地形的能力，下一步將研究增加堤型選擇或空間調整環節。另外，也將嘗試與水文模擬、地表徑流模擬等相結合，以綜合分析綠化設計的預期功能與表現。