建成环境景观水文研究框架构建——基于数字景观技术的景观水文分析、评价与优化.pdf
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1、77建成环境景观水文研究框架构建基于数字景观技术的景观水文分析、评价与优化Research Framework Construction for Landscape Hydrology in Built Environment:Digital Landscape Technology-based Landscape Hydrology Analysis,Evaluation and Optimization摘 要:景观水文概念的提出为风景园林涉水研究与实践提供了一个交叉、整合和创新的窗口,旨在协同涉水学科、人居环境设计学科等交叉领域,形成一套系统性、创新性的研究与应用路径。基于现阶段景观水文相
2、关研究进展,聚焦多尺度响应下的建成环境涉水景观要素空间属性及其水文响应,明确了建成环境景观水文研究范畴,包括概念、研究尺度和研究对象。基于景观水文相关研究理论、方法与数字景观技术,从景观水文研究目标体系、设计流程、分析方法、评价体系、优化方法5个方面,构建了建成环境景观水文研究框架,包括多目标集成的景观水文研究目标体系、全过程定量的景观水文规划设计循证流程、多平台耦合的景观水文分析方法、多准则综合的景观水文效益评价体系,以及多目标决策的景观水文优化设计方法。景观水文研究领域的拓展需要跨学科领域的理论与技术支持,也需要融入人居环境学科的设计方法和逻辑思维。基于以往研究成果初步构建了建成环境景观水
3、文研究框架,旨在为景观水文相关研究与应用实践提供思路。关 键 词:风景园林;景观水文;数字景观;雨洪管理;海绵城市Abstract:The introduction of the concept of landscape hydrology provides a cross-disciplinary,integrated,and innovative window for water-related research and practice in landscape architecture.The aim is to collaborate with other interdiscipli
4、nary fields such as water-related disciplines and human settlement design to form a systematic and innovative research and application path.Based on the current research progress related to landscape hydrology,this framework focuses on the spatial attributes of water-related landscape elements in th
5、e built environment and their hydrological responses at multiple scales.The scope of research in landscape hydrology in the built environment is clarified,including concepts,research scales,and research objects.Based on landscape hydrology theory,methods,and digital landscape technology,a research f
6、ramework for landscape hydrology in the built environment is constructed from five aspects:research objectives,design process,analysis methods,evaluation system,and optimization methods.This includes a multi-objective integrated landscape hydrology research objective system,a whole-process quantitat
7、ive planning and design process,a multi-platform coupled analysis method,a multi-criteria comprehensive benefit evaluation system,and a multi-objective decision-making optimization design method.The expansion of landscape hydrology research requires interdisciplinary theoretical and technical suppor
8、t,as well as the integration of design methods and logical thinking from human settlement disciplines.Based on previous research achievements,this research framework for landscape hydrology in the built environment is constructed to provide ideas for landscape hydrology-related research and practica
9、l applications.Keywords:landscape architecture;landscape hydrology;digital landscape;stormwater management;sponge city侯庆贺成玉宁*HOU QingheCHENG Yuning文章编号:1000-6664(2023)07-0077-06DOI:10.19775/j.cla.2023.07.0077中图分类号:TU 986 文献标志码:A收稿日期:2022-06-27修回日期:2022-08-25基金项目:国家自然科学基金重点项目(编号51838003)、国家重点研发计划课题(编
10、号2019YFD1100405)、江苏省研究生科研与实践创新计划项目(编号KYCX20_0144)和国家留学基金项目共同资助*通信作者(Author for correspondence)E-mail:近百年来,气候变化和快速高强度的城市化建设极大地改变了自然水文循环过程及其特征,对城市水安全、水生态、水资源、水环境产生了深远的影响1-3。尤为突出的暴雨洪涝、水污染、水资源短缺和雨水资源浪费等问题,长期影响和制约着人居环境的安全、健康和可持续发展。为此,探索城市建设与水文循环可持续发展的海绵城市建设理念应运而生,旨在构建多尺度的水生态基础设施,提升城市应对环境变化和旱涝灾害等方面的适应性4。海
11、绵城市理念提出以来,城市水生态修复、旱涝治理、雨水控制与利用、地表水污染处理等相关研究已然成为城市水文学、给排水工程、环境工程、人居环境科学等学科领域研究和关注的热点。风景园林学作为协调人与环境和谐发展的人居环境学科之一,始终贯彻将传统古典园林理水智慧5-7与当代水生态景观设计理念和方法8-10 相结合,进而融合国内外先进的可持续雨水设计理念、方法和工程措施11-13,并在场地尺度的水文过程优化14、雨水景观设计15、水质生态净 化16、景观水体生态设计17等规划设计方法层面侯庆贺,成玉宁*.建成环境景观水文研究框架构建基于数字景观技术的景观水文分析、评价与优化.中国园林,2023,39(7)
12、:77-82.78中国园林/2023年/第39卷/第7期取得了一定成果。随着海绵城市建设的推广,风景园林学科开始逐步参与城市雨洪管理、蓝绿基础设施规划、雨水控制利用等相关领域的研究与实践,并在低影响开发技术18、雨洪模拟19、绩效评价20与优化设计21等方面取得了阶段性成果。关于海绵城市的讨论,各学科领域虽不尽相同,但不可否认的是,海绵城市理念为风景园林学科提供了更多与城市水文学、水资源管理和环境工程等领域的交叉融合机会,进一步拓展了景观研究的广度和深度,丰富了景观实践的多重价值。近年来,风景园林学科视角下的水科学与设计学科的交叉领域“景观水文”的概念被提出。刘海龙等22-24强调景观水文是一
13、种融合、创新的水设计方向,从水文、景观、设计、实施 4个模块提出了基于景观水文理论的城市雨洪管理与雨水景观设计策略框架;成玉宁25180-191则提出了基于数字景观技术的景观水文规划设计方法,并广泛应用于海绵城市规划设计、水景观规划设计等领域。景观水文相关概念的提出为风景园林涉水研究与实践提供了一个交叉、整合和创新的窗口,有助于跨学科和多专业的协同,进而实现水问题与水环境治理、水景观与水文化营造等综合目标和多重价值24。然而,景观水文研究涵盖水文学、水力学、环境科学、人居环境科学等多个学科领域。同时面对复杂的城市水文环境,需要结合监测与实验方法、水文水力模型方法,分析和预测城市水文循环过程,以
14、解决水文预报、雨洪管控、水资源管理与规划实践中的实际问题。由于现阶段景观水文研究仍欠缺上述相关领域理论与技术的支撑,致使风景园林学科在涉水研究与实践中多为被动参与,研究范畴和工作界面有待明晰,分析与评价方法及技术手段的科学性有待提升。随着数字时代的到来,数字景观技术已成为定量分析和解决景观环境复杂问题的重要方法手段26-27。跨学科、跨领域的技术整合,以及全过程、精准化的协同设计方法推动风景园林行业创新发展,并不断拓展着风景园林学科领域的研究边界26,在景观格局优化28、城市小气候模拟29、雨洪模拟30、景观环境行为感 知31等领域得到广泛应用。数字景观技术方法与水文学原理和方法的整合,不仅能
15、够促进涉水景观研究更加科学地探究景观水文规律、空间关系及其响应机制,而且有利于加强风景园林涉水实图1 建成环境景观水文研究空间尺度践的科学性,动态模拟与调控景观环境与水文过程的协同策略,科学指导景观水文规划与设计实践。基于此,本研究通过系统梳理现阶段景观水文相关领域的研究进展,基于水文学和风景园林学等相关理论与方法技术,聚焦建成环境涉水景观要素空间属性及其水文响应,试图从景观水文研究范畴、目标体系、设计流程、分析方法、评价体系、优化方法等方面,初步构建基于数字景观技术的建成环境景观水文研究框架。1 景观水文研究范畴1.1 概念界定景观水文的概念最早由Ferguson教授提出,强调设计师需要一个
16、统一的景观水文概念指导水相关的设计32,并进一步提出景观水文应作为景观生态学的组成部分,理解和管理景观模式与水文环境变化之间的关系33。后续大量的研究借助景观生态学的概念和指标理解与揭示景观异质性的空间模式及其水文响应34-35,但景观水文的概念被逐渐弱化,更多聚焦于土地利用、植被覆盖格局变化等36-37对水文过程的影响。此类研究一定程度上从宏观尺度解释了景观生态学指标与水文效应的时空变化和统计学关系,但尚未明晰景观格局水文效应的空间响应特征和尺度效应,尤其是未能得出具有实践指导意义的研究成果。风景园林涉水景观研究与实践更多的是从工程水文学34的视角出发,探究景观中水的运动、储存及其相互作用机
17、制32-33,并运用水文知识和原理解析景观涉水问题并指导规划设计实践2225102-103。然而,受制于有限的水文学理论和技术方法,风景园林学科多聚焦于设计方法层面,在景观水文原理等基础性研究层面并未深入,尤其是对水文研究多变量的不确定性、建成环境的复杂性,以及景观要素水文效应的长期效度等方面关注度较低,尚未形成系统的从基础理论到应用实践的双向关联和研究路径。自然风景环境水文过程有着其内在的规律和适应性,而建成环境受人为干扰,水文过程和特征被改变,需要通过有效的工程措施削弱人为干预产生的负面影响。因此,本研究将景观水文的概念界定在建成环境之下,主要研究不同空间尺度下建成环境涉水景观要素的组成结
18、构及其空间排列组合所表现出的积极或消极的水文响应,并以此为依据,统筹自然降水、地表水、地下水、城市给排水等自然或人工水文过程和涉水景观要素。通过规划设计、工程措施等手段优化建成环境水文循环过程,缓解人为干预和客观环境因素引起的负面水文效应,提升景观和水文的综合效益,推动人居水文环境的健康、可持续发展。1.2 研究尺度景观或景观水文研究具有明显的尺度效应,与建成环境尺度特征一致,可以划分为城镇尺度、片区尺度、场地尺度等,分别对应水文研究的城镇小流域、片区排水区和场地汇水单元。考虑到景观水文研究在各研究尺度的精细化程度以及与水文分区尺度的对应关系,景观水文研究聚焦水文和景观的双重尺度特征,以水文分
19、区或排水分区为主要的尺度划分依据,将研究尺度划分为城镇小流域、城镇子流域、片区汇水区/排水区和场地汇水单元4个空间尺度,分别对应风景园林研究的景观格局、景观系统、景观单元和景观要素4个层级(图1)。建成环境中以道路为边界划分的地块可以被视为一个汇水单元,向内可以根据地块竖向特征划分为多个场地子汇水单元,向外可以根据城市竖向、排水和河流特征构成汇水区、排水区和小流域。景观设计要素是指构成场地景观集合并影响场地水文变化的最小单位,包括场地内的竖向、植被、土壤、硬质下垫面等。景观单元是要79中国园林/2023年/第39卷/第7期图2 建成环境景观水文研究对象与水文过程关系图3 多尺度响应的建成环境景
20、观水文研究框架23素的组成集合,是系统的基本组成部分,包括公园绿地、广场、水体、建筑小区等;系统可以划分为不同类型的子系统,子系统由相同类型但功能不同的单元组成,如绿地系统、水系系统等;格局是大小、形状、类型各异的要素或单元或系统在空间上的排列组合,如绿地格局、水格局、土地利用格局等。1.3 研究对象建成环境景观水文研究对象主要包括不同空间尺度的绿地、水体、绿色雨洪设施等涉水景观要素和竖向、植被、土壤等客观环境要素,也包括与之相关的降水、温湿度等客观气候因素和建筑、道路、市政雨水管网等影响水文效应的灰色空间。景观水文研究对象根据其存在的尺度、空间关系及影响机制划分为内部和外部对象2个部分。景观
21、水文内部对象主要是研究主体本身,以及存在于主体内部空间范围的涉水景观要素和客观环境要素,直接影响景观主体水文特征。景观水文外部对象主要包括外部环境要素和客观气候因素。其中,外部环境要素主要是指景观主体及其研究区或汇水区以外的其他环境要素,与内部水文过程存在间接的相互影响关系,具有一定的相对性。外部客观气候因素主要包括降水、温湿度、风速风向、光照、气候变化等对水文循环过程有直接影响的气候因素,也包括人工降水、灌溉、人工补水等人为干预的偶然因素。受外部环境水文过程的影响,建成环境景观水文研究需要同时关注内部和外部对象对研究区及其所在汇水区水文过程的影响(图2)。2 景观水文研究框架景观水文是一个综
22、合的概念,须以多学科理论方法为基础,构建景观与水文学科从基础性原理到应用实践方法的双向关联:一方面是对不同时空尺度下景观水文规律的认识和解析过程,厘清多尺度响应的景观水文原理与规划机制;另一方面是在理论研究的基础上对特定时空尺度下景观与水文资源的再分配和反馈过程。将原理服务于应用,通过规划设计和工程措施等技术手段缓解人为干预引起的水文负效应,优化建成环境景观水文过程及相关的生态过程,提升人居环境质量。此外,不论是原理解析、方案制定还是绩效反馈与管理过程,数字化方法和技术应作为重要的技术手段全过程贯穿景观水文研究与实践。基于此,景观水文研究应形成一套双向关联和反馈的总体框架,研究内容应包括但不限
23、于景观水文响应机制、景观水文规划设计方法、景观水文效应/效益分析与评估、景观水文优化与决策等。刘海龙等23-24提出了场地尺度基于景观水文的城市雨洪管理框架;成玉宁等25180-191提出了基于数字景观技术的景观水文与海绵城市设计流程,为景观水文框架的构建探明了方向。海绵城市及相关的城市雨洪管理理念、规划设计路径和方法技术12,19,21为景观水文框架的构建提供了重要的参考依据。基于前人在景观水文、水景观、海绵城市及相关数字景观技术等领域的研究基础,本研究聚焦不同空间尺度下景观水文研究对象与内容,在数字景观逻辑视角下初步构建了多尺度响应的建成环境景观水文研究总体框 架(图3),包括多目标集成的
24、景观水文研究目标体系、全过程定量的景观水文规划设计循证流程、多平台耦合的景观水文分析方法、多准则综合的景观水文效益评价体系、多目标决策的景观水文优化设计方法5个组成部分。需要说明的是,景观水文研究框架并非囊括所有相关的交叉领域研究内容,而是通过明晰风景园林涉水研究的关键问题抓手和可行路径,明确景观水文研究范畴和工作界面,推动风景园林学科领域更加科80中国园林/2023年/第39卷/第7期学有效地应对和解决建成环境水问题。2.1 多目标集成的景观水文研究目标体系现代风景园林规划设计思维具有系统性特征,既包含自然系统,也融合了人文环境,需要统筹生态、空间、功能和文化4个风景园林规划设计的基本面38
25、。此外,景观本质上具有多功能综合性价值,通过景观要素的组成满足人的社会心理、文化与美学需求的同时,还有着重要的生态和经济职能。在当下可持续发展、海绵城市建设、碳中和战略背景下,建成环境景观水文研究与实践不再是面对单一的景观或雨洪问题,而是延续了景观的多功能职能并融合建成环境水安全、水生态、水环境、水利用、水文化、水经济等方面的多目标集成的目标体系架构,包括但不限于水安全管控利用目标、水生态与景观综合目标、社会经济目标(社会、经济、教育等)和环境影响目标(低碳、减排等)4个部分(图4)。景观水文目标体系以水问题为主要抓手,而水问题往往对应着不同时空尺度和重现期的降水和干旱事件,以及复杂的水文、水
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- 建成 环境景观 水文 研究 框架 构建 基于 数字 景观 技术 分析 评价 优化
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