智能化河堤绿化设计研究

汪瑞军，韩轶群，谢明坤，吕晓倩

(1.合肥工业大学，安徽 合肥 230601；2.河海大学，江苏 南京 210024)

0 引言

堤防可能是世界最早广为采用的防洪工程措施[1]，通过限制或改变水流方向来保护滨水区域的人类定居点免受洪水的侵袭。虽然以消除水患和开发利用水资源为主要目的修建，但作为调节人与自然关系的一种空间介质，堤防的景观与生态功能一直与工程作用相伴而生。在愈发关注环境保护与提升的今天，堤防的功能复合性更加受到重视。2020年水利部出台《健康河湖评价指南》，将生物、社会服务功能纳入到评价体系之中；2021年江苏省河长办颁布《江苏省幸福河湖评价标准》提出“河安湖晏、水清岸绿、鱼翔浅底、文昌人和、群众满意”5个指标体系。强化包含堤防在内的水利设施的综合服务功能是当下水利工程建设的重要目标与趋势。

宋代苏东坡主持疏浚西湖并筑起了近3km的长堤，栽柳植桃，铺路修桥，提升西湖蓄水功能的同时营造出一条游湖的最佳线路，并获赞“西湖十景”之首[2]，与之类似的还有都江堰、范公堤等等，既是造福一方的民生工程，也很好地将景观、人文融合在一起，成为水利设施充分发挥社会服务功能的典范。生态服务功能则与水利设施的自身属性相关，水陆交界地带是众多动植物的栖息地，河湖及其沿岸区域以1%～2%的陆表面积占比为至少1/3的脊椎动物提供了完整生命周期必需的生活环境[3]。这其中河流尤为重要，在人类活动的高度扩张下自然、半自然空间易被切割、限制，河流承担着重要生态廊道功能，在有些地方甚至是唯一的[4]。坚持生态优先、绿色发展不仅是一种要求，更是一种责任[5]。

本文以泰州引江河河堤为研究对象，提出了一种针对常见大型河堤的智能化绿化设计方法：通过空间与生态特征响应下绿化模式的划分，以及筛选-组合-呈现一体化机制的建立，实现绿化方案的快速生成、实时比较和三维表达。为典型堤防空间绿化提供了更加科学、高效的设计方法，同时也搭建了一种可推广的应用平台，具有在方案设计阶段促进设计方、决策方、使用方相互沟通，增强设计方案可行性的优势。

1 研究对象

泰州引江河位于泰州市与扬州市交界处，南起长江，北接新通扬运河，全长24km，河道宽150～180m。引江河工程是一项以引水为主，兼顾灌溉、排涝、航运的综合利用大型水利设施，属于我国南水北调的水源工程。本文研究的具体河堤位于引江河南端高港枢纽工程范围内，如图1所示，由护堤地、迎水坡、堤顶和背水坡4部分构成。护堤地宽15～20m不等，汛期可被短时淹没，迎水坡为浆砌块石表面，堤顶为双向两车道沥青路面，车道之间及与迎水坡交界处设两条绿化带，背水坡用混凝土框格加固，框格内含种植土层。

图1 引江河河堤标准段三维模型

2 河堤绿化设计特征

2.1 绿化设计的技术路线

作为水利设施，工程需求决定了河堤的基本空间形态，形成了河堤绿化的空间基础。因以植物为工作主体，结合植物的形态、习性、审美等各方面属性，对于河堤绿化的分析可以从材料、景观和生态3个维度展开。材料维度指将绿化植物视为河堤基本功能表达的一部分，既包括防浪、固土等积极作用，也包含为保护堤身而产生的一些种植限制。景观维度是河堤社会服务功能的集中体现，主要由植物自身观赏特性与河堤的空间特征共同决定。生态维度包含两层内容，一层是所在区域的生态特征(宏观)及河堤内部的生态条件差异(微观)，另一层是河堤绿化所希望达到的生态效益或目标。因此，河堤绿化设计的技术路线可概括总结为图2所示。

图2 河堤绿化设计技术路线

2.2 绿化空间的生态调查

宏观上的生态特征属于背景信息，泰州市属于北亚热带湿润气候，雨量充沛，土壤类型以黄棕壤和潮土为主[6]，研究区域为黄棕壤。微观上的生态条件差异源自场地空间形态的变化，对于河堤而言虽然整体上属于滨水空间，但其内部存在高程与坡度上的变化，而这两个因素能够作用于土壤水的局部分配，产生影响植物生长的主要生态因子之一--土壤含水量的差异[7]。为了解土壤含水量差异的具体表现，设计了如下现场调查方式：在引江河河堤上以20m为间隔设置5个调查断面，并在每个断面的护堤地、堤顶和背水坡分别取点实测土壤含水量，时间为2022年6月(多雨季)和2022年10月(少雨季)，迎水坡不具备直接栽植条件，故不在调查范围内。测量仪器为AZS-100定时定位TDR土壤水分仪，输出结果为体积含水量，测量深度为20cm。

测量结果如图3-4所示，3个区域的土壤含水量差异显著。护堤地低平，不仅容易汇集地表雨水径流，且长年受到河水的影响，土壤含水量始终处于较高的水平，多雨季节和少雨季节相差不大，基本处于或接近该地土壤的饱和含水量范围[8]。堤顶种植区主要是道路旁的绿带，几乎不受河水的影响，土壤含水量季节性差异较大，多雨季节的均值为33.68%，少雨季节为24.70%，但也都属于土壤的有效含水量范畴[9]。背水坡不仅得不到河水的水分支持，在坡度的影响下还很难留住雨水就地下渗，并且地表径流的冲刷还会带走表土的细粒成分，增大孔隙率，进一步降低土壤的保水能力[10]。总结来看，护堤地偏向于湿生环境，堤顶属于中生环境，而背水坡则更偏向于旱生环境，土壤水分是三者生境差异的主导因子，绿化植物的选择在生态习性上应与之相符，构成生态适宜的植物群落。

图3 多雨季(6月)土壤含水量测量结果分析

图4 少雨季(10月)土壤含水量测量结果分析

2.3 绿化空间的设计差异

对于河堤的水利功能而言，不同位置对绿化植物的要求不尽相同。依据GB 50286-2013《堤防工程设计规范》，护堤地范围可设置防浪林带、防护林带，堤身和戗台范围内不宜种植树木，土面堤坡宜种植草本植物防止水土流失[11]。河堤的景观功能在于营造观赏空间，而观赏又可以分为对河堤本身的观赏和以河堤为载体对河道和周围景色的观赏，因此河堤绿化不仅需要考虑自身的视觉效果，还要关注与周围景物共同营造怡人的风景界面和视线。另外，对于线性空间的游览，植物造景的连续性与节奏感十分重要，段落化栽植是比较合适也常用的方法。对于生态层面的问题，除了上述绿化植物的筛选需与河堤空间内部生态条件的差异相适应外，河堤生态效益的提升以及对河道生态系统维护的关键在于护堤地的植物群落营造，水陆交接的空间特性使其成为众多依水而生动植物的理想栖息地，地带性、多样性和粗放性是绿化设计的要点。

总结不同绿化空间的设计特征如图5所示，越靠近中心表示在该设计维度受到的限制越大，越远离中心则表示对该设计维度的需求越大。护堤地绿化在3个维度均表现出需求占主导，可以种植树木并能起到防护的作用，作为滨水界面既可营造自身的观赏性，也能作为前景提升河道的风景构图，还是构建或完善滨水生态系统的主要载体。迎水坡以浆砌块石覆盖，不是绿化的主要范围。因不宜新增树木，堤顶绿化在材料维度表现出受限为主，而作为提供观赏路径的空间其在景观维度的需求最为突出，生态维度上种植条件适宜但生态需求不强，处于适中的位置。背水坡绿化面积大，但堤身保护限制和土壤条件限制也均较大，因此仅景观维度表现出需求为主。

图5 河堤内部不同空间绿化设计特征分析

3 绿化模式分析

绿化模式对应绿化空间及其属性，是在区域自然、人文特征的背景下提出的具体绿化措施，一种绿化空间可对应多种绿化模式。根据上文对研究河堤绿化空间的分析，笔者提出了10种绿化模式，见表1，并分别列出了主要采用的植物种类与营造方法。绿化模式的选择与不同区段的空间特征和建设标准等具体条件相关，例如河道宽阔处护堤地绿化宜采用地被型、疏林型，以打开观景视野，而收窄或周边视觉要素欠佳时则可采用林带型予以遮挡，以打造内部观赏特征。建设和管理成本也是重要的考虑因素，远离城区的区段宜以粗放型模式为主，降低投入，如堤顶的花境型，邻近城区的区段游览需求较大，绿化宜适当精细化，如堤顶的小乔木型。

绿化模式间的相互组合可以形成多样化的绿化设计方案，而多方案比选是优化设计内容，满足设计要求的有效手段。模块化处理方式将复杂设计过程拆解，能以一种更易理解和更加高效的方式实现多方案生成。

4 智能设计系统构建

4.1 构建逻辑

以对绿化空间的认识和绿化模式的建立为基础，主要通过三维模拟和数据库技术构建智能化的河堤绿化设计系统。构建逻辑如图6所示。首先建立河堤标准段各绿化空间不同绿化模式的数字模型库；其次搭建决策平台可对不同绿化模式进行筛选组合，并即时呈现三维场景动画或通过虚拟现实技术展示，以更加直观、便捷的服务于设计决策；最终确定设计方案后可一键导出相应的绿化配植信息，包括植物种类构成表、配植与管理说明等等。

图6 智能化河堤绿化设计系统构建逻辑

4.2 构建方法与结果

绿化模式数字模型的制作方式由很多种，常用的软件有3ds max、SketchUp、Rhino等等，性能各有侧重，本研究使用的是SketchUp，具有操作简便、易兼容等优势。智能设计系统的前端采用Vue框架构建交互式用户界面，它提供了一套声明式的、组件化的编程模型，可以和第三方库或者已有的项目进行整合，让前端的开发更加的规范和便捷。在Vue框架内应用3D绘图协议WebGL，可在任何兼容的Web浏览器中渲染高性能的交互式3D和2D图形，而无需使用插件，并因利用底层的图形硬件加速功能而能使渲染过程更加流畅[13]。系统的后端采用Spring MVC框架，负责协调和组织不同组件以完成请求处理并返回响应的工作。与之对接的数据库系统由MySQL结合Redis构成，前者为使用SQL(结构查询语言)的关系型数据库，后者是一种高性能的非关系型数据库，属于缓存数据库，以MySQL为主Redis为辅，保证数据可靠性的同时可以大大提高数据的读写速度。

如图7所示为护堤地选择林带型、迎水坡选择藤本覆盖、堤顶选择小乔木型、背水坡选择灌丛型，并组合形成设计方案后的系统界面。生成的组合模型可以进一步通过与系统联接的渲染软件进行动画或VR效果展示，本研究使用的是光辉城市Mars软件，不仅能够实现光影的动态变化，还能够模拟出不同天气和季节的效果，有效营造出空间的氛围感。

图7 智能化设计系统界面示例

5 结语

从空间认知到绿化模式，再到设计系统，共同构成了本文所讨论的智能化设计方法。前两者形成了模块化设计逻辑的基础，后者是设计逻辑得以实现的技术途径。不同于以工程技术为主导的设计类型(例如结构设计、交通设计等)，绿化景观设计表现出较强的美学特征，设计结果的不确定性高。本研究在服务于提升河堤绿化设计方法的同时，也是在探讨一种从“图纸式”设计过渡到“系统化”或称为“平台式”设计的思路，以增强绿化设计的适配性和协调性。目前该系统仅包含一种堤型及适配的绿化模式，为提高应用性及处理复杂地形的能力，下一步将研究增加堤型选择或空间调整环节。另外，也将尝试与水文模拟、地表径流模拟等相结合，以综合分析绿化设计的预期功能与表现。