將“流水不腐”理念引入環境藝術教學的研究

海繼平 楊成建 陳曉育

[摘 ?要]城市景觀水體面臨著極速惡化及嚴重的污染問題，把“流水不腐”理念作為環境藝術實踐教學的研究方向，具有一定的普遍性。同時，突出學科交叉與信息化技術應用已成為環境藝術教學由理論轉向實踐的重要方法與手段。本文通過研究環境藝術與環境科學領域的有關水環境“流水”效應，探析“流水不腐”理念的特性，提出環境藝術教學實踐環節對“流水不腐”理念的理性認識。同時，還提出將“流水不腐”理念引入環境藝術教學的方法，即實地調研、數值模擬與模擬實驗，以期為“流水不腐”理念在環境藝術實踐教學中的應用提供啟示與借鑒。

[關鍵詞]“流水不腐”理念 ?環境藝術教學 ?研究

基金項目：陜西省軟科學研究計劃項目（項目編號：2016KRM083）。

在“新常態”下，我國經濟增長速度由高速轉為中高速，結構優化進一步升級，在此情形下，環境藝術教學出現了新的變革，在意識、概念、方法和觀點上進一步強化多學科借鑒與滲透。在環境藝術教學中，“流水不腐”理念似乎成了水體景觀設計“包治百病的良藥”[1-3]，該理念也被狹隘地理解為“只要使水體流動起來，水質就不容易惡化”，但結果真的是這樣嗎？其真正內涵是什么？到底有多少的實用性？如何正確應用？在環境藝術教學中很少有人深入思考過這些問題。實際上，在環境科學領域，針對“流動”水體水環境效應的研究非常多，但很少有環境藝術學者深入研究并合理應用這些成果。同時，水體景觀設計對接設計院，運行效果對接管理部門，景觀水體經過長期運行所形成的實際效果無法反饋設計，“流水不腐”理念未得到實證。因此，本文對如何正確理解“流水不腐”理念，如何將“流水不腐”理念合理引入環境藝術教學進行了研究，以期對提高環境藝術教學效果，優化景觀水體設計有所幫助。

正確認識“流水”的水環境效應

1.“流水”的分類

靜止或緩流景觀水體極易引發水質惡化、水體富營養化。那么，水流動起來以后是否就不會惡化呢？因此，必須弄清“流水”的兩種情況。一是水流經過水體后，不再回來的情況，本文稱之為“外流水”，主要涉及景觀水體的引水、調水問題。二是水流在水體中來回循環的情況，本文稱之為“內流水”，主要涉及景觀水體運動形態的組織與優化問題。

2.外流水水環境效應

外流水可以不斷更新、稀釋水體，降低水體營養鹽濃度，影響營養鹽的歸趨行為及藻類的生長。林衛青等[4]發現加大引水流量，降低水體停留時間可以有效控制湖泊水華的發生。王化可[5]認為引水稀釋能有效抑制藍藻生長，緩解水體富營養化。孫亞喬等[6]認為引調清潔水源稀釋污染景觀水體， 能改善水體水動力條件，增加復氧量，激活水體，提高水體自凈能力。此外，景觀水體中藻類的增殖能力和分散聚集行為也受外流水的速度、流量影響，如三峽水庫建成后水體流速減緩導致水華頻發，但外流水水量對藻類生長的影響存在一個臨界流量范圍，只有適中的流量才會引起藻類暴發[7]。同時，外流水類型也會對水體產生重要影響，郭紅兵等[8]發現用再生水和河水補水會導致景觀水體沉積物、污染物聚積，而補水方式的突然改變會引起沉積物性質的急劇變化，可能會增加水體營養負荷。熊家晴等[9]認為以自來水、河水（水質較好）補水人工景觀湖泊均會不同程度地導致沉積物中污染物向水體釋放，而以再生水補充則風險更大，以污水廠二級出水補水可能會導致小球藻的過度生長。

3.內流水水環境效應

內流水可以對水體沉積物產生擾動作用，使水體營養鹽、藻類結構及遷移行為發生改變，同時，擾動也能增加復氧，使死水區和非主流區的污染水得到置換，提高水體自凈能力。王尚等[10]認為高強度擾動水體中不同形態磷的含量均高于較低擾動強度的水體，并發現底泥再懸浮可以提高底泥對磷的持留能力，延緩水體富營養化。此外，擾動有助于藻細胞周圍代謝產物的擴散，促進藻類生長，但過大的機械擾動會損傷藻類細胞，抑制水華暴發。何愛政等[11]發現藻類多樣性水平決定于擾動強度，存在一個最佳擾動強度值。流速對水體的作用類似于擾動，會影響氮磷分布及藻類生長。隨著水體流速的增加，水體總氮磷呈現3個階段，即下降期、上升期和突增期。鐘小燕等[12]發現水體總氮磷的釋放量、平衡濃度與水體的流速呈對數增加關系，而總氮磷與流速呈指數增加關系。同時，淡水中藻類的營養鹽吸收及光合作用能力存在一個最佳的水體臨界流速。在臨界流速以下，藻類生物量與流速或擾動強度成正比，而超過臨界條件后，則成反比。但是也有研究發現，臨界條件不是固定不變的，會因水體營養鹽狀態的不同而變化，如張毅敏等[13]發現銅綠微囊藻在氮磷比為4.5∶1的水體中生長的最佳臨界流速大于氮磷比為2.7∶1的水體。

正確理解環境藝術教學中的“流水不腐”理念

通過上述“流水”水環境效應分析，可以發現“流水”引發的水環境效應具有因地性、因時性、復雜性及風險性。正確理解環境藝術教學中的“流水不腐”理念需把握以下三個核心。一是外流水（引水、調水）可以不斷更新水體，稀釋污染物，改善水動力條件， 提高水體復氧率，激活水體，強化其自凈能力。同時，外流水的流量、流速只有在一個適宜的臨界范圍，才能抑制水體藻類的暴發。此外，外流水的類型對水體影響很大，存在加劇水質惡化的風險。二是水體底泥的氮磷釋放量、平衡濃度與內流水的擾動強度（流速、流量）成正比，在引起底泥再懸浮的情況下，可以降低水體磷濃度，提高底泥固磷能力，降低其生物有效性。內流水的擾動也能抑制藻類的生長速率，降低藻類生物量及生物多樣性，但也存在一個擾動強度臨界范圍（流速范圍、流量范圍），且這個臨界范圍會因水體營養鹽狀的不同而發生變化。三是外流水和內流水對水體環境產生的影響是復雜的，要因時、因地、因目標應用“流水不腐”理念指導景觀水體設計。

將“流水不腐”理念引入環境藝術教學的方法

1.實地調研

環境藝術設計思維是否科學、縝密，體現在環境藝術教學中不是表現手法的合理性，而是設計的合理性。合理性的來源不是現存圖紙，也不是在“百度”瘋狂搜索，而是扎實的前期調研和系統總結。一般情況下，對于環境藝術設計者而言，實地調研更多的是對空間形態、構成、功能設置等方面的感受。但是，針對“流水不腐”理念實地調研更多的是對水體水環境功能問題的全面解析。一是弄清水體“流”的問題。收集水系、水文、水利資料，了解水文特征、水資源總量及分布情況;收集水系區域的降雨匯流資料，掌握水域的引排條件與蓄泄能力;調研水系水閘、堰、泵站的建設和運行情況，為設計方案提供基礎資料。二是弄清水體“腐”的問題。通過水體資料的收集，了解水生動植物生存情況、水質的演變規律。以水體水文、地質、水流、植物群落、護岸類型與構建方式等為對象，解析水體污染源要素的發生、賦存形態、輸移過程及其形態特征和生物可利用性[14]，通過水系現狀調查探明主要污染源及污染狀況。

2.數值模擬

隨著計算機與互聯網技術的飛速發展，信息化已經滲透大學教學的各個環節，尤其是理工科專業中，虛擬現實技術、數值分析技術已經成為教育信息化建設的重要內容之一。從2016年起，全國高校先后建成了300多個國家級虛擬仿真實驗教學示范中心。數值模擬技術是通過數值計算和圖像顯示分析自然界各種復雜機理、行為方法和反應過程等問題的，快速、直觀、準確度較高，但該技術在環境藝術教學中的應用幾乎是空白的。因此，針對“流水不腐”問題可以在課堂上引入數值模擬技術，如利用COMSOL、MIKY、Fluent、SIMNET、GIS等模擬軟件對水體流態、傳質過程等進行分析，直觀展示工藝參數與流態變化的關系，工藝參數對污染物遷移行為的影響等。首先，收集水體下墊面資料，進行地形建模，結合水位季節變化條件，采用一維或多維非恒定流方程，求解水體的水動力學問題，建立適合的水動力學數值模擬系統及典型調控工程構筑物（水閘、堰）的流動數值模型，確定不同水動力學條件下構筑物單元的非穩態工作性能[15]。其次，應用集成水量、水質、水動力的多模型耦合模擬技術，確定水動力變化、底泥再懸浮規律，典型污染物的輸移與降解規律，典型藻類生長、遷移及演替規律，明確流速、流量的臨界值范圍及其變化情況。當然，數值模擬的應用是建立在對專業知識把握、理解的基礎上的，教師應對相關知識有較全面的理解，利用數值模擬引導學生參與一些具有理論和實際意義的問題分析，也可以借助國家級虛擬仿真實驗平臺將數值模擬引入課堂。

3.模擬實驗

景觀水體污染的發生過程非常復雜，具有獨特性，單憑觀察或者數值模擬往往難以得出準確結論，這時就需要通過實驗進行探究。模擬實驗是通過模仿實驗對象和模仿實驗條件對水環境中各因素之間的相互關系、變化規律、運動過程、反應機理等進行真實的反映，有關“流水不腐”理念涉及的模擬實驗有三種。一是通過模擬實驗研究自然條件及不同流速、水量、水質條件下的水動力變化、水體交換情況等，研究外流水補水產生的污染風險。二是通過污染削減技術的模擬實驗，結合水系的地形地貌和水文條件，遴選適合的水體原位生態水質凈化和工程強化技術，評價原位多元生態處理技術和人工強化技術在污染削減和水質改善方面的功效和適用性[16]。三是通過模擬實驗，結合水體景觀設計，確定不同生態護岸的結構、類型及其適用性，篩選具有長效凈化功能的濕生植物、水生植物和濕地基質種類，確定具有凈化功能和景觀效果的河岸梯級植被群落，突出配置藝術。當然，在環境藝術教學過程中，要實現這些模擬實驗還存在一定的難度，但可以讓學生跨專業學習、參與實驗或者項目合作，進行現場或模擬實驗。

結 ?語

在環境藝術教學中應用“流水不腐”理念指導設計時，不能將該理念狹隘地理解為“流動的水不會惡化”。“流水”可以改善水體環境，但對流量、流速、水質有限定要求，“流水”的擾動能力可以抑制底泥中氮磷等污染物的釋放，也可以促進釋放，可以抑制藻類生長，也可能導致藻類的暴發，這些都取決于擾動強度、擾動方式、水體營養鹽水平等條件。因此，可以通過現場調研、數值模擬、模擬實驗等方法將“流水不腐”理念引入環境藝術教學，突出信息化技術的應用，對研究“新常態”下環境藝術教學改革具有一定的實用性。

參考文獻：

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[5]王化可：《調水至巢湖稀釋湖水營養狀態及抑制藍藻生長的遙感分析》，《水電能源科學》2013年第31卷第4期，第54-57頁。

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[12]鐘小燕、王船海、庾從蓉 等：《流速對太湖河道底泥泥沙、營養鹽釋放規律影響實驗研究》，《環境科學學報》2017年第37卷第8期，第2862-2869頁。

[13]張毅敏、張永春、張龍江 等：《湖泊水動力對藍藻生長的影響》，《中國環境科學》2007年第27卷第5期，第707-711頁。

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[15]高冠、朱瑞、賀治國 等：《自由液面水流與固體構筑物作用的高精度數值模擬》，《浙江大學學報》（工學版）2018年第52卷第6期，第1201-1208頁。

[16]毛旭鋒、魏曉燕、陳瓊：《人工濕地對湖泊外源污染削減過程及效率分析》，《中國農村水利水電》2015年第3期，第64-67頁。

作者單位：海繼平 ?西安美術學院建筑環境藝術系 ?陜西西安

楊成建 ?陳曉育 ?西安建筑科技大學環境與市政工程學院 ?陜西西安