從自然科學技術原理向風景園林設計語言轉譯—河段尺度下的生態設計手法研究

王敬儒 岳邦瑞 蘭澤青

1 河流生態修復中理論與實踐的落差

在河流生態修復研究中，理論與實踐之間存在著較大的落差。20世紀60年代，河流生態問題引起了歐美發達國家的注意，由此開始了河流生態修復的理論與實踐研究。河流生態修復是指通過適度的人工干預，促進河流生態系統恢復到近自然狀態的過程[1]。河流生態修復問題較為復雜，無法依賴單一學科進行，它包括生態學、水文學、地貌學、水利工程、環境工程、風景園林學等多個學科方向的交叉融合。綜合國內外研究可知，河流生態修復的研究主要包含3類：1）近自然生態工法；2）水文模式修復法；3）河流分類法[2]。在技術層面上，河流生態修復主要包括河流形態多樣性的修復、河流水文條件的改善以及水質凈化等[3]。除此以外，生態學中的尺度等級也是研究河流的重要理論，在不同時空尺度下研究不同問題，并采取不同的措施[4]。目前，歷經大半個世紀的河流生態修復已具備了豐富的理論研究與實踐探索，已經從單純的結構性修復發展到生態系統整體的結構、功能與動力學過程的綜合修復。然而，河流生態修復研究中豐富的理論并未完全運用到實際中。

究其根本，河流的治理工作由水利部門主導，而水利工程是以控制和調配自然界水資源，達到除害興利而興建的工程。水利工程的基本目標不同于風景園林，風景園林的規劃設計以生態為本，而水利工程則倡導基于防洪排澇等功能之上的生態修復，因而導致河流生態修復理論研究與實踐之間的落差。

2 風景園林學在河流生態修復中的關鍵角色

風景園林學是可以整合不同學科理論，并最終轉化為實踐的最佳途徑。不僅能解決河流生態修復研究中理論與實踐的落差問題，更能滿足人類對河流的多元化需求。原因在于以下2個方面。

1）風景園林具有落地性。風景園林的落地性體現為一切風景園林現象都是有關土地營造的現象，都是在不同尺度的土地上發生的現象[5]。這一特性使風景園林學作為工學學科，不同于生態學、地理學、林學等學科，能將河流生態修復研究中的理論轉化為空間設計語言。然而，落地性在水利工程中也有所體現，水利工程的落地性表現為工程技術的落地性，主要解決河流治理中的某一類問題，而風景園林的落地性則強調各類要素在地表空間系統上的組織，更注重空間的營造，因此筆者以河流的空間營造為基本，提煉出一套風景園林設計語言。

2）風景園林具有整合性，整合性并不是指要素間的簡單拼貼，而是在河流生態修復中在充分認識機制的基礎上，發揮設計師的創造力[6]。整合性體現在2個層面：①對學科的整合，風景園林提供了一個連接的橋梁和框架，銜接人文與自然兩大領域，實現兩者的協調與統一，再將兩者整合為一個有機體系，發揮比單一學科更大的效能[7]；②人與自然的整合，風景園林的整合性是將人與自然視為一體，旨在創造人與自然和諧共生的環境，最終達成人與河流共同發展的長遠目標[8，9]。

在當下研究中，從自然科學技術原理到風景園林設計語言的轉譯仍處在初探階段。在理論研究方面，束晨陽等對城市河道的設計原則進行了分析，并給出河道平面、斷面、河岸等3種設計模式[10]；溫全平等側重于堤岸景觀生態化設計，提出了3種模式及其適用范圍[11]；付飛等根據生態廊道原理提出了城市河流的景觀空間模式[12]；王文奎等將河流進行分類，提出與之相適應的近自然化景觀策略[13]。然而，上述研究或針對單一類型的問題，給出幾種設計模式，或將河流問題進行分類，給出幾種優化策略，缺乏將自然科學技術原理轉化到設計中的系統性研究。因此，本研究的核心是將河流生態修復中自然科學技術原理轉化為風景園林設計語言，提供一套具備生態性、空間性、歸納性、尺度性和類型性的設計工具。該設計工具重點在于拉近規劃設計與生態修復理論之間的落差，以生態修復為基本目標，在實踐中為設計師提供參考。設計師可在此基礎上開展多樣化設計，盡可能滿足人類對河流的多元化需求。

3 河段尺度下的生態設計手法研究

本研究的核心工作是將河流生態修復中的理論轉化為生態設計手法，主要采用T-P-C途徑。即從原理（theory）推導出基于原理的設計空間導則或空間格局（pattern），并最終通過有效實踐案例（case）進行應用檢驗與修正[14]。該方法在《圖解景觀生態規劃設計原理》一書中被提出，可證明T-P-C途徑具有廣泛的普適性[15]。本研究中的T指的是河流空間要素的劃分與河流生態學原理的選擇；P指的是對河流修復相關原理的分析，并基于原理提煉出相應的設計法則；C指的是將法則放在某一具體情境或問題中，給出具體的生態設計手法，并用案例進行驗證。

3.1 T：河段尺度的空間特征與相關原理

3.1.1 河段尺度的空間特征

按照T-P-C途徑，首先從風景園林學的角度對河流空間要素進行分析（圖1）。河流空間要素的劃分包括3個尺度：流域尺度、廊道尺度和河段尺度[16]。本研究以河段尺度為主要研究對象，原因有二：1）在流域與廊道尺度上，河流的生態問題主要在于人類活動所引發的水生態環境保護與經濟社會發展間的矛盾，風景園林學在理論與實踐中更關注管控策略而非設計，因此該尺度不作為本研究的討論對象；2）在河段尺度上，河流受人工干擾程度較大，生態問題較多，且風景園林學在河段尺度上的理論與實踐研究以設計為主，與本研究生態設計手法的研究相符，更具研究價值。

1 河流空間要素分析The analysis of river spatial elements

在流域尺度上，每條河流都有自己的流域，一個大流域可以按照水系等級分成數個小流域，小流域又可以分成更小的流域[17]。在大流域中，河流單獨作為一個子系統，其周圍的地貌環境為地貌子系統，2個子系統共同組成了流域。地貌子系統主要包括了五大地形，即山地、盆地、高原、丘陵和平原[18]。河流子系統即河流廊道，河流廊道在縱向上可劃分為河源、上游、中游、下游和河口5個部分。

河段尺度的空間要素劃分主要以橫向結構為主，橫向結構涉及河流的橫向自然過程。河流從河源到河口，由于坡降比的變化，河流在不同河段上的橫向結構是不同的。河流的河源區多為冰川、沼澤，是河流的水源地。河流的上游段大多位于山區或高原，縱坡陡峭，水流湍急，以河流的侵蝕、沖刷為主，其空間要素由河床和階地構成[19]。河流的中游段大多位于山區與平原交界處，下游段大多位于平原區，縱坡趨于平緩，側向侵蝕明顯，以河流的淤積作用為主。因此，中下游的空間要素由河床、河漫灘和階地構成。河口由于潮汐作用的影響，其空間要素的構成更為復雜，是由主河道、分支河道、天然堤、決口扇和三角洲構成[20]，河口在本研究中暫不做考慮。河漫灘包括了島、湖泊、沼澤和天然堤。階地是指高出洪水期水位的階梯狀地形。河漫灘的范圍是指河流漫過河床的水位，在某一頻率下所對應的淹沒區域，在該空間要素上發生的生態過程較多，所以河漫灘的研究價值相對較高。

表1 河流景觀生態學原理Tab.1 River landscape ecology principles

2 河流景觀生態學原理圖示River landscape ecology principles diagram

3.1.2 河流生態修復原理的選擇

對河流生態修復原理的研究，是河流生態設計手法提煉的理論基礎。河流生態修復原理包括了河流景觀生態學原理以及景觀生態學原理的相關內容，主要研究景觀格局與生態過程之間的關系。河流景觀生態學迄今提出的較有影響力的概念模型主要有10種，除去流域等級概念以及地帶性概念與河流生態設計手法研究關聯較小，另有景觀異質性以及源匯理論2個原理與河流生態修復密切相關[21]。筆者基于河流生態修復相關原理推導出設計法則，將設計法則放在具體問題中，可提煉出生態設計手法。

3.2 P：基于原理的設計法則推導

從原理推導出設計法則的具體方法，是將8個河流景觀生態學的概念模型以及2個景觀生態學原理[22-24]進行詮釋，對其空間因子及相關生態功能進行分析（表1），根據分析作出圖示（圖2），并推導出相應的設計法則。

3.3 C：通過案例解析提煉有效手法

3.3.1 河流生態問題分析

對河流生態問題的指認，是運用設計法則解決現實問題的基礎。河流生態修復旨在改善河流生態功能，而河流生態功能障礙則由人工干擾所引起，因此通過對河流生態功能與人工干擾因素的分析來指認河流生態問題。按照河流生態系統的結構來劃分，生態系統是由生物群落與無機環境構成的統一整體[25]，所以河流的生態功能主要包含兩方面。首先，從河流生態系統中的生物群落出發，即水生態的角度，河流生態系統的功能主要體現在生物多樣性及初級生產力。其次，從河流生態系統中的無機環境出發，即水文和水質的角度，河流生態系統具有提供水資源、調節氣候等與生態水量相關的功能，以及調節洪水等與生態水位相關的功能，還有泥沙輸移、泥沙攔截等與物質傳輸相關的功能，并且還具有水體凈化等與水質凈化相關的功能[26]。綜上所述，河流的生態功能主要分為3類，共計7種。

3 河流生態修復目標及人工干擾因素的關系The relationship between river ecological restoration targets and artificial interference factors

4 直線化河道修復The restoration of river cutoff

5 河床改造The reconstruction of riverbed

通過文獻綜述可知，河流存在20種人工干擾因素（圖3），將6類生態問題（即生態修復目標）與20種人工干擾因素進行對照，可解析出河流的生態問題因何而起，然后結合設計法則，提出應對河流生態問題的設計手法，使河流恢復原有的生態功能。

3.3.2 河段尺度下的生態設計手法與案例

生態設計手法是依據河流生態問題，結合相應的設計法則而提煉的，并通過案例進行驗證。在河段尺度上，河流的生態設計手法提煉根據其空間要素劃分為河床、河漫灘及河床—河漫灘3個方面，其目標以生態修復為主，恢復河流的生態功能。本研究以平原地區的城市河流為主要研究對象，其他特殊情況暫不做考慮。

1）河床部分。河床部分的人工干擾問題主要有5個，即裁彎取直、河床硬化、城市建設、大壩水庫、各類污水導致的水體污染。針對以上5個問題，分別有不同的生態設計手法。

① 由于裁彎取直導致的河道的直線化問題，根據河流生產力及近岸保持力原理，提煉出“改造河道蜿蜒度”“改造邊灘蜿蜒度”“增設回水灣”3種手法（圖4），運用該手法將直線化的河道恢復為原有的自然彎曲狀態，可提高河流中的生態水量，提高河流生產力及生物多樣性，以上手法可在美國圣安東尼奧河流改造設計和洛杉磯鐵路站場可行性研究中得到驗證。

② 河道硬化問題，根據河流四維連續體概念，可提煉出“生態河床”的手法（圖5），運用該手法可改善河流在豎向上的物質能量交換，由此提高生物多樣性，該手法可通過德國伊薩河修復的案例進行驗證。

③ 由于城市建設擠壓河道，而導致河道變窄的問題，根據景觀異質性原理，可提煉出“拓寬河床”的手法（圖5）。該手法根據廊道越寬生態效益越高的原理，提高生態水量與生物多樣性，可通過新加坡碧山宏茂橋公園的案例進行驗證。

④ 河道筑壩問題，根據河流四維連續體概念及串聯非連續體概念，提煉出“生態筑壩”的手法（圖5）。該手法將普通大壩水庫改為生態筑壩，提高河流在縱向上的連通性，以此提高生物多樣性，以德國伊薩河河流改造設計中生態筑壩為例進行驗證。

⑤ 由于各類污水排放導致的水體污染問題，根據源匯模型提煉出了“人工湖改造”的手法（圖6）。通過增大水域面積提高水體自凈能力，解決水體污染問題，以美國圣安東尼奧河流改造設計中開挖人工湖為例進行驗證。

2） 河漫灘部分。在河漫灘部分，人工干擾問題主要有城市建設、圍墾、植被破壞等，由此而導致河漫灘結構單一化、河漫灘受擠壓、河漫灘用地不合理等問題。針對以上3個問題，分別有不同的生態設計手法。

① 河漫灘結構單一化，根據河流生產力、近岸保持力、河流四維連續體概念、源匯模型等原理，提煉出“濕地復原”的手法（圖7）。主要通過恢復河漫灘濕地來提高河漫灘結構的多樣性，以此提高河流生態多樣性，以貴州六盤水明湖濕地公園為例進行驗證。

② 河漫灘受擠壓問題，根據景觀異質性原理，提煉出“拓寬河漫灘”的手法（圖7）。該手法運用廊道越寬生態效益越高的原理，運用該手法可提高河流生物多樣性，以新加坡碧山宏茂橋公園為例進行驗證。

③ 河漫灘用地不合理，根據河流生產力、近岸保持力、河流四維連續體概念，提煉出“調整用地性質”的手法（圖7）。將城鎮用地調整到離河漫灘較遠的位置，恢復河漫灘綠地，以此提高河流生物多樣性，以寧波生態走廊規劃設計為例進行驗證。

3） 河床—河漫灘部分。在河床—河漫灘部分，人工干擾問題主要因城市建設導致的護坡硬化、多河道變單河道、植被破壞、防洪堤等問題，分別有不同的生態設計手法。

① 護坡硬化問題，根據河流四維連續體及近岸保持力概念，提煉出“木框擋土墻”“石籠駁岸”“塊石駁岸”“植物駁岸”4種生態護岸的手法（圖8）。運用該手法可提高河流物質、能量在橫向上的交換，提高河流生物多樣性，通過美國圣安東尼奧河流改造設計、金華燕尾洲公園、秦皇島海濱生態恢復、寧波生態走廊4個案例進行驗證。

② 多河道變單河道的問題，主要有2種。一種是兩河交匯處河道結構由繁變簡，根據景觀異質性原理，提煉出“河口濕地公園”的手法（圖9）。通過恢復河口處濕地來提高空間結構復雜性，從而提高河流生物多樣性，以澇渭濕地改造為例進行驗證。另一種是由于城鎮發展將原有的多條河道擠壓成單條河道，根據景觀異質性原理，提煉出“多河道修復”的手法（圖9）。通過恢復多河道，提高空間結構復雜性，從而提高河流生物多樣性，以中國遷安三里河綠道項目為例進行驗證。

6 人工湖改造The reconstruction of artifical lake

7 河漫灘改造The reconstruction of flood land

8 4種生態護岸4 kinds of ecological riverbanks

9 濕地與多河道修復Multi-channel and wetland restoration

10 植物群落配置Configuration models of plant community

11 階梯式堤岸Stepped embankment

③ 植被破壞問題，根據河流生產力概念和近岸保持力概念，提煉出“植物群落配置”的手法（圖10）。恢復河流周邊植被，提高河流生物多樣性，以英國小烏斯河河岸修復為例進行驗證。

④ 防洪堤問題，根據河流四維連續體概念，提煉出“階梯式堤岸”的生態防洪手法（圖11）。通過堤岸與地形結合的形式，在保障河流橫向連通性的同時防止洪水泛濫，以芝加哥濱河步道的四維設計為例進行驗證。

4 結語

風景園林學在河流修復方面有諸多研究，但在自然科學技術原理向風景園林設計語言轉譯方面，仍處在初探階段。筆者通過對河流生態修復中自然科學技術原理的分析，總結并提煉出15種生態設計手法，并以實踐案例進行驗證。設計師可通過對上述手法的運用，解決河段尺度下的生態問題，也可在此基礎之上注入創造性思維，發揮河流的多樣化功能。目前本研究尚未對山地型河流、河段中的河口部分等特殊區域展開研究，在后續研究中將繼續進行探索。

圖表來源(Sources of Figures and Table)：

文中圖片均由作者繪制；表1根據參考文獻[20-23]繪制。