基于數值模擬的風景園林工程地表徑流調蓄虛擬仿真實驗探索

朱里瑩，李霄鶴，林宇，黃河

（1.福建農林大學，福建 福州 350001；2.福州濱海實驗學校，福建 福州 350000）

1 前言

在遵循生態文明思想、響應海綿城市建設的時代背景下，尊重自然水文過程和規律，借助地表徑流調蓄以消納和利用雨水徑流，是實現城鄉暴雨水管控和防治的重要手段[1]。作為風景園林工程中給排水工程以及水景工程中的重要內容，地表徑流調蓄一直是風景園林工程教學中的重難點。以一定體量的湖池為例，既需要考慮美學功能也需要結合地表雨水徑流調蓄功能來理解風景園林水景作為城市水系統的一部分而起到的生態支撐和雨水管控作用。然而，受到傳統地表徑流調蓄實驗教學中真實場景不可及、水文過程不可視、數據運算更改難等因素的限制，如何幫助學生克服對繁瑣數據計算的畏難情緒、激發學生探究性學習的分析和思辨能力成為教學難點。

隨著計算機建模和仿真技術發展，虛擬現實技術借助物理、數字和虛擬世界的融合，形成具有沉浸式、交互性和構想性等特征的交互體驗，并結合數值模擬技術，逐漸由原有的簡單場景式模擬實驗轉向深度結合數值運算和關聯的數值式模擬實驗，為突破地表徑流調蓄實驗教學的局限性創造了條件[2-4]。庭院景觀砌體工程虛擬仿真實驗、南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實驗、擬自然水景設計虛擬仿真實驗等都實現了風景園林工程場景式和流程性的交互體驗[5-7]。在風景園林擬自然水景設計中，東南大學率先引入數值模擬技術，研發了參數化擬自然水景設計虛擬仿真實驗，通過參數調控設計變量，提升了學生在設計過程中的認知能力和自主創新意識[7]。本研究力求在虛擬仿真數值模擬的發展中更進一步，通過建設基于數值模擬的地表徑流調蓄虛擬仿真實驗，探索涉及大量數據運算的風景園林工程類虛擬仿真實驗由場景式轉向數值式模擬的過程，力求在輔助學生沉浸式理解相關知識點和實驗原理的同時，激發其自主學習的能動性。

2 風景園林工程地表徑流調蓄實驗的教學難題

2.1 高成本的暴雨水氣候模擬

如何模擬暴雨水環境下的極端氣候一直是地表徑流調蓄實驗中的難點。在暴雨水天氣下實地采集徑流數據具有高危險性，且暴雨所造成的損失難以逆轉。而在實驗室環境下模擬臺風暴雨水天氣下的地表徑流需要搭建臺風實驗室和氣旋模擬儀器等設備，成本極高。

2.2 枯燥繁瑣的大量數據計算

在傳統教學中，地表徑流調蓄實驗涉及大量數據和數學公式，往往一個參數的簡單變化就牽動整個計算流程和結果的變動，計算量大且繁瑣，過程相對枯燥，容易引發學生的畏難情緒。

2.3 單一結果難以匹配多重目標

地表徑流調蓄的難點還在于針對不同層級降雨進行調蓄，因此涉及多個不同的目標和與之相適應的應對方案。傳統單一實驗結果的調蓄方案顯然難以滿足多重目標的需求。

3 基于數值模擬的地表徑流調蓄虛擬仿真實驗優勢

3.1 虛擬仿真實現不同降雨層級模擬

虛擬仿真借助視覺、聽覺等多傳感通道與計算機技術，突破時空限制，實現對高風險、高成本三維仿真場景的構建，有效模擬常規、內澇、超標3 種層級降雨場景，在虛擬場景中實現仿真，變現實模擬中的不可能為可能。

3.2 深度數值模擬協助自主參數動態設置

相較于早期虛擬仿真實驗以場景式實驗為主，通過將數值模擬深度融入虛擬仿真場景，借助自主動態設置實驗參數，不但可以簡化計算過程及消除學生畏難情緒，還可以更直觀、便捷地呈現參數變動的結果。

3.3 多目標、多方案比選，鼓勵開放式探究性結果

不同降雨層級下的地表徑流調蓄目標不同，基于數值模擬的虛擬仿真實驗可以在大幅度縮減實驗成本的基礎上，利用參數變動形成多種方案，直觀實現多方案比選，鼓勵學生形成探索性開放性思維。

4 基于數值模擬的地表徑流調蓄虛擬仿真實驗案例

4.1 建設思路

依托福建省虛擬中心，基于數值模擬建設“應對暴雨水環境的生態公園地表徑流調蓄虛擬仿真實驗”。實驗以問題為導向，以任務為驅動，要求學生以通過生態手段維護人居環境安全為己任，圍繞“應對暴雨水環境的生態公園地表徑流調蓄湖池最少應當有多深”這一核心問題，在核心問題的驅動下，通過3 大教學模塊開展實驗，其中以地形分析為基礎模塊、地表徑流調蓄為核心模塊、水位確定和綜合模擬為應用模塊，層層遞進，提升學生分析問題、解決問題以及綜合應用的能力。學生最初可根據自己的實際生活經驗，在未掌握實驗內容之前，初步預測水池深度，并在后續實驗過程中不斷修訂最初的預測結果，激發學生探尋結果的熱情。

4.2 教學目標

應對暴雨水環境的生態公園地表徑流調蓄虛擬仿真實驗教學目的為掌握地表徑流調蓄的基本原理及實驗方法、熟悉地表徑流調蓄技術手段、培養探索性開放性思維和災害風險評估能力、建立人與自然可持續發展的社會責任感。實驗需掌握的10 個核心知識點包括地形認知、匯水區劃分、徑流系數、平均徑流系數計算、降雨強度、設計重現期、設計降雨量、徑流系數法計算調蓄容量、不同層級降雨的調蓄容量計算、不同層級的調蓄水位確定。

4.3 建設內容

4.3.1 基礎模塊：地形分析

該實驗以地形分析為基礎模塊，通過觀察法和比較分析法進行高程分析、坡度分析和坡向分析，幫助學生熟練掌握場地情況。在尚未掌握實驗全部內容時，初步預測生態公園中用于地表徑流調蓄水池的深度，在后期實驗中驗證初步預測結果的準確性并做出修正。

4.3.2 核心模塊：地表徑流調蓄

實驗以地表徑流調蓄為核心模塊，打破暴雨水環境在現實環境中的不可模擬性，以虛擬仿真的形式呈現不同降雨時期常規、內澇和超標3 種層級降雨。打破傳統虛擬仿真實驗僅僅是場景模擬的局限，引入深度數值模擬，將不同降雨層級下相互關聯的復雜公式（常規降雨強度、內澇防治以上標準降雨強度計算公式等）應用于降雨實驗之中，形成了由“平均徑流系數-設計降雨量-徑流調蓄容量-水位高度”4 個核心知識維度的動態關聯。通過任務驅動法、控制變量法、觀察法、自主設計法進行匯水分析，完成其中的流向分析、匯水區分析、徑流系數選定和平均徑流系數計算，并將匯水分析結果代入降雨分析中，任意一個數值的改變都將影響最終的實驗結果。

實驗中以福州市為例，使用的常規降雨強度計算公式為：

式中：q為暴雨強度；t為積水時間；TE為非最大值取樣的設計降雨重現期。

當降雨超過內澇防治以上標準時，采用最大值取樣方法確定暴雨強度公式，福州市計算公式為：

式中：i為最大值取樣降雨強度；t為積水時間；T為設計降雨重現期。

4.3.3 應用模塊：水位確定和綜合模擬

以水位確定和綜合模擬為應用模塊作為本實驗的綜合提升部分，通過自主設計法、數值模擬法和比較法，對比分析極限水位、豐水期水位、常水位和枯水期水位的水位情況，將一系列水位結果代入綜合模擬應用，再根據綜合模擬結果修正最初預測的水池深度值。學生可以在掌握全部實驗內容后，再次預測水池深度，并通過綜合模擬結果驗證其準確性。根據降雨強度公式，將在核心模塊中得到的常規、內澇和超標3 個層級下的設計降雨量，并將不同降雨量之間的差異代入調蓄容量分析中。借助數值模擬法和比較法，掌握3 種不同層級設計降雨量下調蓄容量的關聯變化。

在傳統風景園林暴雨水管控教學中，自主參數設置的難度在于數值的變化涉及大量的計算過程，難以判斷結果的準確性，為實驗評價帶來困難，因此只能采用統一的數據，用標準性的答案來簡化評價體系。該實驗的優勢在于智能編程可以有效保證計算過程的準確性，為自主參數設置提供了可能，并鼓勵開放式探究型實驗結果。評價標準不必拘泥于統一的標準答案，可以在保證一定準確性的區間范圍內，引入更多景觀偏好、景觀美學等評價要素，激發學生的創造性思維，提升思辨能力。

圖2 虛擬仿真實驗界面

5 結語

為應對解決復雜風景園林問題的需求，虛擬仿真實驗打破傳統教學的局限，由簡單的場景式模擬走向融合深度數值運算和關聯的數值式模擬是發展的必然趨勢。相較于傳統的教學方式，基于數值模擬構建的應對暴雨水環境的地表徑流調蓄虛擬仿真實驗，通過“基礎-核心-應用”3 大模塊層層遞進，以地形分析為實驗基礎掌握相關原理和知識點，熟悉虛擬仿真提供的真實場景模擬；以地表徑流調蓄為核心，掌握不同生態下墊面的地表徑流水平，借助數值關聯和模擬動態調整參數變化，模擬“常規-內澇-超標”3 種降雨層級下地表徑流的變化過程以及調蓄重點；以水位確定和綜合模擬實現綜合應用，通過虛擬仿真設置風景園林生態湖池的水位高低指向現實應用問題，實現多目標多方案比選，提前預判多種可能性結果，有效輔助決策。基于數值模擬建設應對暴雨水環境的地表徑流調蓄虛擬仿真實驗，創新性地將虛擬世界作為生態文明思路下保障海綿城市建設的虛擬演練場，有效提升學生的思辨能力以及分析和解決復雜問題的能力，為培養復合型應用型風景園林人才奠定了基礎。