侯慶賀 成玉寧

近百年來，氣候變化和快速高強度的城市化建設極大地改變了自然水文循環(huán)過程及其特征，對城市水安全、水生態(tài)、水資源、水環(huán)境產(chǎn)生了深遠的影響[1-3]。尤為突出的暴雨洪澇、水污染、水資源短缺和雨水資源浪費等問題，長期影響和制約著人居環(huán)境的安全、健康和可持續(xù)發(fā)展。為此，探索城市建設與水文循環(huán)可持續(xù)發(fā)展的海綿城市建設理念應運而生，旨在構建多尺度的水生態(tài)基礎設施，提升城市應對環(huán)境變化和旱澇災害等方面的適應性[4]。

海綿城市理念提出以來，城市水生態(tài)修復、旱澇治理、雨水控制與利用、地表水污染處理等相關研究已然成為城市水文學、給排水工程、環(huán)境工程、人居環(huán)境科學等學科領域研究和關注的熱點。風景園林學作為協(xié)調人與環(huán)境和諧發(fā)展的人居環(huán)境學科之一，始終貫徹將傳統(tǒng)古典園林理水智慧[5-7]與當代水生態(tài)景觀設計理念和方法[8-10]相結合，進而融合國內外先進的可持續(xù)雨水設計理念、方法和工程措施[11-13]，并在場地尺度的水文過程優(yōu)化[14]、雨水景觀設計[15]、水質生態(tài)凈化[16]、景觀水體生態(tài)設計[17]等規(guī)劃設計方法層面取得了一定成果。隨著海綿城市建設的推廣，風景園林學科開始逐步參與城市雨洪管理、藍綠基礎設施規(guī)劃、雨水控制利用等相關領域的研究與實踐，并在低影響開發(fā)技術[18]、雨洪模擬[19]、績效評價[20]與優(yōu)化設計[21]等方面取得了階段性成果。關于海綿城市的討論，各學科領域雖不盡相同，但不可否認的是，海綿城市理念為風景園林學科提供了更多與城市水文學、水資源管理和環(huán)境工程等領域的交叉融合機會，進一步拓展了景觀研究的廣度和深度，豐富了景觀實踐的多重價值。

近年來，風景園林學科視角下的水科學與設計學科的交叉領域——“景觀水文”的概念被提出。劉海龍等[22-24]強調景觀水文是一種融合、創(chuàng)新的水設計方向，從水文、景觀、設計、實施4個模塊提出了基于景觀水文理論的城市雨洪管理與雨水景觀設計策略框架；成玉寧[25]180-191則提出了基于數(shù)字景觀技術的景觀水文規(guī)劃設計方法，并廣泛應用于海綿城市規(guī)劃設計、水景觀規(guī)劃設計等領域。景觀水文相關概念的提出為風景園林涉水研究與實踐提供了一個交叉、整合和創(chuàng)新的窗口，有助于跨學科和多專業(yè)的協(xié)同，進而實現(xiàn)水問題與水環(huán)境治理、水景觀與水文化營造等綜合目標和多重價值[24]。然而，景觀水文研究涵蓋水文學、水力學、環(huán)境科學、人居環(huán)境科學等多個學科領域。同時面對復雜的城市水文環(huán)境，需要結合監(jiān)測與實驗方法、水文水力模型方法，分析和預測城市水文循環(huán)過程，以解決水文預報、雨洪管控、水資源管理與規(guī)劃實踐中的實際問題。由于現(xiàn)階段景觀水文研究仍欠缺上述相關領域理論與技術的支撐，致使風景園林學科在涉水研究與實踐中多為被動參與，研究范疇和工作界面有待明晰，分析與評價方法及技術手段的科學性有待提升。隨著數(shù)字時代的到來，數(shù)字景觀技術已成為定量分析和解決景觀環(huán)境復雜問題的重要方法手段[26-27]?？鐚W科、跨領域的技術整合，以及全過程、精準化的協(xié)同設計方法推動風景園林行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，并不斷拓展著風景園林學科領域的研究邊界[26]，在景觀格局優(yōu)化[28]、城市小氣候模擬[29]、雨洪模擬[30]、景觀環(huán)境行為感知[31]等領域得到廣泛應用。數(shù)字景觀技術方法與水文學原理和方法的整合，不僅能夠促進涉水景觀研究更加科學地探究景觀水文規(guī)律、空間關系及其響應機制，而且有利于加強風景園林涉水實踐的科學性，動態(tài)模擬與調控景觀環(huán)境與水文過程的協(xié)同策略，科學指導景觀水文規(guī)劃與設計實踐。

基于此，本研究通過系統(tǒng)梳理現(xiàn)階段景觀水文相關領域的研究進展，基于水文學和風景園林學等相關理論與方法技術，聚焦建成環(huán)境涉水景觀要素空間屬性及其水文響應，試圖從景觀水文研究范疇、目標體系、設計流程、分析方法、評價體系、優(yōu)化方法等方面，初步構建基于數(shù)字景觀技術的建成環(huán)境景觀水文研究框架。

1 景觀水文研究范疇

1.1 概念界定

景觀水文的概念最早由Ferguson教授提出，強調設計師需要一個統(tǒng)一的景觀水文概念指導水相關的設計[32]，并進一步提出景觀水文應作為景觀生態(tài)學的組成部分，理解和管理景觀模式與水文環(huán)境變化之間的關系[33]。后續(xù)大量的研究借助景觀生態(tài)學的概念和指標理解與揭示景觀異質性的空間模式及其水文響應[34-35]，但景觀水文的概念被逐漸弱化，更多聚焦于土地利用、植被覆蓋格局變化等[36-37]對水文過程的影響。此類研究一定程度上從宏觀尺度解釋了景觀生態(tài)學指標與水文效應的時空變化和統(tǒng)計學關系，但尚未明晰景觀格局水文效應的空間響應特征和尺度效應，尤其是未能得出具有實踐指導意義的研究成果。風景園林涉水景觀研究與實踐更多的是從工程水文學[34]的視角出發(fā)，探究景觀中水的運動、儲存及其相互作用機制[32-33]，并運用水文知識和原理解析景觀涉水問題并指導規(guī)劃設計實踐[22][25]102-103。然而，受制于有限的水文學理論和技術方法，風景園林學科多聚焦于設計方法層面，在景觀水文原理等基礎性研究層面并未深入，尤其是對水文研究多變量的不確定性、建成環(huán)境的復雜性，以及景觀要素水文效應的長期效度等方面關注度較低，尚未形成系統(tǒng)的從基礎理論到應用實踐的雙向關聯(lián)和研究路徑。

自然風景環(huán)境水文過程有著其內在的規(guī)律和適應性，而建成環(huán)境受人為干擾，水文過程和特征被改變，需要通過有效的工程措施削弱人為干預產(chǎn)生的負面影響。因此，本研究將景觀水文的概念界定在建成環(huán)境之下，主要研究不同空間尺度下建成環(huán)境涉水景觀要素的組成結構及其空間排列組合所表現(xiàn)出的積極或消極的水文響應，并以此為依據(jù)，統(tǒng)籌自然降水、地表水、地下水、城市給排水等自然或人工水文過程和涉水景觀要素。通過規(guī)劃設計、工程措施等手段優(yōu)化建成環(huán)境水文循環(huán)過程，緩解人為干預和客觀環(huán)境因素引起的負面水文效應，提升景觀和水文的綜合效益，推動人居水文環(huán)境的健康、可持續(xù)發(fā)展。

1.2 研究尺度

景觀或景觀水文研究具有明顯的尺度效應，與建成環(huán)境尺度特征一致，可以劃分為城鎮(zhèn)尺度、片區(qū)尺度、場地尺度等，分別對應水文研究的城鎮(zhèn)小流域、片區(qū)排水區(qū)和場地匯水單元?？紤]到景觀水文研究在各研究尺度的精細化程度以及與水文分區(qū)尺度的對應關系，景觀水文研究聚焦水文和景觀的雙重尺度特征，以水文分區(qū)或排水分區(qū)為主要的尺度劃分依據(jù)，將研究尺度劃分為城鎮(zhèn)小流域、城鎮(zhèn)子流域、片區(qū)匯水區(qū)/排水區(qū)和場地匯水單元4個空間尺度，分別對應風景園林研究的景觀格局、景觀系統(tǒng)、景觀單元和景觀要素4個層級(圖1)。

圖1 建成環(huán)境景觀水文研究空間尺度

建成環(huán)境中以道路為邊界劃分的地塊可以被視為一個匯水單元，向內可以根據(jù)地塊豎向特征劃分為多個場地子匯水單元，向外可以根據(jù)城市豎向、排水和河流特征構成匯水區(qū)、排水區(qū)和小流域。景觀設計要素是指構成場地景觀集合并影響場地水文變化的最小單位，包括場地內的豎向、植被、土壤、硬質下墊面等。景觀單元是要素的組成集合，是系統(tǒng)的基本組成部分，包括公園綠地、廣場、水體、建筑小區(qū)等；系統(tǒng)可以劃分為不同類型的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)由相同類型但功能不同的單元組成，如綠地系統(tǒng)、水系系統(tǒng)等；格局是大小、形狀、類型各異的要素或單元或系統(tǒng)在空間上的排列組合，如綠地格局、水格局、土地利用格局等。

1.3 研究對象

建成環(huán)境景觀水文研究對象主要包括不同空間尺度的綠地、水體、綠色雨洪設施等涉水景觀要素和豎向、植被、土壤等客觀環(huán)境要素，也包括與之相關的降水、溫濕度等客觀氣候因素和建筑、道路、市政雨水管網(wǎng)等影響水文效應的灰色空間。景觀水文研究對象根據(jù)其存在的尺度、空間關系及影響機制劃分為內部和外部對象2個部分。景觀水文內部對象主要是研究主體本身，以及存在于主體內部空間范圍的涉水景觀要素和客觀環(huán)境要素，直接影響景觀主體水文特征。景觀水文外部對象主要包括外部環(huán)境要素和客觀氣候因素。其中，外部環(huán)境要素主要是指景觀主體及其研究區(qū)或匯水區(qū)以外的其他環(huán)境要素，與內部水文過程存在間接的相互影響關系，具有一定的相對性。外部客觀氣候因素主要包括降水、溫濕度、風速風向、光照、氣候變化等對水文循環(huán)過程有直接影響的氣候因素，也包括人工降水、灌溉、人工補水等人為干預的偶然因素。受外部環(huán)境水文過程的影響，建成環(huán)境景觀水文研究需要同時關注內部和外部對象對研究區(qū)及其所在匯水區(qū)水文過程的影響(圖2)。

圖2 建成環(huán)境景觀水文研究對象與水文過程關系

2 景觀水文研究框架

景觀水文是一個綜合的概念，須以多學科理論方法為基礎，構建景觀與水文學科從基礎性原理到應用實踐方法的雙向關聯(lián)：一方面是對不同時空尺度下景觀水文規(guī)律的認識和解析過程，厘清多尺度響應的景觀水文原理與規(guī)劃機制；另一方面是在理論研究的基礎上對特定時空尺度下景觀與水文資源的再分配和反饋過程。將原理服務于應用，通過規(guī)劃設計和工程措施等技術手段緩解人為干預引起的水文負效應，優(yōu)化建成環(huán)境景觀水文過程及相關的生態(tài)過程，提升人居環(huán)境質量。此外，不論是原理解析、方案制定還是績效反饋與管理過程，數(shù)字化方法和技術應作為重要的技術手段全過程貫穿景觀水文研究與實踐。

基于此，景觀水文研究應形成一套雙向關聯(lián)和反饋的總體框架，研究內容應包括但不限于景觀水文響應機制、景觀水文規(guī)劃設計方法、景觀水文效應/效益分析與評估、景觀水文優(yōu)化與決策等。劉海龍等[23-24]提出了場地尺度基于景觀水文的城市雨洪管理框架；成玉寧等[25]180-191提出了基于數(shù)字景觀技術的景觀水文與海綿城市設計流程，為景觀水文框架的構建探明了方向。海綿城市及相關的城市雨洪管理理念、規(guī)劃設計路徑和方法技術[12，19，21]為景觀水文框架的構建提供了重要的參考依據(jù)?；谇叭嗽诰坝^水文、水景觀、海綿城市及相關數(shù)字景觀技術等領域的研究基礎，本研究聚焦不同空間尺度下景觀水文研究對象與內容，在數(shù)字景觀邏輯視角下初步構建了多尺度響應的建成環(huán)境景觀水文研究總體框架(圖3)，包括多目標集成的景觀水文研究目標體系、全過程定量的景觀水文規(guī)劃設計循證流程、多平臺耦合的景觀水文分析方法、多準則綜合的景觀水文效益評價體系、多目標決策的景觀水文優(yōu)化設計方法5個組成部分。需要說明的是，景觀水文研究框架并非囊括所有相關的交叉領域研究內容，而是通過明晰風景園林涉水研究的關鍵問題抓手和可行路徑，明確景觀水文研究范疇和工作界面，推動風景園林學科領域更加科學有效地應對和解決建成環(huán)境水問題。

圖3 多尺度響應的建成環(huán)境景觀水文研究框架

2.1 多目標集成的景觀水文研究目標體系

現(xiàn)代風景園林規(guī)劃設計思維具有系統(tǒng)性特征，既包含自然系統(tǒng)，也融合了人文環(huán)境，需要統(tǒng)籌生態(tài)、空間、功能和文化4個風景園林規(guī)劃設計的基本面[38]。此外，景觀本質上具有多功能綜合性價值，通過景觀要素的組成滿足人的社會心理、文化與美學需求的同時，還有著重要的生態(tài)和經(jīng)濟職能。

在當下可持續(xù)發(fā)展、海綿城市建設、碳中和戰(zhàn)略背景下，建成環(huán)境景觀水文研究與實踐不再是面對單一的景觀或雨洪問題，而是延續(xù)了景觀的多功能職能并融合建成環(huán)境水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水利用、水文化、水經(jīng)濟等方面的多目標集成的目標體系架構，包括但不限于水安全管控利用目標、水生態(tài)與景觀綜合目標、社會經(jīng)濟目標(社會、經(jīng)濟、教育等)和環(huán)境影響目標(低碳、減排等)4個部分(圖4)。

圖4 建成環(huán)境景觀水文研究目標體系

景觀水文目標體系以水問題為主要抓手，而水問題往往對應著不同時空尺度和重現(xiàn)期的降水和干旱事件，以及復雜的水文、水力過程等，受降水的強度、歷時及其連續(xù)性影響，也與客觀氣候條件、地理要素和氣候變化的不確定密切相關。而現(xiàn)階段并未有確定的證據(jù)證明景觀水文相關的方法策略能夠統(tǒng)籌上述所有的不確定條件以應對建成環(huán)境復雜的水問題。因此，以水問題為主要抓手的景觀水文目標體系應首先明確管控目標的邊界，轉變以往單一的水文管控模式，并與灰色、藍色水系統(tǒng)相互協(xié)同形成綜合的目標體系，積極響應藍綠灰協(xié)同的建成環(huán)境雨洪管控模式和目標的轉變，從而實現(xiàn)生態(tài)水文效益的長期和可持續(xù)回饋。

2.2 全過程定量的景觀水文規(guī)劃設計循證流程

傳統(tǒng)的風景園林設計思維本質上是定性的過程，往往存在或然性，缺少定量研究的科學依據(jù)，不足以體現(xiàn)風景園林兼具科學與藝術雙重屬性的學科特征。全過程定量的數(shù)字景觀邏輯將科學技術和藝術特色融合重構，是對場地氣候、地理、水文、植被、動線、人文、行為等設計要素的數(shù)字化解析、重構與表達，是一種定量的循證設計思維[25]90-91。作為多學科領域交叉融合的產(chǎn)物，景觀水文分析、規(guī)劃設計方案決策、績效評價等過程無一不體現(xiàn)著定量的循證設計邏輯。

景觀水文規(guī)劃設計循證流程的構建，首要任務在于根據(jù)風景園林學、城市水文學、環(huán)境科學等學科特點，科學選擇適用于該領域的數(shù)字技術、軟件平臺和創(chuàng)新算法，并融入景觀水文規(guī)劃設計流程的各個環(huán)節(jié)。在數(shù)字景觀技術的支持下，遵從循證設計的系統(tǒng)思維，從規(guī)律的認知、數(shù)據(jù)獲取和前期分析，到規(guī)劃設計方案的生成、模擬與評價，直至實施及后期績效評價與維護管理，構建全過程定量的景觀水文規(guī)劃設計循證流程(圖5)。流程的各環(huán)節(jié)相互影響和制約，景觀水文的各個要素均被定義為可量化分析、可監(jiān)測模擬和評價反饋的對象，能夠綜合評估方案的可行性和有效性，并及時反饋方案的水文響應特征和綜合效益。因此，全過程定量的循證設計并非是數(shù)字技術與規(guī)劃設計流程的簡單疊加，而是順應科學研究的基本前提，為景觀水文研究與實踐提供全過程可量化分析、校驗和反饋的科學路徑。

圖5 全過程定量的景觀水文規(guī)劃設計循證流程

2.3 多平臺耦合的景觀水文分析方法

建成環(huán)境水文過程的復雜性，要求水文研究必須通過實地調查或運用數(shù)學、物理方法構建水文和水力模型，分析和評估水文學和水動力學特征。水文、水力分析和模擬是認知自然和城市水文、水力過程及其規(guī)律的基本方法，也是解決具體實際問題的重要手段和工具。能夠從一維、二維甚至三維層面解析水文水力特征，對于景觀水文分析、評價、規(guī)劃設計實踐等各階段的工作具有重要的科學指導意義。然而，由于學科的差異性和水文、水力學原理的復雜性，現(xiàn)階段風景園林涉水研究更多地依賴于他專業(yè)的分析成果。為應對不同尺度的景觀水文分析需求，景觀水文研究可以借鑒水文、水力學分析方法(圖6)，例如ArcGIS、SWMM等分析平臺，結合景觀水文研究與實踐所要應對的具體問題和目標，通過模型和算法集成的方式構建多平臺耦合的分析方法，進一步優(yōu)化適用于景觀水文領域的分析方法。

圖6 多平臺耦合的景觀水文分析方法(作者改繪自參考文獻[39-41])

2.4 多準則綜合的景觀水文效益評價體系

景觀績效和海綿績效等評價方法[42]為景觀水文效益評價體系的構建提供了一種可參考的路徑。但目前海綿績效的評價內容多局限于年降水總量徑流控制率、污染控制率等指標的總量控制方面。而景觀績效評價內容雖然較為綜合，但其中對水文性能的評價也局限于雨水總量控制和利用方面。鑒于景觀水文研究的綜合性和跨學科屬性，景觀水文效益評價需要綜合借鑒水文效益、生態(tài)效益、景觀績效等評價方法，制定多準則、長周期、可驗證的評價體系。

通過梳理景觀績效評價[42]、全生命周期評價[43]、綠色建筑評價體系[44]等相關評價體系研究進展，結合多目標綜合的景觀水文目標體系，筆者認為景觀水文效益評價至少應包括水文效益、成本效益、環(huán)境影響和景觀效益四方面內容，評價流程如圖7所示。首先，水文效益是評價的主體，從徑流控制、雨水利用、水質改善、洪澇緩解、水體生態(tài)修復等方面進行評價；其次，成本效益與環(huán)境影響作為水文效益評價的限制指標，避免過度追求控制率而忽略建造和維護的成本及對資源的消耗和對環(huán)境的干擾；再次，景觀效益同樣作為限制指標和引導性指標，避免工程實踐忽視人的使用及其背后潛在的生態(tài)和社會價值。此外，景觀水文效益評價應包含實施前預評價和實施后評價。實施前預評價主要通過分析與模擬評估等方法綜合評價方案的景觀水文效益，指導方案的決策與選擇[45]；實施后評價則通過構建監(jiān)測系統(tǒng)和平臺，實時監(jiān)測和評估實施方案在應對不同降水事件的有效性，為后續(xù)的維護管理及類似項目的模擬與實踐提供參考。

圖7 建成環(huán)境景觀水文效益評價流程

2.5 多目標決策的景觀水文優(yōu)化設計方法

現(xiàn)代風景園林設計具有系統(tǒng)性及多目標特征[46]，僅就從生態(tài)基本面分析，也存在水環(huán)境、風環(huán)境、熱環(huán)境等多個生態(tài)目標因子訴求。如何在一定約束條件下實現(xiàn)生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益的優(yōu)化配置，一直是風景園林相關研究與實踐的重點問題。作為生態(tài)基本面中多個目標因子訴求之一，景觀水文實踐存在于綠地規(guī)劃設計、水景觀規(guī)劃設計、海綿系統(tǒng)規(guī)劃設計等各類研究與實踐中，同樣存在多目標決策需求。

隨著多目標優(yōu)化算法、選址算法等模型的發(fā)展和應用[47-48]，尤其是在建成環(huán)境空間形態(tài)及其生態(tài)響應層面的應用研究，為循證設計流程提供了有力的技術支持。景觀水文相關研究與實踐亟須創(chuàng)新技術和算法模型，進而優(yōu)化傳統(tǒng)單向的設計邏輯和煩瑣的修正流程。以綠地格局水文效應的優(yōu)化過程為例，首先，基于綠地格局水文響應機制與選址算法模型，構建綠地格局數(shù)字化生成-水文效益評價與優(yōu)化設計的算法模型；其次，通過掌握綠地格局水文響應的內在規(guī)律與作用機制，優(yōu)化算法的泛化能力以更好地適應水文效益目標下綠地格局規(guī)劃的應用情景；最后，通過設定預期的模型運算目標，如雨水徑流控制率、積澇削減率、綠地雨水利用率、綠地覆蓋率等，將有效發(fā)揮水文效應的綠地格局指數(shù)(潛力因子)與現(xiàn)狀限制條件(限制因子)作為模型運算的規(guī)則，以生成能夠實現(xiàn)設定目標的多種綠地格局方案[49]。

3 結語

景觀水文研究領域的開辟需要跨學科交叉領域的理論與技術支持，也需要融合人居環(huán)境學科的系統(tǒng)性設計思維。當前亟須解決和明確景觀水文研究的關鍵問題與目標，明晰工作界面和研究范疇，突破專業(yè)技術的限制并拓展至多尺度、多目標的系統(tǒng)研究和創(chuàng)新設計實踐。

數(shù)字景觀邏輯下的景觀水文研究框架從本質上明確了景觀水文研究的多尺度效應和多目標集成特征，強調景觀水文研究須突破尺度的限制，研究視角需要從場地尺度拓展至建成環(huán)境小流域尺度，并明晰各尺度之間的水文響應關系；研究對象以涉水景觀要素作為主體，也要關注直接或間接影響景觀水文效應的其他建成環(huán)境要素和氣候因素；關鍵目標的制定須以水問題為主要抓手，綜合水文、景觀、社會經(jīng)濟、環(huán)境影響等因素，因地制宜構建集成的景觀水文目標體系，以適應地域性的氣候降水特征和社會經(jīng)濟條件。此外，景觀水文分析、評價與優(yōu)化等關鍵技術的集成需要數(shù)字化方法和技術的整合與串聯(lián)，基于已有的方法技術和軟件平臺并融合多專業(yè)需求開發(fā)動態(tài)模擬與驗證的多維集成平臺，對于構建全過程數(shù)字化分析、評價與優(yōu)化設計的系統(tǒng)流程具有重要意義。本研究結合前人和筆者以往的研究成果，初步完成了建成環(huán)境景觀水文研究框架的構建，以期為景觀水文、雨洪管理、海綿城市等相關研究提供思路與借鑒。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。

致謝：感謝2022景觀水文教育與實踐國際論壇提供交流學習的機會和平臺；感謝新加坡南洋理工大學Qin Xiaosheng教授提供的幫助和支持。