朱里瑩，李霄鶴，林宇，黃河

（1.福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350001；2.福州濱海實(shí)驗(yàn)學(xué)校，福建 福州 350000）

1 前言

在遵循生態(tài)文明思想、響應(yīng)海綿城市建設(shè)的時代背景下，尊重自然水文過程和規(guī)律，借助地表徑流調(diào)蓄以消納和利用雨水徑流，是實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)暴雨水管控和防治的重要手段[1]。作為風(fēng)景園林工程中給排水工程以及水景工程中的重要內(nèi)容，地表徑流調(diào)蓄一直是風(fēng)景園林工程教學(xué)中的重難點(diǎn)。以一定體量的湖池為例，既需要考慮美學(xué)功能也需要結(jié)合地表雨水徑流調(diào)蓄功能來理解風(fēng)景園林水景作為城市水系統(tǒng)的一部分而起到的生態(tài)支撐和雨水管控作用。然而，受到傳統(tǒng)地表徑流調(diào)蓄實(shí)驗(yàn)教學(xué)中真實(shí)場景不可及、水文過程不可視、數(shù)據(jù)運(yùn)算更改難等因素的限制，如何幫助學(xué)生克服對繁瑣數(shù)據(jù)計(jì)算的畏難情緒、激發(fā)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)的分析和思辨能力成為教學(xué)難點(diǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)建模和仿真技術(shù)發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)借助物理、數(shù)字和虛擬世界的融合，形成具有沉浸式、交互性和構(gòu)想性等特征的交互體驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，逐漸由原有的簡單場景式模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向深度結(jié)合數(shù)值運(yùn)算和關(guān)聯(lián)的數(shù)值式模擬實(shí)驗(yàn)，為突破地表徑流調(diào)蓄實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性創(chuàng)造了條件[2-4]。庭院景觀砌體工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、南方四角攢尖亭建造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、擬自然水景設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等都實(shí)現(xiàn)了風(fēng)景園林工程場景式和流程性的交互體驗(yàn)[5-7]。在風(fēng)景園林?jǐn)M自然水景設(shè)計(jì)中，東南大學(xué)率先引入數(shù)值模擬技術(shù)，研發(fā)了參數(shù)化擬自然水景設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過參數(shù)調(diào)控設(shè)計(jì)變量，提升了學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中的認(rèn)知能力和自主創(chuàng)新意識[7]。本研究力求在虛擬仿真數(shù)值模擬的發(fā)展中更進(jìn)一步，通過建設(shè)基于數(shù)值模擬的地表徑流調(diào)蓄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，探索涉及大量數(shù)據(jù)運(yùn)算的風(fēng)景園林工程類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由場景式轉(zhuǎn)向數(shù)值式模擬的過程，力求在輔助學(xué)生沉浸式理解相關(guān)知識點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)原理的同時，激發(fā)其自主學(xué)習(xí)的能動性。

2 風(fēng)景園林工程地表徑流調(diào)蓄實(shí)驗(yàn)的教學(xué)難題

2.1 高成本的暴雨水氣候模擬

如何模擬暴雨水環(huán)境下的極端氣候一直是地表徑流調(diào)蓄實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)。在暴雨水天氣下實(shí)地采集徑流數(shù)據(jù)具有高危險性，且暴雨所造成的損失難以逆轉(zhuǎn)。而在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬臺風(fēng)暴雨水天氣下的地表徑流需要搭建臺風(fēng)實(shí)驗(yàn)室和氣旋模擬儀器等設(shè)備，成本極高。

2.2 枯燥繁瑣的大量數(shù)據(jù)計(jì)算

在傳統(tǒng)教學(xué)中，地表徑流調(diào)蓄實(shí)驗(yàn)涉及大量數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)公式，往往一個參數(shù)的簡單變化就牽動整個計(jì)算流程和結(jié)果的變動，計(jì)算量大且繁瑣，過程相對枯燥，容易引發(fā)學(xué)生的畏難情緒。

2.3 單一結(jié)果難以匹配多重目標(biāo)

地表徑流調(diào)蓄的難點(diǎn)還在于針對不同層級降雨進(jìn)行調(diào)蓄，因此涉及多個不同的目標(biāo)和與之相適應(yīng)的應(yīng)對方案。傳統(tǒng)單一實(shí)驗(yàn)結(jié)果的調(diào)蓄方案顯然難以滿足多重目標(biāo)的需求。

3 基于數(shù)值模擬的地表徑流調(diào)蓄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢

3.1 虛擬仿真實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)技術(shù)，突破時空限制，實(shí)現(xiàn)對高風(fēng)險、高成本三維仿真場景的構(gòu)建，有效模擬常規(guī)、內(nèi)澇、超標(biāo)3 種層級降雨場景，在虛擬場景中實(shí)現(xiàn)仿真，變現(xiàn)實(shí)模擬中的不可能為可能。

3.2 深度數(shù)值模擬協(xié)助自主參數(shù)動態(tài)設(shè)置

相較于早期虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以場景式實(shí)驗(yàn)為主，通過將數(shù)值模擬深度融入虛擬仿真場景，借助自主動態(tài)設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，不但可以簡化計(jì)算過程及消除學(xué)生畏難情緒，還可以更直觀、便捷地呈現(xiàn)參數(shù)變動的結(jié)果。

3.3 多目標(biāo)、多方案比選，鼓勵開放式探究性結(jié)果

不同降雨層級下的地表徑流調(diào)蓄目標(biāo)不同，基于數(shù)值模擬的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以在大幅度縮減實(shí)驗(yàn)成本的基礎(chǔ)上，利用參數(shù)變動形成多種方案，直觀實(shí)現(xiàn)多方案比選，鼓勵學(xué)生形成探索性開放性思維。

4 基于數(shù)值模擬的地表徑流調(diào)蓄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例

4.1 建設(shè)思路

依托福建省虛擬中心，基于數(shù)值模擬建設(shè)“應(yīng)對暴雨水環(huán)境的生態(tài)公園地表徑流調(diào)蓄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”。實(shí)驗(yàn)以問題為導(dǎo)向，以任務(wù)為驅(qū)動，要求學(xué)生以通過生態(tài)手段維護(hù)人居環(huán)境安全為己任，圍繞“應(yīng)對暴雨水環(huán)境的生態(tài)公園地表徑流調(diào)蓄湖池最少應(yīng)當(dāng)有多深”這一核心問題，在核心問題的驅(qū)動下，通過3 大教學(xué)模塊開展實(shí)驗(yàn)，其中以地形分析為基礎(chǔ)模塊、地表徑流調(diào)蓄為核心模塊、水位確定和綜合模擬為應(yīng)用模塊，層層遞進(jìn)，提升學(xué)生分析問題、解決問題以及綜合應(yīng)用的能力。學(xué)生最初可根據(jù)自己的實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)，在未掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之前，初步預(yù)測水池深度，并在后續(xù)實(shí)驗(yàn)過程中不斷修訂最初的預(yù)測結(jié)果，激發(fā)學(xué)生探尋結(jié)果的熱情。

4.2 教學(xué)目標(biāo)

應(yīng)對暴雨水環(huán)境的生態(tài)公園地表徑流調(diào)蓄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的為掌握地表徑流調(diào)蓄的基本原理及實(shí)驗(yàn)方法、熟悉地表徑流調(diào)蓄技術(shù)手段、培養(yǎng)探索性開放性思維和災(zāi)害風(fēng)險評估能力、建立人與自然可持續(xù)發(fā)展的社會責(zé)任感。實(shí)驗(yàn)需掌握的10 個核心知識點(diǎn)包括地形認(rèn)知、匯水區(qū)劃分、徑流系數(shù)、平均徑流系數(shù)計(jì)算、降雨強(qiáng)度、設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)降雨量、徑流系數(shù)法計(jì)算調(diào)蓄容量、不同層級降雨的調(diào)蓄容量計(jì)算、不同層級的調(diào)蓄水位確定。

4.3 建設(shè)內(nèi)容

4.3.1 基礎(chǔ)模塊：地形分析

該實(shí)驗(yàn)以地形分析為基礎(chǔ)模塊，通過觀察法和比較分析法進(jìn)行高程分析、坡度分析和坡向分析，幫助學(xué)生熟練掌握場地情況。在尚未掌握實(shí)驗(yàn)全部內(nèi)容時，初步預(yù)測生態(tài)公園中用于地表徑流調(diào)蓄水池的深度，在后期實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證初步預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性并做出修正。

4.3.2 核心模塊：地表徑流調(diào)蓄

實(shí)驗(yàn)以地表徑流調(diào)蓄為核心模塊，打破暴雨水環(huán)境在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的不可模擬性，以虛擬仿真的形式呈現(xiàn)不同降雨時期常規(guī)、內(nèi)澇和超標(biāo)3 種層級降雨。打破傳統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)僅僅是場景模擬的局限，引入深度數(shù)值模擬，將不同降雨層級下相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜公式（常規(guī)降雨強(qiáng)度、內(nèi)澇防治以上標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度計(jì)算公式等）應(yīng)用于降雨實(shí)驗(yàn)之中，形成了由“平均徑流系數(shù)-設(shè)計(jì)降雨量-徑流調(diào)蓄容量-水位高度”4 個核心知識維度的動態(tài)關(guān)聯(lián)。通過任務(wù)驅(qū)動法、控制變量法、觀察法、自主設(shè)計(jì)法進(jìn)行匯水分析，完成其中的流向分析、匯水區(qū)分析、徑流系數(shù)選定和平均徑流系數(shù)計(jì)算，并將匯水分析結(jié)果代入降雨分析中，任意一個數(shù)值的改變都將影響最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)中以福州市為例，使用的常規(guī)降雨強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：q為暴雨強(qiáng)度；t為積水時間；TE為非最大值取樣的設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期。

當(dāng)降雨超過內(nèi)澇防治以上標(biāo)準(zhǔn)時，采用最大值取樣方法確定暴雨強(qiáng)度公式，福州市計(jì)算公式為：

式中：i為最大值取樣降雨強(qiáng)度；t為積水時間；T為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期。

4.3.3 應(yīng)用模塊：水位確定和綜合模擬

以水位確定和綜合模擬為應(yīng)用模塊作為本實(shí)驗(yàn)的綜合提升部分，通過自主設(shè)計(jì)法、數(shù)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(jié)果代入綜合模擬應(yīng)用，再根據(jù)綜合模擬結(jié)果修正最初預(yù)測的水池深度值。學(xué)生可以在掌握全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，再次預(yù)測水池深度，并通過綜合模擬結(jié)果驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。根據(jù)降雨強(qiáng)度公式，將在核心模塊中得到的常規(guī)、內(nèi)澇和超標(biāo)3 個層級下的設(shè)計(jì)降雨量，并將不同降雨量之間的差異代入調(diào)蓄容量分析中。借助數(shù)值模擬法和比較法，掌握3 種不同層級設(shè)計(jì)降雨量下調(diào)蓄容量的關(guān)聯(lián)變化。

在傳統(tǒng)風(fēng)景園林暴雨水管控教學(xué)中，自主參數(shù)設(shè)置的難度在于數(shù)值的變化涉及大量的計(jì)算過程，難以判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，為實(shí)驗(yàn)評價帶來困難，因此只能采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，用標(biāo)準(zhǔn)性的答案來簡化評價體系。該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢在于智能編程可以有效保證計(jì)算過程的準(zhǔn)確性，為自主參數(shù)設(shè)置提供了可能，并鼓勵開放式探究型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。評價標(biāo)準(zhǔn)不必拘泥于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)答案，可以在保證一定準(zhǔn)確性的區(qū)間范圍內(nèi)，引入更多景觀偏好、景觀美學(xué)等評價要素，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提升思辨能力。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

5 結(jié)語

為應(yīng)對解決復(fù)雜風(fēng)景園林問題的需求，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)打破傳統(tǒng)教學(xué)的局限，由簡單的場景式模擬走向融合深度數(shù)值運(yùn)算和關(guān)聯(lián)的數(shù)值式模擬是發(fā)展的必然趨勢。相較于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，基于數(shù)值模擬構(gòu)建的應(yīng)對暴雨水環(huán)境的地表徑流調(diào)蓄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過“基礎(chǔ)-核心-應(yīng)用”3 大模塊層層遞進(jìn)，以地形分析為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)掌握相關(guān)原理和知識點(diǎn)，熟悉虛擬仿真提供的真實(shí)場景模擬；以地表徑流調(diào)蓄為核心，掌握不同生態(tài)下墊面的地表徑流水平，借助數(shù)值關(guān)聯(lián)和模擬動態(tài)調(diào)整參數(shù)變化，模擬“常規(guī)-內(nèi)澇-超標(biāo)”3 種降雨層級下地表徑流的變化過程以及調(diào)蓄重點(diǎn)；以水位確定和綜合模擬實(shí)現(xiàn)綜合應(yīng)用，通過虛擬仿真設(shè)置風(fēng)景園林生態(tài)湖池的水位高低指向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用問題，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)多方案比選，提前預(yù)判多種可能性結(jié)果，有效輔助決策?；跀?shù)值模擬建設(shè)應(yīng)對暴雨水環(huán)境的地表徑流調(diào)蓄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新性地將虛擬世界作為生態(tài)文明思路下保障海綿城市建設(shè)的虛擬演練場，有效提升學(xué)生的思辨能力以及分析和解決復(fù)雜問題的能力，為培養(yǎng)復(fù)合型應(yīng)用型風(fēng)景園林人才奠定了基礎(chǔ)。