将“流水不腐”理念引入环境艺术教学的研究
时间：2022-03-21 10:09:52 浏览次数：次
[摘 要]城市景观水体面临着极速恶化及严重的污染问题，把“流水不腐”理念作为环境艺术实践教学的研究方向，具有一定的普遍性。同时，突出学科交叉与信息化技术应用已成为环境艺术教学由理论转向实践的重要方法与手段。本文通过研究环境艺术与环境科学领域的有关水环境“流水”效应，探析“流水不腐”理念的特性，提出环境艺术教学实践环节对“流水不腐”理念的理性认识。同时，还提出将“流水不腐”理念引入环境艺术教学的方法，即实地调研、数值模拟与模拟实验，以期为“流水不腐”理念在环境艺术实践教学中的应用提供启示与借鉴。
[关键词]“流水不腐”理念 环境艺术教学 研究
基金项目：陕西省软科学研究计划项目（项目编号：2016KRM083）。
在“新常态”下，我国经济增长速度由高速转为中高速，结构优化进一步升级，在此情形下，环境艺术教学出现了新的变革，在意识、概念、方法和观点上进一步强化多学科借鉴与渗透。在环境艺术教学中，“流水不腐”理念似乎成了水体景观设计“包治百病的良药”[1-3]，该理念也被狭隘地理解为“只要使水体流动起来，水质就不容易恶化”，但结果真的是这样吗？其真正内涵是什么？到底有多少的实用性？如何正确应用？在环境艺术教学中很少有人深入思考过这些问题。实际上，在环境科学领域，针对“流动”水体水环境效应的研究非常多，但很少有环境艺术学者深入研究并合理应用这些成果。同时，水体景观设计对接设计院，运行效果对接管理部门，景观水体经过长期运行所形成的实际效果无法反馈设计，“流水不腐”理念未得到实证。因此，本文对如何正确理解“流水不腐”理念，如何将“流水不腐”理念合理引入环境艺术教学进行了研究，以期对提高环境艺术教学效果，优化景观水体设计有所帮助。
正确认识“流水”的水环境效应
1.“流水”的分类
静止或缓流景观水体极易引发水质恶化、水体富营养化。那么，水流动起来以后是否就不会恶化呢？因此，必须弄清“流水”的两种情况。一是水流经过水体后，不再回来的情况，本文称之为“外流水”，主要涉及景观水体的引水、调水问题。二是水流在水体中来回循环的情况，本文称之为“内流水”，主要涉及景观水体运动形态的组织与优化问题。
2.外流水水环境效应
外流水可以不断更新、稀释水体，降低水体营养盐浓度，影响营养盐的归趋行为及藻类的生长。林卫青等[4]发现加大引水流量，降低水体停留时间可以有效控制湖泊水华的发生。王化可[5]认为引水稀释能有效抑制蓝藻生长，缓解水体富营养化。孙亚乔等[6]认为引调清洁水源稀释污染景观水体， 能改善水体水动力条件，增加复氧量，激活水体，提高水体自净能力。此外，景观水体中藻类的增殖能力和分散聚集行为也受外流水的速度、流量影响，如三峡水库建成后水体流速减缓导致水华频发，但外流水水量对藻类生长的影响存在一个临界流量范围，只有适中的流量才会引起藻类暴发[7]。同时，外流水类型也会对水体产生重要影响，郭红兵等[8]发现用再生水和河水補水会导致景观水体沉积物、污染物聚积，而补水方式的突然改变会引起沉积物性质的急剧变化，可能会增加水体营养负荷。熊家晴等[9]认为以自来水、河水（水质较好）补水人工景观湖泊均会不同程度地导致沉积物中污染物向水体释放，而以再生水补充则风险更大，以污水厂二级出水补水可能会导致小球藻的过度生长。
3.内流水水环境效应
内流水可以对水体沉积物产生扰动作用，使水体营养盐、藻类结构及迁移行为发生改变，同时，扰动也能增加复氧，使死水区和非主流区的污染水得到置换，提高水体自净能力。王尚等[10]认为高强度扰动水体中不同形态磷的含量均高于较低扰动强度的水体，并发现底泥再悬浮可以提高底泥对磷的持留能力，延缓水体富营养化。此外，扰动有助于藻细胞周围代谢产物的扩散，促进藻类生长，但过大的机械扰动会损伤藻类细胞，抑制水华暴发。何爱政等[11]发现藻类多样性水平决定于扰动强度，存在一个最佳扰动强度值。流速对水体的作用类似于扰动，会影响氮磷分布及藻类生长。随着水体流速的增加，水体总氮磷呈现3个阶段，即下降期、上升期和突增期。钟小燕等[12]发现水体总氮磷的释放量、平衡浓度与水体的流速呈对数增加关系，而总氮磷与流速呈指数增加关系。同时，淡水中藻类的营养盐吸收及光合作用能力存在一个最佳的水体临界流速。在临界流速以下，藻类生物量与流速或扰动强度成正比，而超过临界条件后，则成反比。但是也有研究发现，临界条件不是固定不变的，会因水体营养盐状态的不同而变化，如张毅敏等[13]发现铜绿微囊藻在氮磷比为4.5∶1的水体中生长的最佳临界流速大于氮磷比为2.7∶1的水体。
正确理解环境艺术教学中的“流水不腐”理念
通过上述“流水”水环境效应分析，可以发现“流水”引发的水环境效应具有因地性、因时性、复杂性及风险性。正确理解环境艺术教学中的“流水不腐”理念需把握以下三个核心。一是外流水（引水、调水）可以不断更新水体，稀释污染物，改善水动力条件， 提高水体复氧率，激活水体，强化其自净能力。同时，外流水的流量、流速只有在一个适宜的临界范围，才能抑制水体藻类的暴发。此外，外流水的类型对水体影响很大，存在加剧水质恶化的风险。二是水体底泥的氮磷释放量、平衡浓度与内流水的扰动强度（流速、流量）成正比，在引起底泥再悬浮的情况下，可以降低水体磷浓度，提高底泥固磷能力，降低其生物有效性。内流水的扰动也能抑制藻类的生长速率，降低藻类生物量及生物多样性，但也存在一个扰动强度临界范围（流速范围、流量范围），且这个临界范围会因水体营养盐状的不同而发生变化。三是外流水和内流水对水体环境产生的影响是复杂的，要因时、因地、因目标应用“流水不腐”理念指导景观水体设计。
将“流水不腐”理念引入环境艺术教学的方法
1.实地调研
环境艺术设计思维是否科学、缜密，体现在环境艺术教学中不是表现手法的合理性，而是设计的合理性。合理性的来源不是现存图纸，也不是在“百度”疯狂搜索，而是扎实的前期调研和系统总结。一般情况下，对于环境艺术设计者而言，实地调研更多的是对空间形态、构成、功能设置等方面的感受。但是，针对“流水不腐”理念实地调研更多的是对水体水环境功能问题的全面解析。一是弄清水体“流”的问题。收集水系、水文、水利资料，了解水文特征、水资源总量及分布情况;收集水系区域的降雨汇流资料，掌握水域的引排条件与蓄泄能力;调研水系水闸、堰、泵站的建设和运行情况，为设计方案提供基础资料。二是弄清水体“腐”的问题。通过水体资料的收集，了解水生动植物生存情况、水质的演变规律。以水体水文、地质、水流、植物群落、护岸类型与构建方式等为对象，解析水体污染源要素的发生、赋存形态、输移过程及其形态特征和生物可利用性[14]，通过水系现状调查探明主要污染源及污染状况。
2.数值模拟
随着计算机与互联网技术的飞速发展，信息化已经渗透大学教学的各个环节，尤其是理工科专业中，虚拟现实技术、数值分析技术已经成为教育信息化建设的重要内容之一。从2016年起，全国高校先后建成了300多个国家级虚拟仿真实验教学示范中心。数值模拟技术是通过数值计算和图像显示分析自然界各种复杂机理、行为方法和反应过程等问题的，快速、直观、准确度较高，但该技术在环境艺术教学中的应用几乎是空白的。因此，针对“流水不腐”问题可以在课堂上引入数值模拟技术，如利用COMSOL、MIKY、Fluent、SIMNET、GIS等模拟软件对水体流态、传质过程等进行分析，直观展示工艺参数与流态变化的关系，工艺参数对污染物迁移行为的影响等。首先，收集水体下垫面资料，进行地形建模，结合水位季节变化条件，采用一维或多维非恒定流方程，求解水体的水动力学问题，建立适合的水动力学数值模拟系统及典型调控工程构筑物（水闸、堰）的流动数值模型，确定不同水动力学条件下构筑物单元的非稳态工作性能[15]。其次，应用集成水量、水质、水动力的多模型耦合模拟技术，确定水动力变化、底泥再悬浮规律，典型污染物的输移与降解规律，典型藻类生长、迁移及演替规律，明确流速、流量的临界值范围及其变化情况。当然，数值模拟的应用是建立在对专业知识把握、理解的基础上的，教师应对相关知识有较全面的理解，利用数值模拟引导学生参与一些具有理论和实际意义的问题分析，也可以借助国家级虚拟仿真实验平台将数值模拟引入课堂。
3.模拟实验
景观水体污染的发生过程非常复杂，具有独特性，单凭观察或者数值模拟往往难以得出准确结论，这时就需要通过实验进行探究。模拟实验是通过模仿实验对象和模仿实验条件对水环境中各因素之间的相互关系、变化规律、运动过程、反应机理等进行真实的反映，有关“流水不腐”理念涉及的模拟实验有三种。一是通过模拟实验研究自然条件及不同流速、水量、水质条件下的水动力变化、水体交换情况等，研究外流水补水产生的污染风险。二是通过污染削减技术的模拟实验，结合水系的地形地貌和水文条件，遴选适合的水体原位生态水质净化和工程强化技术，评价原位多元生态处理技术和人工强化技术在污染削减和水质改善方面的功效和适用性[16]。三是通过模拟实验，结合水体景观设计，确定不同生态护岸的结构、类型及其适用性，筛选具有长效净化功能的湿生植物、水生植物和湿地基质种类，确定具有净化功能和景观效果的河岸梯级植被群落，突出配置艺术。当然，在环境艺术教学过程中，要实现这些模拟实验还存在一定的难度，但可以让学生跨专业学习、参与实验或者项目合作，进行现场或模拟实验。
结 语
在环境艺术教学中应用“流水不腐”理念指导设计时，不能将该理念狭隘地理解为“流动的水不会恶化”。“流水”可以改善水体环境，但对流量、流速、水质有限定要求，“流水”的擾动能力可以抑制底泥中氮磷等污染物的释放，也可以促进释放，可以抑制藻类生长，也可能导致藻类的暴发，这些都取决于扰动强度、扰动方式、水体营养盐水平等条件。因此，可以通过现场调研、数值模拟、模拟实验等方法将“流水不腐”理念引入环境艺术教学，突出信息化技术的应用，对研究“新常态”下环境艺术教学改革具有一定的实用性。
参考文献：
[1]徐竟成、顾馨、李光明、满伟俊：《城市景观水体水景效应与水质保育的协同途径》，《中国园林》2015年第5期，第67-70页。
[2]傅凡、赵彩君：《干枯的北京 风水的反思》，《中国园林》2010年第5期，第80-82页。
[3]林世平、曹娟：《细部——中国古代园林活力之源》，《中国园林》2007年第5期，第91-94页。
[4]林卫青、卢士强、陈义中：《应用生态动力学模型评价上海淀山湖富营养化控制方案》，《上海环境科学》2010年第29卷第1期，第1-10页。
[5]王化可：《调水至巢湖稀释湖水营养状态及抑制蓝藻生长的遥感分析》，《水电能源科学》2013年第31卷第4期，第54-57页。
[6]孙亚乔、窦琳、段磊 等：《调水后受水区水环境的演化及重金属污染评价》，《南水北调与水利科技》2014年第12卷第4期，第51-56页。
[7]龙天渝、刘腊美、郭蔚华 等：《流量对三峡库区嘉陵江重庆主城段藻类生长的影响》，《环境科学研究》2008年第21卷第4期，第104-108页。
[8]郭红兵、陈荣、王晓昌：《不同补水方式下翠湖沉积物氮磷释放特性研究》，《环境科学与技术》2016年第39卷第2期，第18-23页。
[9]熊家晴、张扬、薛涛、刘言正：《补水条件改变对景观水体中沉积物氮磷释放的影响研究》，《西安建筑科技大学学报》（自然科学版）2017年第49卷第5期，第728-733页。
[10]王尚、李大鹏：《同扰动强度下城市重污染河道底泥对磷吸收和固定的影响》，《环境科学》2014年第35卷第6期，第2171-2177页。
[11]何爱政、刘得富、杨正健 等：《不同扰动强度对浮游藻类群落结构演替的影响》，《环境科学与技术》2015年第38卷第5期，第53-58页。
[12]钟小燕、王船海、庾从蓉 等：《流速对太湖河道底泥泥沙、营养盐释放规律影响实验研究》，《环境科学学报》2017年第37卷第8期，第2862-2869页。
[13]张毅敏、张永春、张龙江 等：《湖泊水动力对蓝藻生长的影响》，《中国环境科学》2007年第27卷第5期，第707-711页。
[14]陆志华、李敏、陈俊 等：《望虞河西岸控制工程与走马塘工程联合调度方案研究》，《中国农村水利水电》2017年第4期，第77-80、85页。
[15]高冠、朱瑞、贺治国 等：《自由液面水流与固体构筑物作用的高精度数值模拟》，《浙江大学学报》（工学版）2018年第52卷第6期，第1201-1208页。
[16]毛旭锋、魏晓燕、陈琼：《人工湿地对湖泊外源污染削减过程及效率分析》，《中国农村水利水电》2015年第3期，第64-67页。
作者单位：海继平 西安美术学院建筑环境艺术系 陕西西安
杨成建 陈晓育 西安建筑科技大学环境与市政工程学院 陕西西安