来源: Landscape Architecture Frontiers 发布时间:2021/10/15 14:03:35
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LAF | 前沿研究:半开放式结构单元为健康湿地形成创造条件

论文标题:Healthy Port Futures: Rethinking Sediments for Rivermouth Landscapes (半开放式结构单元为健康湿地形成创造条件)

期刊: Landscape Architecture Frontiers

作者:Theresa RUSWICK,Sean BURKHOLDER,Brian DAVIS,Matthew MOFFITT

发表时间:15 Sep 2021

DOI:10.15302/J-LAF-1-040027

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编者荐语:

《前沿》系列之《景观设计学前沿》最近发表

注:本文为删减版,不可直接引用。原中英文全文刊发于《景观设计学》2021年第3期“大河流域生态系统保护与修复”专刊。获取全文免费下载链接请点击“阅读原文”;参考引用格式见文末。

导读

五大湖地区的河口如今被用作工业航道,需要定期进行机械疏浚维护工作。综合以往封闭式(如封存投放)和低成本开放式(直接释放)的沉积物处理方式,本文描述的“健康的港口未来”项目提出了一种半圆形、部分开放的单元式湿地设计,处理和运用这些废弃沉积物。本项目被形象地称作“月牙”,使用系列工具集来生成、推测、建模、可视化和测试多个不同社会、生态和水文条件下的湿地形态。在整个设计-研究过程中,项目试图接纳不确定性、评估风险并探索相应结果,以再定义公众对湿地营造和修复的期望,并重新构想五大湖沿岸的新面貌。

关键词:河口;沉积物;疏浚;湿地;五大湖区域;设计结合研究

健康的港口未来:

重新审视河口景观沉积物

Healthy Port Futures:

Rethinking Sediments for Rivermouth Landscapes

特蕾萨•鲁斯维克

Theresa RUSWICK

宾夕法尼亚大学景观设计系讲师

肖恩•伯克霍尔德

Sean BURKHOLDER

宾夕法尼亚大学景观设计系助理教授

布莱恩•戴维斯

Brian DAVIS

弗吉尼亚大学建筑学院景观系副教授

马修•莫菲特

Matthew MOFFITT

“健康的港口未来”项目助理研究员

LAF

1.背景与问题

河口景观对北美五大湖地区生态、水文和经济的健康发展至关重要,但通常呈现为不同甚至是相互冲突的形式[1]。五大湖流域中的许多河口都已经被港口所取代,河湖岸在此过程中被硬化,那些依赖于沉积物的湖体冲刷和转移的重要过程也会不可避免地受到影响。沉积物拣选过程是河口的关键功能之一,但这一过程也尤其容易受到影响。尽管耗财费力且重复乏味,持续管理这些重要的沉积物对于维护河口的工业功能不可或缺。“健康的港口未来”(HPF)项目旨在与市、州和联邦机构合作,通过对沉积物进行创新性设计来帮助五大湖塑造湖岸韧性。

五大湖流域。这里综合了得天独厚的地理、生态、文化和经济因素。 © Healthy Port Futures

五大湖本身波动的水文条件和大范围的时空扰动为沿岸湿地建设提供了生态基础。高度不稳定和不确定的水文环境往往能通过抑制优势种、促进植被演替,以及塑造多样的植被结构和沉积物结构,提升栖息地的韧性和复杂性;这种多样性又反过来助益生物群落的健康生长,增强生态健康[2]。然而,人类干扰造成了大面积的湿地流失。聚焦于俄亥俄州河口暨港口城市洛雷恩市,失去了缓冲地带,洛雷恩市只得直面高强度的波浪反射,任由大浪撞击硬质化的湖岸线。湿地流失、岸线侵蚀和紧随其后的近岸硬化,导致洛雷恩市的湖岸线长期面临着沉积物流失和移位的问题。

河口变迁示意图。从历史地图上可以发现,工业化使洛雷恩市的河口区域发生了重大转变,包括河道拓宽及加深挖、湿地流失、岸线硬化和沉积物损失。 © Healthy Port Futures

2.城市绿色基础设施与城市韧性设计过程

本项目需要兼顾解决实用性和生态性。项目团队从可行性研究阶段开始介入,参与选址、与公共利益相关方沟通协调,以及设计理念构建环节,从而在多个利益相关方的目标和评价标准间建立连接。项目前期,这些利益相关方就沿湖湿地网络营造达成了共识,有效促进了对有关法规的理解。通过协作,法规不再是实现集体愿景的阻碍,反而可以成为一种可借助的途径。

2.1 设计方案

项目执行过程中,HPF项目团队重点关注于恢复河口湿地分拣、转移和利用沉积物的基础功能。通过叠加机械力与自然力,将河流沉积物重新纳入近岸生态系统,用于营造河口湿地、滋养近岸环境和构建湖滩,进而帮助缓解河口工业化带来的诸多问题。

HPF项目团队构思了一个半开放湿地设计方案,在抵挡浪潮冲击的同时兼具渗透性、动态性和连通性等特征。湖边的构筑物将为湿地的营造提供必要的防波保护,也能抵挡偶发的随机干扰事件;波浪和水流被用于创造生态复杂性和保持生物多样性;湖岸的开放结构将提升与近岸地区之间的关键水文连通性和生态连接度;同时,漂流到此的沉积物既可以进入湿地单元,也可流失到环境中,从而实现其在近岸地带的重新分布。

半开放湿地概念设计。这是一个结合了两种现有处理沉积物办法的综合方案。 © Healthy Port Futures

从本质上来讲,这种半开放湿地模拟了河口机制:平时,浪潮慢慢将较小的悬浮沉积物滤出;偶发的风暴潮事件则会造成更大的冲击,例如引发体积较大的沉积物被冲离湿地结构单元或在其中进行重新组织。此外,湿地系统也为沉积物匮乏的近岸地区提供了养料补充。

2.2 场地选址

HPF项目团队最终选定了洛雷恩市的湖岸沿线进行详细研究和探索。依据对于利益相关方具有重要意义的特定特征选定了场地,它们代表了多样的沿湖港口景观类型。

场地选址。依据后续的研究与发展潜力选出了4处节点场地。 © Healthy Port Futures

2.3 设计研究

该项目将处理沉积物这一过程本身作为人工湿地形成的驱动力,湿地形式摆脱了人类的完全控制,得以承载人类与环境历史,并彰显生态生产力与复杂性。

(1)参照湿地

HPF项目组研究了附近存在相似水波状态的几处参照湿地——过去介入干预时无意间留下的产物。对这些参照湿地的初步研究表明,在伊利湖低水位基准线(LWD)以上设置一定高程的屏障,足以支持沿湖湿地的建立。人工湿地以半沼泽地为目标形式,涵盖各种环境条件,并且会随着时间的推移在空间中产生变化。

参照湿地。它们为新建湿地的防波措施提供了重要参考。 © Google Earth

(2)物理建模与形态构建

项目借助物理建模来研究人工湿地的形态,用风暴潮过境后残留沉积物的比例来衡量湿地韧性,日常冲刷塑造的多样地形来检验湿地的复杂性。通过观察这些形态在各种预设条件下的变化可以获取生态指标,并对其加以对照比较。

波浪物理模型。波浪模型显示出在垂直冲刷、多排冲刷和曲线冲刷三种预设的迭代方式下,湿地形态的绩效。 © Healthy Port Futures

根据近岸湖底的详细坡度,推导出湿地的最佳形状为椭圆形,沙堤高度向两侧逐渐降低,延伸至湖底。因此,HPF项目团队构建了一种月牙形的槛状结构,可以抵挡风浪,也可以在风暴潮过境后进行重建,开放的湖岸则加强了与沿岸地区之间的水文连通性。此外,这种月牙形结构还能够缩放、拉伸和旋转;既可以单独设置,也可以串联成组团,而其高度可以根据特定的水波条件和扰动周期进行适应性调整。

(3)计算建模和检验

HPF项目团队与Anchor QEA工程公司合作,在湖景区域对包含三种湿地类型(沉水水生植被湿地、矮株挺水植被湿地和高株挺水植被湿地)的设计方案进行了检验,进而确认其相应的疏浚沉积物容量和构筑物高度。继而借助该公司开发的稳态Delft3D波浪系统模型进行评估,结果表明设计结构如预期般削弱了常规条件下和风暴潮来袭时的波浪;在风暴潮时几乎达到了和近旁防波堤相似的效用。

计算模型推导方案。HPF项目团队选定湖景区域并在已知条件下设计方案、构建模型并检验月牙形结构效能。 © Healthy Port Futures

计算建模检验结果。建模结果对比了在日常情况下和风暴潮来临时,采取干预措施和不施加干预下的湖岸带情况。表格中显示了在无干涉和介入干涉预设场景中使用的波浪参数。 © Anchor QEA

(4)推想图绘制及利益相关方的讨论

HPF项目团队绘制了一系列推想图,来展示可能被利益相关方接受的长期演变结果,并由此建立起关于项目预期成果的对话。同时,利益相关方的讨论帮助项目团队在现有封闭式处理设施附近选出了各讨论参与方最属意的场地。

推想图纸。这些图纸通过展示几种预设湿地形态的不稳定变化,促进了关于湿地演化和持久性的讨论。 © Healthy Port Futures

(5)基于设计研究的综合性结果

月牙形结构的方案同时满足了对于水文连通性、生态连接度和休闲娱乐连贯性的需求。开放的结构单元在生态层面,为鱼类、鸟类和植物提供了更广阔的生存空间;在水文层面,成为了将沉积物和种子带到近岸区域的沉积物处理设施,流失的沉积物也为释放其他疏浚材料腾退了空间;在休闲娱乐层面,能够吸引附近钓鱼和划皮划艇的游客前来;在美学层面,简洁而优雅的形状凸显了五大湖一望无际的景色。该月牙形结构方案展望了一种新型沉积物管理模式,并通过桥接封闭式和完全开放式方法的技术成果创造一处河口湿地,从而优化湖岸线边界外的近岸环境。

从湖岸看到的湿地景象。湿地的开放一侧面向湖岸,既创造了视觉焦点,又提高了休闲场地的可达性。 © Healthy Port Futures

3.讨论与反思

目前,虽然洛雷恩市某基于204条法案下的湿地项目仍处于可行性研究阶段,但团队正尝试在港口东侧毗邻现有封闭式处理设施处引入部分开放的湿地——其形式和功能都受到月牙形结构的启发,最终的建造方案也已经大体成型。

USACE的预期设计方案。应用于湖港东部的当前设计方案,受到HPF项目团队半开放式月牙形设计理念的影响。 © Healthy Port Futures

依据利益相关方对于项目预期成果的调整,平衡保护性与开放性需求,综合考虑区域地貌、波浪条件、土地利用和美学价值,可以在区域范围内布置这些月牙形湿地,并因地制宜地进行改造提升。如此形成的湿地群不仅有望重新恢复沉积物流、健全生态廊道,还可以融入和拓展现有休闲娱乐系统。这一设计理念对于工业河流和工业港口聚集的地区意义深远。

区域性航道。一条待开发的航道将连接现有洛雷恩市–弗米利恩市航道与待建的从河湾村到欧几里得市的航道,并串联起整个区域内的休闲场地。 © Healthy Port Futures

该项目将流失的沉积物视为对近岸区域的养分补充,致力于为健康的湿地形成过程创造环境条件,并期望其随着时间的推移而变化和提升,希望以此重新定义和拓展公众对新建和修复湿地的期望。通过监测,该项目将为开放式结构单元设计方案的效能提供具体的参考信息。

稳定性和韧性是公共景观应有的、也是公共资助方所需的特性。探索与场所的联系,对于重新构想和修复湖岸和水域,进而促进生态、经济和人类健康积极发展而言至关重要。湖岸与水域修复不仅是亟待解决的棘手问题,更是广阔历史长河中重要的文化景观[4]。文化景观设计既是对土地的科学设计,也是艺术塑造[5],由此构想、建立和保护着未来的文化景观。

注释

① 了解关于HPF项目的更多信息,请登录“健康的港口未来”项目官方网站及五大湖保护基金会官方网站。

② 数据来源于美国国家海洋和大气管理局潮汐与水流数据库。

致谢

该项目由五大湖保护基金会支持,是一系列富有建树的合作者们共同努力的成果。他们包括来自OEPA的大卫•埃默曼、来自Anchor QEA工程公司的沃尔特•迪尼科拉和马特•亨德森,以及来自USACE布法罗市分部的阿什利•宾尼恩-祖卡罗、乔什•昂吉尔和格琳•海德斯。

项目信息

项目地点:美国俄亥俄州洛雷恩市

项目面积:3.2hm2

项目委托:俄亥俄州州政府

景观设计:“健康的港口未来”项目团队

项目团队:Sean Burkholder、Brian Davis、Theresa Ruswick、Matt Moffitt

项目合作:Zhan Yutong、David Emerman、Walt Dinicola、Matt Henderson、Ashley Binion-Zuccaro、Josh Unghire、Gerlyn Hinds

设计时间:2019年6月至今

建设时间:2022~2024年(预计)

所获奖项:2020年度ASLA分析与规划类荣誉奖

基金支持:五大湖保护基金会

部分参考文献

[1] Larson, J. H., Trebitz, A. S., Steinman, A. D., Wiley, M. J., Mazur, M. C., Pebbles, V., … Seelbach, P. W. (2013). Great lakes rivermouth ecosystems: Scientific synthesis and management implications. Journal of Great Lakes Research, 39(3), 513-524. https://doi.org/10.1016/j.jglr.2013.06.002

[2] Keogh, J. R., Thompson, T. A., Guntenspergen, G. R., & Wilcox, D. A. (1999). Hydrogeomorphic factors and ecosystem responses in coastal wetlands of the Great Lakes. Wetlands, (19), 821-834. https://doi.org/10.1007/BF03161786

[3] Burkholder, S. (2016). Designing dredge: Engaging the sediment landscapes of the Great Lakes Basin. Journal of Landscape Architecture, (11), 6-17. https://doi.org/10.1080/18626033.2016.1144602

[4] Holmes, R. (2020). The Problem with Solutions. Places Journal. Retrieved from https://placesjournal.org/article/the-problem-with-solutions/

[5] Davis, B., & Thomas, O. (2014). From architecture to landscape: The case for a new landscape science. Places Journal. Retrieved from https://placesjournal.org/article/from-architecture-to-landscape/

END

参考引用 / Source:

Ruswick, T., Burkholder, S., Davis, B., & Moffitt, M. (2020). Healthy Port Futures: Rethinking Sediments for Rivermouth Landscapes. Landscape Architecture Frontiers, 9(3), 98-111. https://doi.org/10.15302/J-LAF-1-040027

翻译 | 汪默英 李思佳

编辑 | 王胤瑜 田乐

制作 | 周佳怡

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