雨洪調蓄視角下的城市人工湖水量平衡景觀設計方法研究

冉玲于 茍翡翠 王雪原 周燕

1 夢澤湖公園區(qū)位The location of Mengze Lake Park

2 夢澤湖公園水體The water body of Mengze Lake Park

1 城市人工湖的水量平衡問題

“城市人工湖”是指以提升城市景觀品質或升級城市旱澇災害響應水平等為建設動因，經(jīng)過詳細設計與論證后運用工程技術開挖新建或改建形成的模擬自然湖泊形態(tài)、結構、系統(tǒng)的中小型封閉水體，其面積約在1～500hm2之內(nèi)，蓄水容積不少于100萬m3。如武漢市中央商務區(qū)夢澤湖公園水體（圖1、2）。

在新型城市雨洪管理體系中，保護城市低洼水敏感區(qū)，修復拓建城市河湖水域，增加城市滯水設施，是實現(xiàn)城市雨洪調蓄功能的主要途徑之一。城市人工湖作為主觀能動地改善高密度建成區(qū)人居環(huán)境的水利工程設施，在當前城市水環(huán)境日益突出、城市水空間逐漸減少的情況下顯得愈發(fā)重要。不同于傳統(tǒng)園林理水智慧，當代人工湖的景觀設計往往過于依賴人工的水量補充或抽調，很少關注湖體水文循環(huán)過程的建立，直接導致了城市人工湖不可持續(xù)的水量平衡問題[1-5]。

目前，針對城市人工湖的水量平衡問題，國外學者主要集中在城市人工湖的補水方式和與景觀設計途徑結合2個方面，其對于雨水的收集和再生水的利用以及水量的定量化計算研究已經(jīng)較為深入[6-16]。而國內(nèi)學者則主要集中在人工湖水量平衡分析與計算、人工湖水量配置與管理、人工湖生態(tài)環(huán)境需水量3個方面，其中對于人工湖防滲問題的關注較多[4,17-19]。綜合國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，以風景園林學途徑介入調控城市人工湖的水量具備一定實踐可行性，但當前城市人工湖的景觀規(guī)劃設計的基礎研究本身較為薄弱，如其水體功能定位、補水水源及水質保障、節(jié)水策略、景觀設計策略及水生態(tài)工程建設與管理等方面。另外，國內(nèi)城市人工湖的水量管控多依賴于工程性途徑，如何以低環(huán)境影響方式實現(xiàn)城市人工湖水量的有效管控仍需拓展思路。因此，本研究擬利用水文學原理探究城市人工湖的水量平衡條件，進而深入解析能輔助人工湖達到水量平衡狀態(tài)的景觀設計方法，以期能為當前人工湖的規(guī)劃建設提供更科學的理論與實踐依據(jù)。

2 城市人工湖水量平衡原理

2.1 城市人工湖水量平衡的內(nèi)涵與條件

城市人工湖水量平衡狀態(tài)可定義為：在城市人工湖水量重現(xiàn)期的任意時段內(nèi)，人工湖湖體中的蓄水量保持在最高蓄水位與最低蓄水位之間，確保城市人工湖良性運行的蓄水量狀態(tài)[20]。

其中，對于城市人工湖的最高水位，一般不以滿蓄水位作為最高水位控制指標，而應騰出容納汛期水量的必要空間。而最低水位除遇特大旱年，必須以維持生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性且不對生態(tài)環(huán)境及自身造成嚴重破壞的最低生態(tài)需水量作為控制指標[21]。

2.2 城市人工湖的水量平衡過程分析

2.2.1 自然湖泊與城市人工湖水文循環(huán)過程的尺度界定

由于水文循環(huán)過程所涉及的尺度極為廣泛，為實現(xiàn)自然和人工湖體與水文循環(huán)過程的協(xié)同，需要使水文尺度規(guī)模與地理空間尺度形成對應關系。參照生態(tài)水文學的研究，將水文循環(huán)過程的空間維度劃分為大尺度、中尺度和小尺度3個響應等級（表1）[22-24]。

表1 各等級水文尺度與地理空間對應的一般性概念Tab.1 A general concept corresponding to the hydrological scale and geographical space at each level

由表1可知，自然湖泊與城市人工湖同屬于集水區(qū)尺度的空間范疇，而集水區(qū)尺度又是進行城市地理空間與水關系研究、規(guī)劃、管理的主要空間尺度單元。因此下文將基于集水區(qū)尺度對自然湖泊和城市人工湖的水循環(huán)和水量平衡過程進行重點解析。

2.2.2 自然湖泊水文循環(huán)與水量平衡過程

水文循環(huán)過程反映的是研究區(qū)域水系統(tǒng)內(nèi)部各要素在時間或空間上排列組合的具體形式。水量平衡公式則是對水文循環(huán)過程內(nèi)部質量守恒原理的特定數(shù)學表達。

湖泊的自然水循環(huán)是水體通過蒸發(fā)、凝結、降水和地面徑流與大氣聯(lián)系，蒸發(fā)降水又返回集水區(qū)地表與湖面的基本交替轉化關系。在湖泊的空間尺度下，具體表現(xiàn)為湖區(qū)降水、徑流、入滲、蒸發(fā)4個主要過程（圖3）[22]。

自然湖泊的水量平衡過程可表達為公式[25]：

湖內(nèi)蓄量=入湖水量—出湖水量

其中：

入湖水量=湖面降雨量+地表徑流入湖量+地下徑流入湖量

出湖水量=湖泊蒸發(fā)水量+湖泊入滲水量

湖內(nèi)蓄量=湖水面平均面積×（湖泊初時水位-末時水位）

3 天然湖泊水文循環(huán)過程The hydrological cycle of natural lakes

4 城市人工湖水量平衡過程The water quantity balance process of urban artificial lakes

該水量公式反映了湖泊水循環(huán)的一般過程，表征了湖泊水量平衡的基本要素。

2.2.3 城市人工湖水文循環(huán)與水量平衡過程

城市人工湖的水系統(tǒng)受到人類活動的干擾，同時具備“社會—自然”的雙重屬性，其水文循環(huán)過程由自然水系統(tǒng)和人工水系統(tǒng)構成，自然水系統(tǒng)部分的水量平衡關系仍適用自然湖泊水量平衡原理及基本計算公式，人工水系統(tǒng)部分則以人工能量為驅動力，與自然水系統(tǒng)保持著互動與聯(lián)系[25]（圖4）。

據(jù)圖4可得出，城市人工湖自然水循環(huán)過程的主要環(huán)節(jié)為：蒸發(fā)、降水、徑流、入滲，社會水循環(huán)的主要環(huán)節(jié)為供水、水循環(huán)、取水、排水。這8個環(huán)節(jié)共同構成了城市人工湖的水循環(huán)路徑，同時決定著城市人工湖的水量平衡和水環(huán)境質量[26]。由此可見城市人工湖的水系統(tǒng)是一個將自然與社會聯(lián)系起來的“復合化的水系統(tǒng)”，整個水循環(huán)過程往往超出人為劃定的紅線范圍，所以城市人工湖的水系統(tǒng)也可被稱為是一種“外延化的系統(tǒng)空間”，并且由于受到人工調節(jié)，城市人工湖的水系統(tǒng)在結構上是開放的，具備改造調控的靈活性。

通過對湖泊水量平衡關系與人工湖水量平衡關系的比較與整合，可將城市人工湖的綜合水量平衡過程表達為方程式如下：湖內(nèi)蓄量=W補入水量- W支出水量

其中：

W補入水量= 湖面降雨量+地表徑流入湖量+地下徑流入湖量+地表水源調水量+地下水源調水量W支出水量=湖面蒸發(fā)水量+湖體入滲水量+湖體閘口溢流量+管網(wǎng)抽排量+湖區(qū)取用水量（綠化灌溉取水、道路澆灑取水量、其他用途取水量）

湖內(nèi)蓄量=湖水面平均面積×（湖泊初時水位-末時水位）。

所以，根據(jù)城市人工湖水量的收支關系，可將城市人工湖的水量平衡要素劃定為湖面降雨量、徑流水量、水源調水量、湖面蒸發(fā)水量、湖體入滲水量、湖體閘口溢流量、管網(wǎng)抽排量、湖體取水量等8項。

2.3 城市人工湖水量平衡調控可行性分析

通過前文對城市人工湖的水量平衡過程的分析，可見其是5項水量收入要素與4項水量支出要素在“降水—入滲—徑流—蒸發(fā)”基本過程中的交換轉化過程。為推導可行的水量調控途徑，將水量平衡要素中的影響因素、可控因子與調控方法進行歸納（表2）。

依據(jù)對城市人工湖水量平衡要素可控性、調控因子可行性及調控成本的分析，可歸納出調控城市人工湖的主要途徑有：調控地表水源外調入水量、調控地下水源外調入水量、調控湖體入滲量、調控湖體匯出水量、調控湖體取用水量、調控地表徑流入湖量、調控地下徑流入湖量7種[27]。其中，前4項受制于人工水循環(huán)系統(tǒng)規(guī)劃，可操作性和靈活性高，但涉及的管轄部門較多，運行成本高；后2項受制于人工湖自然水文循環(huán)過程的基本規(guī)律，可從景觀設計的視角出發(fā)，借助自然做工實現(xiàn)優(yōu)化調控，調控設計需要與區(qū)域景觀升級、雨洪管理優(yōu)化等協(xié)同開展，可持續(xù)性較強。

3 城市人工湖水量平衡的景觀設計方法—景觀要素與人工湖水量平衡過程的耦合

3.1 景觀要素調節(jié)水量的可行性

景觀要素作為承擔水文功能的潛力空間與物質載體，能夠整合水體與周邊空間的關系，為水文循環(huán)過程提供必要的發(fā)生界面，如鋪地會對匯流路徑產(chǎn)生影響、植被會對產(chǎn)流條件產(chǎn)生影響等[27]。因此，若對景觀要素和城市人工湖水量平衡過程進行梳理，求解二者在空間結構、物質載體與功能作用上的契合關系，利用景觀要素為自然水文環(huán)節(jié)（蒸發(fā)、入滲、徑流等）提供必要的作用界面，建立穩(wěn)定的水文循環(huán)過程，最大限度地借助自然動力進行水分轉化與時空分布，并配合進行集水結構如植草溝等的設計，是可以促進景觀要素對于城市人工湖水文循環(huán)過程中部分水文功能的實現(xiàn)的[28]，進而輔助水量平衡可持續(xù)性，提升城市滯澇防旱的能力。

3.2 城市人工湖的景觀要素與水文功能的對應關系分析

一般概念所理解的景觀要素，主要包括地形地貌、水體、植被、鋪地、道路、堤岸、建筑物和景觀小品七大要素類型。據(jù)此對城市人工湖景觀要素的基本特征與其所具備的水文功能進行梳理（表3）。

3.3 城市人工湖的景觀要素與水量平衡過程的耦合

“耦合”體現(xiàn)的是二者的緊密關聯(lián)與互動。景觀要素與水量平衡過程耦合的實質是在對等的尺度下，景觀要素和水文循環(huán)過程相互依賴、相互協(xié)調、相互促進的動態(tài)關聯(lián)[29]。其目的是將城市人工湖場地的水文循環(huán)過程轉化為具體的景觀設計導則，在原本景觀功能的基礎上強化其水文功能，同時實現(xiàn)城市人工湖場地水文循環(huán)的調控優(yōu)化（圖5）。

運用可拓學原理，建立“功能作用元—空間結構元—物質載體元”的基元模型[30-32]，對城市人工湖的景觀要素和水量平衡過程進行發(fā)散分析（圖6），進一步梳理景觀要素與水量平衡過程之間的關聯(lián)性（圖7）。

該模型通過相同的水文功能將空間與物質聯(lián)系起來，主要分為3個模塊。第1個模塊：

分析人工湖水量平衡過程中所涉及的空間結構與景觀要素的空間結構的對位關系。第2個模塊：分析城市人工湖水量平衡過程各環(huán)節(jié)所依托的物質載體與景觀要素的對應關系。第3個模塊：分析能實現(xiàn)相同水文功能的空間結構與物質載體的對應關系。借此厘清依托景觀要素實現(xiàn)城市人工湖場地水文循環(huán)過程時空間與物質對應的可行性，便于進一步指導具體的景觀設計實踐。

表2 水量平衡要素的影響因子與調控途徑Tab.2 The impact factors and regulation ways of water balance factors

表3 城市人工湖景觀要素的功能對應Tab.3 Function of landscape elements of urban artificial lakes

5 景觀要素與水量平衡過程的耦合指導設計示意圖Schematic diagram of the coupling design of landscape elements and water balance process

6 城市人工湖景觀要素與水量平衡過程的基元發(fā)散分析The basic-element analysis of elements of urban artificial lake landscape and water balance process

7 城市人工湖景觀要素與水量平衡過程關聯(lián)耦合分析模型示意圖Schematic diagram of the correlation analysis model of urban artificial lake landscape elements and water balance process

8 水量平衡目標下城市人工湖景觀設計框架The urban artificial lake landscape design framework under the water balance target

9 水量平衡目標下城市人工湖景觀設計流程The urban artificial lake landscape design process under the water balance target

3.4 水量平衡目標下的城市人工湖景觀設計導則

在默認人工湖體已考慮防滲工程措施的前提下，通過對景觀要素與水量平衡過程的耦合分析，判定出不同水文功能對應下的同類空間結構與物質載體，便可結合不同場地的前期分析，通過“空間結構對位”和“物質載體對應”2個設計步驟實現(xiàn)水量平衡的控制目標（圖8）。

首先，需要依據(jù)現(xiàn)場條件識別場地內(nèi)部水文循環(huán)過程的主導功能區(qū)，結合場地的景觀游憩需求，調整水文循環(huán)過程主導功能區(qū)為設計水文主導功能區(qū)，將其與人工湖的景觀格局要素[33-34]進行功能配對，進而確定具體景觀要素的空間布局，從而輔助景觀細部設計與水文技術設施的配置（圖9）。由此，實現(xiàn)了在城市人工湖景觀場地中對水文循環(huán)過程的植入，不僅能在場地內(nèi)維持穩(wěn)定的水文循環(huán)過程，達到水量平衡的可持續(xù)性，更為周邊硬質建成區(qū)起到集水作用來緩解雨水徑流壓力，并且作為城市雨洪調蓄的水生態(tài)基礎設施的一部分，以低碳可持續(xù)的非工程性方法提高了城市對于環(huán)境變化的適應力。

4 總結與討論

隨著城市化進程的加快，城市的雨洪矛盾日益凸顯，存量規(guī)劃的提出推動了海綿城市的建設。筆者選取城市水生態(tài)基礎設施之一—城市人工湖，從雨洪調蓄視角出發(fā)，運用交叉學科理論歸納演繹出人工湖水量平衡原理，通過城市人工湖水量現(xiàn)實問題的辨析，對比研究自然湖泊水文循環(huán)規(guī)律，明確人工湖的“自然—社會”二元屬性，歸納城市人工湖的水量平衡過程，定位了影響其平衡關系的8項水量平衡要素，提出了城市人工湖水量平衡調控的可行性，并通過景觀要素與城市人工湖水量平衡過程的耦合關聯(lián)分析，搭建出基于水文循環(huán)過程的城市人工湖水量保持的景觀設計方法框架，為具體的景觀規(guī)劃設計提供實質性的指導。

但本研究仍缺少應用的反饋、在地實驗的驗證以及量化指標體系的建立等，這些問題還需在后續(xù)研究中進一步探討。