基于水文過(guò)程的城市湖泊雨水利用系統(tǒng)的構(gòu)建方法研究
——以武漢夢(mèng)澤湖為例

王雪原 周 燕* 禹佳寧 方 磊

城市開(kāi)發(fā)使天然湖泊的供水源大量受阻，導(dǎo)致湖泊在數(shù)量與面積上的大幅減少。而湖泊的減少，又加劇了城市內(nèi)澇的發(fā)生。為了改變這種狀況，眾多城市開(kāi)始營(yíng)建人工湖，而興建的城市人工湖又需要大量的市政補(bǔ)水來(lái)填充，實(shí)際上城市內(nèi)澇也未得到有效緩解。本文在研究城市水文過(guò)程的基礎(chǔ)上，以武漢市夢(mèng)澤湖的應(yīng)用研究為例，提出湖泊雨水利用系統(tǒng)的構(gòu)建方法，予以最大效率地利用雨水來(lái)補(bǔ)充城市人工湖水源，同時(shí)減少城市內(nèi)澇的發(fā)生。

風(fēng)景園林；雨水利用系統(tǒng)；城市水文過(guò)程；城市人工湖

天然湖泊主要的供給水源是雨水、周邊地區(qū)徑流、地下水、其他連接湖泊水體。在快速城鎮(zhèn)化的背景下，湖泊綠地被不斷侵蝕，現(xiàn)有湖泊數(shù)量在短短幾十年內(nèi)急劇減少[1]，同時(shí)城市地下水位不斷下降，僅剩的一些內(nèi)陸湖泊大面積回補(bǔ)地下水，又使僅存的湖泊面積不斷縮小[2]。

在消費(fèi)主義的開(kāi)發(fā)模式下，城市建設(shè)的人工湖泊設(shè)計(jì)大多從使用功能與景觀美學(xué)的角度出發(fā)，較少考慮對(duì)于周邊地區(qū)雨水徑流的收集[3]。建成區(qū)內(nèi)原有的湖泊難以通過(guò)收集周邊地區(qū)徑流的方式補(bǔ)水，故難以維持水量平衡，河湖補(bǔ)水量成為城市的一大需水壓力[4]。在城市湖泊缺水的同時(shí)，大量的地產(chǎn)開(kāi)發(fā)建設(shè)使得不透水面積比重不斷增加，導(dǎo)致徑流加快、洪峰值增加，極端天氣時(shí)易發(fā)生城市內(nèi)澇。

城市內(nèi)部的雨水不應(yīng)被當(dāng)下單一目標(biāo)的工程性設(shè)施快速排走，解決城市內(nèi)澇問(wèn)題的關(guān)鍵在于為城市內(nèi)部的水文過(guò)程匹配合適的消納空間[5、6]。通過(guò)重建城市湖泊天然的補(bǔ)水方式來(lái)增添湖泊補(bǔ)給水源來(lái)源，不僅能夠以可持續(xù)的方式減輕湖泊補(bǔ)水壓力，同時(shí)也可通過(guò)空間調(diào)整強(qiáng)化其徑流過(guò)程及集水能力以達(dá)到緩解城市內(nèi)澇的作用。

1 當(dāng)下城市湖泊雨水利用應(yīng)用現(xiàn)狀

對(duì)于城市湖泊雨水的利用，大多城市延續(xù)綠地雨水利用的方法及內(nèi)容。基于與城市綠地雨水利用相關(guān)基礎(chǔ)理論，何丹在對(duì)北京地區(qū)公園綠地雨水利用的研究中提出雨水設(shè)施在北京地區(qū)的適應(yīng)性調(diào)整和雨水利用設(shè)計(jì)方法[7]；符健在城市公園雨水利用研究中總結(jié)了雨水利用的途徑和措施[8]；王大樂(lè)則探討了城市綠地雨水利用的景觀化設(shè)計(jì)方法，將集雨功能與景觀通過(guò)地形、水體、植物等相結(jié)合[9]；黃忠臣與閆蘋(píng)所在團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)了滯留式生態(tài)樹(shù)池的專利，利用樹(shù)池達(dá)到對(duì)雨水滲透、凈化的目的[10]。

在實(shí)踐上，我國(guó)目前已初步建成諸多對(duì)于雨水利用的項(xiàng)目，例如北京北小河公園采用雨水和中水作為日常維護(hù)用水，配合節(jié)水技術(shù)，達(dá)到“清水零消耗”的目標(biāo)[11]。早在2009年，哈爾濱群力公園就嘗試?yán)脜R流的雨水恢復(fù)退化的濕地，同時(shí)解決城市雨洪排放問(wèn)題[12]?？v觀我國(guó)城市湖泊雨水利用現(xiàn)狀，大多以城市公園內(nèi)基本要素作為切入點(diǎn)，將雨水利用技術(shù)結(jié)合鋪裝、綠地、水景和建筑四個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種方式無(wú)法滿足湖泊的需水量，同時(shí)也未充分發(fā)揮湖泊對(duì)城市內(nèi)澇的雨水消減能力。

城市中的天然湖泊多為自然形成的洼地，能有效匯集周邊的雨水。在城市湖泊的規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循城市范圍內(nèi)的水文過(guò)程，通過(guò)對(duì)其引導(dǎo)進(jìn)行集水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮湖泊的雨水利用潛力。

2 基于水文過(guò)程的城市湖泊雨水利用系統(tǒng)景觀設(shè)計(jì)方法

城市湖泊雨水利用系統(tǒng)，是指通過(guò)城市湖泊水文循環(huán)過(guò)程和景觀系統(tǒng)的耦合所形成的景觀結(jié)構(gòu)與實(shí)體物質(zhì)。該系統(tǒng)的建立首先對(duì)城市湖泊空間邊界進(jìn)行界定，同時(shí)判別水文循環(huán)過(guò)程的空間邊界，通過(guò)識(shí)別集水單元匯水通道依次確定匯水單元、匯水小區(qū)、子匯水小區(qū)邊界，依據(jù)水文過(guò)程確定主導(dǎo)功能區(qū)，將城市湖泊的水文過(guò)程轉(zhuǎn)譯為以雨水利用為目標(biāo)的場(chǎng)地空間約束條件，疊加整合景觀結(jié)構(gòu)，確定場(chǎng)地內(nèi)土地利用方式及空間結(jié)構(gòu)布局，匹配與水文功能相適的景觀細(xì)部與水文管理設(shè)施，形成完整的城市湖泊雨水利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 城市湖泊空間邊界區(qū)劃及水文敏感區(qū)識(shí)別

2.1.1 城市湖泊水文過(guò)程空間邊界區(qū)劃

城市湖泊水文過(guò)程空間邊界是由城市湖泊所在區(qū)域地形所決定的閉合地形單位，可以借助DEM地形模型、GIS匯水模塊等定量分析軟件，提取出合適的城市湖泊的集水單元地理空間邊界。

2.1.2 城市湖泊集水單元匯水通道識(shí)別

城市湖泊所在區(qū)域集水單元匯水通道識(shí)別可以借助定性經(jīng)驗(yàn)判斷、DEM數(shù)值模擬、GIS匯水分析等手法，基于城市湖泊區(qū)域地形條件，提取出城市湖泊集水單元匯水過(guò)程的空間通道。

2.1.3 城市湖泊匯水小區(qū)識(shí)別與邊界區(qū)劃

匯水小區(qū)識(shí)別與邊界劃分可以依據(jù)城市湖泊匯水通道的空間分布，分析支持匯水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成，區(qū)劃出城市湖泊匯水網(wǎng)絡(luò)的子匯水系統(tǒng)等級(jí)，重點(diǎn)分析城市湖泊規(guī)劃紅線范圍內(nèi)各匯流通道的服務(wù)范圍，得出城市湖泊規(guī)劃紅線范圍內(nèi)的子匯水小區(qū)。

2.1.4 水文過(guò)程主導(dǎo)功能區(qū)的識(shí)別

對(duì)于水文過(guò)程主導(dǎo)功能區(qū)的識(shí)別，應(yīng)對(duì)城市湖泊水文循環(huán)過(guò)程的降雨、徑流、匯流、下滲、蓄積、蒸發(fā)等環(huán)節(jié)所依托的不同空間與載體進(jìn)行分析，以城市湖泊雨水利用功能的目標(biāo)為導(dǎo)向，調(diào)整土地利用方式以弱化或強(qiáng)化水文過(guò)程?？梢罁?jù)雨水產(chǎn)流空間的分布條件，分析出各子匯水區(qū)內(nèi)的產(chǎn)流區(qū)域和徑流匯集的雨水蓄積空間分布，結(jié)合土地利用性質(zhì)識(shí)別確定雨水徑流通道，同時(shí)依據(jù)城市湖泊的地形條件與土壤覆被條件，判斷入滲主導(dǎo)的功能區(qū)分布，就此將城市湖泊的水文過(guò)程轉(zhuǎn)譯為以雨水利用為目標(biāo)的場(chǎng)地空間約束條件。

2.2 與城市湖泊水平景觀結(jié)構(gòu)的疊加整合

受景觀生態(tài)的基本原理和城市湖泊水體內(nèi)聚性的影響，城市湖泊在水平維度上實(shí)現(xiàn)“保育區(qū)—緩沖區(qū)—活動(dòng)區(qū)”三級(jí)的圈層結(jié)構(gòu)，是公認(rèn)較為穩(wěn)定的水平結(jié)構(gòu)組織方式，有利于保護(hù)城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)。將基于水文過(guò)程的城市湖泊的水文空間約束條件和城市湖泊的三級(jí)水平結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊加分析，推導(dǎo)出在城市湖泊不同的空間與用地功能導(dǎo)向和城市湖泊水文過(guò)程保護(hù)的雙重約束下，景觀格局的“斑塊—廊道—基質(zhì)”的不同單元在城市湖泊場(chǎng)地上的鑲嵌水平與空間分異。在城市湖泊水文過(guò)程中，不同的水平圈層區(qū)位有著不同的景觀表達(dá)方式與所對(duì)應(yīng)的技術(shù)設(shè)施（表1）。

表1 城市湖泊水文過(guò)程對(duì)應(yīng)圈層結(jié)構(gòu)與景觀表達(dá)匹配技術(shù)設(shè)施

2.3 景觀細(xì)部設(shè)計(jì)與水文管理技術(shù)設(shè)施配置

景觀細(xì)部是對(duì)實(shí)現(xiàn)景觀空間具體功能的設(shè)施、材質(zhì)、裝飾、植物、小品等的景觀技術(shù)設(shè)施配置?；诔鞘泻从晁媒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果，將其土地利用區(qū)劃與空間結(jié)構(gòu)組織結(jié)合具體的水文管理技術(shù)設(shè)施，可以促進(jìn)特定地水文功能的增強(qiáng)，達(dá)到城市湖泊雨水利用的目的。

根據(jù)城市湖泊的水文過(guò)程的場(chǎng)地主導(dǎo)水文功能，可以將水文管理技術(shù)設(shè)置分為滲透技術(shù)設(shè)施、導(dǎo)流技術(shù)設(shè)施和存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)施三類進(jìn)行具體索引（表2）。

由此可知，城市湖泊雨水利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是建立在對(duì)水文整體過(guò)程的識(shí)別與場(chǎng)地主導(dǎo)水文功能的合理組織下的景觀結(jié)構(gòu)與景觀土地利用方式區(qū)劃（圖1）。同時(shí)形成的與特定水文功能匹配的場(chǎng)地水文管理技術(shù)設(shè)施索引，作為城市湖泊雨水利用結(jié)構(gòu)景觀細(xì)部設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)。城市湖泊雨水利用系統(tǒng)從城市人工湖主導(dǎo)功能區(qū)入手，結(jié)合游憩需求下城市人工湖水平景觀結(jié)構(gòu)，對(duì)入滲、產(chǎn)流、匯流三大主導(dǎo)功能區(qū)進(jìn)行了識(shí)別和設(shè)計(jì)，繼而將城市人工湖敏感區(qū)與景觀水平結(jié)構(gòu)疊加分析，對(duì)于景觀緩沖區(qū)和景觀活動(dòng)區(qū)進(jìn)行水文敏感區(qū)識(shí)別，以尋求適配的技術(shù)索引。該系統(tǒng)綜合地考慮了城市湖泊水文過(guò)程的空間界面需求和城市湖泊景觀水平結(jié)構(gòu)的一般組織方式，以及與景觀系統(tǒng)其他功能的協(xié)調(diào)配合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了在城市湖泊景觀場(chǎng)地中對(duì)水文過(guò)程的植入，以結(jié)構(gòu)性的設(shè)計(jì)達(dá)到雨水利用的目的。

3 城市湖泊雨水利用系統(tǒng)景觀設(shè)計(jì)方法在夢(mèng)澤湖案例中的應(yīng)用研究

3.1 夢(mèng)澤湖水文景觀設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件分析

研究目標(biāo)位于武漢市王家墩中央商務(wù)區(qū)，基地周邊未來(lái)將建成集商務(wù)辦公、商貿(mào)、文化娛樂(lè)、博覽、居住等多功能于一體的城市綜合體（圖2）。夢(mèng)澤湖作為一處水域面積超過(guò)3/4以人工湖為主體的城市公園，未來(lái)將成為周邊的集中匯水區(qū)。夢(mèng)澤湖周邊市政排水管網(wǎng)采用雨污分流制。據(jù)規(guī)劃，夢(mèng)澤湖共有4個(gè)市政雨水排口，承擔(dān)周邊90 hm2面積的城市空間雨水調(diào)蓄任務(wù)。

表2 水文管理景觀技術(shù)設(shè)施索引表

1. 城市湖泊雨水利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織圖

2. 夢(mèng)澤湖周邊用地結(jié)構(gòu)分析

因夢(mèng)澤湖公園詳細(xì)規(guī)劃建設(shè)所處階段問(wèn)題，本文在進(jìn)行場(chǎng)地內(nèi)部分析時(shí)，僅針對(duì)一期工程的規(guī)劃覆蓋面積?；貎?nèi)部地形周邊高中心低，高程變化在18.37 m～25.00 m之間，高差約6.63 m，場(chǎng)地總體比較平坦，坡度多在0～6°之間。

3.2 夢(mèng)澤湖集水潛力分析

集水設(shè)計(jì)是此次在地實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，由用地分析知公園外部城市用地標(biāo)高普遍高于園內(nèi)，結(jié)合市政雨水管網(wǎng)匯水規(guī)劃給出的場(chǎng)地外部的匯水區(qū)域分布與市政雨水排水口和現(xiàn)狀外部空間結(jié)構(gòu)綜合分析辨別周邊集水單元邊界與集水潛力狀況（圖3）。

基于上述GIS分析，繼續(xù)對(duì)城市湖泊匯水區(qū)域進(jìn)行劃分。采用“八向法”（D8算法），即基于ARCGIS來(lái)提取水文要素信息，完成對(duì)匯水區(qū)邊界的劃分。其基本原理為將中心柵格單元的8個(gè)領(lǐng)域柵格編碼，通過(guò)計(jì)算中心柵格與領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)的最大距離權(quán)落差來(lái)確定流向，流向?yàn)橄噜彽?個(gè)柵格單元中坡降最大的一個(gè)柵格單元中心，然后規(guī)定一個(gè)柵格單元的水流方向用一個(gè)特征碼表示。東、東南、南、西南、西、西北、北、東北被定義為有效的水流方向，分別用1、2、4、8、16、32、64、128這8個(gè)有效特征碼表示，然后用有效特征碼表示中心柵格的水流方向，具體原理如圖4。

3. 夢(mèng)澤湖周邊場(chǎng)地匯流結(jié)構(gòu)分析

4. 匯水小區(qū)區(qū)劃原理D8算法示意圖

分析匯流方向后，通過(guò)不斷地模擬和實(shí)驗(yàn)，將匯流累積量的閾值確定為5000，提取出研究區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)字水系，也就是徑流路線，并與場(chǎng)地現(xiàn)實(shí)水系做對(duì)比檢驗(yàn)和修正，分析場(chǎng)地周邊的集水能力，確定周邊徑流入滲路徑與入滲量大小，對(duì)集水潛力做出判斷（圖5）。

3.3 夢(mèng)澤湖集水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于外部集水潛力分析得出外部集水結(jié)構(gòu)（圖6），包括了10條雨水收集鏈，該鏈條將可能建成的綠色屋頂、雨水花園、植草溝、儲(chǔ)蓄節(jié)點(diǎn)和雨水桶串聯(lián)起來(lái)，作為外部地表徑流的導(dǎo)流路徑為夢(mèng)澤湖公園補(bǔ)充外部水源。

基于內(nèi)部集水潛力分析得出內(nèi)部集水結(jié)構(gòu)，確定內(nèi)部子匯水區(qū)的分布，即集水線、產(chǎn)流區(qū)，以及地下徑流流向與匯水節(jié)點(diǎn)的分布。在各子匯水區(qū)中，產(chǎn)流區(qū)的流水通過(guò)集水線匯入下滲區(qū)，滲透收集后多余的水流成為地下徑流，通過(guò)地下徑流的流線組織最終進(jìn)入湖體。

3.4 夢(mèng)澤湖景觀系統(tǒng)集水方案設(shè)計(jì)

結(jié)合前期分析，研究確定夢(mèng)澤湖公園內(nèi)外部集水單元的匯水過(guò)程，識(shí)別出產(chǎn)流、匯流的主導(dǎo)功能區(qū)，并與公園三大景觀結(jié)構(gòu)（功能活動(dòng)區(qū)、緩沖區(qū)和水面保育區(qū)）相互疊加，得出景觀設(shè)施布局結(jié)構(gòu)（圖7）。

對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)，其中，與水量平衡相關(guān)的集水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為地表集水系統(tǒng)和地下集水系統(tǒng)兩個(gè)部分。地表集水系統(tǒng)根據(jù)前期集水功能區(qū)的識(shí)別，判斷出各個(gè)功能區(qū)的主導(dǎo)功能，結(jié)合景觀功能，設(shè)置集水設(shè)施。將這些設(shè)施在場(chǎng)地中有序組織，達(dá)到對(duì)地表徑流的引導(dǎo)與收集。

地下集水系統(tǒng)則與下滲設(shè)施相關(guān)聯(lián)，由地表的下滲設(shè)施對(duì)瞬時(shí)徑流進(jìn)行滲透收集，來(lái)不及下滲的水分就進(jìn)入地下集水系統(tǒng)，通過(guò)雨水管線進(jìn)行導(dǎo)流并在交叉處設(shè)置地下集水池，最終水流匯入湖體。

5. 夢(mèng)澤湖（一期）場(chǎng)地內(nèi)部集水潛力示意圖

6. 夢(mèng)澤湖外部集水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

7. 夢(mèng)澤湖公園（一期）水量保持景觀設(shè)計(jì)方案

4 總結(jié)與討論

近年來(lái)國(guó)內(nèi)城市湖泊對(duì)于城市雨水的利用大多從城市公園內(nèi)基本要素作為切入點(diǎn)，將雨水利用技術(shù)結(jié)合鋪裝、綠地、水景和建筑等方面進(jìn)行微觀設(shè)計(jì)。而在湖泊區(qū)域范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集水功能的研究較為缺乏。場(chǎng)地地形作為空間的骨架，很大程度決定了降雨后發(fā)生的水文過(guò)程，為水文過(guò)程匹配合適的空間載體，能夠?qū)Τ鞘泻从晁霉δ艿陌l(fā)揮起關(guān)鍵作用。

本文以城市湖泊為研究對(duì)象，以發(fā)揮雨水利用功能為目標(biāo)，通過(guò)城市湖泊的水文循環(huán)過(guò)程與景觀系統(tǒng)物質(zhì)空間的耦合關(guān)聯(lián)，提出的城市湖泊雨水利用系統(tǒng)構(gòu)建方法，豐富了城市湖泊設(shè)計(jì)方法體系內(nèi)容。該方法不僅能在場(chǎng)地內(nèi)維持穩(wěn)定的水文過(guò)程，發(fā)揮雨水利用功能，輔助達(dá)到湖體水量平衡；更為周邊硬質(zhì)建成區(qū)提供集水功能，緩解雨水徑流壓力，作為城市雨洪調(diào)蓄的水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)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(duì)于環(huán)境變化的適應(yīng)力。

夢(mèng)澤湖在地實(shí)踐檢驗(yàn)了城市湖泊雨水利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的可行性，進(jìn)一步完善方法論內(nèi)容。然而人們對(duì)于規(guī)律的認(rèn)識(shí)和把握總是會(huì)隨著實(shí)踐的深入而不斷發(fā)展，夢(mèng)澤湖項(xiàng)目發(fā)揮雨水利用功能的量化檢驗(yàn)仍待進(jìn)一步的研究。