冉玲于 茍翡翠 王雪原 周燕

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

2 夢(mèng)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(wèn)題

“城市人工湖”是指以提升城市景觀品質(zhì)或升級(jí)城市旱澇災(zāi)害響應(yīng)水平等為建設(shè)動(dòng)因，經(jīng)過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)與論證后運(yùn)用工程技術(shù)開(kāi)挖新建或改建形成的模擬自然湖泊形態(tài)、結(jié)構(gòu)、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(wàn)m3。如武漢市中央商務(wù)區(qū)夢(mèng)澤湖公園水體（圖1、2）。

在新型城市雨洪管理體系中，保護(hù)城市低洼水敏感區(qū)，修復(fù)拓建城市河湖水域，增加城市滯水設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)城市雨洪調(diào)蓄功能的主要途徑之一。城市人工湖作為主觀能動(dòng)地改善高密度建成區(qū)人居環(huán)境的水利工程設(shè)施，在當(dāng)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(dāng)代人工湖的景觀設(shè)計(jì)往往過(guò)于依賴人工的水量補(bǔ)充或抽調(diào)，很少關(guān)注湖體水文循環(huán)過(guò)程的建立，直接導(dǎo)致了城市人工湖不可持續(xù)的水量平衡問(wèn)題[1-5]。

目前，針對(duì)城市人工湖的水量平衡問(wèn)題，國(guó)外學(xué)者主要集中在城市人工湖的補(bǔ)水方式和與景觀設(shè)計(jì)途徑結(jié)合2個(gè)方面，其對(duì)于雨水的收集和再生水的利用以及水量的定量化計(jì)算研究已經(jīng)較為深入[6-16]。而國(guó)內(nèi)學(xué)者則主要集中在人工湖水量平衡分析與計(jì)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(gè)方面，其中對(duì)于人工湖防滲問(wèn)題的關(guān)注較多[4,17-19]。綜合國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，以風(fēng)景園林學(xué)途徑介入調(diào)控城市人工湖的水量具備一定實(shí)踐可行性，但當(dāng)前城市人工湖的景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)研究本身較為薄弱，如其水體功能定位、補(bǔ)水水源及水質(zhì)保障、節(jié)水策略、景觀設(shè)計(jì)策略及水生態(tài)工程建設(shè)與管理等方面。另外，國(guó)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(shí)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(xué)原理探究城市人工湖的水量平衡條件，進(jìn)而深入解析能輔助人工湖達(dá)到水量平衡狀態(tài)的景觀設(shè)計(jì)方法，以期能為當(dāng)前人工湖的規(guī)劃建設(shè)提供更科學(xué)的理論與實(shí)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(shí)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(yùn)行的蓄水量狀態(tài)[20]。

其中，對(duì)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(biāo)，而應(yīng)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(duì)生態(tài)環(huán)境及自身造成嚴(yán)重破壞的最低生態(tài)需水量作為控制指標(biāo)[21]。

2.2 城市人工湖的水量平衡過(guò)程分析

2.2.1 自然湖泊與城市人工湖水文循環(huán)過(guò)程的尺度界定

由于水文循環(huán)過(guò)程所涉及的尺度極為廣泛，為實(shí)現(xiàn)自然和人工湖體與水文循環(huán)過(guò)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(duì)應(yīng)關(guān)系。參照生態(tài)水文學(xué)的研究，將水文循環(huán)過(guò)程的空間維度劃分為大尺度、中尺度和小尺度3個(gè)響應(yīng)等級(jí)（表1）[22-24]。

表1 各等級(jí)水文尺度與地理空間對(duì)應(yīng)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(jìn)行城市地理空間與水關(guān)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(duì)自然湖泊和城市人工湖的水循環(huán)和水量平衡過(guò)程進(jìn)行重點(diǎn)解析。

2.2.2 自然湖泊水文循環(huán)與水量平衡過(guò)程

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

湖泊的自然水循環(huán)是水體通過(guò)蒸發(fā)、凝結(jié)、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(zhuǎn)化關(guān)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(gè)主要過(guò)程（圖3）[22]。

自然湖泊的水量平衡過(guò)程可表達(dá)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(shí)水位-末時(shí)水位）

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

4 城市人工湖水量平衡過(guò)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(guò)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(guò)程

城市人工湖的水系統(tǒng)受到人類活動(dòng)的干擾，同時(shí)具備“社會(huì)—自然”的雙重屬性，其水文循環(huán)過(guò)程由自然水系統(tǒng)和人工水系統(tǒng)構(gòu)成，自然水系統(tǒng)部分的水量平衡關(guān)系仍適用自然湖泊水量平衡原理及基本計(jì)算公式，人工水系統(tǒng)部分則以人工能量為驅(qū)動(dòng)力，與自然水系統(tǒng)保持著互動(dòng)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(guò)程的主要環(huán)節(jié)為：蒸發(fā)、降水、徑流、入滲，社會(huì)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(gè)環(huán)節(jié)共同構(gòu)成了城市人工湖的水循環(huán)路徑，同時(shí)決定著城市人工湖的水量平衡和水環(huán)境質(zhì)量[26]。由此可見(jiàn)城市人工湖的水系統(tǒng)是一個(gè)將自然與社會(huì)聯(lián)系起來(lái)的“復(fù)合化的水系統(tǒng)”，整個(gè)水循環(huán)過(guò)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(diào)節(jié)，城市人工湖的水系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是開(kāi)放的，具備改造調(diào)控的靈活性。

通過(guò)對(duì)湖泊水量平衡關(guān)系與人工湖水量平衡關(guān)系的比較與整合，可將城市人工湖的綜合水量平衡過(guò)程表達(dá)為方程式如下：湖內(nèi)蓄量=W補(bǔ)入水量- W支出水量

其中：

W補(bǔ)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(diào)水量+地下水源調(diào)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(shí)水位-末時(shí)水位）。

所以，根據(jù)城市人工湖水量的收支關(guān)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(diào)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(xiàng)。

2.3 城市人工湖水量平衡調(diào)控可行性分析

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

依據(jù)對(duì)城市人工湖水量平衡要素可控性、調(diào)控因子可行性及調(diào)控成本的分析，可歸納出調(diào)控城市人工湖的主要途徑有：調(diào)控地表水源外調(diào)入水量、調(diào)控地下水源外調(diào)入水量、調(diào)控湖體入滲量、調(diào)控湖體匯出水量、調(diào)控湖體取用水量、調(diào)控地表徑流入湖量、調(diào)控地下徑流入湖量7種[27]。其中，前4項(xiàng)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(mén)較多，運(yùn)行成本高；后2項(xiàng)受制于人工湖自然水文循環(huán)過(guò)程的基本規(guī)律，可從景觀設(shè)計(jì)的視角出發(fā)，借助自然做工實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)控，調(diào)控設(shè)計(jì)需要與區(qū)域景觀升級(jí)、雨洪管理優(yōu)化等協(xié)同開(kāi)展，可持續(xù)性較強(qiáng)。

3 城市人工湖水量平衡的景觀設(shè)計(jì)方法—景觀要素與人工湖水量平衡過(guò)程的耦合

3.1 景觀要素調(diào)節(jié)水量的可行性

景觀要素作為承擔(dān)水文功能的潛力空間與物質(zhì)載體，能夠整合水體與周邊空間的關(guān)系，為水文循環(huán)過(guò)程提供必要的發(fā)生界面，如鋪地會(huì)對(duì)匯流路徑產(chǎn)生影響、植被會(huì)對(duì)產(chǎn)流條件產(chǎn)生影響等[27]。因此，若對(duì)景觀要素和城市人工湖水量平衡過(guò)程進(jìn)行梳理，求解二者在空間結(jié)構(gòu)、物質(zhì)載體與功能作用上的契合關(guān)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(guò)程，最大限度地借助自然動(dòng)力進(jìn)行水分轉(zhuǎn)化與時(shí)空分布，并配合進(jìn)行集水結(jié)構(gòu)如植草溝等的設(shè)計(jì)，是可以促進(jìn)景觀要素對(duì)于城市人工湖水文循環(huán)過(guò)程中部分水文功能的實(shí)現(xiàn)的[28]，進(jìn)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(duì)應(yīng)關(guān)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(duì)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(jìn)行梳理（表3）。

3.3 城市人工湖的景觀要素與水量平衡過(guò)程的耦合

“耦合”體現(xiàn)的是二者的緊密關(guān)聯(lián)與互動(dòng)。景觀要素與水量平衡過(guò)程耦合的實(shí)質(zhì)是在對(duì)等的尺度下，景觀要素和水文循環(huán)過(guò)程相互依賴、相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)[29]。其目的是將城市人工湖場(chǎng)地的水文循環(huán)過(guò)程轉(zhuǎn)化為具體的景觀設(shè)計(jì)導(dǎo)則，在原本景觀功能的基礎(chǔ)上強(qiáng)化其水文功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)城市人工湖場(chǎng)地水文循環(huán)的調(diào)控優(yōu)化（圖5）。

運(yùn)用可拓學(xué)原理，建立“功能作用元—空間結(jié)構(gòu)元—物質(zhì)載體元”的基元模型[30-32]，對(duì)城市人工湖的景觀要素和水量平衡過(guò)程進(jìn)行發(fā)散分析（圖6），進(jìn)一步梳理景觀要素與水量平衡過(guò)程之間的關(guān)聯(lián)性（圖7）。

該模型通過(guò)相同的水文功能將空間與物質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，主要分為3個(gè)模塊。第1個(gè)模塊：

分析人工湖水量平衡過(guò)程中所涉及的空間結(jié)構(gòu)與景觀要素的空間結(jié)構(gòu)的對(duì)位關(guān)系。第2個(gè)模塊：分析城市人工湖水量平衡過(guò)程各環(huán)節(jié)所依托的物質(zhì)載體與景觀要素的對(duì)應(yīng)關(guān)系。第3個(gè)模塊：分析能實(shí)現(xiàn)相同水文功能的空間結(jié)構(gòu)與物質(zhì)載體的對(duì)應(yīng)關(guān)系。借此厘清依托景觀要素實(shí)現(xiàn)城市人工湖場(chǎng)地水文循環(huán)過(guò)程時(shí)空間與物質(zhì)對(duì)應(yīng)的可行性，便于進(jìn)一步指導(dǎo)具體的景觀設(shè)計(jì)實(shí)踐。

表2 水量平衡要素的影響因子與調(diào)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(duì)應(yīng)Tab.3 Function of landscape elements of urban artificial lakes

5 景觀要素與水量平衡過(guò)程的耦合指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)程關(guān)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(biāo)下城市人工湖景觀設(shè)計(jì)框架The urban artificial lake landscape design framework under the water balance target

9 水量平衡目標(biāo)下城市人工湖景觀設(shè)計(jì)流程The urban artificial lake landscape design process under the water balance target

3.4 水量平衡目標(biāo)下的城市人工湖景觀設(shè)計(jì)導(dǎo)則

在默認(rèn)人工湖體已考慮防滲工程措施的前提下，通過(guò)對(duì)景觀要素與水量平衡過(guò)程的耦合分析，判定出不同水文功能對(duì)應(yīng)下的同類空間結(jié)構(gòu)與物質(zhì)載體，便可結(jié)合不同場(chǎng)地的前期分析，通過(guò)“空間結(jié)構(gòu)對(duì)位”和“物質(zhì)載體對(duì)應(yīng)”2個(gè)設(shè)計(jì)步驟實(shí)現(xiàn)水量平衡的控制目標(biāo)（圖8）。

首先，需要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件識(shí)別場(chǎng)地內(nèi)部水文循環(huán)過(guò)程的主導(dǎo)功能區(qū)，結(jié)合場(chǎng)地的景觀游憩需求，調(diào)整水文循環(huán)過(guò)程主導(dǎo)功能區(qū)為設(shè)計(jì)水文主導(dǎo)功能區(qū)，將其與人工湖的景觀格局要素[33-34]進(jìn)行功能配對(duì)，進(jìn)而確定具體景觀要素的空間布局，從而輔助景觀細(xì)部設(shè)計(jì)與水文技術(shù)設(shè)施的配置（圖9）。由此，實(shí)現(xiàn)了在城市人工湖景觀場(chǎng)地中對(duì)水文循環(huán)過(guò)程的植入，不僅能在場(chǎng)地內(nèi)維持穩(wěn)定的水文循環(huán)過(guò)程，達(dá)到水量平衡的可持續(xù)性，更為周邊硬質(zhì)建成區(qū)起到集水作用來(lái)緩解雨水徑流壓力，并且作為城市雨洪調(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。

4 總結(jié)與討論

隨著城市化進(jìn)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(dòng)了海綿城市的建設(shè)。筆者選取城市水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施之一—城市人工湖，從雨洪調(diào)蓄視角出發(fā)，運(yùn)用交叉學(xué)科理論歸納演繹出人工湖水量平衡原理，通過(guò)城市人工湖水量現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的辨析，對(duì)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(huì)”二元屬性，歸納城市人工湖的水量平衡過(guò)程，定位了影響其平衡關(guān)系的8項(xiàng)水量平衡要素，提出了城市人工湖水量平衡調(diào)控的可行性，并通過(guò)景觀要素與城市人工湖水量平衡過(guò)程的耦合關(guān)聯(lián)分析，搭建出基于水文循環(huán)過(guò)程的城市人工湖水量保持的景觀設(shè)計(jì)方法框架，為具體的景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)提供實(shí)質(zhì)性的指導(dǎo)。

但本研究仍缺少應(yīng)用的反饋、在地實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證以及量化指標(biāo)體系的建立等，這些問(wèn)題還需在后續(xù)研究中進(jìn)一步探討。