基于仿生设计的矿山废弃地景观再生探索——以霍林河露天矿区为例

许家瑞，伍家民，董瑞云，许先升

(海南大学园艺园林学院，海南 海口 570228)

基于仿生设计的矿山废弃地景观再生探索
——以霍林河露天矿区为例

许家瑞，伍家民，董瑞云，许先升

(海南大学园艺园林学院，海南 海口 570228)

以霍林郭勒市的霍林河露天煤矿为例，探讨应用仿生设计和生态设计的手段，将矿山废弃地转变成为生态、美丽、有地域特色的风景园林空间，解决霍林郭勒的城市和绿化用地之间的问题，以期为矿山废弃地的景观再生提供一条新的思路。

风景园林；矿山废弃地；仿生设计；生态设计；景观再生

建国之初，由于经济建设动力不足，导致我国大部分城市将发展重点集中在工业上，兴起了一批依靠矿产资源而发展的城市。但是随着矿产资源的逐渐枯竭，相当多的矿业城市功能不再、经济停滞，出现城市结构衰败的问题，使得大部分矿区沦为废弃地。面对此种环境破坏严重、资源储量减少甚至生态系统退化的形势，我国各地政府及相关部门已经颁布了相应政策，实施了一系列措施，使得矿山废弃地的修复取得一定成效。

在我国城市用地紧缺、绿地发展容量受限制的现状下，利用矿山废弃地进行景观开发利用，缓解绿化用地与城市用地之间的突出矛盾，是矿山生态修复模式转变和园林绿地建设新途径的有益探索[1]。矿山废弃地向新型产业转变已成为矿区重建的总体趋势，而矿山废弃地的景观再生也将给矿业城市的可持续发展带来新的活力。如何修复矿业城市的生态环境并根据当地的特色文化营造出传承历史风貌的景观特色，促进城市人居环境和空间健康、有序发展；如何实现地区发展的综合收益，使传统矿业地区的经济发展、环境改善、社会发展和文化发展相互协调等问题是众多矿业城市当前面临的重大挑战。目前国内外学术界提出了很多设计概念和方式方法，仿生设计是其中最重要的内容之一。

1 仿生设计概述

1.1 仿生设计的缘起和原理

仿生设计是在仿生学和设计学基础上发展起来的一门新兴边缘学科，主要以自然界万物的生理、结构、形态为设计理论，在设计过程中应用以突出其功能性[2]。在我国古代建筑或城市兴建和选址中，经常可以看到“道法自然”和“天人合一”的思想，这就是仿生设计在风景园林中的最早体现；在西方现代城市建设中，麦克哈格《设计结合自然》的论著也时刻影响着人居环境的发展，印证了仿生设计的重要性。

风景园林领域仿生设计的研究意义在于运用类比的方法从自然界中吸取灵感进行创新，同时促进所造之物与自然生态环境相协调，保持生态平衡；然而仿生并不是单纯地模仿照抄，而是借鉴动植物的生长肌理以及一切自然生态的规律，结合地块的自身特点适应新环境的一种创作方法，是具有生命力和可持续发展的[3]。

1.2 仿生设计的基本依据和类型

仿生设计的灵感来源就是摹仿自然，通过对自然的认识和理解来归纳、构想出设计思路。在风景园林规划设计中，设计依据有3点：一是模仿个体，在自然界中研究各种生物体的形象、结构和功能；二是模仿整体，在生态系统中研究人、自然和社会的相互关系；三是模仿和谐环境，研究个体与整体有机结合而达到的“共生”。

仿生设计在园林中的应用是以上述依据为指导，以科学技术为手段，将生物界某些外部形式、内部结构与自然环境共生繁衍的特殊规律及生态美学的法则应用到设计中，在结构、功能形态上体现生物多样性的特征，从而达到人与自然融为一体的目的。风景园林领域中的仿生设计类型包括材料仿生、机能仿生、结构仿生、形态仿生及空间仿生[2]。

2 矿山废弃地景观再生的途径和策略

2.1 景观生态理论的运用

景观生态学是1939年由德国地理学家特洛尔提出的，是地理学与生态学交叉的产物，以整个景观为研究对象，通过物质流、能量流、信息流与价值流在地球表层的传输和交换，生物与非生物以及人类之间的相互作用与转化，运用生态系统原理和系统方法研究景观结构和功能、景观动态变化遗迹相互作用机理，研究景观的美化格局、优化结构、合理利用和保护[4]。

采矿活动导致矿区内空气、水体和土壤的质量大幅度下降，影响了生态系统的正常运作，基本的自然资源消失殆尽。依靠自然演替和停止人为破坏确实能够使得生态环境改善；然而以景观生态学的理论作为指导思想，充分理解地域自然能力或自然规律，规划出合适的空间构型，修复矿区的生态环境，为矿区的景观再生提供可能。

仿生设计同样也是模仿自然规律、生境的形态结构和群落的生理机能的设计；这也说明了其本身就是一种生态设计，与景观生态学有相同之处。通过运用景观生态学的理论，结合仿生设计，势必可以找出矿山废弃地生态重建需要恢复的基本植物和动物等要素，创造出自然的竖向和三维构造，形成良好条件，促进区域发展成为完整的生态系统。

2.2 仿生设计造景的表达

2.2.1 宏观层面——构建格局的空间布局仿生 对空间布局的仿生常常融合了形状、结构和功能等多项仿生设计，并通过艺术的提炼与升华，使这些设计在三维空间内得以重组；对空间布局的仿生常具有优美的构图、强烈的逻辑、完整的结构，并常常能表达一个明确的主题[5]。例如，成都活水公园整体格局就是仿鱼形设计，取“鱼水难分”之意，各部分皆以完美的构图组成一条艺术抽象的“鱼”，不但使水脉流向、污水净化等要素功能与“鱼”身体的代谢一致，而且“鱼”身体的不同部位还被设计为具体的设施，如景观水池、植物塘床、鱼塘、厌氧池和兼氧池等(图1)。

2.2.2 微观层面——丰富多样的材料、形态和结构仿生 花豹的表皮、蝴蝶的翅膀、海浪的线条等无疑都是微观层面存在的基本美学元素，而通过模仿这些外形、图案、线条、色彩甚至声音等因素而抽象出的设计语言便是材料、形态和结构仿生设计。这一类的仿生设计表现形式多样，有的来源自然肌理形态，更有对历史文化的概括升华，体现了一种沉淀价值。例如，全球最大的生态温室之一的“伊甸园”项目位于英国的一座废弃矿坑之上(图2)，通过改造环境建成了集植物园、博物馆和休闲公园为一体的科普保育基地。园区中通过仿生设计来模拟“水泡”、“龟壳”和“梯田”等形态结构，不仅丰富了设计的语言，同时使园区景观色彩鲜明，形式多样。另外，园区中还有利用各种废弃材料构建的创意雕塑，诠释了自然界的艺术，也提升了园区的内涵。

图1 成都活水公园图2 英国伊甸园

一般来说，矿山废弃地的生态系统只有1个或是由多个生态子系统组成，能否可持续发展受到很多因素的影响。从宏观层面出发，利用对空间布局仿生的途径和策略，聚焦生态思维和地域文化，可以重新构建一个新的可持续生态环境结构；从微观层面出发，从区域内部生物或生境中得到灵感，提炼具象或抽象的地域历史元素，可以创造丰富多彩的具有独特魅力的景观层次。这种宏观、微观交叉考虑的仿生设计避免了矿区景观再生设计的单一思路和方案上的不足，有利于弥补矿区生产发展和生态环境平衡之间的矛盾，使得廊道、斑块、基质等景观要素的数量分布合理，并促进地域历史和景观风貌的可持续发展。

2.3 基于仿生设计的矿山废弃地景观再生

矿山废弃地的成因及现状大多相似，也导致如今大多数的矿山废弃地景观再生方案专注于凸显矿区景观，挖掘其历史、美学和社会价值。然而仿生设计的语言来源自然、丰富多样，能够充分利用现有的地形地貌和剩余资源，并从其中开发出属于地域的历史、美学和社会价值；同时，结合景观生态学理论的仿生设计不再是单纯的设计方法，而是能够修复区域基质、改善周围环境、创造新生景观的生态策略。

例如，建立在河北省唐山市原开滦煤矿遗址上的南湖公园(图3)，在经过研究原有生态系统的肌理构造，分析物质能量的交流互通后，进行了专项治理和生态修复；运用仿生设计模拟其层级和自然湿地的净化方式，达到修复基质、重塑廊道和斑块的目的，不仅降低了污染，同时也增加了地区的湿地面积，调节了局部小气候，净化了环境，为生物提供了丰富多样的栖息地，并构建出具有美学价值的传统园林景观。如今的南湖公园已经初步形成拥有水生植物、陆生植物和多种鱼类、鸟类等的湿地生态系统。

3 仿生设计策略探索——以霍林河露天矿区为例

正如上文所言，矿山废弃地景观再生仿生设计是一种源于自然的生态设计手法，其基本思想是最大限度地借助于自然力进行生态修复，最小程度地改变已形成的肌理结构，从而实现设计与自然生态相协调，使废弃地重新融入大环境之中[8]。同时，仿生设计并不是对自然简单的模仿，而是根据区块现有状况，生态系统构成和地域的历史文化特征来综合考量，进行深思熟虑的设计。文章结合景观生态学理论，以仿生设计为策略，将对霍林河露天矿区进一步规划探索。

3.1 结合自然，构建格局

3.1.1 规划区域及周边自然机理分析 霍林河露天矿区位于霍林郭勒市主城区西面(图4)，地处大兴安岭南段山脊的西北坡，海拔820～1100 m，最高可达1350 m。区域内地形略有起伏，地势从南向北逐渐升高，走向长60 km，宽8～10 km，面积约540 km2。区域内地貌可划分为3种类型，分别为低山丘陵、堆积台地、冲积平原，其中矿区处于剥蚀波状堆积台地和冲积平原上。矿区内部有2条河流，分别在矿区南、北端与霍林河汇合，水量不大，容易干涸。其中一条为和热木特河，另一条为查格达布拉河。

蒙古民族自古以来“逐水而居”，城市建设亦是如此。霍林郭勒主城区傍霍林河建立，城区东南面有肥沃的牧场和良好的生态环境；公路与铁路也附着在霍林河旁，带动了当地的经济。霍林河就如同一只雄浑有力的翅膀，使得霍林郭勒市拥有发展的力量。然而矿区的存在人为地切断了地域原有的草原生态系统，使系统中间形成断层鸿沟，隔开了城区与西北面广袤的草原，破坏了自然机能和动植物与人类的生存家园。

3.1.2 格局构建的仿生设计 “鸿雁”在蒙古族文化中有着举足轻重的地位，它是蒙古族人民乡愁的寄托，常出现在传说故事中。结合矿区自然肌理、充分利用霍林河如同翅膀的发展力量，考虑开采导致的牧民丧失家园、背井离乡等现状，从“鸿雁”出发，抽象出鸿雁的躯干和一双翅膀作为仿生设计的设计骨架(图5)，概括为三步走的设计思路，通过医治受伤的鸿雁来让它重新起飞，回到故乡。

1)双河绕城：对霍林郭勒各个城市和城乡节点进行考察和分析后，发掘出对应于受伤鸿雁的形态特征的自然节点上，有着霍林郭勒不同的特色景观，有些节点还有影响周边环境的生态效益，分别为：市区为头颅、南面农牧区为受伤躯干、霍林河为翅膀；静湖公园、巴润嘎查斑块和城市广场分别为“鸿雁眼”、“鸿雁喙”、“鸿雁食”和“鸿雁咽喉”。然而霍林河露天煤矿是鸿雁受伤的翅膀，就需要以另一只的力量(霍林河)来帮助其恢复：从“鸿雁咽喉”处重新构建河道来联通查格达布拉河、和热木特河、矿区矿尾湖等，并引入霍林河的水资源，使得清洁的水资源重新进入矿区；同时通过理论和技术改善水质，让水的力量逐步修复受污染的环境(图6)。

2)草原突围：通过第一步对水资源的治理，带动对土壤和环境的治理，从而重新引入动植物来丰富新的生态系统，使得“风吹草低见牛羊”的草原景观再生，并以矿区作为治愈的翅膀重新联接农牧区与西面草原自然生态环境；于矿区中建立不同类别大小的科普保育区，将河流、草地等自然元素结合为羽状，形成“鸿雁羽”来构建景观再生斑块。同时在农牧区设计相同肌理防止草原退化或沙化；在”鸿雁尾”处设置汇合河道并建立污水处理设施和公园，在减少工业园区水资源污染的基本条件下改善提升环境质量(图7)。

图6 规划区域景观结构图图7 规划区域仿生设计图

3)鸿雁归乡：通过前面2步对生态环境的治理恢复以及对工业产业的污染约束，能让受伤的鸿雁重新起飞。同时需要重新制定3种产业比重，来实现霍林郭勒市的生态发展。仿生设计为经济与生态建立良好的沟通桥梁，传承保护了地域的历史文化和生态景观，使霍林郭勒回归心中的故乡(图8)。

3.2 修复植被，重建群落

在结合自然构建大格局之后，重建矿区生态系统的第一步就是选择理想的植被群落。首先，要结合部分人工技术改良地域种植条件，来满足植物生长所需，才能使得植物修复在短时期内有预期效果，压缩自然演替过程。其次，选用矿山地区的乡土植物以适应改良好的土壤条件和气候类型，以便植物顺利成活生长，确保生态系统重建的进度。

3.2.1 利用植物，改善土质 煤矿开采时排放的大量有毒气体和污染物质导致土壤沙化、盐化和碱性增高。根据景观生态学理论，通过机能仿生设计加速植物自身的生态效应循环，可以消减污染和改善土质，按不同应用可分为以下2种。

1)矿坑：为了充分利用矿坑这一资源，运用机能仿生设计模拟土层结构，运用生态覆膜技术，使土壤短期内能够达到种植的要求。待环境改善到一定程度，植被群落发展良好，可以结合水系构建，改为蓄水湿地，为旱季抗旱救灾和灌溉创造有利条件(图9)。

2)排土场：排土场质地粘重，透水通气性差，养分贪痔，运用机能仿生设计模拟自然演替进程进行植被重建，并利用鱼鳞坑和保水剂等来加速演替进程，使排土场加速过渡到杂类草根茎禾草阶段和根茎禾草阶段，在较短时间内形成人工林[6]。

3.2.2 综合开发，净化水体 矿区场地内产生的大量污染物随着水排出到矿尾湖和临近草原土地，对周围环境和地下水造成巨大影响。根据景观生态学理论，通过机能仿生设计模拟自然水体自净的法则，做好以水生、滨水植物群落为主体的过滤措施，来吸附水系网络中的沉淀污染物，净化地下水(图10)。这样不仅能够治理矿区场地污染，更能够发挥植物与水结合的作用，盘活附近生态环境。另外，通过机能仿生设计模拟食物链运作“农—渔—禽—畜—加工”复合经营的生态农业，对恢复水体进行多资源的综合开发与利用也是对矿山废弃地生态修复的一种有效途径[7]。

3.3 体现特色，尊重文化

研究矿区原有生物的种类和形态及原住民的生活方式，从微观层面进行形态、材料等仿生设计途径和策略，分自然环境和人工环境2个方面来恢复采矿前的原有景观风貌，同时加之以保护和产业转变。例如将蒙古族文化中的云纹、卷草纹、盘肠纹作为一种象征性符号应用于园林景观的铺装设施上，不仅可以展现传统文化的意蕴，也充满了现代的青春气息；又如对乡土植物山丹花(蒙古语为萨日朗)的利用，可以为后期维护节省大量成本；在规划区内进行牧民居住区域建设和历史风貌、战争时代主题的旅游区域建设，不仅能够将土地资源集中整合，打开城市的发展空间，也能勾勒出城市绿色空间结构体系，传承了城市地域特色和历史文化。

3.4 打造名片，传蒙之神

仿生设计不应只是单纯地对自然进行模仿，更应关心城市的文化内涵，因为文化本身就是自然与人类共同作用的结果，如果忽略了历史，仿生设计将只是一种浮华的摆设[8]。蒙古人世代争斗战乱，把对于故乡的思念寄托于鸿雁之上，使得鸿雁成为蒙古历史文化中不可缺少的一部分。因此将整个霍林河矿区设计成鸿雁翅膀的形状，既结合了矿区地理位置和现有状况，也尊重发扬了蒙古的历史文化，同时为霍林郭勒塑造一种新的独特的城市形象。不同于往日的煤都，城市3种产业比重的调节振兴了农业和旅游业，增加了风景园林空间和生存空间，“鸿雁归乡”将成为霍林郭勒城市品牌的意象符号，为霍林郭勒的对外宣传提供“广告牌”。

4 小结

矿山废弃地的景观再生是一个处于初级探索的阶段，然而纵观历史，风景园林师们却一直在探寻绿色、生态、可持续的生存方式和生活空间。在全球气候变化和生态危机等棘手问题频现的今天，将仿生设计和生态设计应用于矿山废弃地改造与修复，创造更多富有地域特色和历史文化的生存空间，为矿业城市的发展提供一条可持续之路，意义重大。

[1]葛书红.矿山废弃地的景观利用模式探讨[C]∥和谐共荣——传统的继承与可持续发展：中国风景园林学会2010年会论文集(下册)，2010：520-523.

[2]周鹏.仿生设计原理在园林规划设计中的应用[J].热带农业科学，2009(5)：66-69.

[3]孙启微，许先升.生命力的展现——浅谈仿生建筑设计[J].科技创新导报，2008(13)：158-160.

[4]李永庚，蒋高明.矿山废弃地生态重建研究进展[J].生态学报，2004，24(1)：95-100.

[5]申益春.论仿生形态设计在景观设计中的运用[J].规划师，2007，6(23)：95-97.

[6]张鸿龄，孙丽娜，孙铁珩，等.矿山废弃地生态修复过程中基质改良与植被重建研究进展[J].生态学杂志，2012，31(2)：460-467.

[7]常俊丽，孙丽娟，武文婷.基于可持续发展的煤矿厂区景观设计探索——以钱营孜煤矿厂区景观设计为例[J].西北林业学报，2012，27(6)：231-237.

[8]何金廖，宗跃光，郭俊杰.自然主义之城市仿生设计——以江苏扬中生态景观概念规划为例[J].规划师，2008，6(24)：38-41.

A Primary Research of Mining Wasteland Landscape Regeneration in the View of Bionic Design——A Case Study of Huolinhe Opencast Coal Mine

XU Jia-rui，WU Jia-min，DONG Rui-yun，XU Xian-sheng

(CollageofHorticultureandLandscapeArchitecture，HainanUniversity，Haikou570228，Hainan，China)

Along with the accelerated process of urbanization in China，the problems such as limited capacity of urban development，shortage of the green land and others have gradually been difficult to handle.This paper taking Huolinhe opencast coal mine in Huolinguole as an example，by discussesing how to through the bionic design and ecological design means to change this wasteland into an ecological，beautiful landscape space with regional characteristics，and in order to alleviate the problem between urban land and green land in Huolinguole，trying to provide a new way of thinking for the mining wasteland landscape regeneration.

landscape architecture；mining wasteland；bionic design；ecological design；landscape regeneration

2015-03-05；

2015-04-17

海南省交通运输厅项目(JT20120898016)

许家瑞(1991—)，男，湖北宜昌人，海南大学园艺园林学院在读硕士研究生，从事园林规划设计研究。E-mail：348300969@qq.com。

许先升(1965—)，男，广东潮阳人，海南大学园艺园林学院教授，博士。E-mail：xxs918@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.01.038

S718.57

A

1002-7351(2016)01-0182-07