雨洪调蓄视角下的城市人工湖水量平衡景观设计方法研究

冉玲于 苟翡翠 王雪原 周燕

1 梦泽湖公园区位The location of Mengze Lake Park

2 梦泽湖公园水体The water body of Mengze Lake Park

1 城市人工湖的水量平衡问题

“城市人工湖”是指以提升城市景观品质或升级城市旱涝灾害响应水平等为建设动因，经过详细设计与论证后运用工程技术开挖新建或改建形成的模拟自然湖泊形态、结构、系统的中小型封闭水体，其面积约在1～500hm2之内，蓄水容积不少于100万m³。如武汉市中央商务区梦泽湖公园水体（图1、2）。

在新型城市雨洪管理体系中，保护城市低洼水敏感区，修复拓建城市河湖水域，增加城市滞水设施，是实现城市雨洪调蓄功能的主要途径之一。城市人工湖作为主观能动地改善高密度建成区人居环境的水利工程设施，在当前城市水环境日益突出、城市水空间逐渐减少的情况下显得愈发重要。不同于传统园林理水智慧，当代人工湖的景观设计往往过于依赖人工的水量补充或抽调，很少关注湖体水文循环过程的建立，直接导致了城市人工湖不可持续的水量平衡问题[1-5]。

目前，针对城市人工湖的水量平衡问题，国外学者主要集中在城市人工湖的补水方式和与景观设计途径结合2个方面，其对于雨水的收集和再生水的利用以及水量的定量化计算研究已经较为深入[6-16]。而国内学者则主要集中在人工湖水量平衡分析与计算、人工湖水量配置与管理、人工湖生态环境需水量3个方面，其中对于人工湖防渗问题的关注较多[4,17-19]。综合国内外的研究发现，以风景园林学途径介入调控城市人工湖的水量具备一定实践可行性，但当前城市人工湖的景观规划设计的基础研究本身较为薄弱，如其水体功能定位、补水水源及水质保障、节水策略、景观设计策略及水生态工程建设与管理等方面。另外，国内城市人工湖的水量管控多依赖于工程性途径，如何以低环境影响方式实现城市人工湖水量的有效管控仍需拓展思路。因此，本研究拟利用水文学原理探究城市人工湖的水量平衡条件，进而深入解析能辅助人工湖达到水量平衡状态的景观设计方法，以期能为当前人工湖的规划建设提供更科学的理论与实践依据。

2 城市人工湖水量平衡原理

2.1 城市人工湖水量平衡的内涵与条件

城市人工湖水量平衡状态可定义为：在城市人工湖水量重现期的任意时段内，人工湖湖体中的蓄水量保持在最高蓄水位与最低蓄水位之间，确保城市人工湖良性运行的蓄水量状态[20]。

其中，对于城市人工湖的最高水位，一般不以满蓄水位作为最高水位控制指标，而应腾出容纳汛期水量的必要空间。而最低水位除遇特大旱年，必须以维持生物多样性和生态系统完整性且不对生态环境及自身造成严重破坏的最低生态需水量作为控制指标[21]。

2.2 城市人工湖的水量平衡过程分析

2.2.1 自然湖泊与城市人工湖水文循环过程的尺度界定

由于水文循环过程所涉及的尺度极为广泛，为实现自然和人工湖体与水文循环过程的协同，需要使水文尺度规模与地理空间尺度形成对应关系。参照生态水文学的研究，将水文循环过程的空间维度划分为大尺度、中尺度和小尺度3个响应等级（表1）[22-24]。

表1 各等级水文尺度与地理空间对应的一般性概念Tab.1 A general concept corresponding to the hydrological scale and geographical space at each level

由表1可知，自然湖泊与城市人工湖同属于集水区尺度的空间范畴，而集水区尺度又是进行城市地理空间与水关系研究、规划、管理的主要空间尺度单元。因此下文将基于集水区尺度对自然湖泊和城市人工湖的水循环和水量平衡过程进行重点解析。

2.2.2 自然湖泊水文循环与水量平衡过程

水文循环过程反映的是研究区域水系统内部各要素在时间或空间上排列组合的具体形式。水量平衡公式则是对水文循环过程内部质量守恒原理的特定数学表达。

湖泊的自然水循环是水体通过蒸发、凝结、降水和地面径流与大气联系，蒸发降水又返回集水区地表与湖面的基本交替转化关系。在湖泊的空间尺度下，具体表现为湖区降水、径流、入渗、蒸发4个主要过程（图3）[22]。

自然湖泊的水量平衡过程可表达为公式[25]：

湖内蓄量=入湖水量—出湖水量

其中：

入湖水量=湖面降雨量+地表径流入湖量+地下径流入湖量

出湖水量=湖泊蒸发水量+湖泊入渗水量

湖内蓄量=湖水面平均面积×（湖泊初时水位-末时水位）

3 天然湖泊水文循环过程The hydrological cycle of natural lakes

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

该水量公式反映了湖泊水循环的一般过程，表征了湖泊水量平衡的基本要素。

2.2.3 城市人工湖水文循环与水量平衡过程

城市人工湖的水系统受到人类活动的干扰，同时具备“社会—自然”的双重属性，其水文循环过程由自然水系统和人工水系统构成，自然水系统部分的水量平衡关系仍适用自然湖泊水量平衡原理及基本计算公式，人工水系统部分则以人工能量为驱动力，与自然水系统保持着互动与联系[25]（图4）。

据图4可得出，城市人工湖自然水循环过程的主要环节为：蒸发、降水、径流、入渗，社会水循环的主要环节为供水、水循环、取水、排水。这8个环节共同构成了城市人工湖的水循环路径，同时决定着城市人工湖的水量平衡和水环境质量[26]。由此可见城市人工湖的水系统是一个将自然与社会联系起来的“复合化的水系统”，整个水循环过程往往超出人为划定的红线范围，所以城市人工湖的水系统也可被称为是一种“外延化的系统空间”，并且由于受到人工调节，城市人工湖的水系统在结构上是开放的，具备改造调控的灵活性。

通过对湖泊水量平衡关系与人工湖水量平衡关系的比较与整合，可将城市人工湖的综合水量平衡过程表达为方程式如下：湖内蓄量=W补入水量- W支出水量

其中：

W补入水量= 湖面降雨量+地表径流入湖量+地下径流入湖量+地表水源调水量+地下水源调水量W支出水量=湖面蒸发水量+湖体入渗水量+湖体闸口溢流量+管网抽排量+湖区取用水量（绿化灌溉取水、道路浇洒取水量、其他用途取水量）

湖内蓄量=湖水面平均面积×（湖泊初时水位-末时水位）。

所以，根据城市人工湖水量的收支关系，可将城市人工湖的水量平衡要素划定为湖面降雨量、径流水量、水源调水量、湖面蒸发水量、湖体入渗水量、湖体闸口溢流量、管网抽排量、湖体取水量等8项。

2.3 城市人工湖水量平衡调控可行性分析

通过前文对城市人工湖的水量平衡过程的分析，可见其是5项水量收入要素与4项水量支出要素在“降水—入渗—径流—蒸发”基本过程中的交换转化过程。为推导可行的水量调控途径，将水量平衡要素中的影响因素、可控因子与调控方法进行归纳（表2）。

依据对城市人工湖水量平衡要素可控性、调控因子可行性及调控成本的分析，可归纳出调控城市人工湖的主要途径有：调控地表水源外调入水量、调控地下水源外调入水量、调控湖体入渗量、调控湖体汇出水量、调控湖体取用水量、调控地表径流入湖量、调控地下径流入湖量7种[27]。其中，前4项受制于人工水循环系统规划，可操作性和灵活性高，但涉及的管辖部门较多，运行成本高；后2项受制于人工湖自然水文循环过程的基本规律，可从景观设计的视角出发，借助自然做工实现优化调控，调控设计需要与区域景观升级、雨洪管理优化等协同开展，可持续性较强。

3 城市人工湖水量平衡的景观设计方法—景观要素与人工湖水量平衡过程的耦合

3.1 景观要素调节水量的可行性

景观要素作为承担水文功能的潜力空间与物质载体，能够整合水体与周边空间的关系，为水文循环过程提供必要的发生界面，如铺地会对汇流路径产生影响、植被会对产流条件产生影响等[27]。因此，若对景观要素和城市人工湖水量平衡过程进行梳理，求解二者在空间结构、物质载体与功能作用上的契合关系，利用景观要素为自然水文环节（蒸发、入渗、径流等）提供必要的作用界面，建立稳定的水文循环过程，最大限度地借助自然动力进行水分转化与时空分布，并配合进行集水结构如植草沟等的设计，是可以促进景观要素对于城市人工湖水文循环过程中部分水文功能的实现的[28]，进而辅助水量平衡可持续性，提升城市滞涝防旱的能力。

3.2 城市人工湖的景观要素与水文功能的对应关系分析

一般概念所理解的景观要素，主要包括地形地貌、水体、植被、铺地、道路、堤岸、建筑物和景观小品七大要素类型。据此对城市人工湖景观要素的基本特征与其所具备的水文功能进行梳理（表3）。

3.3 城市人工湖的景观要素与水量平衡过程的耦合

“耦合”体现的是二者的紧密关联与互动。景观要素与水量平衡过程耦合的实质是在对等的尺度下，景观要素和水文循环过程相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联[29]。其目的是将城市人工湖场地的水文循环过程转化为具体的景观设计导则，在原本景观功能的基础上强化其水文功能，同时实现城市人工湖场地水文循环的调控优化（图5）。

运用可拓学原理，建立“功能作用元—空间结构元—物质载体元”的基元模型[30-32]，对城市人工湖的景观要素和水量平衡过程进行发散分析（图6），进一步梳理景观要素与水量平衡过程之间的关联性（图7）。

该模型通过相同的水文功能将空间与物质联系起来，主要分为3个模块。第1个模块：

分析人工湖水量平衡过程中所涉及的空间结构与景观要素的空间结构的对位关系。第2个模块：分析城市人工湖水量平衡过程各环节所依托的物质载体与景观要素的对应关系。第3个模块：分析能实现相同水文功能的空间结构与物质载体的对应关系。借此厘清依托景观要素实现城市人工湖场地水文循环过程时空间与物质对应的可行性，便于进一步指导具体的景观设计实践。

表2 水量平衡要素的影响因子与调控途径Tab.2 The impact factors and regulation ways of water balance factors

表3 城市人工湖景观要素的功能对应Tab.3 Function of landscape elements of urban artificial lakes

5 景观要素与水量平衡过程的耦合指导设计示意图Schematic diagram of the coupling design of landscape elements and water balance process

6 城市人工湖景观要素与水量平衡过程的基元发散分析The basic-element analysis of elements of urban artificial lake landscape and water balance process

7 城市人工湖景观要素与水量平衡过程关联耦合分析模型示意图Schematic diagram of the correlation analysis model of urban artificial lake landscape elements and water balance process

8 水量平衡目标下城市人工湖景观设计框架The urban artificial lake landscape design framework under the water balance target

9 水量平衡目标下城市人工湖景观设计流程The urban artificial lake landscape design process under the water balance target

3.4 水量平衡目标下的城市人工湖景观设计导则

在默认人工湖体已考虑防渗工程措施的前提下，通过对景观要素与水量平衡过程的耦合分析，判定出不同水文功能对应下的同类空间结构与物质载体，便可结合不同场地的前期分析，通过“空间结构对位”和“物质载体对应”2个设计步骤实现水量平衡的控制目标（图8）。

首先，需要依据现场条件识别场地内部水文循环过程的主导功能区，结合场地的景观游憩需求，调整水文循环过程主导功能区为设计水文主导功能区，将其与人工湖的景观格局要素[33-34]进行功能配对，进而确定具体景观要素的空间布局，从而辅助景观细部设计与水文技术设施的配置（图9）。由此，实现了在城市人工湖景观场地中对水文循环过程的植入，不仅能在场地内维持稳定的水文循环过程，达到水量平衡的可持续性，更为周边硬质建成区起到集水作用来缓解雨水径流压力，并且作为城市雨洪调蓄的水生态基础设施的一部分，以低碳可持续的非工程性方法提高了城市对于环境变化的适应力。

4 总结与讨论

随着城市化进程的加快，城市的雨洪矛盾日益凸显，存量规划的提出推动了海绵城市的建设。笔者选取城市水生态基础设施之一—城市人工湖，从雨洪调蓄视角出发，运用交叉学科理论归纳演绎出人工湖水量平衡原理，通过城市人工湖水量现实问题的辨析，对比研究自然湖泊水文循环规律，明确人工湖的“自然—社会”二元属性，归纳城市人工湖的水量平衡过程，定位了影响其平衡关系的8项水量平衡要素，提出了城市人工湖水量平衡调控的可行性，并通过景观要素与城市人工湖水量平衡过程的耦合关联分析，搭建出基于水文循环过程的城市人工湖水量保持的景观设计方法框架，为具体的景观规划设计提供实质性的指导。

但本研究仍缺少应用的反馈、在地实验的验证以及量化指标体系的建立等，这些问题还需在后续研究中进一步探讨。