废弃矿山水生态的弹性塑造<br/>——邯郸市紫山公园设计实践

废弃矿山水生态的弹性塑造
——邯郸市紫山公园设计实践

2021-07-20伍锡梅

中国园林 2021年6期

伍锡梅

康胤*

肖华杰

杨涛

本文的“废弃矿山”是指煤矿废弃、关闭后残留下来的对人居环境带来严峻威胁的煤矸石堆、矿井与塌陷地等[1]。通过相关文献的深入梳理[2-4]，对废弃矿山生态修复进行了相关研究，总结出土壤、植被与水的修复是废弃矿山生态修复核心主导因子。譬如，澳大利亚采矿场地的修复将“土壤修复技术”作为重建基地生态系统抵抗干旱扰动的关键。美国密歇根湖区铜矿山修复项目采取“生态复绿修复技术”，目的是短时间内恢复场地的植被。而与水相关联的废弃矿山修复案例主要侧重水体污染层面的问题，如美国利维坦硫矿废弃地水治理工程[5]。对比这些案例时常出现将土壤、植被、生物与水体分离或单一控制[6]，使得修复后的场地易遭受暴雨洪涝与水源紧缺等困境。因此，如何高效将废弃矿山的雨水蓄存与循环利用，而非简单地通过市政管网快速排走，也就是使其修复后具备“海绵”的效能。

“海绵城市”一词，在清华大学建筑学院刘海龙教授《“海绵城市”多面观》一文中，将其作为针对水安全、水资源、水生态与水环境等问题的一个“理想城市”目标，旨在发挥自然“积存、渗透、净化”的生态系统服务[7]。目前，城市化较高的西方国家在水生态对废弃矿山的弹性管理上，其理论与实践技术体系已趋于成熟。比如加拿大的阿尔伯特油砂矿山修复过程中提出“地形重塑、斑块连通性、排水系统与地面水系”相联系的水生态系统，实现场地与周边水文生态系统的协调性。美国科珀希尔铜矿湿地治理工程[5]，采用“模袋毯+分水坝+沉淀池”特殊水生态修复方法，使其蜕变为一个湿地示范区。这些不同设计理念的实践案例为中国的废弃矿山海绵城市研究与实践提供参考价值。国内相关的研究实践起步较晚[8-10]，例如针对芦岭采煤沉陷区，提出“引水湖+生态沟渠+供水湖”三级水生态模式构建技术，又兼顾养殖型、景观型和净化功能的综合型水生态模式的研究，最后实现采煤沉陷区“蓄水-供水”模式的水资源开发利用，有效解决基地水资源污染、紧缺与减排等问题[11]。因此，如何设计一套适用于废弃矿山情境下的高效收集、输送、净化和循环利用的弹性水生态系统已成为当代“水生态设计”一个具有特殊创意价值的重要课题。

本文以紫山公园为例，围绕海绵城市与废地矿山的相关研究，开展一个废弃矿山变身为高度水生态的“海绵生态公园”研究。笔者从场地挑战与契机出发，深入思考废弃矿山景观规划的4个方面：地形——人工海绵框架的构建；水体——水生态网络的重构；植被——生命景观的提出；生境——时间与事件的引入，来系统阐述与总结水生态设计策略，思考如何利用海绵城市的思路解决我国的废弃矿山问题，以期为同类型的项目提供一定借鉴。

1 场地挑战与契机

紫山风景名胜区，位于河北省邯郸市西北部，2011年孟兆祯院士主持设计了总体规划。作为名胜区一期的紫山公园位于名胜区南段的核心区，占地4.86km2。2014年中国美术学院风景建筑设计研究总院有限公司在前期总体规划基础上进行深入设计，笔者有幸参与项目设计的整个流程。设计中我们首先思考的是项目设计的现实挑战，然后寻找隐藏在挑战背后的契机，最后抓住契机采取一系列相应的设计策略。

早年的紫山作为城市西部的绿色屏障，在邯郸享有“紫气西来”之说。在20世纪70年代随着乡镇企业的兴起，紫山范围内先后建起了41家煤窑煤矿，过度无序的开采导致山体被掏空，地表水源枯竭，植被大量死亡，水土流失严重。至90年代末，昔日山清水秀的紫山已成为一座满目疮痍的荒山(图1)。设计团队通过对紫山及周边区域的反复调研分析，能否恢复紫山昔日的灵秀，水生态系统的建立成为公园设计成功与否的关键。“山因水活”，设计师根据场地特征构建了以紫云湖为核心的水生态系统，但如何“集水、净水、蓄水”以满足30万m3紫云湖景观用水的需求，成为设计师面临的最大挑战。

图1 场地修复前卫星总平面图(1-1)、修复后总平面图(1-2)

2 紫山公园弹性水生态系统的设计

针对场地地形破碎、荒岩裸露、汛期内涝以及极端气候条件，凭借地形高差紫云湖上游雨水汇流急、冲刷力强，而下游泄洪不畅，存在水体污染、水源衰竭等水文灾害问题。探讨山地水文特征下的废弃矿山弹性水生态设计策略，在规划设计之初，根据场所地形与结构特点，在公园所在的4.86km2范围内，将生态系统服务纳入考虑的范畴，提出将地形、水体、植被及生境进行充分地“叠加”，构建符合场地特定地理环境的“集水-用水”一体化的水生态管理系统[12]。在展示水生态弹性治理场地问题的过程中，兼顾雨水收集、净化、调蓄、集中分配与缓释灌溉等海绵功能，可有效解决紫山水源匮乏、植被缺水等问题，实现场地人-水-景-生态设计目标的叠加(图2)，同时思考如何利用可持续的方法来解决湖体大量的水源问题以及水体的后期维护。

图2 场地水生态系统总体理水策略

2.1 地形——人工海绵框架的构建

基地因长期以来的挖煤与开矿等行为，导致山体荒岩裸露，内部遗留众多挖煤通道。虽历经15年的沉降基本稳定，但由于均是没有具体设计图纸的小煤窑，促市场地采空区分布不清晰，易出现随时性的坍塌和汇水阻隔等问题。需利用GIS对场地的水文地质灾害和水文功能的强度进行评估。再者，加固山体地质隐患区，严格控制水深，保留场地已有的天然坑塘和径流蓄水沟等区域，利用该区域内2个连续的壶口，构筑起2道坝体，形成2个高差约10m左右的阶梯湖。最后，梳理水系网络，识别潜在径流蓄水路径，连通园区内的自然排水廊道，促进湖体上游、下游的溪、涧、潭等各等级水系的连通性，以构建具有滞洪、净化、补水及调控径流等完整功能的“阶梯型”人工海绵框架体系——“涧湖潭溪”。过程中利用梯级分段垒石的滞蓄方式在山涧径流区布置具有海绵功能的潭。在岸边处理上，利用防渗毯构造使湖面形成溢水面和枯水面，在湖岸边形成600mm的海绵带(图3)，以有效发挥景观生态环境的脉络和导管的功能[13-16]。

图3 湖面海绵通道详图及建成图(单位：m)

2.2 水体——水生态网络的重构

园区的又一重要海绵特征是，场地水网系统的设计不仅作为“面”上的审美观赏，更为注重湖“里”的生态功能。针对废弃矿山水网空间形态的重构问题，从过去单一控制转向水源收集、雨洪调蓄、循环利用、水体自净等综合管理的水生态服务系统，这一系统不仅可供观赏，还具有调控整个废弃矿山雨水的“集、蓄、净、用”的复合功能，使其成为整个园区弹性水生态系统的指挥中枢与终端的检验平台。

2.2.1 水源收集

邯郸市属于暖温带大陆性季风气候，除了汛期降水量大，其他时期会出现旱期，而紫云湖的水并非单一源自雨水。针对场地水源枯竭与植被缺水的问题，提出采用源头分散、化整为零的集水策略。雨水，作为废弃山地水生态过程中重要的水源收集途径之一，可视为地下水与湖体水量的补充水源，有效提高废弃矿山水文格局生态过程的发生。统计分析场地24个节气内近40年的平均降水量，降雨时间及强度分配存在明显的季节性差异，降雨量的70%以上集中在6—9月，7、8月为主汛期会出现峰高量大、雨型急促、汇流历时短等特点大雨及特大暴雨情况。根据场地地形特征，采用分散式的雨水收集模式，引导外向排放型雨水转变为内向聚集型，从而形成分散型雨水收集系统(图2)。

在勘察场地过程中，了解原场地东边目前尚有焦窑煤矿在运作，每天约4 000m3的采煤疏矸水排出，设计过程中将其全部收集，经过初期径流池、沉淀池、过滤池、清水池四步骤的处理，转化为基地的主水源，辅以雨水收集系统，共同构成场地内的“活水源”。不仅部分缓解紫山汛期洪涝与径流、旱期干旱与缺水的压力，同时也解决场地水源收集和植被灌溉用水的问题。

2.2.2 雨洪调蓄

There was no significant differences between s-Fr,HA, TGF-β1 and MCP-1 levels in CP and PDAC patients.

设计师通过对场地所在流域水文系统的全面动态分析，依据水源出处的不同，将涧湖潭溪的“湖”设计成阶梯1、2号两湖面，1号湖区包括采煤疏矸水净化区、雨洪径流区、引水湖及水源出口区(补水口)。2号湖区主要是酒店、游客中心、儿童户外拓展活动区、游船码头以及生态停车场。场地的雨洪调节和储蓄系统具体是围绕1、2号湖区来开展的(图4)。

1号湖区域，作为场地的“集水容器”，围绕着它设置以下2条集水途径。1)采煤疏矸水系统：所有的采煤疏矸水，通过4级阶梯滞留池生态过滤和利用，结合渗透沟渠、植草浅沟和加压泵等引水系统输送至出水口，最后汇聚于紫云湖，作为场地的“主水源”。2)雨水系统：包括紫山风景区、广场、道路和生态停车场4个方向上的全部雨水。景区的雨水借助重力流通过大片植被过滤网，经截洪沟流进雨水花园后，汇聚于凹水渠，再通过小沉淀池汇入1号湖。广场雨水，通过地表径流过拦污槽与植被渗渠过滤后，流入雨水花园进一步净化，再汇聚至雨水井，最后经弃流井设施流入1号湖。而场地内道路和生态停车场的雨水，需经地表径流汇于拦污槽，经植草浅沟后汇入雨水花园，再流入梯级湿塘滞留池，最后溢流入1号湖。这4条雨水收集途径可视为基地的“补水源”(图4)。

图4 场地水系循环利用流程分析

在园区水生态实践操作流程中，经过这2条水源收集途径的综合作用，1号湖区则通过把场地划分为4个分区来实现，这4个分区分别设立10条生态明沟、生态洼地与雨水花园等形式各异的生态滞留系统，而各系统又安排1个“小沉淀池”，最终10个小沉淀池汇聚的水体均流入紫云湖。于此，小沉淀池起到操控场地雨洪的阀门作用，系统调节雨洪与径流的“蓄与释”问题。

2号湖区域主要作为场地的娱乐活动区、交通与生态停车场，使得该区域易遭受过多的外来污染因子干扰。针对该区域雨水蓄积的辅助策略是在湖区周围安排梯级型雨水汇聚区，经过重力流汇入雨水花园来减缓径流流速和净化雨水，再流入2号湖内(图5)。而主导性策略是将湖面设计成左、中、右3个区，其中在“左-右”两区域设置植被缓冲带，可起到过滤污染物、保障下游水流稳定性的效能。中部区增设蓄水涵箱，再安排“回水渠”和“泄洪暗渠”，使得水体一部分作为紫云湖的回补水，一部分用于植被灌溉，而剩余则排至下游的溪及河道，从而构建一套循环利用的“回水系统”。

对比1、2号湖区域的雨水调蓄系统，虽同为集水系统，但两者的主导性作用不同。前者侧重采煤疏矸水和雨水净化后的“蓄与用”，而后者则追求先治污、再循环、后排水等问题，侧重“回与排”。

2.2.3 循环利用

根据前期基础数据与降水量数据分析，主汛期公园空间与湖体水量的需求不存在矛盾。然而，随着汛期的离去可能会出现干旱与特大干旱期，为了在极端自气候困境下维持山体水文系统的稳定性，在紫云湖内安排完整的一套由蓄水涵箱与补水口构成的水循环系统。在2号湖床设置蓄水涵箱，自蓄水涵箱至补水口最短线路铺设回水渠，通过回水渠可将2号湖的水导入补水口。补水口设置在紫云湖1号湖西北处，是水源输出、补给及循环的枢纽。补水口深约1.5m，其上为自然溢水(出水口)，包括暗埋的向1号湖输水的回水管道和侧分带中的渗透管；其下为进水管，包括连接蓄水涵箱的回水管和净化后的采煤疏矸水的引水管。主汛期雨量丰沛，水位上升，蓄水涵箱水注满，可由溢流管将多余的雨水释放至周边的土壤或雨水花园中。当遇到特大干旱时，蓄水涵箱蓄积的水主要优先考虑补给出水口和渗透管，由此在水循环上达到人与自然的和谐。

2.2.4 水体自净

基地的“净水”过程不应过于复杂，行使自然做功的能力，实现低成本投入和低技术集成的高效净化。通过对场地污染强度、人工干扰强度及生态能动性强度进行分级处理。针对采煤疏矸水的净化，进行“初期径流、沉淀、过滤”，通过引水泵传输措施引入植草浅沟与下凹绿地，再汇于梯级调节塘进行二次净化，最后流入阶梯三维化的紫云湖，深入优化和激活水质。对于雨水净化，可依据复杂多变的地形填挖大小深浅各异的“涧-湖-潭-溪”多梯级生物滞留带的净水处理方式，还可提高水文动力。同时，借助季节性雨水的留存、过滤、植被吸收等自然过程改善贫瘠土壤，在湖床内安排12个植物床，为满足雨水净化过滤需求，植物配置应以具备过滤、吸收污染物的乡土水生植被为主，搭配相应的鱼类和微生物，构成了不同容量的“保水区”和“净化区”，形成层次丰富的植被群落和生物循环净化过程。

2.3 植被——生命景观的提出

为了修复废弃矿山生态，保证山体、植被与景观水文的稳定性，提出“水与绿耦合”的策略。将基地约65hm2的生态绿化视为雨水消解的终端核心区块，既要承接自身径流的蓄存排放、消减处理周围环境及道路的雨水径流，又要发挥过滤净化的功效，还要激发场地形成一个可自然调节与组织的“生命景观”(图5)。设计师在这种不具备任何生命力的废弃矿山上塑造“生命景观”系统，可借鉴景观生态学的基质、斑块、廊道的概念。

图5 场地生命景观的各叠加及随着时间增长生境多样性恢复分析

生命景观这一动态过程主要与以下几个因素有关。1)“地形微调”。人工填挖构筑的山涧、深塘、浅滩，在规划层面则体现规划项目和构筑物的空间形态，而生态层面则为各类生物营造适宜的栖息环境。2)“涧湖潭溪”。点、线、面交叉形成的水网空间对穿梭其间生态过程具有“汇”和“编”的效能，可有效地激发场地的交通系统、排水系统与地面水系以及组团和线性森林的联系性。3)“以绿养水”。植被的生态系统服务不是静态的，而是具备扩展蔓延的能力。植被在自身生态承载能力范围内，可为形成良性水循环网络提供生态支持机制，实现园区与周边环境生态系统服务的协调性。这3个犹如“生态机器”的影响因素将其视为景观生态学的“基质”——基垫体系、“斑块”——群岛体系和“廊道”——线性体系，依据景观基础设施的反馈而进行动态的调整和管理，旨在将“自下而上”的设计与“自上而下”的功能相互依存，创造一种全新的动态蔓延式景观设计机制，实现了海绵城市所强调的生态系统自我修复与更新的目标。

在今天废弃地的综合蓝绿基础设施满负运载的情况下，公园的“水与绿耦合”具有以下3个基本特征。1)将水与绿的空间划分、蓝绿基础设施以及重建植被与保水过程有机叠加，构建了一套适用于水源匮乏、植被无法存活的废弃地海绵系统。2)改善水与植被空间布局关系，优化生境，增强植被生长率，降低场地水体与绿地后期维护费用约35%左右。3)通过一系列“复绿-保水”的管理模式，实现水的时空配置与植被重建的耦合，具有成本低、耗时短、无能耗、复合多维度以及易实施推广的特点。

2.4 生境——时间与事件的引入

湖体的“空间形态”涉及人的使用空间、土地利用方式、道路与水体的布局关系，若在湖面安排多样的活动空间，势必导致水面积减小。为了创造一种依据 “时间转换”而具备适应性和调节性的景观体系，将水空间的组织形式自刚性的“结构”变为柔性的“框架”，构建几个短暂“时间-事件”[17]一体化的景观过程，使各水岸空间与环境的边界互为开放，为未来多样性的活动与事件提供韧性与置换的生境。

比如紫云湖的2个“潭形坝”(图6)，坝体横向上设计成“山体+漂流道+梯田花海+土坝+山体”景观模式，竖向上处理成1～4m高低不等的10层跌潭，该空间打破传统堤坝水体与人的活动两者之间长期割裂的僵局，构建一种弹性的湿地生境，水位高低将直接影响生境的状况。丰水期水位上涨，可活动性空间全部淹没，形成气势恢宏的叠瀑生境；平水期水位平稳，允许淹没4层跌潭，持续干旱至枯水期，潭形坝可满足人流、物流得以和各类生态流进行频繁互动的动态生境。从设计和管理角度来看，设计师所关注的并非是一种“被设计”的对象，而是基于生态学及相关学科的知识体系，营造一个随着时间和水位变化而演替的竞技场，并为场所未来新的活动预留场地。

图6 潭形坝的建成图与剖面图(单位：mm)

3 紫山公园水生态系统效能评价

本文以河北邯郸市紫山公园为例，改造前如图7所示，因过度采煤造成山体千疮百孔，水源和植被破坏严重，退化为荒山秃岭。现场遍布废弃煤矿及裸岩，既影响自然景观又带来环境污染，易诱发山体滑坡、水土流失等有安全隐患的地质灾害。此外，附近水泥、炼钢等产业不合理规划，导致破坏性建设，对场地及其周边空气污染和景观形象影响很大。

图7 紫山改造前后情况对比

根据《中华人民共和国水法》《邯郸市国家生态园林城市建设规划(2006—2020)》，场地通过人工填挖紫云湖的方式来形成类似自然的山水林。为了实现“涧湖潭溪”的水生态设计概念，根据园区地形高差变化，构筑了2个大小不一的水面，分别营造旷奥有别的山水空间。为了让出更大的水面空间，路径沿水系也形成自然平行的路网，并安排了几个季节生境，形成以紫云湖为核心的滨湖空间格局。本文力求从水生态设计的角度，针对废弃矿山中水生态修复前后提出相对客观的评价。

1)雨洪与径流调节效能方面的变化如图9所示。随着紫山不断被蚕食，导致场地山体破碎与水源枯竭。场地原有的集水区和径流蓄水沟具有调节径流与滞洪的作用，也随之几近丧失。修复过程清理矿渣约10万m3，拆除废弃建筑物7 500m2。人工填挖库容35万m3的紫云湖，能起到有效的雨洪滞留作用。在公园中央片区，由涧湖潭溪的水网空间形态取代原有的径流蓄水沟，湖平面上一分为二，竖向上成阶梯状“湖体-湿地”一体化的水网空间形态。政府相关部分统计场地建成前后几年雨水收集的平均值可知，随着植被覆盖率的提升，公园“聚水-用水-回水”的雨洪收集和径流调节效能呈现增长趋势(图8)。2016年面对邯郸地区遭受的“7·19”特大洪灾，初步成型的紫云湖，有效蓄洪35万m3，使每年饱受雨季洪灾困扰的紫山周围村庄与农田，安然渡过了洪水的侵袭。

图8 雨水收集平均增长率分析(作者绘，数据由政府相关部门提供)

2)植被覆盖率方面的变化如图9所示，首先，在政府的领导下紫山核心区参与义务植树活动，号召社会各界积极支持紫山生态修复，掀起社会各界扮绿紫山的热潮；其次，得益于紫云湖的修建，为植被的生长提供充足的灌溉用水，场地荒山栽植树木80万余株，恢复了紫山林相植被，增强了水源涵养功能。植物所具备净化和保水的功效，对改善紫山种植条件、周边农作生产及人民生活均有巨大的作用。最后，紫山公园水网空间格局中的植被覆盖率在2017年后进行测试，由恢复前的16%提升至93%。

图9 场地植被覆盖率分析(作者绘，数据由政府相关部门提供)

3)水体自净效能方面变化如图10所示。首先，紫云湖水源以煤矿疏干水为主，雨水径流为辅，经规划后在东北区利用地形高差建立多级净化池与山涧，水源处的净化功能提升；其次，林相恢复后场地植被覆盖率逐年递增，水与绿的耦合形成的生态自然系统，进一步提升自然自净能力；最后涧湖潭溪的水系网络形成的“疏蓄净排”系统，使水体自净效能呈递增的趋势，目前水体已满足鱼类和生物栖息以及人们戏水活动。