廢棄礦山水生態的彈性塑造
——邯鄲市紫山公園設計實踐

伍錫梅

康 胤*

肖華杰

楊 濤

本文的“廢棄礦山”是指煤礦廢棄、關閉后殘留下來的對人居環境帶來嚴峻威脅的煤矸石堆、礦井與塌陷地等[1]。通過相關文獻的深入梳理[2-4]，對廢棄礦山生態修復進行了相關研究，總結出土壤、植被與水的修復是廢棄礦山生態修復核心主導因子。譬如，澳大利亞采礦場地的修復將“土壤修復技術”作為重建基地生態系統抵抗干旱擾動的關鍵。美國密歇根湖區銅礦山修復項目采取“生態復綠修復技術”，目的是短時間內恢復場地的植被。而與水相關聯的廢棄礦山修復案例主要側重水體污染層面的問題，如美國利維坦硫礦廢棄地水治理工程[5]。對比這些案例時常出現將土壤、植被、生物與水體分離或單一控制[6]，使得修復后的場地易遭受暴雨洪澇與水源緊缺等困境。因此，如何高效將廢棄礦山的雨水蓄存與循環利用，而非簡單地通過市政管網快速排走，也就是使其修復后具備“海綿”的效能。

“海綿城市”一詞，在清華大學建筑學院劉海龍教授《“海綿城市”多面觀》一文中，將其作為針對水安全、水資源、水生態與水環境等問題的一個“理想城市”目標，旨在發揮自然“積存、滲透、凈化”的生態系統服務[7]。目前，城市化較高的西方國家在水生態對廢棄礦山的彈性管理上，其理論與實踐技術體系已趨于成熟。比如加拿大的阿爾伯特油砂礦山修復過程中提出“地形重塑、斑塊連通性、排水系統與地面水系”相聯系的水生態系統，實現場地與周邊水文生態系統的協調性。美國科珀希爾銅礦濕地治理工程[5]，采用“模袋毯+分水壩+沉淀池”特殊水生態修復方法，使其蛻變為一個濕地示范區。這些不同設計理念的實踐案例為中國的廢棄礦山海綿城市研究與實踐提供參考價值。國內相關的研究實踐起步較晚[8-10]，例如針對蘆嶺采煤沉陷區，提出“引水湖+生態溝渠+供水湖”三級水生態模式構建技術，又兼顧養殖型、景觀型和凈化功能的綜合型水生態模式的研究，最后實現采煤沉陷區“蓄水-供水”模式的水資源開發利用，有效解決基地水資源污染、緊缺與減排等問題[11]。因此，如何設計一套適用于廢棄礦山情境下的高效收集、輸送、凈化和循環利用的彈性水生態系統已成為當代“水生態設計”一個具有特殊創意價值的重要課題。

本文以紫山公園為例，圍繞海綿城市與廢地礦山的相關研究，開展一個廢棄礦山變身為高度水生態的“海綿生態公園”研究。筆者從場地挑戰與契機出發，深入思考廢棄礦山景觀規劃的4個方面：地形——人工海綿框架的構建；水體——水生態網絡的重構；植被——生命景觀的提出；生境——時間與事件的引入，來系統闡述與總結水生態設計策略，思考如何利用海綿城市的思路解決我國的廢棄礦山問題，以期為同類型的項目提供一定借鑒。

1 場地挑戰與契機

紫山風景名勝區，位于河北省邯鄲市西北部，2011年孟兆禎院士主持設計了總體規劃。作為名勝區一期的紫山公園位于名勝區南段的核心區，占地4.86km2。2014年中國美術學院風景建筑設計研究總院有限公司在前期總體規劃基礎上進行深入設計，筆者有幸參與項目設計的整個流程。設計中我們首先思考的是項目設計的現實挑戰，然后尋找隱藏在挑戰背后的契機，最后抓住契機采取一系列相應的設計策略。

早年的紫山作為城市西部的綠色屏障，在邯鄲享有“紫氣西來”之說。在20世紀70年代隨著鄉鎮企業的興起，紫山范圍內先后建起了41家煤窯煤礦，過度無序的開采導致山體被掏空，地表水源枯竭，植被大量死亡，水土流失嚴重。至90年代末，昔日山清水秀的紫山已成為一座滿目瘡痍的荒山(圖1)。設計團隊通過對紫山及周邊區域的反復調研分析，能否恢復紫山昔日的靈秀，水生態系統的建立成為公園設計成功與否的關鍵。“山因水活”，設計師根據場地特征構建了以紫云湖為核心的水生態系統，但如何“集水、凈水、蓄水”以滿足30萬m3紫云湖景觀用水的需求，成為設計師面臨的最大挑戰。

圖1 場地修復前衛星總平面圖(1-1)、修復后總平面圖(1-2)

2 紫山公園彈性水生態系統的設計

針對場地地形破碎、荒巖裸露、汛期內澇以及極端氣候條件，憑借地形高差紫云湖上游雨水匯流急、沖刷力強，而下游泄洪不暢，存在水體污染、水源衰竭等水文災害問題。探討山地水文特征下的廢棄礦山彈性水生態設計策略，在規劃設計之初，根據場所地形與結構特點，在公園所在的4.86km2范圍內，將生態系統服務納入考慮的范疇，提出將地形、水體、植被及生境進行充分地“疊加”，構建符合場地特定地理環境的“集水-用水”一體化的水生態管理系統[12]。在展示水生態彈性治理場地問題的過程中，兼顧雨水收集、凈化、調蓄、集中分配與緩釋灌溉等海綿功能，可有效解決紫山水源匱乏、植被缺水等問題，實現場地人-水-景-生態設計目標的疊加(圖2)，同時思考如何利用可持續的方法來解決湖體大量的水源問題以及水體的后期維護。

圖2 場地水生態系統總體理水策略

2.1 地形——人工海綿框架的構建

基地因長期以來的挖煤與開礦等行為，導致山體荒巖裸露，內部遺留眾多挖煤通道。雖歷經15年的沉降基本穩定，但由于均是沒有具體設計圖紙的小煤窯，促市場地采空區分布不清晰，易出現隨時性的坍塌和匯水阻隔等問題。需利用GIS對場地的水文地質災害和水文功能的強度進行評估。再者，加固山體地質隱患區，嚴格控制水深，保留場地已有的天然坑塘和徑流蓄水溝等區域，利用該區域內2個連續的壺口，構筑起2道壩體，形成2個高差約10m左右的階梯湖。最后，梳理水系網絡，識別潛在徑流蓄水路徑，連通園區內的自然排水廊道，促進湖體上游、下游的溪、澗、潭等各等級水系的連通性，以構建具有滯洪、凈化、補水及調控徑流等完整功能的“階梯型”人工海綿框架體系——“澗湖潭溪”。過程中利用梯級分段壘石的滯蓄方式在山澗徑流區布置具有海綿功能的潭。在岸邊處理上，利用防滲毯構造使湖面形成溢水面和枯水面，在湖岸邊形成600mm的海綿帶(圖3)，以有效發揮景觀生態環境的脈絡和導管的功能[13-16]。

圖3 湖面海綿通道詳圖及建成圖(單位：m)

2.2 水體——水生態網絡的重構

園區的又一重要海綿特征是，場地水網系統的設計不僅作為“面”上的審美觀賞，更為注重湖“里”的生態功能。針對廢棄礦山水網空間形態的重構問題，從過去單一控制轉向水源收集、雨洪調蓄、循環利用、水體自凈等綜合管理的水生態服務系統，這一系統不僅可供觀賞，還具有調控整個廢棄礦山雨水的“集、蓄、凈、用”的復合功能，使其成為整個園區彈性水生態系統的指揮中樞與終端的檢驗平臺。

2.2.1 水源收集

邯鄲市屬于暖溫帶大陸性季風氣候，除了汛期降水量大，其他時期會出現旱期，而紫云湖的水并非單一源自雨水。針對場地水源枯竭與植被缺水的問題，提出采用源頭分散、化整為零的集水策略。雨水，作為廢棄山地水生態過程中重要的水源收集途徑之一，可視為地下水與湖體水量的補充水源，有效提高廢棄礦山水文格局生態過程的發生。統計分析場地24個節氣內近40年的平均降水量，降雨時間及強度分配存在明顯的季節性差異，降雨量的70%以上集中在6—9月，7、8月為主汛期會出現峰高量大、雨型急促、匯流歷時短等特點大雨及特大暴雨情況。根據場地地形特征，采用分散式的雨水收集模式，引導外向排放型雨水轉變為內向聚集型，從而形成分散型雨水收集系統(圖2)。

在勘察場地過程中，了解原場地東邊目前尚有焦窯煤礦在運作，每天約4 000m3的采煤疏矸水排出，設計過程中將其全部收集，經過初期徑流池、沉淀池、過濾池、清水池四步驟的處理，轉化為基地的主水源，輔以雨水收集系統，共同構成場地內的“活水源”。不僅部分緩解紫山汛期洪澇與徑流、旱期干旱與缺水的壓力，同時也解決場地水源收集和植被灌溉用水的問題。

2.2.2 雨洪調蓄

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

設計師通過對場地所在流域水文系統的全面動態分析，依據水源出處的不同，將澗湖潭溪的“湖”設計成階梯1、2號兩湖面，1號湖區包括采煤疏矸水凈化區、雨洪徑流區、引水湖及水源出口區(補水口)。2號湖區主要是酒店、游客中心、兒童戶外拓展活動區、游船碼頭以及生態停車場。場地的雨洪調節和儲蓄系統具體是圍繞1、2號湖區來開展的(圖4)。

1號湖區域，作為場地的“集水容器”，圍繞著它設置以下2條集水途徑。1)采煤疏矸水系統：所有的采煤疏矸水，通過4級階梯滯留池生態過濾和利用，結合滲透溝渠、植草淺溝和加壓泵等引水系統輸送至出水口，最后匯聚于紫云湖，作為場地的“主水源”。2)雨水系統：包括紫山風景區、廣場、道路和生態停車場4個方向上的全部雨水。景區的雨水借助重力流通過大片植被過濾網，經截洪溝流進雨水花園后，匯聚于凹水渠，再通過小沉淀池匯入1號湖。廣場雨水，通過地表徑流過攔污槽與植被滲渠過濾后，流入雨水花園進一步凈化，再匯聚至雨水井，最后經棄流井設施流入1號湖。而場地內道路和生態停車場的雨水，需經地表徑流匯于攔污槽，經植草淺溝后匯入雨水花園，再流入梯級濕塘滯留池，最后溢流入1號湖。這4條雨水收集途徑可視為基地的“補水源”(圖4)。

圖4 場地水系循環利用流程分析

在園區水生態實踐操作流程中，經過這2條水源收集途徑的綜合作用，1號湖區則通過把場地劃分為4個分區來實現，這4個分區分別設立10條生態明溝、生態洼地與雨水花園等形式各異的生態滯留系統，而各系統又安排1個“小沉淀池”，最終10個小沉淀池匯聚的水體均流入紫云湖。于此，小沉淀池起到操控場地雨洪的閥門作用，系統調節雨洪與徑流的“蓄與釋”問題。

2號湖區域主要作為場地的娛樂活動區、交通與生態停車場，使得該區域易遭受過多的外來污染因子干擾。針對該區域雨水蓄積的輔助策略是在湖區周圍安排梯級型雨水匯聚區，經過重力流匯入雨水花園來減緩徑流流速和凈化雨水，再流入2號湖內(圖5)。而主導性策略是將湖面設計成左、中、右3個區，其中在“左-右”兩區域設置植被緩沖帶，可起到過濾污染物、保障下游水流穩定性的效能。中部區增設蓄水涵箱，再安排“回水渠”和“泄洪暗渠”，使得水體一部分作為紫云湖的回補水，一部分用于植被灌溉，而剩余則排至下游的溪及河道，從而構建一套循環利用的“回水系統”。

對比1、2號湖區域的雨水調蓄系統，雖同為集水系統，但兩者的主導性作用不同。前者側重采煤疏矸水和雨水凈化后的“蓄與用”，而后者則追求先治污、再循環、后排水等問題，側重“回與排”。

2.2.3 循環利用

根據前期基礎數據與降水量數據分析，主汛期公園空間與湖體水量的需求不存在矛盾。然而，隨著汛期的離去可能會出現干旱與特大干旱期，為了在極端自氣候困境下維持山體水文系統的穩定性，在紫云湖內安排完整的一套由蓄水涵箱與補水口構成的水循環系統。在2號湖床設置蓄水涵箱，自蓄水涵箱至補水口最短線路鋪設回水渠，通過回水渠可將2號湖的水導入補水口。補水口設置在紫云湖1號湖西北處，是水源輸出、補給及循環的樞紐。補水口深約1.5m，其上為自然溢水(出水口)，包括暗埋的向1號湖輸水的回水管道和側分帶中的滲透管；其下為進水管，包括連接蓄水涵箱的回水管和凈化后的采煤疏矸水的引水管。主汛期雨量豐沛，水位上升，蓄水涵箱水注滿，可由溢流管將多余的雨水釋放至周邊的土壤或雨水花園中。當遇到特大干旱時，蓄水涵箱蓄積的水主要優先考慮補給出水口和滲透管，由此在水循環上達到人與自然的和諧。

2.2.4 水體自凈

基地的“凈水”過程不應過于復雜，行使自然做功的能力，實現低成本投入和低技術集成的高效凈化。通過對場地污染強度、人工干擾強度及生態能動性強度進行分級處理。針對采煤疏矸水的凈化，進行“初期徑流、沉淀、過濾”，通過引水泵傳輸措施引入植草淺溝與下凹綠地，再匯于梯級調節塘進行二次凈化，最后流入階梯三維化的紫云湖，深入優化和激活水質。對于雨水凈化，可依據復雜多變的地形填挖大小深淺各異的“澗-湖-潭-溪”多梯級生物滯留帶的凈水處理方式，還可提高水文動力。同時，借助季節性雨水的留存、過濾、植被吸收等自然過程改善貧瘠土壤，在湖床內安排12個植物床，為滿足雨水凈化過濾需求，植物配置應以具備過濾、吸收污染物的鄉土水生植被為主，搭配相應的魚類和微生物，構成了不同容量的“保水區”和“凈化區”，形成層次豐富的植被群落和生物循環凈化過程。

2.3 植被——生命景觀的提出

為了修復廢棄礦山生態，保證山體、植被與景觀水文的穩定性，提出“水與綠耦合”的策略。將基地約65hm2的生態綠化視為雨水消解的終端核心區塊，既要承接自身徑流的蓄存排放、消減處理周圍環境及道路的雨水徑流，又要發揮過濾凈化的功效，還要激發場地形成一個可自然調節與組織的“生命景觀”(圖5)。設計師在這種不具備任何生命力的廢棄礦山上塑造“生命景觀”系統，可借鑒景觀生態學的基質、斑塊、廊道的概念。

圖5 場地生命景觀的各疊加及隨著時間增長生境多樣性恢復分析

生命景觀這一動態過程主要與以下幾個因素有關。1)“地形微調”。人工填挖構筑的山澗、深塘、淺灘，在規劃層面則體現規劃項目和構筑物的空間形態，而生態層面則為各類生物營造適宜的棲息環境。2)“澗湖潭溪”。點、線、面交叉形成的水網空間對穿梭其間生態過程具有“匯”和“編”的效能，可有效地激發場地的交通系統、排水系統與地面水系以及組團和線性森林的聯系性。3)“以綠養水”。植被的生態系統服務不是靜態的，而是具備擴展蔓延的能力。植被在自身生態承載能力范圍內，可為形成良性水循環網絡提供生態支持機制，實現園區與周邊環境生態系統服務的協調性。這3個猶如“生態機器”的影響因素將其視為景觀生態學的“基質”——基墊體系、“斑塊”——群島體系和“廊道”——線性體系，依據景觀基礎設施的反饋而進行動態的調整和管理，旨在將“自下而上”的設計與“自上而下”的功能相互依存，創造一種全新的動態蔓延式景觀設計機制，實現了海綿城市所強調的生態系統自我修復與更新的目標。

在今天廢棄地的綜合藍綠基礎設施滿負運載的情況下，公園的“水與綠耦合”具有以下3個基本特征。1)將水與綠的空間劃分、藍綠基礎設施以及重建植被與保水過程有機疊加，構建了一套適用于水源匱乏、植被無法存活的廢棄地海綿系統。2)改善水與植被空間布局關系，優化生境，增強植被生長率，降低場地水體與綠地后期維護費用約35%左右。3)通過一系列“復綠-保水”的管理模式，實現水的時空配置與植被重建的耦合，具有成本低、耗時短、無能耗、復合多維度以及易實施推廣的特點。

2.4 生境——時間與事件的引入

湖體的“空間形態”涉及人的使用空間、土地利用方式、道路與水體的布局關系，若在湖面安排多樣的活動空間，勢必導致水面積減小。為了創造一種依據 “時間轉換”而具備適應性和調節性的景觀體系，將水空間的組織形式自剛性的“結構”變為柔性的“框架”，構建幾個短暫“時間-事件”[17]一體化的景觀過程，使各水岸空間與環境的邊界互為開放，為未來多樣性的活動與事件提供韌性與置換的生境。

比如紫云湖的2個“潭形壩”(圖6)，壩體橫向上設計成“山體+漂流道+梯田花海+土壩+山體”景觀模式，豎向上處理成1～4m高低不等的10層跌潭，該空間打破傳統堤壩水體與人的活動兩者之間長期割裂的僵局，構建一種彈性的濕地生境，水位高低將直接影響生境的狀況。豐水期水位上漲，可活動性空間全部淹沒，形成氣勢恢宏的疊瀑生境；平水期水位平穩，允許淹沒4層跌潭，持續干旱至枯水期，潭形壩可滿足人流、物流得以和各類生態流進行頻繁互動的動態生境。從設計和管理角度來看，設計師所關注的并非是一種“被設計”的對象，而是基于生態學及相關學科的知識體系，營造一個隨著時間和水位變化而演替的競技場，并為場所未來新的活動預留場地。

圖6 潭形壩的建成圖與剖面圖(單位：mm)

3 紫山公園水生態系統效能評價

本文以河北邯鄲市紫山公園為例，改造前如圖7所示，因過度采煤造成山體千瘡百孔，水源和植被破壞嚴重，退化為荒山禿嶺。現場遍布廢棄煤礦及裸巖，既影響自然景觀又帶來環境污染，易誘發山體滑坡、水土流失等有安全隱患的地質災害。此外，附近水泥、煉鋼等產業不合理規劃，導致破壞性建設，對場地及其周邊空氣污染和景觀形象影響很大。

圖7 紫山改造前后情況對比

根據《中華人民共和國水法》《邯鄲市國家生態園林城市建設規劃(2006—2020)》，場地通過人工填挖紫云湖的方式來形成類似自然的山水林。為了實現“澗湖潭溪”的水生態設計概念，根據園區地形高差變化，構筑了2個大小不一的水面，分別營造曠奧有別的山水空間。為了讓出更大的水面空間，路徑沿水系也形成自然平行的路網，并安排了幾個季節生境，形成以紫云湖為核心的濱湖空間格局。本文力求從水生態設計的角度，針對廢棄礦山中水生態修復前后提出相對客觀的評價。

1)雨洪與徑流調節效能方面的變化如圖9所示。隨著紫山不斷被蠶食，導致場地山體破碎與水源枯竭。場地原有的集水區和徑流蓄水溝具有調節徑流與滯洪的作用，也隨之幾近喪失。修復過程清理礦渣約10萬m3，拆除廢棄建筑物7 500m2。人工填挖庫容35萬m3的紫云湖，能起到有效的雨洪滯留作用。在公園中央片區，由澗湖潭溪的水網空間形態取代原有的徑流蓄水溝，湖平面上一分為二，豎向上成階梯狀“湖體-濕地”一體化的水網空間形態。政府相關部分統計場地建成前后幾年雨水收集的平均值可知，隨著植被覆蓋率的提升，公園“聚水-用水-回水”的雨洪收集和徑流調節效能呈現增長趨勢(圖8)。2016年面對邯鄲地區遭受的“7·19”特大洪災，初步成型的紫云湖，有效蓄洪35萬m3，使每年飽受雨季洪災困擾的紫山周圍村莊與農田，安然渡過了洪水的侵襲。

圖8 雨水收集平均增長率分析(作者繪，數據由政府相關部門提供)

2)植被覆蓋率方面的變化如圖9所示，首先，在政府的領導下紫山核心區參與義務植樹活動，號召社會各界積極支持紫山生態修復，掀起社會各界扮綠紫山的熱潮；其次，得益于紫云湖的修建，為植被的生長提供充足的灌溉用水，場地荒山栽植樹木80萬余株，恢復了紫山林相植被，增強了水源涵養功能。植物所具備凈化和保水的功效，對改善紫山種植條件、周邊農作生產及人民生活均有巨大的作用。最后，紫山公園水網空間格局中的植被覆蓋率在2017年后進行測試，由恢復前的16%提升至93%。

圖9 場地植被覆蓋率分析(作者繪，數據由政府相關部門提供)

3)水體自凈效能方面變化如圖10所示。首先，紫云湖水源以煤礦疏干水為主，雨水徑流為輔，經規劃后在東北區利用地形高差建立多級凈化池與山澗，水源處的凈化功能提升；其次，林相恢復后場地植被覆蓋率逐年遞增，水與綠的耦合形成的生態自然系統，進一步提升自然自凈能力；最后澗湖潭溪的水系網絡形成的“疏蓄凈排”系統，使水體自凈效能呈遞增的趨勢，目前水體已滿足魚類和生物棲息以及人們戲水活動。

圖10 人們在公園游玩與戲水的場景

4 結語

“水生態系統”的有效建立是以紫云湖為中心的紫山公園成功的關鍵。集水、凈水、蓄水問題的合理解決，因水而活的生境系統創立，使項目不僅僅只是滿足表象審美，而且更多體現了景觀的能動性，讓鳥語花香、游人如織，重新回到“昔日”的廢棄礦山。

借鑒海綿城市理論，詳盡解讀研究場地及其水文、氣候等各類信息，再通過對地形整理、水生態系統的構建、植物種群的建立及生境系統的營建成為廢棄礦山彈性塑造中的重點。其中水生態系統的構建則更是彈性塑造的核心，也是打造海綿城市的重中之重。在這方面紫山公園的水生態設計為此類項目提供一個極佳的范例。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制或拍攝。