自然游憩

摘 要：哈尔滨群力国家城市湿地公园是以细胞的设计理念建立的城市雨洪公园，在保护湿地的基础上发挥了重要的雨洪调蓄作用。本文基于设计和建成情况，评价公园的雨洪调蓄能力。利用湿地高程数据建立模型计算群力湿地公园在正常条件下和最大蓄水条件下蓄滞雨水的能力分别为71905.85立方米和137674.638立方米。根据水量平衡模拟雨水收集供给方式下群力湿地公园所能收集的雨水范围。分析不同水源补给方式下群力湿地公园的水量及水质净化情况，通过比较得出雨水收集补给方式最优。

哈尔滨市属于中温带大陆性季风气候，四季分明，年平均降水量529.08 毫米。松花江在哈尔滨城区段绵延123 公里，为哈尔滨带来丰富的湿地资源。全市湿地总面积为32.9 万公顷。其中，沼泽湿地面积为13.7 万公顷，河流湿地面积为19.2 万公顷。（2010 年数据）湿地生物多样性丰富，野生动物种类繁多，水生动植物、陆生植物以及鸟类等生物资源丰富。

由于工农业发展、城市开发、气候变化、降水减少、大型水利工程建设等原因，黑龙江流域湿地出现了湿地面积锐减、湿地生态环境恶化、生物多样性受损害、湿地功能减退、湿地景观消失等危机。哈尔滨湿地面积迅速减少，大部分的城市湿地由于面积减小，与水源断开，加之周边城市建设的发展，已逐步成为湿地孤岛。
由于城市化的迅速发展，道路、建筑群等不透水面积的扩大，雨水不能再渗入地下水补水；加上地下水的严重超采，城市水紧缺、生态环境破坏等问题日益突出，雨水的收集与利用对于水资源的保护与利用、城市生态环境的建设有着重要的价值和意义。城市雨洪公园的诞生，为解决城市涝灾指明了一条出路，一条通过生态和景观设计来解决常规市政工程所没能解决的更有效的途径。城市雨洪公园一方面可以解决城市雨水的排放和滞留，使城市免受涝灾威胁，另一方面通过利用城市雨洪，恢复湿地系统，营造出具有多种生态服务的城市生态基础设施。 
1 理想模式下雨洪调蓄潜力分析
理想模式是指场地的水环境完全满足设计预想，即全部采用降雨量补给湿地。基于景观中水文过程与空间要素和格局的关系，分析群力湿地公园的蓄滞雨水能力，公园周边地区的地表径流蓄集能力、地表径流产生能力。通过对这些空间关系综合得到最终的研究区域的雨洪调蓄潜力。

1.1 主要水文过程
场地的水文过程主要指陆地水的流量及流向过程，包括两个部分，一是原生湿地的径流过程，二是人工湿地系统的给排水过程。
在GIS中将已有的原生湿地高程点进行克里金空间插值，得到群力湿地公园自然条件下的高程模型。可知，场地较为平整，周围高，内部低，陡坎处最大高差约2 m，湿地内最大高差约1 m。原生湿地整体东高西低。通过GIS水文过程模拟，得到湿地公园原生湿地的径流量和流向。
人工湿地系统通过给排水管道与城市雨水管道相连，城市雨水管道收集周边地区的雨水径流，排入公园给排水管道，将水引入外围的人工湿地泡，湿地泡之间通过给排水管相连，通过高程调节流向，由外侧向内流通，最终排入原生湿地。场地共有38 个排水通道，每个通道连接2-5 个湿地泡。  
由此，群力湿地公园场地的地表水文过程为：外围人工湿地系统通过给排水管道，水由外侧人工湿地泡逐层留下，最终注入原生湿地；原生湿地根据自然地形，在各级径流的汇流处形成较大的汇水区，最终流向西侧大汇水区。

1.2蓄滞能力计算
群力湿地公园的湿地蓄滞雨水能力通过原生湿地和人工湿地两部分分析。其中原生湿地的蓄滞能力由GIS模拟地形条件得到，人工湿地的蓄滞能力则根据工程设计来计算。蓄滞能力分为正常蓄滞能力和最大蓄滞能力两个方面。正常蓄滞能力指能够满足景观要求下，湿地所能蓄滞的雨水；最大蓄滞能力则是水全部淹没该区域，场地能容纳的最大雨水量。1.2.1 正常蓄滞能力
湿地的正常蓄滞能力需要满足景观要求，满足游人的观赏游憩需求。因此雨水不能淹没步道及步道包围的人工湿地泡，可以淹没原生湿地及与原生湿地相同的部分人工湿地泡。根据场地分析，确定淹没的标高为117.6 米。淹没范围如图5，其中深灰色为被淹没区域，浅灰色为未淹没区域。
计算湿地泡蓄水体积时，将湿地泡视为圆台，单个湿地泡蓄水体积公式（公式1）为：
                    V=12πh(R2 Rr r2)              

公式1式中h为设计高程；S为水面面积；s为泡底面积。最终得到正常条件下群力湿地公园的蓄水体积为71 905.85 立方米（具体见表1）。1.2.2 最大蓄滞能力
最大蓄滞能力则是水全部淹没该区域，场地能容纳的最大雨水量。以此为据，选取的场地最大标高应为道路的最低高程，即场地蓄滞的雨水水位不能超过道路标高。因此，最大蓄滞能力的水位标高为118 米。淹没范围下的最大蓄滞容量为137 674.638 立方米。（计算方式与上文相同）
1.3 汇水面积估算
由于群力国家湿地公园的雨洪能力主要体现在收集周边地区的雨水，降低暴雨洪峰流量，增加雨水资源的利用，增加湿地补给用水。因此需要根据公园的蓄滞能力估算所能进行雨水收集的最大范围。1.3.1 水量平衡分析
将群力国家湿地公园视为一个流域，则该流域的水量收入主要为公园范围的降水，周边地区的雨水径流；水量支出为公园蒸发和下渗（水量平衡分析如图7）。
水量平衡公式（公式2）为：
               V=P R-E-I                                  

公式2式中，V为湿地蓄水容量；P为降水量；R为径流量；E为蒸发量；I为渗透量。
由于湿地公园的土壤水分基本处于饱和状态，因此假设渗透量为零。公式变为：V=P R-E。1.3.2 降雨量
根据中国气象数据共享网站的数据，计算出哈尔滨市1957 年以来的年、月平均降雨量，进而得到群力湿地公园范围下的月均降雨量。
根据松花江干流哈尔滨段历史暴雨统计，哈尔滨日最大降雨量为241.1毫米，此数值可作为降雨量的极值。1.3.3 蒸发量
根据下垫面的不同，蒸发量有所不同。由于湿地公园大部分被水覆盖，因此通过水面蒸发量来计算场地的蒸发量。

1.3.4蓄水量
根据上节计算，群力国家湿地公园的正常蓄水量为71 905.85 立方米，最大需水量为137 674.638 立方米。1.3.5雨水径流量
根据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》（GB50400-2006），雨水径流总量的计算公式（公式3）为：
             R=φhF                                    

公式3式中，R：雨水径流总量（m3）；φ：径流系数；h：降雨厚度(m)；F：汇水面积(m2)。
根据《德国雨水入渗规范》（ATV-DVWK-A138）中不同下垫面类型的雨水径流系数来定义径流系数。据场地分析，群力湿地公园周边地区主要为高层住宅居住区，根据《城市居住区规划设计规范》（GB 50 180—93）中居住区的用地构成，以及实际场地用地类型分区计算，确定群力新区建筑、道路及广场、绿地的比例及径流系数（周边用地类型见图8）。
根据各类型用地所占的面积比例及其径流系数，加权得到该地区的平均径流系数为0.568，即φ=0.568。1.3.6汇水面积计算
由于每日、每月的降雨量、蒸发量都不同，由此求得的汇水面积也不同。因此计算年平均汇水面积，以及日最大降雨时的汇水面积。此外，由于蓄水容量有正常蓄水容量和最大蓄水容量两类，因此求得的汇水面积。
经计算，正常情况下，群力湿地公园一般可以收集123 公顷范围的雨水，最多可以收集144.89 公顷的雨水；极端暴雨的情况下，群力湿地公园尚可以收集至少0.86 公顷，至多48.92 公顷范围的雨水。如果雨水管铺设完好，通过雨水收集的方式获取水源，既可以起到充分利用雨水的作用，也可以是补给湿地的水源充足。
2 现实雨洪调蓄能力调查与评价
根据2011、2012 年两次现场勘查，群力国家湿地公园尚未开始将雨水收集作为湿地补给的水源。2011 年采用地下水补给，2012 年5 月份起通过引松花江水补给湿地。

2.1 地下水补给的公园水环境评价
湿地的全部补给水源来自于公园周边的四口地下水井。由于这里的水质受到污染，铁锰含量严重超标。打出的地下水颜色发黄，铁锈多，影响了湿地公园的景观效果。
2.1.1水量供给分析
由于每一次地下水井抽取的水量由湿地泡的水位决定，通过对湿地泡的水位测量可以估算出地下水补给的水量。通过实地观测和照片判读，湿地泡的水位并不均衡。有些湿地泡水位高，水漫过观景台，有些水位低，植被根部露出。将水位分为四个等级，分级标准为：极多—距岸高度小于10 cm；正常—距岸高度10-50 cm；极少—大于50 cm；干涸—无水。湿地泡水位分布及个数比例见图9和表6：
2.1.2湿地泡净化能力分析
根据湿地泡中的沉积物，水体清澈程度以及湿地泡散发的味道等评价因素，将人工湿地泡的水质分为五个等级。分别是：A水质很差；B水质较差；C水质较好；D水质很好；Dr干涸湿地泡。根据拍摄照片及现场的访谈调研记录，得出人工湿地泡的水质等级分布图（图10）。可见，A级湿地泡有34 个，B级42 个，C级24 个，D级3 个，干涸湿地泡35 个。A、B两级湿地泡比重为55.07%，湿地泡整体水质较差。从分布看，干涸湿地泡分布在场地最外侧，A、B级湿地泡在中层，C、D级湿地泡在内侧，靠近原生湿地。
通过对38条给排水通道中湿地泡的水质变化可知，水通过层层湿地泡得到了一定程度的净化。第一个湿地泡水质为A级的占39.47%，B级39.47%，C级21.05%，最后一个湿地泡，即溢流入原生湿地的水质为A级23.68%，B级36.84%，C级39.47%。（表7）湿地泡在完全依托生态净化的情况下，对污染较为严重的群力新区的地下水有较为明显的的净化作用。
2.2  2012年群力湿地公园水环境评价
2012 年5 月起，群力湿地公园关闭了所有的地下水井，引用松花江水作为湿地水源。将原来废弃的自来水厂重新启用并改造，建立新的水泵站管理群力新区几大公园的供水。据了解，群力湿地公园每星期向湿地注一次水，每次两天三夜，注满就停，水量并不固定。松花江水直接注入到原生湿地中，并不是通过给排水管从外围湿地泡逐层流入，最终流至原生湿地。这使外围的人工湿地系统大部分严重缺水，而与原生湿地相连的人工湿地泡水量充足甚至过多。
2.2.1人工湿地泡水位分析同样采用与2011 年一样的分级标准，将水量分为极多，正常，极少，无水四个等级。其中干涸湿地泡有54个，比去年和设计旱地泡多了19 个；水量极少的湿地泡有15 个，比去年的多了7 个；正常水位有50 个，比去年少了33 个；水量极多的有19 个，比去年多了7 个。（见表9）这说明水直接注入湿地后，人工湿地泡的水量分配极不平衡，外围湿地泡水量极少甚至没有，中心湿地泡水量极多，很多泡内的平台被水淹没，这极大的影响了人工湿地系统的景观效果，也危害了先前营造的植物生境。

2.2.2水质状况分析
引入的松花江水质良好，因此湿地泡内的水质状况明显得到改善。同样根据之前的分级标准，湿地泡水质较
差，较浑浊的仅有19个，占22.62%。这些水质较差的湿地泡同样分布在最外侧，靠近原生湿地的湿地泡水质则较好，说明湿地泡起到了一定的净化过滤作用。
3  三种水源补给方式的比较
由于雨水、地下水、松花江水的水质不同，引水的水量和成本不同，为群力湿地公园带来的景观效果和起到的生态价值也不同。因此，将三种补给方式的水量、水质、费用、景观效果和生态价值进行对比排序，具体见表10：
（1）水量
地下水抽取的水量可以保证所有人工湿地泡都达到设计要求，原生湿地同样也得到了大量的水；松花江水直接注入原生湿地，原生湿地获取的水量最大，然而过半的人工湿地泡都获取不到水源，因此水量排第二；雨水收集获取的水量受到雨水管铺设范围的影响，由于哈尔滨降雨量较小，且年际分布不均，仅仅依靠雨水收集可能无法达到原生湿地和人工湿地的水量要求，排第三位。
（2）水质
雨水的水质受到大气质量以及下垫面的影响。由于城市大气污染严重以及屋面和道路的材料有一定的污染性，雨水径流也相应的受到污染，大部分的雨水重金属含量超标。群力新区的环境状况良好，雨水的水质相应比城区要好。群力新区湿地公园建成前曾为一片荒地，周围有垃圾厂和工厂，对土质有严重的污染，水质也遭到了污染。据测量，地下水的铁锰、氨氮、总磷含量严重超标。松花江哈尔滨段水质达三类水体标准，相对于雨水和地下水，水质较好。
（3）成本
由于引用松花江水需要建立水厂和水泵站，成本较大；地下水抽取需要设置地下水井，电费和水井成本较高；雨水收集使用现有的城市雨水管道，成本很低。
（4）生态意义
收集雨水的生态意义很大，一方面缓解了城市内涝问题，将雨水有效的收集利用，补给湿地；另一方面，收集的雨水通过湿地泡的净化，水质得到改善，为湿地生境改善创造了条件。地下水的抽取使雨洪公园失去了其最初的设计意义。湿地的退化一部分是由于地下水水位的下降，继续抽取地下水会形成地下漏斗，加速地下水水位下降和地表水的下降，形成恶性循环。
（5）景观效果
松花江水由于直接注入原生湿地，外围的干涸湿地泡增多，一部分的湿地泡水量较少，还有一部分的湿地泡被水淹没，景观效果最差；地下水补给的湿地泡水量合适，但是由于水质较差，水面上漂浮着黄色铁锈，一些湿地泡还有恶臭，景观效果较差。综上分析，三种补给方式中雨水收集的方式最优，松花江水补给第二，地下水补给方式最差。
根据与群力政府的访谈，不采用雨水收集补给方式的主要原因是哈尔滨的降雨量较少，且年际分布不均。采用该方式收集量较小，需要铺设大面积的雨水管道。笔者认为，除了收集城市雨水径流，还可以采取中水回用的方式来满足湿地生态需水。将群力居住区的生活用水经净化处理，达到景观生态用水标准后注入湿地。收集的雨水回用的中水水量应该可以满足了湿地生态用水的需要，同时对于水资源的可持续利用具有重要意义。具体的数据支撑需要进一步的研究。
本文具有以下几方面的误差：1）观测公园的水量和水质时，由于测量工具的限制，大部分采用目测的方式，测量结果有一定误差；2）计算雨水收集的汇水面积时，由于专业限制，对于水量平衡公式中各指标的计算不够精准。
4 结论
1）根据设计与施工的对比，群力国家城市湿地公园的雨水收集和利用的工程建设较好，若启用该方式补给湿地，可以达到预想的效果。
2）群力湿地公园的蓄水量很大，正常蓄水量为71 905.85 立方米，最大蓄水量可以达到137 674.638 立方米；在全部采用雨水收集补给湿地的条件下，正常情况下群力湿地公园可以收集123 公顷范围的雨水，最多可以收集144.89 公顷的雨水；极端暴雨的情况下，群力湿地公园可以收集至少0.86 公顷，至多48.92 公顷范围的雨水。即周边很大范围内的城市雨水可以得到有效利用。
3）根据2011、2012年两次实际观测结果发现，人工湿地泡系统对水质的净化效果比较明显，净化后的水质可以满足植被的正常生长需求。
4）将2011年采用的地下水补给、现在采用的松花江水补给与设计的雨水补给三种方式的供水量、水质、费用、景观效果与生态意义对比分析，发现雨水补给方式最优，松花江水补给方式其次，地下水补给方式最差。