城市人工水体建设思考与实践——以河北省文安县为例<br/>

城市人工水体建设思考与实践——以河北省文安县为例

2014-05-21鲁欣，张婷，曾平，焦剑

中国水利水电科学研究院学报 2014年3期

鲁欣，张婷，曾平，焦剑

（中国水利水电科学研究院北京中水科工程总公司，北京 100048）

1 研究背景

水是城市之魂，城市水系不仅担负着城市防洪排涝任务，还为营造宜居城市、提升城市形象提供基础资源保障。近年来，国内外为改善投资环境、美化城市、促进社会经济发展，在城市规划设计中配置了人工水体的建设［1］，如河南安阳市构建以“一线、二河、八园、二十四沟渠、二十八湖塘”为框架的水系联络图，全市形成620 hm2水面、1600万m3的水体，将生态、景观功能有机结合；北京市以建设水清、水畅、岸绿和部分河段实现通航的现代化城市水系为目标，对城市水系进行规划和综合整治，但有些人工水体建成后出现水质恶化等问题，不但没有起到美化景观的效果，反而影响周围环境。因此，城市人工水体作为现代城市的重要生态景观，成为很多学者关注的重要课题之一［2-3］。

董增川等［4］认为城市较大人工水体的建设涉及水利、环境、大气、地质、生态等诸多学科，形成的大面积人工水体，对局地的气候、生态环境等会产生一定的影响。杜良平等［5］认为应在有效且生态影响较小的防渗技术基础上进行人工湖泊的构建。褚君达等［6］对美国、日本、德国、瑞典等国围绕水域富营养化的治理研究进行了分析，认为水体富营养化是可控、可改善的。在日本，政府颁布了富营养化防治条例及芦苇群落保护条例，在条例的保护下，湖泊总磷减少，形成的芦苇群落使湖泊水体水质得到改善。在英国，其政府也通过在污染源与接纳水体之间建立缓冲区的方法，来控制农业面源污染，以防治水体富营养化。安玲等［7］在技术上采用循环系统、生化系统、喷泉系统等组合型方法，以解决人造湖泊的水处理问题。张小会等［8］以咸阳湖为例，利用非常规水资源进行补水，利用自然生长的水生植物净化水质，利用现有微生物，筛选出生理活性强的菌种，增强水体的自净能力。张智等［9］采用外源控制与内源控制相结合、点源控制与面源控制相结合方案，截污、生态净化、生物修复和流态控制技术，对重庆大学虎溪校区人工湖进行了景观水体设计。

由于城市人工水体这种特殊的地理环境有别于河流、水库等地表水体，本文通过对项目区人工水体及其周围环境进行系统而切合实际的探索与研究，运用多学科联合设计，保证项目区的规划和建设尽可能避免对当地生态环境产生破坏或重大影响。该人工水体设计采用了循环系统、生物系统、湿地系统等组合型技术、方法，与活水相连进行自净及循环净化，综合考虑生态环境的保护和改善，来维护和保持人工水体正常运转。

2 城市人工水体建设的基本原则及思路

2.1 城市人工水体的概念水体是指由天然或人工形成的水的聚积体［10］。按其所处位置及形态，可分为海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、冻土、永久积雪、极地冰盖和地下含水层等。人工筑成的水体，体积大的有水库和塘堰，体积小的有池塘、水窖和涝池等［11］。城市人工水体是指在城市内或城市附近的河道上截流或人工挖掘、具有景观用途的水体，具有一定的调节小气候的作用，可供人们休闲和娱乐［2］。

2.2 城市人工水体建设的基本原则张小会等［8］认为，人工水体的规划设计中要充分利用自然条件，既要保护生物多样性和自然生态性，又要体现当地历史文化特色。安梦雄［12］认为，对缺水地区，将雨水汇集在一个人工开挖的湖内，不但避免雨水浪费，而且可调节区内小气候，涵养地下水；进行人工水体的规划设计时还可结合人工渠（湖）工程，在水系沿线建设一些城市公益设施、公用绿地、水面公园等。

2.2.1 体现水体多功能性根据项目区现有地形地势、水资源、水生态、水文化、经济发展状况，融合农业灌溉、雨洪利用、城市防洪、水体景观规划建设、文化旅游和地方特色等因素，科学规划建设集多功能于一体的水系水体，达到既提高项目区抵御洪涝灾害的能力，又改善水环境、丰富水体景观的目的。

2.2.2 综合利用水资源综合考虑土地可利用资源、地下水系统、植物、地形地势等因素，构建自然驱动下水系水体循环系统，使各人工湖、人工河道、人工湿地水资源能够在周边农业灌溉中得到综合循环利用，构筑良好的立体水生态系统，促进人工工程与自然环境的和谐相处。

2.2.3 可亲水性人工湖、人工河道、人工湿地与人的活动是紧密联系的，人工湖泊驳岸设计及植物配置时要考虑亲水性，水体水质要达到人体可接触性，通过水系水体循环、人工湿地等措施构筑水系周边地区的人、建筑与水体自然和谐的新型高层次城市社区居住环境。

2.2.4 经济性综合、优化论证人工水体工程方案，实现整个人工水体工程项目区内挖、填方的平衡，从而构建投资合理、运行成本可控的经济型城市人工水体。

2.3 城市人工水体建设的工程措施

2.3.1 开挖技术人工水体开挖的方法一般有人工和机械开挖两种，或两种方法结合使用；在特殊情况下，还可配以爆破方法。根据地质条件、地下水情况等开挖方法还分为干法、湿法、干湿结合的“综合开挖”。

2.3.2 防渗技术在水利工程中常见的防渗措施有：土料防渗、水泥土防渗、砌石防渗、混凝土防渗和膜料防渗等。在国内人工湖建设防渗技术的选择上以土工膜或复合土工膜为主，如刘红丽等［13］将复合土工膜防渗技术应用于大凌河朝阳城区段人工湖工程中。因地制宜是防渗材料及施工工艺选择的首要原则，根据每座人工湖自然环境及地理位置的特点，采用不同形式的防渗措施，也可几种方案相互结合使用。

2.3.3 驳岸工程驳岸形态按形态分类有自然式的不规则的植被驳岸和参差不齐的岩石驳岸，也有砌筑整齐划一，成几何式驳岸的人工水景。设计中充分考虑水生、浅生、湿生等各类植物的种植与生长基层，以及动物和微生物生存的空隙空间，岸坡设计可为多孔隙结构，如山石堆砌、堆毛石、干砌石等，有利于生物的生存环境。

2.3.4 相关主要水工建筑物为确保水系水体能够循环顺畅，需要设计相关水工建筑物，主要包括沉砂池、明渠、引水管道、闸门、溢流坝、溢流堰、台阶跌水、涵洞（管）、扬水泵站、水体循环泵站等。

2.3.5 水体生态与景观对人工湖的不合理开发利用，容易出现富营养化或严重富营养化问题，以及湖泊泥沙淤积的问题。因此，应采用工程措施，结合人工湖与周围环境系统，采用生态设计的方法，利用外部控制和内部控制综合作用来保障水质。外部控制即选择抗污染和净化水体能力较强的湿生植物如菖蒲等，对人工水体上游来水水质进行净化。内部控制即在人工水体内部选择水质净化能力较强的植物形成良好的群落生境，充分发挥水生生态系统对水的净化能力，如深水区种植浮水植物——睡莲等；在浅水区种植挺水植物——香蒲等。

2.4 城市人工水体建设的非工程措施

2.4.1 水系循环系统设计人工水体缺少流动和更新，很容易造成水质污染，因此设计中要考虑人工水体的连通性、流动性，结合地形等因素，适当设置水泵，提高水流驱动力，保证水的流动性；若人工水体水量输入远超过其本身的可贮水量，可在人工湖设计水位以上设置泄洪口，将多余的水排出，既保证对人工水体水量进行管理，又能提高人工水体水的流动性［14］。

2.4.2 水资源合理调度人工水体建设的取水方式可以考虑运用地表水与地下水联合调蓄等多种取水方式来有效保证规划和建设项目的实施，同时能避免对当地生态环境产生破坏。

2.4.3 管理制度建设人工水体建设应配套完善的管理制度，设专人负责人工水体的日常护理，包括定期检查和清理可能引起堵塞的垃圾、污泥，严禁在人工水体内养鱼投饵，保障其可持续性；同时注重加强环境保护宣传，人工水体周围设立环保标牌，起到警示及教育作用。

3 河北省文安县城市人工水体建设

3.1 区域概况建设区位于河北省文安县北部，属亚湿润大陆性季风气候。四季比较分明。多年平均气温为12.4℃，多年平均降水量为556.3 mm，多年平均水面蒸发量为1048.0 mm。

项目园区总体规划系统由8个板块构成，项目园区总体规划分区见图1。

图1 项目水体系统规划工程布置

3.2 项目区人工水体建设可能面临的问题

3.2.1 人工水体水质恶化人工水体景观建成后可能会发生水体富营养化等水质恶化问题，不但起不到美化景观的效果，反而会影响周围环境。国内外学者对人工水体的富营养化问题进行过多方位研究，发现城市人工水体具有较低的耐污染负荷能力，外来物质的大量进入会导致原有生态系统遭受破坏，水体自净能力下降、水质恶化。本项目在充分考虑其他研究者研究成果的基础上，通过设计两座提水泵站以维持水体循环、建设3个河道型表流人工湿地、种植芦苇等植物来防止建成后的人工水体发生富营养化问题。

3.2.2 人工水体与周边环境不协调杜良平等［5］认为现存城市人工水体的景观略显单一，在人工水体的规划构建过程中，需关注人工水体景观与周围环境的协调性。本项目水系循环系统的构建，可使各人工湖、人工河道、人工湿地水体水资源能够在周边农业灌溉中得到综合循环利用，通过水工建筑物的优化布置，又使人工水系水体与引水河道水资源循环联通，从而构筑良好的水生态、水景观系统，促进人工工程与自然环境的和谐。

3.2.3 建成后管理不善管理不善是人工水体建成后易出现的通病，人工水体在交付使用后就置之不理，项目建成后的管理部门对于人工水体生态系统的逐渐恶化不以为然，建设成果缺乏可持续性。本项目将人工水体的管理及维护列入人工水体构建体系，作为一项主要内容和重点工作，避免人工水体建成后管理不善问题的发生。

3.3 规模与方案

3.3.1 水系规模人工水系设计水域总面积110.13万m2，设计水深0.5～5.0 m；人工湖总库容为323.66万m3。人工水系主湖区由南部湖区和北部湖区组成，另外包括与人工水系主湖区连通的8个人工水体：沉砂池、进口调节水库、进口湿地、东部河道、南部河道、出口湿地、出口调节池和护城河。项目水体系统规划工程布置见图1。

3.3.2 水体循环方案为保证本项目人工水系运行期间的水体循环，维系良好的湖体水质，规划在位于项目区西北部设提水泵站1座，为人工水系补充运行水源、提供循环水源；在位于人工水系主湖区西北端的进口调节水库下游设水体交换扬水循环泵站1座，使西侧护城河水体能循环回流到进口调节水库，从而构建完整的人工水系水体循环系统，同时，人工水系弃水也可抽至位于项目园区西侧的文毕干渠，回流赵王新河。水体循环方案见图1。

3.3.3 湿地运行方案本项目人工水系规划3个河道型表流人工湿地，起到建立缓冲区、净化水质的目的。主要包括：进口湿地、东部湿地、出口湿地。水系人工湿地的运行方案重点在于湿地植物管理、湿地运行维护以及湿地监测。湿地运行期间应尽量避免水位的突然巨幅变化，并对河道型表流人工湿地的进口和出口端定期检查和清理，及时清除可能引起堵塞的垃圾、污泥等。另外，湿地中存在蚊子、鼠类等小动物，易产生系统破坏和散发难闻气味等，可适度使用细菌杀虫剂予以清除。

3.3.4 水质保护方案

（1）工程运行措施。保证本项目人工水系运行期间的水体循环，维系良好的水系水体水质。根据国内外相同类型类似规模人工水系建设、运行和管理经验，结合本项目具体工程条件，以3个月内将人工水系人工湖水体交换完毕、每年充分交换更新水体3次作为运行方案。

（2）植物措施。在水系内部规划建设河道型表流人工湿地，通过人工湿地河道、结合一定的防渗设施、以及用来支持出水植被根系的压覆土壤，种植水生植物，实现在设计水流滞留时间（HRT）条件下，对COD、BOD、TKN、TSS等的不同程度吸附去除。根据项目区具体建设条件，种植水生植物以芦苇（Phragmites）为主，包括香蒲（Typha）、藨草（Sirpus）、慈姑（Sagittifolia）等。

3.3.5 驳岸本项目人工水系驳岸工程包括调节水库、人工湖、人工河道、以及人工湿地等四类各个人工水体的护坡护砌设计。为改善水质、增强水体自净能力，本项目设计有利于水生、浅生、湿生等各类植物的种植与生长，有利于水生动物的养殖与活动的多孔隙结构驳岸。深水区、浅水区、缓坡区和滩地区的各区生态护坡植被与岸上园区内园林绿化植被梯次协调，从而构成连续、完整的景观空间。

4 结论

（1）总结了城市人工水体建设的概念、基本原则、工程措施及非工程措施，并将建设原则与措施应用于实际工程。（2）以河北省文安县某项目为例，运用城市人工水体建设理论、生态学原理等进行项目的规划设计。利用人工湿地的生物净化原理设计了3个河道型表流人工湿地，将河道型表流人工湿地净化作用应用于小范围、低污染项目区景观水环境设计中，提高水体整体抗污染荷载能力；多种形式驳岸的设计，起到美化环境、使项目区游客更多接近自然的目的；合理的措施、管理规定为稳定的供水水源、良好的水体水质、稳定的生态系统、外界较少的干扰提供有力保障。

［1］高茂生，陈鸿汉，李桂荣，等.郑州市龙湖成湖方案研究［J］.地学前缘，2005，12：107-111.

［2］陈鸿汉，刘俊，高茂生.城市人工水体水文效应与防灾减灾［M］.北京：科学出版社，2008.

［3］陈兴茹.城市河流生态修复浅议［J］.中国水利水电科学研究院学报，2006，4（3）：226-231.

［4］董增川，胡文杰，梁忠民，等.城市人工水体综合效应与调控［M］.北京：科学出版社，2008.

［5］杜良平，严力蛟，蒋莹，等.人工湖泊构建及其配套技术研究［J］.科技通报，2008，24（5）：706-713.

［6］褚君达，张永春，胡孟春，等.城市人工水体水环境生态效应与保护［M］.北京：科学出版社，2008.

［7］安玲，李明章，徐伟忠.上海太平桥公共绿地人工湖建设中新技术的应用［J］.上海交通大学学报（农业科学版），2003，21（2）：157-159.

［8］张小会，肖斌.城市人工湖的生态设计探讨——以咸阳市的咸阳湖为例［J］.陕西农业科学，2008（2）：156-158.

［9］张智，张勤，杨骏骅.重庆大学虎溪校区人工湖水体工程设计［J］.中国给水排水，2006，22（6）：50-53.

［10］大气科学海洋科学.水文科学编辑委员会.中国大百科全书.大气科学·海洋科学·水文科学［M］.北京：中国大百科全书出版社，1992.

［11］中国资源科学百科全书编辑委员会.中国资源科学百科全书（上）［M］.北京：中国大百科全书出版社，2000.

［12］安梦雄.杨凌示范区水系工程人工湖设计探讨［J］.西北水资源与水工程，2000，11（1）：59-64.