城市人工湖泊水质保障设计实例简析

2014-08-06刘圣尧沈孔成

浙江水利水电学院学报 2014年1期

刘圣尧，沈孔成

(1．浙江广川工程咨询有限公司，浙江杭州 310020；2.浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002)

随着生活水平的不断提高，人们开始追求高质量、高品位的居住与休闲环境，单纯的低容积率、高绿地率已不能满足现代城镇居民的要求.水乃生命之源，人工湖泊以其独特的生态及景观功能，越来越受到人们的青睐，成为新型社区与公共绿地设计的首选.

1 城市人工湖泊的特点

城市湖泊是一个城市的重要组成部分，如杭州的西湖、南京的玄武湖、苏州的金鸡湖、深圳的荔枝湖等.这类湖泊都具有提升城市品质、改善城市生态环境、景观娱乐等功能，同时还有洪涝调蓄的作用.历史证明依山傍水的城市能最大限度地符合人类聚居功能和城市综合文明，是城市文明可持续发展的重要途径.人工湖的建成将极大提升滨海新城的城市内涵、城市品质，促进当地居住环境的改善、丰富市民的精神家园，进而构建和谐的人水关系.

但城市湖泊受人类活动干预强烈，水质脆弱，其污染特点是既有面源污染，又有底泥释放，同时存在市政管网错接及污水管网渗漏等问题，国内外越来越多的湖泊产生富营养化.富营养的湖泊水体会逐渐失去原有的多项功能和美学价值，甚至危害人们的身体健康.

近十多年来，各地政府对城市湖泊进行水污染治理，通过截污控制城市污水进入湖泊、引水改善水质、底泥清淤、以及采用不同生态修复等措施治理湖水，取得了良好的效果.

2 城市人工湖泊建设存在的水质问题

浅水湖泊(水库)是一个物理、化学、生态的动力系统，随着内、外元素输入及其过程而变，最普遍的系统变化问题是富营养化过程.已有大量研究表明，水体交换时间、营养物质(N、P)输入、光照条件是湖泊富营养化状态的重要控制因素，因此增强湖泊的水力交换能力、减少湖泊的营养盐输入，通过湖泊形态设计营造适宜的生物生境是维护湖泊良好水质状态的关键[1].

2.1 湖泊自净能力低，必须严格控制污染源

城市浅水湖泊，因流动性差，自净及纳污能力较低，外来营养盐和其他污染物的大量输入或不合理的开发利用，会导致湖泊原有生态系统破坏.湖泊的污染来源丰富(见图1)，包括直排入湖的点源污染，地表径流形成的面源污染，枯枝落叶和废弃物等固体垃圾污染，降水携带的大气污染，以及大气沉降的污染物等.保障湖泊水质的首要基础，是将能够控制的园区内生活污水的点源污染、地表径流污染和固体垃圾污染尽可能杜绝入湖，减少湖区的污染负荷.

图1 湖泊污染源及富营养化现象示意图

2.2 河湖联通模式，难以维持湖区优良稳定水质

保障城市湖泊的良好水质，通过修建引水闸和控制水闸，将城市人工湖泊与周围河网相对独立(暂称“大封闭”).除了引水和排涝时，城市人工湖泊的河网与整个区域河网保持隔绝，这对营造湖泊良好环境是十分有利的.但由于河湖联通，湖泊水位随周边排水、配水水位起落将较大，不利形成湖泊宁静亲水的景观效果.此外，对于处于区域排涝路径的下游的城市人工湖泊，排涝期间将承纳上游受污染的涝水，故较难维持湖区优良、稳定的水质条件.因此，河、湖必须分隔，且使湖水高于外河网水位，可有效防止外河网劣质水渗漏入湖[2].

2.3 现状缺乏优质的供水水源，湖区补充水源需要进行预处理

城市人工湖泊的修建必有水源能够补充充足的水量[3]，但其水质要达到人工湖泊用水的标准，必须进行预处理.即使水源水质较好，若引水线路较长，不可避免承纳两岸的面源污染，以及两岸存在的非法偷排污水的情况[4]，湖泊水质的保障程度比较低.因此，从现状水源条件分析，缺乏水质优良的水源为湖区供水，因此，需要建造源水的预处理系统，以保障进入湖区较好的水质条件.

2.4 湖区水质净化系统、护岸设计与湖周景观的协调性

为形成健康的湖泊生态系统，降低湖区富营养化风险，需要利用湖泊形态和湖周景观空间，构造多级强化生物系统净化湖区水质[5].其中多级净化生物系统需要一定的陆—水面积，通过湿地和湖周植物群落的科学搭配，达到去除污染物、净化水体的目的.但大面积的湿生植物如何与周边景观、护岸有机结合、协调一致也是项目的重点和难点.

3 城市人工湖泊保障水质设计思路

浙江省上虞市虞滨海新城规划人工湖为例，该人工湖位于滨海新城的核心区，是上虞滨海新城为营造优美城市环境而规划的人工湖，东靠经七路，西以环湖大道为界，南至东西中心大道、北临纬二路，其中人工湖湖区工程面积约94 ha(含湖中小岛)，其中湖面面积约为80 ha，湖区南侧内循环河道面积约13.4 ha.

滨海新城现有虞北平原的南北向骨干排涝河道沥北河、崧北河从东西两侧穿过，虞北平原东西向骨干河道西一闸干河从本区块中间穿过.结合地形、功能定位、边界条件等因素，对滨海新城的河道布局进行了调整，提出“五横四纵一湖”的河网格局(见图2)，水面率达到12%.

为保证滨海新城人工湖及周边环境水体的水质安全，达到人工湖建设的目的，针对城市人工湖设计的重点和难点，提出总体设计思路.

图2 滨海新城规划河道布局图

图3 人工湖平面布局图

3.1 与周边河网相对隔绝，实施控制性联通

为保障滨海新城人工湖泊河网的水质，提出通过修建引水与控制水闸，将整个滨海新城形成一个“大封闭圈”.这种大封闭调水模式使得滨海新城内河湖联通，保证新城内水系水质相对周边河网较好.但对维持湖区水质而言，存在如下问题：

(1)大封闭圈范围集水面积大，进入湖区的污染负荷较多且难于控制，水体交换频繁，水量交换大，采取水质净化措施的投资、运行及维护成本高，进一步提高人工湖水质的难度很大；

(2)水位变化频繁，水位差过大，驳岸水位消落带的护岸设计与景观结合难度大，很难凸显湖泊宁静、亲水的景致；

(3)控制范围内的沥北河、崧北河为虞北平原北排的主要通道，且处于排涝路径的下游，排涝期间上游大量过境水体会污染封闭圈内的河道和人工湖水质，水质不稳定，风险较大.

基于上述考虑，实施湖区“小封闭”，即湖泊与周边河网进行控制性联通，即湖泊水可以排入河网，而河网水不能进入湖泊，保证湖区引、排水的独立性.

小封闭方案优点：

(1)“小封闭”范围集水面积及水面面积相对较小，易于截污，交换水量相对较少，投资及运行费用较低，可以采取有效的水质净化措施，使湖区水质在周边河道水质的基础上，再提高1～2个等级；

(2)湖区水系相对独立，可以维持稳定的湖泊水位，形成宁静亲水的湖泊环境，也有利于湖泊生态系统的形成；

(3)水位相对稳定，为湖周景观设计打下良好的基础.

3.2 建设湖周雨水拦截系统，控制陆域污染输入

除湖区周边生活污水必须进行截污外，还要控制湖周地表径流进入湖区.大量城市人工湖运行的经验表明，地表径流尤其是初雨，是湖泊主要的污染源，因此，除湖周小量绿地雨水径流允许进入湖区外，其余房屋、道路、公共设施的雨水经收集后统一外排至小封闭圈以外的河道或雨水管网.

3.3 选择合理水源，经预处理后适时为湖区补水

由于降雨的时程分布不均匀，如仅靠天然降水补充湖体水量，则旱季由于渗漏和蒸发等水量损失，湖泊合理的景观水位难以维持[6]；另外，仅靠雨水补充，湖泊的水力滞留时间V/Q(V-湖泊容积，Q-流经湖泊的水量)会过长，湖水停滞容易引发湖泊的富营养化和藻类繁殖.因此，需要综合分析比较不同水源的水质、水量保证程度、水处理方案、建设投资及运行费用等各种因素的基础上，确定合理的引用水源.

滨海新城人工湖可选补充水源有：曹娥江、新城河道、上虞工业水厂、天然雨水、自来水.初次蓄水水源以预处理厂供水为主结合一定的雨水、自来水、地下水；运行期补充水源以预处理厂供水为主.

3.4 创建水质净化系统，防治湖区富营养化

针对引水的水源条件较差，必须采用物理-生物去除方法对补充水体进行净化处理；再建立以高等植物为主，物理和微生物为辅的，具有高效自净能力湿地生态系统，利用太阳能作为主要驱动力，把水体中营养盐及污染物吸附、吸收、转化为生物资源，收获取出加以再生利用，达到降低水体中营养盐及其它污染物的浓度，抑制藻类生长，防治水体富营养化之目标.

滨海新城人工湖整个湖区水质净化系统由湖区外循环、湖区内循环和湖区生态防治系统三部分组成.湖区外循环系统由河道取水泵站、源水预处理厂等组成；湖区内循环系统由活动堰、提水泵、湖区南侧的生态河道(内循环河道)组成；湖区生态防治系统由临湖湿地、生态河道和湖滨带植物群落组成.

除此之外，构建良好的湖泊形态、健康的湖泊生态系统，设置合理的进出水口布局并实施严格的湖泊水质管理也是维持湖泊水质的关键.滨海新城人工湖湖区外循环进水采用管道形式，即经预处理厂处理后的水由输水管道进水口进入湖区，出口利用水闸；内循环考虑湖区的年补水量较少，湖水的滞留时间仍较长，因此充分利用主湖体南侧的横三河，由活动堰构成湖区的内循环系统进出水口.