表流湿地与活水循环协同提升城市河网水环境品质<br/>——以苏州狮子山水系为例

表流湿地与活水循环协同提升城市河网水环境品质
——以苏州狮子山水系为例

2023-11-04范子武蔡秋鹏

湿地科学与管理 2023年5期

丁瑞范子武李云谢忱蔡秋鹏

（1 南京水利科学研究院，江苏南京 210024； 2 水利部太湖流域水治理重点实验室，江苏南京 210024）

长三角城市地势低平、河网密布、河流水动力弱。受城市化进程的影响，面临水环境品质不高、水生态恶化趋势加剧等生态环境问题，极大地制约了区域经济社会可持续发展与创造幸福美好生活的愿景。十三五期间经过水污染防治，水环境治理取得显著成效，流域性与区域性河网水质逐渐提升，但水质不稳定，水体感观差、水环境品质相对较差，水体透明度基本维持在30 ～50 cm，与百姓期望的高品质水环境仍有差距。随着长三角生态绿色一体化发展上升为国家战略，对水环境品质提出更高要求。在长三角平原河网区现状水动力弱、水体浑浊度高的天然条件下，如何提升城市河网水环境品质，成为亟待解决的技术难题。

表流湿地作为城市河网生态修复的主要手段（李鑫斐等, 2020），广泛应用于河湖水环境提升，在降解污染物（范远红等, 2016）、提高水体透明度（曹昀等, 2009）、提升水体自净能力（许铭宇等,2021）等方面发挥着重要作用。表流湿地生态系统可以通过物理、化学和生物三者综合作用实现对水体中营养盐、重金属等污染物的有效净化（苏文辉等,2015）。目前对表流湿地的研究与应用主要集中在污水处理厂尾水净化（黄俊等, 2023）、湖泊生态修复（Liu et al., 2008）、封闭河道生态修复（谷勇峰等, 2013），主要的水域基本为静止水体或流动性较弱的水体，对不同沉水植物的净化效率也做了响应研究（王耀辉等, 2022）。部分学者也开展了在流动水体条件下表流湿地的研究与应用（陈庆江等, 2020）。

本文以苏州市高新区狮子山水系为研究对象，根据区域水系格局特点，以水动力调控为基础，提出了表流湿地与活水循环协同提升城市河网水环境的解决方案，为平原河网城市水生态修复提供理论与技术参考。

1 研究区概况

苏州狮子山水系位于苏州高新区中心城区狮山片区，区域范围内主要为狮山文化广场，规划建设为科技馆（工业展览馆）、博物馆、艺术剧院等公共服务项目融入在内的开放性山水公园的文化广场，与金鸡湖沿苏州东西发展城市轴线遥相呼应，打造为“东有金鸡湖，西有狮子山”的城市轴线，成为苏州城市的新名片和新地标。

狮子山水系主要包括狮山河、北裤子浜和天狮湖（图1）。狮山河自金山东路至北裤子浜，长度约1 100 m，河道宽度16 ～23 m，水域面积约2.15 万m2；北裤子浜自狮山河至长江路段，长度约950 m，河道宽度15 ～22 m，水域面积约1.73 万m2；河道水深约1.2 ～3.0 m，常水位3.2 m。天狮湖规划水面面积10.60 万m2，并建设配套的水体与生态景观。狮山河北侧有1 座狮山河泵闸，具备双向引排功能，泵站排水能力4 m3/s，狮山河南侧与北裤子浜东侧自然敞开，与外部河网连通。

图1 狮子山河网水系Fig.1 Lion mountain river network

狮山河与北裤子浜水质基本处于Ⅲ～Ⅳ类，水质相对好，河道现状透明度较低，约30 ～40 cm。现状排口基本为雨水排放口为主，雨水排放口11 处，主要分布在狮山河与北裤子浜沿岸，降雨期间城市地表径流入河容易造成局部水质恶化。河道水面漂浮水葫芦（Eichhornia crassipes），沿岸两侧分布较多纤维浮床，浮床表面种植挺水植物，景观较差，未发现沉水植物及其他滨水带景观挺水植物，河道驳岸为自然草皮、生态石笼与叠石等驳岸型式。

根据狮山文化广场高标准定位，狮子山水系需要高标准提升区域水生态环境，主要水质指标达Ⅲ类，透明度达1.2 m 以上；构建稳定的水生态系统，具有相应的污染负荷削减能力，形成稳定的清水型生态系统；增强生态系统自净能力。狮子山水系目前与外河水系直接连通，区域水质受外围水质影响较大，外围水质目前普遍无法稳定达到Ⅲ类水质标准，水体透明度普遍为30 ～40 cm，无法达到区域水质为Ⅲ类、透明度为1.2 m 的高品质水环境目标，需要形成可调控的水域范围。此外，区域动植物品种较少，生态食物链网缺失，水生态系统缺失，景观体验感较差，需要开展水生态修复提升水体自净能力。

2 水动力调控

2.1 水动力调控方案

以天狮湖为中心，建设表流湿地涵养净化水体，建设管路连通天狮湖与狮山河，在狮山河与连通管路交汇口建设天狮湖泵站，形成狮山河-天狮湖-北裤子浜-狮山河的水体循环流动体系（图2）。通过天狮湖、狮山河、北裤子浜表流湿地建设，构建清水型生态系统。水体循环应兼顾内部水体循环与外部水体交换，通过狮山河泵闸、狮山河堰、北裤子浜堰的联合调度，使80%的水体流量内部循环，20%的流量通过狮山河堰、北裤子浜堰向东、向南溢流，惠及周边河网。

图2 狮子山水系工程布局与水流路径Fig. 2 Water project Layout and flow path of Lion mountain river network

天狮湖泵站规模应考虑日常河湖水体交换，以及遭遇降雨河道水质受冲击后快速恢复。天狮湖地势高，汇水区基本为狮子山，没有雨水排口入河，区域水质和水体透明度基本不受降雨影响。因此，在降雨地表径流入河后，可促进河道与湖泊的水体循环，尽快恢复水质与水体透明度。设置天狮湖泵站流量为0.25 m3/s，可保障河道与湖泊5 ～8 d 循环一次，通过表流湿地净化作用，可尽快恢复天狮湖水质与水体透明度。

2.2 水动力调控装备

需要在狮山河南侧、北裤子浜东侧布设两座溢流堰，起到调控水体、重构水动力的作用。溢流堰在城市水环境提升中得到了广泛应用（柳杨等,2019），目前溢流堰多采用钢坝闸等型式，结构复杂、施工周期长、造价高。在平原河网城市水环境提升中，堰上下游水头差较小，对溢流堰的设计强度要求低，因此，采用新型装配式景观溢流堰（图3）（范子武等, 2018），在工厂预制溢流堰箱体，运输到现场吊装到河道中，在溢流堰箱体与河道护岸之间布置双排钢板桩，现场施工安装周期大幅缩减。溢流堰采用翻板门可调节的型式，快速实现水位自由调节，满足汛期防洪排涝与活水配水调度需求。

图3 装配式溢流堰布置示意图Fig. 3 Layout of assembly type overflow weir

装配式溢流堰有如下优点：1）标准式加工，在工厂预制，标准化加工，简单快捷；2）装配式施工，工厂加工完成后，运输到河道现场，吊装安装，施工周期由传统溢流堰的4 ～6 个月缩短为2 d，无需河道干涸施工，无需修筑围堰与设备基础，对河道扰动少；3）造价大幅降低，仅为传统常规溢流堰的20%；4）可升降调节，底板可放到河底；5）景观效果好，以堰体结构和水动力特性为基础，合理布置景观绿化，溢流堰与河道自然景观融为一体。装配式溢流堰在上海进口博览会、宁波东部新城等区域水环境提升中得到了应用。

2.3 对防汛的影响

构建高新区一维河网水文—水动力模型，分析装配堰的建设对区域除涝的影响。采用有限差分法求解一维河网水动力学模型，采用Preissman 四点隐格式对圣维南方程组进行离散。一维河网的洪水运动用圣维南方程组描述，其上、下游边界条件一般采用水位、流量、流量—水位关系等（陈鸣等,2010），公式如下：

式中：x、t分别为河道纵向坐标及时间；n为糙率系数；Q、Z分别为断面流量及水位；q为单位河长的旁侧入流量；A为过水断面面积；u、R分别为过水断面平均流速及水力半径；g为重力加速度。

模型构建范围以水利分区为界，扩展至江南运河以西，太湖以东，计算总面积约722.83 km2，选取望亭（大）、琳桥、太湖、胥口、瓜泾口作为水位边界条件。模型创建断面3 124 个，河段1 324 条，闸泵358 座，工程调度按实际运行设置（图4）。

图4 苏州高新区河网模型Fig.4 River network model of Suzhou New District

河道糙率值主要根据《水力学手册》《太湖流域防洪规划》《河道整治规划设计规范》等有关人工渠道以及天然河道的经验值，模型糙率初始值取0.025，模型计算时根据实测数据的率定，京杭大运河苏州段的糙率取值0.019 ～0.020，区域河道糙率取值0.022，城区河道糙率取值0.024，城区河道综合糙率最大取值0.044。

依据2009 年太湖流域枫桥、望亭（大）、苏州、瓜泾口和西山水文站实测日平均水位过程资料系列，枫桥、瓜泾口和西山3 个雨量站实测日平均雨量过程资料系列，并结合区域闸泵工程的调度运用规则，对构建模型进行精度验证。枫桥站水位实测与计算对比如图5 所示，计算水位和实测水位的变化趋势相似，水位最大误差能控制在5 cm 内，能够满足模型计算要求。

图5 枫桥站模型验证水位过程Fig.5 Fengqiao water level veritify of river network model

图6 狮子山水系水位过程对比Fig.6 water level process of Lion mountain river network

采用20 a 一遇设计降雨，设置建堰与不建堰2个计算工况，分析两座装配式溢流堰建设对狮子山水系除涝的影响。计算结果表明，狮山河堰与北裤子浜堰的建设对狮子山水系防汛除涝没有影响，狮子山水系最高水位上涨小于1 cm。

3 表流湿地系统的构建

水生态修复方案由生境营造净化系统、排口拦截净化系统、沉水植物净化系统、滨水廊道净化系统、水生动物调控系统5 部分构成。

3.1 河床底质改良

沉水植物的种植需要一定的底泥基质，河底底泥通常分布不均，需要在沉水植物种植区进行找平处理，便于后续沉水植物的种植。底泥中一定包含了各种藻类的孢子等，在水体透明度提升而沉水植物净化系统未形成之前，容易引起藻类增殖，必须进行底质改良和消毒处理，同时降低有害物质含量。增加土壤中水生动植物生长发育所需要的常量元素和微量元素，改变恶臭底质，提高河底氧化性、除害杀菌、施肥以及改善底质。对实施范围内河底区包括沿岸的土壤进行底质改良，采用复合微生物缓释剂，调整底泥生态系统菌群，改善底泥环境，为水生植物恢复提供基础条件；通过功能性填料解离出大量钙离子形成难溶化合物，去除水中总磷；沉降后在底泥层形成一层覆盖，具有高效的阻断作用，遏制底泥层中磷的释放。

3.2 雨水排口拦截

排口拦截净化系统主要包括过滤系统、生态填料、水生植物与曝气系统，通过滤料吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用，对雨水中悬浮物进行截留，对污水进行净化，降低水体中的氮、磷含量，起到初步净化的效果。排口拦截可对进入河道的雨水起到缓冲作用，促进水流携带的颗粒物沉淀，加速氮、磷界面交换和传递，使污水中氮、磷的浓度快速减小，具有良好的净化效果，并对排口进行遮挡，形成滨水廊道生态景观。根据现状排口尺寸特点，共设置11 处雨水排口拦截净化系统。

3.3 沉水植物净化

沉水植物是指植株全部或大部分沉没于水下的植物，是水体生物多样性赖以维持的基础，沉水植物的恢复是水生态修复的关键，其所产生的环境效应是生态系统稳定和水环境质量改善的重要依据。沉水植物可促进泥沙沉降，防止水底泥沙再悬浮；能够高效地吸收氮磷等营养物质，抑制底泥氮磷释放，促进氮的硝化/反硝化作用及磷的沉降；沉水植物能够产生大量的原生氧，可长久保持水体高溶氧状态；沉水植物为浮游动物提供避难所，增强生态系统对浮游植物的控制和系统自净能力。沉水植被是健康水生态系统的重要组成部分，沉水植被恢复不仅表征着退化水生态系统的恢复，而且具有稳定恢复的效果。

沉水植物群落设计除考虑净化效率外，还需考虑其季节性演替性规律，充分考虑种间竞争对植物生长及水质净化的影响。物种选择以土著种为主，避免引入入侵种。综合考虑本工程水质净化和景观提升需求，选择苦草（Vallisneria natans）、竹叶眼子菜（Potamogeton malaianus）和穗状狐尾藻（Myriophyllum spicatum）等适应性强且水体净化能力强的植物。沉水植物覆盖水力调控范围内所有河道与湖泊，包括天狮湖、狮山河与北裤子浜，水域总面积14.48 万m2。

3.4 滨水廊道构建

在广场、栈桥、廊桥等两侧及重点水质提升区域，选择适宜当地生长的鸢尾（Iris tectorum）、黄菖蒲（Iris pseudacorus）、梭鱼草（Pontederia lanceolata）、粉美人蕉（Canna glauca）、蒲苇（Cortaderia selloana）等挺水植物及不同花色的睡莲（Nymphaea tetragona）等浮叶植物，利用植物的花色、茎叶形态、植株高度等元素精细化的设计水中花境，形成“水面+驳岸+陆域”三维一体的纵向立体景观。在硬质驳岸0.5 m 以内的浅水水域种植滨水植物，其中，在0.3 m 以内的浅水水域种植挺水植物。挺水植物群落种植面积3 822 m2，浮叶植物种植面积960 m2。

3.5 水生动物调控

水生动物是水体中重要的消费者，是河道生态系统食物链的重要环境，通过放养一定种类和数量的水生动物，可提高水生生态系统的稳定性。投放以肉食性鱼类为主，通过凶猛性鱼类控制杂食性鱼类及滤食性鱼类，减少浮游生物食性鱼类对浮游动物的捕食，以利于浮游动物种群（特别是枝角类）增长，总计投放720 条，10 条/667 m2。

为有效防止水体的水体富营养化，投放环棱螺（Sinotaia）、河蚌（Unionidae）等底栖动物，环棱螺和河蚌投放量分别为1 080 kg 和1 296 kg，完善了人工生态系统的食物链和食物网结构，改善土壤环境，稳定生态系统平衡，实现水体生物多样性。滤藻虫（Daphnia）是水体天然存在的一种水生动物，以藻类与有机碎屑为食，适应低温，滤藻能力强，抑制藻类生长繁殖，有效提高透明度，总计投放1 440 L，体长3 ～6 mm，密度1 000 个/L。