城市人工湖泊工程设计探讨——以东方云湖工程为例

唐孟煊

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

良好的生态环境是最公平的公共产品，是最普惠的民生福祉。2015年10月，在党的十八届五中全会上，“美丽中国”被纳入“十三五”规划。党的十八大报告中首次提出了“建设美丽中国”“实现中华民族永续发展”的全新概念，并将生态文明建设放在了突出地位，尤其强调了在经济建设、政治建设、文化建设、社会建设中生态文明建设的融入，即“五位一体”的总体布局。

人工湖泊是一种介于河流和湖泊之间的半自然半人工水体，具有防洪除涝、景观娱乐、美化城市等功能，可为城市提供更为稳定、舒适、可持续的发展环境。随着经济社会的发展，人工湖泊在城市规划和生态文明建设中的重要性日益突出[1]。东方云湖位于常州市经开区核心区，工程场地周边分布生态公园及遗址。常州市经开区围绕建设“一轴绕湖，多区环抱”的景观生态目标，在其核心区智慧城市绿轴与特色商业水轴交汇处实施了一座库容168 000 m3的城市人工湖泊工程——东方云湖工程。

1 项目背景

东方云湖位于常州市经开区核心区，所在区域呈现城郊风貌，用地混杂，以大片农田和厂房为主，居住环境较差，基础设施配套落后；区域内现存较多农田，现状河流水系未贯通，亲水性不足，整体生态性好但缺少景观性。为了让城市与自然和谐相处，让居民看得见水、记得住乡愁，实现该区域“以城市绿色空间为基底，打造绿色活力走廊，以滨水活力区引爆区域产业智慧升级”的目标，项目依据区域的地形地貌、资源禀赋、交通区位等因素，科学合理地确定了该区域“一轴绕湖，多区环抱”的规划结构。东方云湖的建设是完善该结构中“湖”的功能。

2 工程设计

东方云湖位于江苏省常州市经开区智慧城市绿轴与特色商业水轴交汇处，北侧为东方二路、南侧为东方三路、西邻枫尚路、东接常青路，湖面面积84 000 m2，水深1.5~2.5 m，中间深、四周浅，湖水库容约168 000 m3。由于东方云湖位于常州市经开区核心区域，是重点打造的工程，结合上位规划要求，湖体设计水质定为《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类（以下简称“地表Ⅲ类”）。

2.1 设计条件

本工程场地周边分布生态公园及遗址，区位优势明显。四周以城市次干道为主，临近革新河景观带。湖体周边以商业用地和住宅用地为主，科创绿轴两侧为创新办公集群，周边设有文化活如表1所示，为工程实施前对周边4条河道搜集到的水质数据。由表1可知，赛马河除CODMn指标超“地表Ⅲ类”的水质标准（目标水质）外，氨氮、TP指标相对较好。根据规划，随着地块更新的开展，赛马河沿线雨污混流排放口需消除，外源污染将得到有效控制；同时，赛马河在城市管理中将定期开展清淤工作，从而有效去除内源污染。通过外源、内源的控制，河道水质将进一步得到提升，赛马河的近期目标水质需达到“地表Ⅲ类”。根据经开区对赛马河水质的规划目标，考虑经济性，本工程将赛马河定为湖体补水水源；同时，为保障水体的流动性，考虑就近排动中心、超高层总部办公区、商业街等。区域将建设成为以创新产业和商业为主的城市核心区，实现多样化的城市功能。随着未来城市的发展，周边将主要集聚商务休闲人士、社区居民和外来游客三类人群。

表1 河道水质情况 单位：mg/L

如图1 所示，为湖体区位及周边水系分布图。临近该湖体的区域内有4 条河道，其中：丁塘港河与赛马河通过陆丰浜排涝站连接；常丰河和革新河通过常青闸站连接；赛马河为常丰河的上游。赛马河常水位、丰水期水位、枯水期水位分别为1.60 m、1.70~1.90 m、1.30 m，革新河常水位、丰水期水位、枯水期水位分别为1.60~1.70 m、1.90 m、1.30 m。如图2 所示，为湖体竖向设计图。图2 显示，湖体地块四周路面交叉口标高在5.00 m 以上。上述水系标高及湖体周边标高是制约取水方式及湖面标高的主要因素。放，将革新河设计为云湖水体排放的受纳水体。

图2 湖体竖向设计图

2.2 设计方案

2.2.1 总体布局

由图2可知，工程周边路网标高在5.00~6.20 m之间，湖体水面标高需考虑与周围地块的标高衔接及打造景观效果，因此，将其水面标高设计为4.00 m。湖体水深设计着重考虑沿岸的行人安全和湖泊的生态平衡，根据水体深度和藻类的生长规律，当湖体深度≥2.00 m时，水体自净能力较强，水质较好；因此，湖体水深设计为1.50~2.50 m，河底标高为1.50~2.50 m。

如图3所示，为工程方案平面布置图。由于赛马河的常水位标高（1.60 m）低于湖体水面标高（4.00 m）；因此，湖体通过赛马河补水需经泵站提升，且取水管管顶标高需低于赛马河常水位。为保障湖体的流动性，另需设计与革新河的连接通道。项目水面面积约为84 000 m2，绿地、铺装及建筑面积为86 000 m2。设计湖体放空及雨水排放连通管管径为d1650 排水管，同时，考虑革新河的常水位为1.60~1.70 m，为确保湖体水量及水面标高，本工程在d1650 管前端设置“溢流堰+闸门”的闸门井控制湖体水位。

图3 工程方案平面布置图

2.2.2 取水泵站规模确定

水量平衡是城市人工湖设计的基础，其结果影响着人工湖的运行方式。李书钺[2]指出：湖体的输入水量主要有水系全年的降雨量、地表径流的水量、补水量；输出水量有全年水系蒸发量、绿化浇洒用水量、渗漏水量。渗透水量与防渗技术密切相关，防渗技术有自然防渗和土工膜防渗两种：自然防渗采用渗透系数较小的土壤对湖底原状土进行换填碾压，形成自然防渗层；土工膜防渗就是在湖底铺设由塑料薄膜和无纺布复合而成的具有低渗透系数的土工防渗材料。土工膜防渗性能虽好，但天然湖底防渗方法显然比铺设防渗膜更符合生态要求[3]。综上，工程考虑投资情况及生态效果，选取自然防渗的形式。

常州市位于江苏省南部，北靠长江，南临太湖，濒临东海，属于北亚热带季风气候。地区常年气候温和，雨量充沛，年降雨量大于年蒸发量，尤其在每年六七月份雨水量大于损失量，无需补水。全年需补水的月份为10 个月，补水量为44 125 m3，月均补水量为4 400 m3。其中：3 月份补水量最少，为1 883 m3；10 月份补水量最大，为5 600 m3；其他月份补水量较为稳定，为3 200~5 400 m3。

如表2 所示，为工程水量平衡分析表。绿化浇洒水量主要用于湖体周边绿地灌溉，用水均可取自湖体。取水泵站规模除考虑日常补水外，还需考虑初次注水及应急注水时间。如表3 所示，为方案比选表。由表3可见：方案一投资低，但补水时间过长；方案三补水时间短，但投资较高；方案二换水时间为14 d，小于天然河道的换水时间（16 d），且投资较低。故本工程取水泵站规模采用方案二（12 000 m3/d）。

表2 工程水量平衡分析表

表3 取水泵站规模比选表

如图4 所示，为取水泵站平面图。如图5 所示，为取水泵站剖面图。泵站为地下式，尺寸为7.70 m×4.60 m×4.65 m，结构形式为钢筋混凝土。泵站内设进水井、泵室、闸阀井，进水井与泵室之间设置闸门，关闭闸门可对泵室内设备进行检修。如图6 所示，为闸门井工艺设计图。泵室内设两台潜水泵（Q=250 m3/h，H=8.0 m，参考功率为18.5 kW），并设有插入式液位计等设备，泵站进水管采用DN1000 钢管，出水压力管为DN500；考虑取水安全，管底标高0.05 m，管顶标高1.05 m。

图4 取水泵站平面图

图5 取水泵站剖面图

图6 闸门井工艺设计图

3 后期运行控制方式

本工程具备自动控制及人工控制的双重能力，自动控制通过PLC实现[4]，即在湖体内设置液位计，其通过线路传递至控制中心系统与水泵系统连通，将湖体液位信息转换为水泵启闭的控制命令。

3.1 初次补水

初次补水时需要人工启动取水泵站，由两台水泵同时运行，当湖体水位达到4.00 m时，通过自动控制系统停泵。初次补水水量约为168 000 m3， 取水泵运行约14 d后可完成补水。

3.2 平时补水

当湖体水位降至3.95 m时，低水位报警，启动一台水泵补水，以防止湖面变小而影响景观；当湖体水位升至4.00 m后停泵，防止湖体水体溢流造成水资源浪费。补水水量约为4 200 m3，一台取水泵运行约17 h，两台水泵可通过自控系统交替运行。

3.3 应急补换水

日常运行过程中应加强第三方监测。根据水质情况，放空部分湖水，补换水时将湖水水位由4.00 m 降至3.00 m，排掉湖水容积76 527 m3（约占42%的湖水），排水时间约7.50 h；然后启动水泵，由两台水泵交替运行，应急补水12.75 d，排水与补水共计13.06 d。

3.4 调蓄与疏浚

雨季时，根据气象数据，提前将湖体水位调整至3.90 m，即雨水调蓄水深为0.10 m，此操作将调整出约8 400 m3调蓄量。雨天，当湖体溢流水位为4.03 m 时，启闭机动作开启闸门；当水位为3.90 m时，启闭机动作关闭闸门。疏浚放空时，当湖体水位为4.00 m 时，在革新河下游的陈储河闸站共同配合下，启闭机开启闸门疏浚排空，需要约42.2 h排空湖体。

4 生态系统构建

4.1 水生植物

水生植物主要包括挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物以及湿生植物。水生植物的恢复与重建在淡水生态系统的稳态转化（从浊水到清水）中具有重要作用，是水生态修复的重要一环[5]。水生植物的作用主要体现在以下三个方面：一是直接汲取污水中可吸收的营养物质，将重金属和一些有毒有害物质吸附和富集于体内；二是通过光合作用将氧气输送至根区，以供好氧微生物吸收；三是为介质的水力传输提供动力[6]。本工程在湖体内种植了千屈菜、鸢尾、黄菖蒲、美人蕉、旱伞草等水生植物，不仅便于光合产氧、吸收水体氮磷，而且也营造了和谐美观的景观效果。

4.2 水生动物

本工程在湖体中投放了螺蛳、蚌等软体动物，同时，还投放了滤食性的鱼类，以提高湖体的生态位。蚌具有滤食生活习性，它能够将水中悬浮的藻类及有机碎屑滤食，从而提高湖水的透明度；螺蛳主要摄食固着的藻类，通过分泌促絮凝的物质，使湖水中的悬浮物质絮凝，使水变清澈；滤食性的鱼类通过滤食浮游动植物及藻类腐屑，降低了富营养化的概率。

5 工程思考

（1）该项目前期考虑投资及生态影响，湖体按自然防渗设计，补水量最大为每月5 600 m3，投资成本较高。如果采用防渗膜，王博等人[7]在人工湖湖底防渗分析中指出，防渗膜的渗透系数在1×10-13～1×10-11cm/s，则渗漏水量可忽略不计，补水量最大为每月1 100 m3，运行成本降低。项目前期投资充裕，在综合生态因素后，后续可考虑采用防渗膜的防渗工艺。

（2）湖体日常流动性相对较差，运行时需加强水质监测。项目运行中应总结规律，制定湖体更新计划表，以确保湖体“地表Ⅲ类”的水体要求。