城市人工水體建設思考與實踐——以河北省文安縣為例

魯 欣，張 婷，曾 平，焦 劍

（中國水利水電科學研究院 北京中水科工程總公司，北京 100048）

1 研究背景

水是城市之魂，城市水系不僅擔負著城市防洪排澇任務，還為營造宜居城市、提升城市形象提供基礎資源保障。近年來，國內外為改善投資環(huán)境、美化城市、促進社會經濟發(fā)展，在城市規(guī)劃設計中配置了人工水體的建設［1］，如河南安陽市構建以“一線、二河、八園、二十四溝渠、二十八湖塘”為框架的水系聯(lián)絡圖，全市形成620 hm2水面、1600萬m3的水體，將生態(tài)、景觀功能有機結合；北京市以建設水清、水暢、岸綠和部分河段實現(xiàn)通航的現(xiàn)代化城市水系為目標，對城市水系進行規(guī)劃和綜合整治，但有些人工水體建成后出現(xiàn)水質惡化等問題，不但沒有起到美化景觀的效果，反而影響周圍環(huán)境。因此，城市人工水體作為現(xiàn)代城市的重要生態(tài)景觀，成為很多學者關注的重要課題之一［2-3］。

董增川等［4］認為城市較大人工水體的建設涉及水利、環(huán)境、大氣、地質、生態(tài)等諸多學科，形成的大面積人工水體，對局地的氣候、生態(tài)環(huán)境等會產生一定的影響。杜良平等［5］認為應在有效且生態(tài)影響較小的防滲技術基礎上進行人工湖泊的構建。褚君達等［6］對美國、日本、德國、瑞典等國圍繞水域富營養(yǎng)化的治理研究進行了分析，認為水體富營養(yǎng)化是可控、可改善的。在日本，政府頒布了富營養(yǎng)化防治條例及蘆葦群落保護條例，在條例的保護下，湖泊總磷減少，形成的蘆葦群落使湖泊水體水質得到改善。在英國，其政府也通過在污染源與接納水體之間建立緩沖區(qū)的方法，來控制農業(yè)面源污染，以防治水體富營養(yǎng)化。安玲等［7］在技術上采用循環(huán)系統(tǒng)、生化系統(tǒng)、噴泉系統(tǒng)等組合型方法，以解決人造湖泊的水處理問題。張小會等［8］以咸陽湖為例，利用非常規(guī)水資源進行補水，利用自然生長的水生植物凈化水質，利用現(xiàn)有微生物，篩選出生理活性強的菌種，增強水體的自凈能力。張智等［9］采用外源控制與內源控制相結合、點源控制與面源控制相結合方案，截污、生態(tài)凈化、生物修復和流態(tài)控制技術，對重慶大學虎溪校區(qū)人工湖進行了景觀水體設計。

由于城市人工水體這種特殊的地理環(huán)境有別于河流、水庫等地表水體，本文通過對項目區(qū)人工水體及其周圍環(huán)境進行系統(tǒng)而切合實際的探索與研究，運用多學科聯(lián)合設計，保證項目區(qū)的規(guī)劃和建設盡可能避免對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產生破壞或重大影響。該人工水體設計采用了循環(huán)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、濕地系統(tǒng)等組合型技術、方法，與活水相連進行自凈及循環(huán)凈化，綜合考慮生態(tài)環(huán)境的保護和改善，來維護和保持人工水體正常運轉。

2 城市人工水體建設的基本原則及思路

2.1 城市人工水體的概念 水體是指由天然或人工形成的水的聚積體［10］。按其所處位置及形態(tài)，可分為海洋、河流、湖泊、沼澤、冰川、凍土、永久積雪、極地冰蓋和地下含水層等。人工筑成的水體，體積大的有水庫和塘堰，體積小的有池塘、水窖和澇池等［11］。城市人工水體是指在城市內或城市附近的河道上截流或人工挖掘、具有景觀用途的水體，具有一定的調節(jié)小氣候的作用，可供人們休閑和娛樂［2］。

2.2 城市人工水體建設的基本原則 張小會等［8］認為，人工水體的規(guī)劃設計中要充分利用自然條件，既要保護生物多樣性和自然生態(tài)性，又要體現(xiàn)當?shù)貧v史文化特色。安夢雄［12］認為，對缺水地區(qū)，將雨水匯集在一個人工開挖的湖內，不但避免雨水浪費，而且可調節(jié)區(qū)內小氣候，涵養(yǎng)地下水；進行人工水體的規(guī)劃設計時還可結合人工渠（湖）工程，在水系沿線建設一些城市公益設施、公用綠地、水面公園等。

2.2.1 體現(xiàn)水體多功能性 根據(jù)項目區(qū)現(xiàn)有地形地勢、水資源、水生態(tài)、水文化、經濟發(fā)展狀況，融合農業(yè)灌溉、雨洪利用、城市防洪、水體景觀規(guī)劃建設、文化旅游和地方特色等因素，科學規(guī)劃建設集多功能于一體的水系水體，達到既提高項目區(qū)抵御洪澇災害的能力，又改善水環(huán)境、豐富水體景觀的目的。

2.2.2 綜合利用水資源 綜合考慮土地可利用資源、地下水系統(tǒng)、植物、地形地勢等因素，構建自然驅動下水系水體循環(huán)系統(tǒng)，使各人工湖、人工河道、人工濕地水資源能夠在周邊農業(yè)灌溉中得到綜合循環(huán)利用，構筑良好的立體水生態(tài)系統(tǒng)，促進人工工程與自然環(huán)境的和諧相處。

2.2.3 可親水性 人工湖、人工河道、人工濕地與人的活動是緊密聯(lián)系的，人工湖泊駁岸設計及植物配置時要考慮親水性，水體水質要達到人體可接觸性，通過水系水體循環(huán)、人工濕地等措施構筑水系周邊地區(qū)的人、建筑與水體自然和諧的新型高層次城市社區(qū)居住環(huán)境。

2.2.4 經濟性 綜合、優(yōu)化論證人工水體工程方案，實現(xiàn)整個人工水體工程項目區(qū)內挖、填方的平衡，從而構建投資合理、運行成本可控的經濟型城市人工水體。

2.3 城市人工水體建設的工程措施

2.3.1 開挖技術 人工水體開挖的方法一般有人工和機械開挖兩種，或兩種方法結合使用；在特殊情況下，還可配以爆破方法。根據(jù)地質條件、地下水情況等開挖方法還分為干法、濕法、干濕結合的“綜合開挖”。

2.3.2 防滲技術 在水利工程中常見的防滲措施有：土料防滲、水泥土防滲、砌石防滲、混凝土防滲和膜料防滲等。在國內人工湖建設防滲技術的選擇上以土工膜或復合土工膜為主，如劉紅麗等［13］將復合土工膜防滲技術應用于大凌河朝陽城區(qū)段人工湖工程中。因地制宜是防滲材料及施工工藝選擇的首要原則，根據(jù)每座人工湖自然環(huán)境及地理位置的特點，采用不同形式的防滲措施，也可幾種方案相互結合使用。

2.3.3 駁岸工程 駁岸形態(tài)按形態(tài)分類有自然式的不規(guī)則的植被駁岸和參差不齊的巖石駁岸，也有砌筑整齊劃一，成幾何式駁岸的人工水景。設計中充分考慮水生、淺生、濕生等各類植物的種植與生長基層，以及動物和微生物生存的空隙空間，岸坡設計可為多孔隙結構，如山石堆砌、堆毛石、干砌石等，有利于生物的生存環(huán)境。

2.3.4 相關主要水工建筑物 為確保水系水體能夠循環(huán)順暢，需要設計相關水工建筑物，主要包括沉砂池、明渠、引水管道、閘門、溢流壩、溢流堰、臺階跌水、涵洞（管）、揚水泵站、水體循環(huán)泵站等。

2.3.5 水體生態(tài)與景觀 對人工湖的不合理開發(fā)利用，容易出現(xiàn)富營養(yǎng)化或嚴重富營養(yǎng)化問題，以及湖泊泥沙淤積的問題。因此，應采用工程措施，結合人工湖與周圍環(huán)境系統(tǒng)，采用生態(tài)設計的方法，利用外部控制和內部控制綜合作用來保障水質。外部控制即選擇抗污染和凈化水體能力較強的濕生植物如菖蒲等，對人工水體上游來水水質進行凈化。內部控制即在人工水體內部選擇水質凈化能力較強的植物形成良好的群落生境，充分發(fā)揮水生生態(tài)系統(tǒng)對水的凈化能力，如深水區(qū)種植浮水植物——睡蓮等；在淺水區(qū)種植挺水植物——香蒲等。

2.4 城市人工水體建設的非工程措施

2.4.1 水系循環(huán)系統(tǒng)設計 人工水體缺少流動和更新，很容易造成水質污染，因此設計中要考慮人工水體的連通性、流動性，結合地形等因素，適當設置水泵，提高水流驅動力，保證水的流動性；若人工水體水量輸入遠超過其本身的可貯水量，可在人工湖設計水位以上設置泄洪口，將多余的水排出，既保證對人工水體水量進行管理，又能提高人工水體水的流動性［14］。

2.4.2 水資源合理調度 人工水體建設的取水方式可以考慮運用地表水與地下水聯(lián)合調蓄等多種取水方式來有效保證規(guī)劃和建設項目的實施，同時能避免對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產生破壞。

2.4.3 管理制度建設 人工水體建設應配套完善的管理制度，設專人負責人工水體的日常護理，包括定期檢查和清理可能引起堵塞的垃圾、污泥，嚴禁在人工水體內養(yǎng)魚投餌，保障其可持續(xù)性；同時注重加強環(huán)境保護宣傳，人工水體周圍設立環(huán)保標牌，起到警示及教育作用。

3 河北省文安縣城市人工水體建設

3.1 區(qū)域概況 建設區(qū)位于河北省文安縣北部，屬亞濕潤大陸性季風氣候。四季比較分明。多年平均氣溫為12.4℃，多年平均降水量為556.3 mm，多年平均水面蒸發(fā)量為1048.0 mm。

項目園區(qū)總體規(guī)劃系統(tǒng)由8個板塊構成，項目園區(qū)總體規(guī)劃分區(qū)見圖1。

圖1 項目水體系統(tǒng)規(guī)劃工程布置

3.2 項目區(qū)人工水體建設可能面臨的問題

3.2.1 人工水體水質惡化 人工水體景觀建成后可能會發(fā)生水體富營養(yǎng)化等水質惡化問題，不但起不到美化景觀的效果，反而會影響周圍環(huán)境。國內外學者對人工水體的富營養(yǎng)化問題進行過多方位研究，發(fā)現(xiàn)城市人工水體具有較低的耐污染負荷能力，外來物質的大量進入會導致原有生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞，水體自凈能力下降、水質惡化。本項目在充分考慮其他研究者研究成果的基礎上，通過設計兩座提水泵站以維持水體循環(huán)、建設3個河道型表流人工濕地、種植蘆葦?shù)戎参飦矸乐菇ǔ珊蟮娜斯にw發(fā)生富營養(yǎng)化問題。

3.2.2 人工水體與周邊環(huán)境不協(xié)調 杜良平等［5］認為現(xiàn)存城市人工水體的景觀略顯單一，在人工水體的規(guī)劃構建過程中，需關注人工水體景觀與周圍環(huán)境的協(xié)調性。本項目水系循環(huán)系統(tǒng)的構建，可使各人工湖、人工河道、人工濕地水體水資源能夠在周邊農業(yè)灌溉中得到綜合循環(huán)利用，通過水工建筑物的優(yōu)化布置，又使人工水系水體與引水河道水資源循環(huán)聯(lián)通，從而構筑良好的水生態(tài)、水景觀系統(tǒng)，促進人工工程與自然環(huán)境的和諧。

3.2.3 建成后管理不善 管理不善是人工水體建成后易出現(xiàn)的通病，人工水體在交付使用后就置之不理，項目建成后的管理部門對于人工水體生態(tài)系統(tǒng)的逐漸惡化不以為然，建設成果缺乏可持續(xù)性。本項目將人工水體的管理及維護列入人工水體構建體系，作為一項主要內容和重點工作，避免人工水體建成后管理不善問題的發(fā)生。

3.3 規(guī)模與方案

3.3.1 水系規(guī)模 人工水系設計水域總面積110.13萬m2，設計水深0.5～5.0 m；人工湖總庫容為323.66萬m3。人工水系主湖區(qū)由南部湖區(qū)和北部湖區(qū)組成，另外包括與人工水系主湖區(qū)連通的8個人工水體：沉砂池、進口調節(jié)水庫、進口濕地、東部河道、南部河道、出口濕地、出口調節(jié)池和護城河。項目水體系統(tǒng)規(guī)劃工程布置見圖1。

3.3.2 水體循環(huán)方案 為保證本項目人工水系運行期間的水體循環(huán)，維系良好的湖體水質，規(guī)劃在位于項目區(qū)西北部設提水泵站1座，為人工水系補充運行水源、提供循環(huán)水源；在位于人工水系主湖區(qū)西北端的進口調節(jié)水庫下游設水體交換揚水循環(huán)泵站1座，使西側護城河水體能循環(huán)回流到進口調節(jié)水庫，從而構建完整的人工水系水體循環(huán)系統(tǒng)，同時，人工水系棄水也可抽至位于項目園區(qū)西側的文畢干渠，回流趙王新河。水體循環(huán)方案見圖1。

3.3.3 濕地運行方案 本項目人工水系規(guī)劃3個河道型表流人工濕地，起到建立緩沖區(qū)、凈化水質的目的。主要包括：進口濕地、東部濕地、出口濕地。水系人工濕地的運行方案重點在于濕地植物管理、濕地運行維護以及濕地監(jiān)測。濕地運行期間應盡量避免水位的突然巨幅變化，并對河道型表流人工濕地的進口和出口端定期檢查和清理，及時清除可能引起堵塞的垃圾、污泥等。另外，濕地中存在蚊子、鼠類等小動物，易產生系統(tǒng)破壞和散發(fā)難聞氣味等，可適度使用細菌殺蟲劑予以清除。

3.3.4 水質保護方案

（1）工程運行措施。保證本項目人工水系運行期間的水體循環(huán)，維系良好的水系水體水質。根據(jù)國內外相同類型類似規(guī)模人工水系建設、運行和管理經驗，結合本項目具體工程條件，以3個月內將人工水系人工湖水體交換完畢、每年充分交換更新水體3次作為運行方案。

（2）植物措施。在水系內部規(guī)劃建設河道型表流人工濕地，通過人工濕地河道、結合一定的防滲設施、以及用來支持出水植被根系的壓覆土壤，種植水生植物，實現(xiàn)在設計水流滯留時間（HRT）條件下，對COD、BOD、TKN、TSS等的不同程度吸附去除。根據(jù)項目區(qū)具體建設條件，種植水生植物以蘆葦（Phragmites）為主，包括香蒲（Typha）、藨草（Sirpus）、慈姑（Sagittifolia）等。

3.3.5 駁岸 本項目人工水系駁岸工程包括調節(jié)水庫、人工湖、人工河道、以及人工濕地等四類各個人工水體的護坡護砌設計。為改善水質、增強水體自凈能力，本項目設計有利于水生、淺生、濕生等各類植物的種植與生長，有利于水生動物的養(yǎng)殖與活動的多孔隙結構駁岸。深水區(qū)、淺水區(qū)、緩坡區(qū)和灘地區(qū)的各區(qū)生態(tài)護坡植被與岸上園區(qū)內園林綠化植被梯次協(xié)調，從而構成連續(xù)、完整的景觀空間。

4 結論

（1）總結了城市人工水體建設的概念、基本原則、工程措施及非工程措施，并將建設原則與措施應用于實際工程。（2）以河北省文安縣某項目為例，運用城市人工水體建設理論、生態(tài)學原理等進行項目的規(guī)劃設計。利用人工濕地的生物凈化原理設計了3個河道型表流人工濕地，將河道型表流人工濕地凈化作用應用于小范圍、低污染項目區(qū)景觀水環(huán)境設計中，提高水體整體抗污染荷載能力；多種形式駁岸的設計，起到美化環(huán)境、使項目區(qū)游客更多接近自然的目的；合理的措施、管理規(guī)定為穩(wěn)定的供水水源、良好的水體水質、穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)、外界較少的干擾提供有力保障。

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