嚴鈺
(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)
近年來在城市規(guī)模不斷擴大的同時,也產(chǎn)生了諸多問題:河湖水系不斷萎縮、洪澇干旱災害頻發(fā)、環(huán)境質(zhì)量不斷惡化、生態(tài)系統(tǒng)衰退等。這種種問題也在一定程度上限制了城市建設(shè)和社會發(fā)展。黨的十八大以來,高度重視生態(tài)文明建設(shè),新時期治水新思路應(yīng)運而生,越來越多的城市加入了“挖湖”的行列,試圖通過人工湖的建設(shè),效仿天然湖泊,提高水面率,主動為行洪蓄洪留足空間,也為城市生態(tài)建設(shè)提供基地,豐富城市景觀。但現(xiàn)階段對于人工湖泊形態(tài)構(gòu)建的研究較少,且較為雜亂,大多研究是單一景觀導向的,且主要集中在平面形態(tài)上,如何從健康湖泊理念出發(fā),合理構(gòu)建湖泊的湖盆形態(tài),充分發(fā)揮其生態(tài)功能及綜合效益,尚缺乏研究。
健康湖泊[1]是人類經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)保護相協(xié)調(diào)的整合性概念。一個健康的湖泊既是生態(tài)良好的湖泊,又是造福人類的湖泊,它不僅能維持其生態(tài)功能,而且能夠可持續(xù)地滿足人類經(jīng)濟社會發(fā)展對其服務(wù)功能的需求[2]。
目前,國內(nèi)外對于湖泊健康的定義主要是針對湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康,包括以下4個方面的內(nèi)涵[3-4]:
(1)湖泊具有充足的水量和優(yōu)良的水質(zhì),既能夠維持生態(tài)系統(tǒng)平衡,又能夠滿足生產(chǎn)取水的需要。
(2)湖泊岸線流暢,死水區(qū)較少,湖體內(nèi)水流聯(lián)系強,并與周邊河道保持良好的連通性和完整性。
(3)湖泊抗干擾能力強,受突發(fā)的自然或人為干擾后,仍具有較強的自我修復能力。
(4)湖泊具有可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng),能夠保持和恢復生態(tài)與環(huán)境。
湖泊形態(tài)表征為湖泊平面的與立體的幾何形狀。其中,平面形態(tài)取決于城市規(guī)劃或景觀布局,多從人的美學欣賞出發(fā);湖盆立體形態(tài)主要受地形地質(zhì)條件的影響。目前國內(nèi)外對于湖泊形態(tài)健康的具體定義尚模糊,基于健康湖泊的定義,湖泊的形態(tài)結(jié)構(gòu)健康的具體內(nèi)涵是:
(1)健康的湖泊形態(tài)應(yīng)該能夠保障其供水、戲水、景觀、生態(tài)、環(huán)境、航運等各項社會服務(wù)功能的發(fā)揮。
(2)健康的湖泊形態(tài)應(yīng)該能夠自我消化人類活動產(chǎn)生的影響,在受到人類活動干擾后,能夠迅速地恢復到自身原有的穩(wěn)定形態(tài)。
湖泊形態(tài)健康綜合評價指標體系建立科學性、主導性、易獲取性、完備性及簡明性[5]的基礎(chǔ)上,由八個指標組成:岸線發(fā)育系數(shù)、周長面積比、湖岸硬質(zhì)化率、湖泊補給系數(shù)、濕地面積比、湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積比、湖泊面積動態(tài)度、湖泊容積動態(tài)度。
通過國內(nèi)外共100多個受人類活動影響相對較小的湖泊的統(tǒng)計[6],得知以下幾點:
(1)岸線發(fā)育系數(shù)(Z1)。即式中:S是湖泊岸線長度;A是湖泊水面面積。天然湖泊約有90%的岸線發(fā)育系數(shù)分布在1.0~3.0,人工湖泊約有90%的岸線發(fā)育系數(shù)在1.6~4.2。
(2)周長面積比(Z2)。天然湖泊中約85%分布在 0.1~1.0,人工湖泊約 85%分布在 0.4~3.5。
(3)湖岸硬質(zhì)化率(Z3)。指混凝土化岸堤長度占總岸線周長的比例,湖泊岸線的硬質(zhì)化導致湖泊陸域生態(tài)系統(tǒng)與水域生態(tài)系統(tǒng)的隔離,不利于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。
(4)湖泊補給系數(shù)(Z4)。指湖泊流域面積與湖水面積之比,可以反映天然湖泊的換水周期,而人工湖泊多采用工程調(diào)度,因此采用年換水次數(shù)進行評價。
(5)濕地面積比(Z5)。這里指狹義的濕地,即低水位時水深小于2 m可種植水生植物的區(qū)域占湖泊總水域面積的比例。
(6)湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積比(Z6)。過渡的圍網(wǎng)養(yǎng)殖將影響湖泊的水體環(huán)境,破環(huán)其生態(tài)平衡。
(7)湖泊面積動態(tài)度(Z7)。即湖泊面積的變化率,其值越大,表征湖泊形態(tài)越宜受到干擾。
(8)湖泊容積動態(tài)度(Z8)。即湖泊容積的變化率,其值越大,表征湖泊形態(tài)越宜受到干擾。
湖泊形態(tài)健康綜合評價各指標分級標準見表1。
表1 湖泊健康綜合評價指標分級標準
中國東部平原湖區(qū)共有大小湖泊約834個,其中大于1 km2的湖泊約有696個,總面積為21 171.60 km2,大于10 km2的湖泊約有138個,總面積19 587.50 km2。東部平原湖區(qū)較著名的湖泊有洞庭湖、洪澤湖、鄱陽湖、巢湖、太湖等。
統(tǒng)計國內(nèi)人工湖的實例,人工湖平均水深一般在1.6~4.0 m。表2為五大淡水湖及東部地區(qū)部分典型人工湖的水深比照。
表2 五大淡水湖及典型人工湖深度情況
2.2.1 紫瑯湖概況
紫瑯湖位于江蘇省南通市中央創(chuàng)新區(qū)范圍內(nèi),是南通市城市水系規(guī)劃中的人工湖泊之一,湖區(qū)形狀接近葫蘆形,設(shè)計常水位為1.8 m,常水位下湖區(qū)面積為89.14 hm2。
2.2.2 湖區(qū)功能分析
從紫瑯湖的功能需求上來看,需滿足親水、垂釣、通航、自凈等不同功能要求,對于各功能需求,需滿足不同的水深要求:親水區(qū)水深需在0.2~0.5 m,垂釣區(qū)水深在0.8~1.5 m,通航區(qū)水深應(yīng)大于1.5 m,水體自凈要求深水區(qū)大于2 m;另外,水生植物的種植水深要求為0~2.0 m,水生動物活動適宜水深一般在 0.8~1.0 m。
結(jié)合上述功能分區(qū)及相應(yīng)的水深要求,在紫瑯湖湖盆形態(tài)構(gòu)建時,分沿岸帶、亞沿岸帶和深水帶三部分[10]設(shè)計,湖底形態(tài)有深有淺、深淺結(jié)合。
2.2.3 構(gòu)建方案
紫瑯湖是人工湖泊,它的平面形態(tài)結(jié)合城市總體規(guī)劃及其旅游休閑服務(wù)功能要求設(shè)計的。設(shè)計岸線平滑柔和,島嶼灑落其間,具有一定的形態(tài)美感,筆者主要在設(shè)計岸線下構(gòu)建湖盆形態(tài),充分利用其現(xiàn)有岸線的蜿蜒曲折營造湖區(qū)深淺不一的水生生境,如圖1所示。
圖1 紫瑯湖水下地形圖
紫瑯湖的南北部最大設(shè)計水深為3.5 m,同時按照1∶20的緩坡拓寬沿岸0~0.5 m水深的分布帶,沿岸2 m范圍內(nèi)水深盡量不大于0.5 m。中部穿河隧道湖區(qū)在滿足隧道覆土要求的前提下適當加高局部湖底高程,設(shè)計水深2.5 m。南部島鏈內(nèi)部空間較狹窄,因此島鏈內(nèi)側(cè)放坡設(shè)計為1∶10,外部放坡為1∶20,既保證島鏈內(nèi)部有開闊的過渡區(qū)水深區(qū)域,也能保證島鏈外部有較大范圍的淺水種植區(qū),增強景觀和生態(tài)效果。湖內(nèi)島嶼近岸側(cè)水域比較狹窄,在該類狹窄區(qū)域保證最大水深至少為2.0 m,放坡不大于1∶5。
該湖盆形態(tài)下,沿岸帶占比30%左右,亞沿岸帶占比45%左右,深水帶占比25%左右,最大水深約3.5 m,常水位下庫容202.24萬m3,水面面積為89.14萬m2,平均水深2.27 m,見表3。
表3 紫瑯湖水深分配占比情況統(tǒng)計
根據(jù)設(shè)計方案,從前述八個指標來進行湖泊形態(tài)健康評價(見表4):
(1)岸線發(fā)育系數(shù)。紫瑯湖水面面積為0.89 km2,岸線長度為12.49 km,岸線發(fā)育系數(shù)約為3.73,Z1指標屬于健康的范疇。
(2)紫瑯湖周長面積比值約等于14.03,Z2指標屬于不健康的范疇,其主要原因是由于紫瑯湖岸線曲折,且湖泊內(nèi)島嶼眾多。
(3)岸坡硬化率小于10%,全湖除碼頭段均為生態(tài)緩坡,Z3指標屬于健康范疇。
(4)紫瑯湖換水周期為30 d,湖水的年交換律大于10,Z4指標達健康要求。
(5)紫瑯湖濕地的總面積可達25.89 km2,占總面積的29.05%,大于10%,Z5指標達健康要求。
(6)湖泊無圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域,Z6指標達健康要求。
(7)湖泊的岸坡系人工構(gòu)筑的生態(tài)緩坡或硬質(zhì)化護坡,結(jié)構(gòu)強度大、穩(wěn)定、耐沖蝕強,能夠較長久地保持岸線形態(tài)的規(guī)整,湖泊面積動態(tài)度小。
(8)紫瑯湖的水源是通過河網(wǎng)引來的河水,有一定的含沙量,但大部分可淤積的泥沙基本都在河道中沉淀了下來,進入紫瑯湖的泥沙含量已經(jīng)很低。在紫瑯湖基本不會造成嚴重的淤積,改變生境和防洪、排澇的條件。湖泊容積動態(tài)度小。
表4 紫瑯湖健康評價指標數(shù)值
3.2.1 評價模型
模糊綜合評價就是在模糊數(shù)學的基礎(chǔ)上,應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理,將一些邊界不清、不易定量的因素定量化,進行綜合評價的一種方法[11],是由美國控制論專家查德(L.A.Zadeh)奠定基礎(chǔ)的。模糊綜合評價基本步驟如下:
(1)確定評價指標集 Z={Z1,Z2,…,Zp},分別對應(yīng)湖泊形態(tài)健康評價的八項指標。
(2)確定評分標準模型 V={V1,V2,…,Vm}。
(3)確定各評價指標的隸屬度,建立模糊關(guān)系矩陣。逐個對評價指標Z1~Z8進行量化,即確定每個評價指標對應(yīng)于各評分標準的隸屬度,進而得到模糊關(guān)系矩陣R:
(4)確定各評價指標的權(quán)重值 W={W1,W2,…,Wp}。
(5)將權(quán)重向量W與模糊矩陣R進行模糊乘,得到歸屬類別矩陣B:
3.2.2 評價結(jié)果
根據(jù)評價指標集及相應(yīng)評分標準得到模糊關(guān)系矩陣R:
由專家打分法確定指標Z1~Z8的權(quán)重分別為0.136、0.154、0.120、0.103、0.102、0.128、0.137、0.120,得到紫瑯湖湖泊形態(tài)歸屬類別矩陣B={0.717 5,0.128 5,0.154 0}。
因此紫瑯湖形態(tài)健康對于健康的隸屬度為0.717 5,亞健康的隸屬度為0.128 5,不健康的隸屬度為0.154 0??傮w上,紫瑯湖的形態(tài)結(jié)構(gòu)健康是可以達到的,滿足生境和防洪、排澇的要求。
湖泊形態(tài)的健康對湖泊的管理維護、開發(fā)利用以及可持續(xù)發(fā)展有著深遠的意義。對構(gòu)建的紫瑯湖形態(tài)進行了健康評價分析,個別指標有所欠缺,總體為健康的人工湖泊,進一步論證了其形態(tài)構(gòu)架的合理性。然而湖泊形態(tài)健康的影響因素是眾多的,評價指標的全面性以及各指標之間的影響均待進一步的研究。