唐士芳，龔玲玲，徐 璐，王江南，左書華

(1.上海世博發(fā)展(集團)有限公司，上海 200125; 2.上海世博實踐區(qū)商務有限公司，上海 200125; 3.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

江河湖泊是自然生態(tài)系統的重要組成部分，河湖健康是人與自然和諧共生的重要標志。隨著國家對生態(tài)發(fā)展要求的重視、城市可持續(xù)發(fā)展的需要和人們對生活質量(包括居住環(huán)境生態(tài)質量)要求的不斷提高，人工湖作為一種城市景觀水體越來越多的出現在人們生活的城市當中[1]，如廣州白云湖、香港迪欣湖、上海滴水湖、鄭州龍湖和成都興隆湖等。人工湖不僅是城市濱水空間的重要組成部分，也是人們日常生活中運動、觀景、休憩的重要場所，具有改善人居環(huán)境、調節(jié)局部氣候、調水蓄水和增加城市生物多樣性等功能。但是，由于受眾多因素的約束或限制，人工建造的城市景觀湖泊與天然湖泊相比具有環(huán)境較為封閉、面積有限、沒有(或很少有)天然河流接入和水體循環(huán)或流動性較差等特點，使得湖中水體循環(huán)能力和調節(jié)能力低下。加之人類活動影響，湖中水體污染和富營養(yǎng)化概率增加，從而導致水體水質和生態(tài)系統惡化[2-3]，反而會給城市和人們的生活帶來一些不良影響。據統計，全國有93%的人工湖水體遭到不同程度污染[2]，因此保證城市人工湖水體的水質以及治理好受污染的水體尤為重要。

本文主要綜述了城市景觀人工湖水體治理過程中需要考慮的若干問題，湖水動力研究、富營養(yǎng)化水治理技術和人工湖生態(tài)系統構建等幾個方面的研究。

1 湖水動力研究

人工湖水動力是湖水流動性和流動能力的體現，掌握湖水的水動力特點有利于了解湖內不同區(qū)域水體的交換能力，可以為水體凈化方法實施提供理論依據。

湖水動力的研究方法有實地監(jiān)測、物理模型及數學模型等。實地監(jiān)測主要是在現場通過儀器對湖內水流進行測量。由于受人工湖本身特點影響(一般人工湖面積不大、水深相對較淺、水體流動緩慢、流速較小)，進行現場測量工作比較困難，因此該方法現在應用相對較少。物理模型是以實際湖泊為原型，根據相似理論按照一定縮放比尺建立物理模型，模擬湖泊在各個因素作用下水動力變化情況。數學模型是研究人工湖水動力特點和水體交換優(yōu)劣最為廣泛的一種方法。該方法通過一定數值計算模式，根據工程特點建立適宜的水動力數學模型，較精確逼真地模擬實際湖泊水體流動，且可以進行三維模擬。

我國對湖水動力研究的數值模擬工作開始于20世紀80年代中期，主要是針對面積較大的天然湖泊。對人工湖水動力研究則主要是近十年才開始的，目前國內應用較為廣泛的模式有：Delft3D、WASP、SMS、MIKE、EFDC等。通過數學模型計算不同時間段內人工湖水域水體的不同參數，評價水體交換能力的大小，其計算參數主要包括水體交換率、水體更新時間和滯留時間及半交換時間與水質參數等。

許莉萍等[4]采用EFDC模型建立了某城市人工湖的水動力和對流擴散模型，通過獲得湖內保守性物質含量的分布，計算了人工湖的水體更新時間和水體交換率，同時對水體交換較差區(qū)域采取的工程措施進行了分析，表明采取增加抽注水等措施可以改善內湖及湖周死水區(qū)域水體交換效果。高祥宇等[5]建立了威海某人工湖的二維潮流-物質擴散數學模型，計算了水體交換率和半交換周期，分析了該湖的水體交換能力，研究結果顯示：由于該湖區(qū)位于海岸河口水域，湖內水體交換能力受到潮流、季風和地形等因素影響，其中湖區(qū)水深對湖水交換能力影響最大，表現為湖區(qū)水深越大，而湖內水體交換能力則越弱，通過適當調整湖區(qū)水深可以改善湖內水體交換能力，同時與湖區(qū)連通的河流(逍遙河)下泄流量時，可以加快湖區(qū)水體交換。定期引水或對湖內水體進行置換，有利于增強湖水流動、增加水體自我凈化能力，進而保持和維護湖水良好的水質狀況，王哲等[6]、陳凱等[7]采用MIKE21分別對太倉市金倉湖和許昌市鹿鳴湖進行了研究，結果表明：定期進行水體置換可促進湖水流動、增加水體自凈能力，有利于維護湖水良好的水質狀況，為實現最優(yōu)化的人工湖水質保障調度提供了一定的依據。

小型人工湖由于面積較小，風因素對其水體流動影響并不明顯，但對于一些寬闊的人工湖，風所產出的風生流和風生浪對湖水體流動會產生一定影響。張晨等[8]采用EFDC模型，計算了龍湖在極端風況下的風生流場和風生浪場，討論了對龍湖所產生的影響。研究結果顯示：由于風場引起的湖泊風生流場比較復雜，但總體上來說受風場主要作用于表面流的影響，一般湖區(qū)表層流速較大，表層流向與風向一致，底層水體則主要以補償流形式運動，且流速較小，流向與表層流向相反；風生浪的有效波高則隨著風速的增大而增大，且風區(qū)長度和水深對有效波高有一定的影響。

2 水體富營養(yǎng)化治理技術

由于城市化的快速發(fā)展，城市中大量污水通過不同途徑和方式流入(經)城市內人工湖泊，使人工湖水體遭受到了不同程度的污染，加劇了水體富營養(yǎng)化等現象。因此為保障城市人工湖景觀、生態(tài)等目標，發(fā)揮其應有的作用，必須對人工湖水體出現的各種污染問題進行治理。

控制人工湖水體富營養(yǎng)化的方法一般可分為物理機械方法、化學方法和生物修復技術。物理機械方法包括物理除藻、引水置換、循環(huán)曝氣、底泥疏浚等；化學方法主要是指化學藥品法；生物修復包括水生植物、水生動物修復[9-10]和微生物修復等。

2.1 物理機械方法

水體富營養(yǎng)化最典型的一個表象就是湖面有大量藻類繁殖，使得水中的溶氧急劇下降，進而對水體中的生態(tài)環(huán)境造成影響。物理除藻就是采用人工方法清除水體中的藻類，該方法直接、簡單且見效快，但是人工除藻耗時、耗力，已不太適合目前現代的生活。

引水置換是指將周邊清潔的水體或河流的水體通過特定的人為工程措施引入到湖泊內使它們發(fā)生摻混或交換，改善湖泊內水體環(huán)境，增強湖水動力，進而減少和降低湖泊水體中的污染物，提高水體自我凈化的能力[11]。引水置換是一種比較常用的物理凈化方法，也是減少和稀釋湖泊水體營養(yǎng)物質濃度比較高效的人為措施[9]。我國許多湖泊水質改善方法都采用了這種方式，如南京市玄武湖，根據不同的引水規(guī)模、水量分配模式、排水口位置和排水方式等因素制定了不同的引調水調度方案，通過數學模型探討了最有利可行的能夠改善玄武湖湖區(qū)水質的引水調度模式[12]；武漢大東湖，通過生態(tài)水網連通工程，以清水入湖的手段來促進水生態(tài)的修復，使大東湖水系各湖的污染指標COD、TN、TP得到不同程度的改善[13]；廈門筼筜湖，通過研究引水規(guī)模與水環(huán)境改善效果之間的相關規(guī)律，確定了適宜的調水和引水規(guī)模，實現了環(huán)境效益最優(yōu)化[14]。

人工湖水體富營養(yǎng)化會導致水中溶解氧的下降，使水體發(fā)生黑臭現象，給城市和人們的生活帶來一些負面影響。因此增加水體中的含氧量是治理水體富營養(yǎng)化的一個有效手段。運用曝氣系統可以提高水中溶氧的含量，改善湖體水環(huán)境，有利于促進水中污染物的降解，且對水中的氮和磷含量有一定的控制作用。循環(huán)曝氣是指依據人工湖水體的規(guī)模大小，通過設計配套的過濾、循環(huán)系統，采用湖底曝氣來消除水體分層，使湖水水溫和化學物質均勻分布，改善水體溶氧的含量，抑制水中藻類的生長[15-17]。李玲等[15]針對污染水體生態(tài)修復中水流驅動與強化增氧的問題，提出了曝氣汲水技術，并進行了一系列試驗及工程應用研究，對水體凈化起到了良好效果。尹煒等[16]利用城市景觀水體及其上設置的提水風車，將自然風能轉化為機械能驅動水體外部循環(huán)，提水形成落差之后以不同的跌水方式回至城市景觀水體，實現對城市景觀水體中的人工湖曝氣充氧，促進水體的流動和增加水體中的溶解氧。張舒維[17]采用水渦輪作為動力輸出機構，實現氣、水的循環(huán)涌動，提升了湖水水流的循環(huán)流動效率和水中溶解氧的產生效率，較好地提升了水質。

底床沉積物(即底泥)是水體富營養(yǎng)化物質的“源”，因此底泥疏浚是一種去除湖泊水體富營養(yǎng)化“源”的治理方法，其目的在于通過疏浚，清除底泥中的高氮、高磷等營養(yǎng)鹽物質，消除這些營養(yǎng)物的釋放，降低營養(yǎng)鹽濃度，提高湖泊的水環(huán)境容量[9]。如1998年云南滇池草海實施了底床沉積物(即底泥)疏浚一期工程，疏浚面積為2.88 km2，疏浚工程量為432.69×104m3，工程實施后滇池草海水質得到了明顯改善[18]。2000年安徽巢湖實施了底泥疏浚與處置一期工程，疏浚工程量為301.9×104m3，工程實施后巢湖主要污染指標(TN、TP濃度)分別下降了26.3%和46.9%[19]。底泥疏浚能夠切實降低水中營養(yǎng)鹽濃度，增加人工湖水體容量，提升水生動植物生態(tài)環(huán)境，但在移除內源污染的同時也會引發(fā)一系列環(huán)境問題[20-21](如二次污染、底棲生物生境改變等)，因此目前很少單純使用底泥疏浚方式進行水體修復，而是與其他物理方法、化學方法或微生物修復技術相結合，以彌補單一底泥疏浚技術的不足。

2.2 化學方法

化學方法一般指通過在水體中添加化學藥品(除藻劑、混凝沉淀藥劑等)殺死藻類，控制水中氮、磷等污染物的含量，以達到防止水體富營養(yǎng)化的目的[9]。

化學方法也是一種比較常見且較為原始的控制藻類的方法。就目前來看，使用最多的化學藥品試劑主要有硫酸銅(CuSO4)、二氧化氯(ClO2)、高錳酸鉀(KMnO4)和其他復合藥劑[10]。隨著科學技術的發(fā)展，一些新型高效的除藻劑不斷出現，在水體富營養(yǎng)化治理上起到良好效果。孫學習[22]通過陶土制取的新型除藻劑，對水生動植物比較安全，無致死毒性，且除藻效果良好，性能穩(wěn)定；2007年和曉榮等[23]采用的新型除藻劑(主要由含有Cu2+, Fe2+, Al3+, Ca2+4種金屬離子的無機化合物按比例混配而成)對滇池富營養(yǎng)化水體進行了除藻試驗，結果表明該新型除藻劑除藻效果良好。

化學方法具有經濟性較高、效果好的特點，但是化學除藻也有諸多弊端，雖然化學試劑可以快速殺藻，但是極易造成二次污染，甚至會對水體生態(tài)系統的生境產生影響，反而會給城市或人們的健康生活帶來不利影響[24]。

化學方法不單純是除藻用，還可以修復凈化水質、凈化底泥等。2017年張鵬飛等[25]采用木質和煤基活性炭對包頭市兩個典型人工湖中葉綠素 a、COD、濁度、藍藻、總氮和總磷的去除效果進行了研究，結果表明：木質活性炭對人工湖中葉綠素 a、COD 和濁度的去除率高達96%以上，煤基活性炭對總氮和藍藻的去除率高達88% 以上。含有鈣的化學藥劑對底泥污染物的固定有良好的效果，例如劉廣容[26]在厭氧條件下對東湖底泥進行原位化學處理時發(fā)現，鋁鹽對底泥中的磷有較強的吸附能力；張丹[27]對天津某湖泊底泥研究時發(fā)現，過氧化鈣可以很好地抑制底泥中磷的釋放。

2.3 生物修復技術

生物修復技術研究是當前水環(huán)境處理技術研究方面的熱點，該技術研究是通過水生動植物或微生物修復水質，改善水體生態(tài)結構，提高水體自凈能力，且具有景觀化和資源化等實用功能[9，28]。目前在實際工程中，水生植物法和水生動物法是較為常用的方法，即在水中培育水生植物或水生動物，利用動、植物自身系統使水中污染物不斷進行遷移、轉化及降解，逐步凈化水質和恢復水環(huán)境[9，25]。微生物修復技術是比較前沿的技術，也是未來發(fā)展的一種趨勢，該技術是利用本地天然存在的微生物(即土著微生物)或者經過特殊培養(yǎng)的微生物(外來的有益微生物或轉基因的微生物)菌體在一定的環(huán)境條件下，使其發(fā)展為優(yōu)勢菌群，擴大微生物生長與繁殖，去除和降解水體的污染物，改善水質[29]。

2.3.1 水生植物法

水生植物法主要是利用植物及其根系的微生物系統來吸收、積累、轉化和降解水中的污染物，降低水體中磷、氮等營養(yǎng)鹽物質的負荷，減少水華的發(fā)生，以達到清除環(huán)境中污染物質的目的，同時水生植物還產生一定的經濟效果與美化景觀。

水生植物修復技術相對簡單、易于操作，治理效果明顯，但也存在一些弊端，由于植物本身的生理特點，其修復效果也會因地域、季節(jié)、環(huán)境的不同而有所不同[30]。張勇[31]等通過對比種植本地植物與外來植物對魚塘植物群落和水質的影響中發(fā)現，本地植物更適宜當地土壤、季節(jié)和環(huán)境等因素，因而在改善水質方面效果更好。孫鵬[32]通過研究發(fā)現，植物具有生長周期較短，對氣候的依賴性較強，不同植物組織在不同季節(jié)對營養(yǎng)鹽的吸收能力有所不同，因而不同季節(jié)選擇不同植物，對水體治理更有效。另外也存在一個弊端，就是水生植物體死亡后需要人工作業(yè)進行收割，否則植株腐爛可能會進一步致使水質惡化。因此如何選出合適的不同種類的水生植物，通過它們的優(yōu)化組合，提高人為工程效率和水體治理效果，以滿足不同環(huán)境的修復需要，有待深入研究[33]。

2.3.2 水生動物法

水生動物法主要是通過調節(jié)濾食性魚類數量并輔以田螺、貝殼等小動物來控制水中的藻類。陶雪梅[34]在研究中發(fā)現，魚類對去除水體中的總氮效果明顯，對去除總磷也有一定的效果，但不同的魚類對去除水體中的總氮、總磷的效果不同；在水體中放養(yǎng)一定量的不同種類的魚能夠有效降低水體中營養(yǎng)鹽負荷，對水質的改善和恢復起到積極作用。王娣娟[35]研究了在水體富營養(yǎng)化的條件下不同魚類對經典生物操縱的影響，發(fā)現在養(yǎng)殖鰱魚的富營養(yǎng)化水體中的藻類密度有所下降，水體透明度明顯升高，而養(yǎng)殖鯉魚和鯽魚水體內藍藻密度增加，可見單純放養(yǎng)某種魚類來降低水體中藻類也有一定的局限性。北京市奧林匹克公園人工湖[36]則是綜合采用動植物結合的方法，動物有魚類、鴨、鵝和鴛鴦等，植物由挺水、浮葉、沉水植物組成，有荷花、蘆葦、睡蓮、浮萍、苦草、金魚藻等，治理效果良好，且具有很好的美觀價值和生態(tài)價值。

2.3.3 微生物法

隨著人類社會工業(yè)化高度的發(fā)展，生產、生活中所產生的污染物質越來越多，其組成也越來越復雜，排入自然界以后，天然微生物對這些工業(yè)化污染物的降解能力與效率低[37]，因此微生物修復技術應運而生。傳統微生物技術對溶解性有機物和氨氮去除效果較好，但也具有停留時間長、占地面積大、剩余污泥產生量大、投資費用高且菌劑易流失的弊端。目前一般微生物修復技術有微生物固化技術和微生物修復劑投加技術[38-39]。

微生物修復劑投加技術是水體治理與修復領域一個新興的技術，即是指向富營養(yǎng)化水體中投加高效的復合微生物群(EM)，來促進水體中有機物和氮、磷等污染物質的降解，達到修復富營養(yǎng)化水體水質的目的。陳建等在向城市景觀湖泊中投加EM修復劑后，有效控制了水華暴發(fā)，水體中藍藻生物量減少了70%以上[43]；李雪梅等[44]、馬文林等[45]研究發(fā)現，在水體投入EM修復劑后，水體中的葉綠素a、總氮和總磷含量均呈現出下降趨勢，下降了65%左右，水體透明度上升、溶解氧含量也明顯升高。

2.4 復合修復技術

由以上綜述的內容不難看出，每種治理技術或方法都有自己的優(yōu)缺點，在實際應用或者大范圍應用中使用單一技術往往達不到預期效果，如物理和化學方法雖然在污染水體治理上具有一定效果，但該方法弊端明顯，存在處理費用高，總氮去除難，易帶來二次污染等缺點；水生植物修復技術往往受制于植物本身的生理特點，水生植物有多數是1 a生的草本植物，需要每年補種，耗費人力物力，且枯萎的植物如不及時處理也會給水體造成二次污染。因此目前人工湖的水質維系多采用多元化的修復技術或者復合(或聯合)修復技術，如植物-微生物聯合修復技術[37]等。

3 人工湖生態(tài)系統構建

城市人工湖構成了城市濱水空間的主要組成部分，具有調劑水源、美化環(huán)境、改善生態(tài)等多種功能。良好的城市景觀人工湖生態(tài)系統對提高居民的生存環(huán)境質量、提升都市人文與自然景觀及增強人們的幸福感有著重要作用[49]。近年來隨著我國經濟迅速的發(fā)展以及城市化進程的加快，城市內人工湖的建設需求越來越大，同時已建的人工湖污染問題也日漸突出，因此如何構建和修復城市人工湖的水生態(tài)系統成為研究熱點。

不同城市由于自身條件的不同，城市人工湖生態(tài)系統的構建也有所不同。尤愛菊等[50]的文章中就以上虞濱海新城建設的人工湖為研究對象，對其水質凈化系統的構建進行了描述，提出了基于當前外圍水源條件、湖泊形態(tài)和水質目標等多種因素下的湖泊水體循環(huán)處理的設計思路：由湖區(qū)外循環(huán)、湖區(qū)內循環(huán)和湖區(qū)生態(tài)防治系統組成的湖區(qū)水質凈化系統。陳良霞等[51]以“上海之魚”I期水系為例，綜合利用物理處理方式(攔網截污、生物基處理帶等)和生態(tài)修復方法(底棲動物調控、水生動植物系統構建、微生物調控等)，實現了自然生態(tài)、水景觀優(yōu)美和水循環(huán)健康的修復理念。章毅等[52]以臨汾汾河城區(qū)1號人工湖為例，分析了其工藝流程和施工經驗，總結了采用單一的治理方法往往效果不佳，在水體污染治理上應從原位和異位兩方面同時考慮，即“內外結合+組合工藝”的治理方針。余帆洋等[53]以廣州市白云湖為例，在分析白云湖調水補水、防洪調蓄功能與水質達標、生態(tài)修復需求之間矛盾的基礎上，根據水深、流速和功能需求等條件，將白云湖劃分為湖濱緩流區(qū)、深水緩流區(qū)、急流調控區(qū)、濕地保育區(qū)、休閑娛樂區(qū)和綜合管理區(qū)，提出了水體圍隔、魚類調控、沉水植物群落恢復、生物操縱和食物網構建等技術措施，形成分區(qū)域、分階段實施白云湖水生態(tài)系統構建的初步方案。

4 結語與展望

人工湖一旦建成，就有可能面臨著富營養(yǎng)化的風險?，F階段，水體富營養(yǎng)化仍是中國城市景觀人工湖面臨的重要環(huán)境問題?？茖W合理的水體治理與修復技術不僅可以很好地改善生態(tài)環(huán)境、恢復受損的生態(tài)系統，也可以美化環(huán)境，還具有一定經濟效益。本文總結了在人工湖規(guī)劃和設計使用過程中涉及到的湖水動力研究、富營養(yǎng)化水治理技術和人工湖生態(tài)系統構建等幾個方面的研究進展。在眾多水體治理與修復技術手段上，每種手段都有自己的優(yōu)缺點，某些處理措施在理論上或在一定條件下是可行的，但使用單一技術往往達不到預期效果。人工湖生態(tài)系統的構建應因地制宜，應充分將水體水質凈化技術(富營養(yǎng)化治理技術)與綠化環(huán)境及景觀改善相結合，創(chuàng)造基于人水和諧的多維度多層次水生態(tài)景觀。

在未來城市景觀人工湖水體治理與修復技術研究過程中，湖水動力仍是人工湖規(guī)劃和后期治理和修復的基礎，該研究仍會是未來研究的重點；微生物技術一直是水體治理與修復研究領域的重點和前沿科技，在未來發(fā)展中它仍然是重點研究方向；另外，由于單一技術或多或少存在缺點，因此揚長避短的多元化修復方式是未來人工湖水體治理技術的主要應用方向，且多元化的生態(tài)修復技術將會是重點。