邊翡斐

（上海園林（集團(tuán)）有限公司，上海 200335）

海綿城市是以“自然積存、自然滲透、自然凈化”為特征的，系統(tǒng)解決水環(huán)境和水生態(tài)問題的自然方案[1]，通過構(gòu)建下凹式綠地、雨水濕地、人工水體等海綿基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)施收集、滲透、調(diào)蓄、滯留、凈化、利用等措施。人工湖作為其中重要的調(diào)蓄儲(chǔ)水設(shè)施，長期以來側(cè)重防洪、排澇、灌溉等水利功能，硬質(zhì)化駁岸、雨水簡單直排、水生態(tài)脆弱等現(xiàn)象比較普遍[2]；還有大量的人工湖設(shè)計(jì)過于追求景觀質(zhì)量和管理便利，常形成封閉式水池結(jié)構(gòu)，阻礙了水體與外界的交換，亟需進(jìn)行生態(tài)化改造與設(shè)計(jì)[3-4]。

當(dāng)前的封閉人工湖生態(tài)設(shè)計(jì)綜合利用多水源補(bǔ)給和多技術(shù)水質(zhì)維護(hù)，如用外河補(bǔ)水、湖面降水、雨水徑流等措施來補(bǔ)充水量，用人工濕地、植草溝、生物滯留設(shè)施等設(shè)施來凈化水質(zhì)[5-7]?，F(xiàn)狀的周邊河道大部分水質(zhì)指標(biāo)為劣V類，污染較為嚴(yán)重，不能滿足人工湖的景觀要求[8]，水質(zhì)處理需要依靠物理化學(xué)方法為主體的水處理工藝，且水生生物應(yīng)用時(shí)以滿足景觀需求的外來植物為主[9]。同時(shí)，人工湖一般面積不大，流動(dòng)性也較差，對(duì)水生植物分布和生長影響較大[10]，很難通過自身的生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自我維持和凈化水質(zhì)[11-13]。因此，海綿城市理念下人工湖生態(tài)設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行水量平衡和水動(dòng)力分析，以確定補(bǔ)充水量、水體流速和水生植物分布，構(gòu)建結(jié)構(gòu)合理和功能高效的人工湖生態(tài)系統(tǒng)。

通過對(duì)上海長興島工業(yè)園區(qū)內(nèi)封閉人工湖的現(xiàn)狀分析和計(jì)算，提出人工湖水量補(bǔ)充量、水動(dòng)力優(yōu)化和水生態(tài)處理措施，為封閉人工湖生態(tài)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)思路和參考借鑒。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象位于上海市崇明區(qū)長興島，其屬于河口沙洲島嶼，東鄰橫沙島，北眺崇明島，西與“寶鋼”、南與浦東外高橋隔江相望。地表土層深厚，全島區(qū)域主要分布水稻土，中間部分屬旱作灰潮土。長興島屬海洋性氣候，由于四周水體的調(diào)溫作用，夏季濕潤涼爽，冬季溫和，雨水調(diào)勻，空氣新鮮，光照充足，四季分明。年平均氣溫為15.4℃，年平均日照2 104 h，全年無霜期229 d。最熱月平均最高氣溫35.6℃，最冷月平均最低氣溫-5.6℃。多東南風(fēng)，夏秋季受臺(tái)風(fēng)影響較大。根據(jù)崇明區(qū)氣象局1986-2015年期間氣象數(shù)據(jù)可知，該區(qū)域年降水量在826.0～1 753.1 mm，且呈現(xiàn)不規(guī)則的波動(dòng)，30年的平均值為1 145.8 mm（圖1）；蒸發(fā)量基本在977.7～1 570.2 mm波動(dòng)，30年平均值為1 290.4 mm（圖2）。

項(xiàng)目區(qū)為工業(yè)園區(qū)，用地總面積為224 206.90 m2，其中景觀設(shè)計(jì)總面積80 432 m2（圖3）。綠化澆灌面積為28 728 m2，硬地澆灑面積為25 382 m2；人工湖有15 000 m2封閉水面，設(shè)計(jì)平均水深為2.0 m，離岸邊 2.0 m處水深0.5 m，往水體中部方漸深，最深處3.0 m，其他零散景觀水面面積2 570 m2。人工湖主要用于景觀水體的游憩休閑需求，并滿足綠化和硬地澆灌。項(xiàng)目建成后補(bǔ)水來自周邊水質(zhì)基本為地表Ⅴ類水的河道，甚至更差，水體透明度和各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)難以滿足要求，故需要通過生物強(qiáng)化處理來凈化補(bǔ)充水。

2 研究方法

2.1 水量平衡計(jì)算

對(duì)人工生態(tài)系統(tǒng)中封閉水體采取合適的維護(hù)措施之前，需要分析系統(tǒng)的水量平衡。水體天然補(bǔ)充水有水面降水和地表徑流，另外可能有湖底地下水的滲入；消耗水量包括景觀澆灌用水和水面的蒸發(fā)水量。擬建場區(qū)為沖擊成陸形成，海拔2.4 ～3.1 m，地下水高，因此滲漏系數(shù)取0，即不考慮湖底滲透量。人工湖的水量平衡計(jì)算見公式（1）。

W＝Ql＋q1－q2－q3（1）

式中：W為補(bǔ)充水量，Ql為綠化澆灌與硬地澆灑量，q1為蒸發(fā)水量，q2為水面降水量，q3為地表徑流量。

降水量取崇明區(qū)1986 - 2015年間的平均值，即1 145.8 mm。從月均降水量來看，1986 - 2015年期間范圍為38.8～199.2 mm，以6月、7月和8月最高，分別占全年降水量的17.39%、13.83%和15.49%；10月、11月、12月和1月最低，為少雨期，分別僅占全年降水量的4.51%、4.78%、3.39%和4.93%（表1）。

表1 崇明區(qū)1986 - 2015年月均降水量Tab. 1 Average precipitation per month in Chongming District from 1986 to 2015

蒸發(fā)量取崇明區(qū)1986 - 2015年間的平均值，即1 290.4 mm；但水庫湖面蒸發(fā)量比氣象站小型蒸發(fā)器測得值要小，據(jù)寶山站測定結(jié)果年均值約為氣象站蒸發(fā)量的73%，故設(shè)計(jì)實(shí)際蒸發(fā)量為942.0 mm。從月均蒸發(fā)量來看，1986-2015年期間月均蒸發(fā)量占全年比例為3.42%～13.74%，12月、1月和2月蒸發(fā)量較小，為44.2 ～53.2 m3；3月、4月、10月和11月82.0 ～114.2 m3；5月、6月、7月、8月和9月都在100 m3以上，最高177.3 m3（表2）。

表2 崇明區(qū)1986 - 2015年月均蒸發(fā)量Tab. 2 Average evaporation per month in Chongming District from 1986 to 2015

根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定綠化澆灌日均用水標(biāo)準(zhǔn)為2.5 L/m2，硬地澆灑日均用水標(biāo)準(zhǔn)為2.0 L/m2，相當(dāng)于一天降水量為2.5 mm和2.0 mm[7]。1986 - 2015年平均降水量為1 145.8 mm，平均每年降水日數(shù)為159.5 d，平均每天降水量為7.18 mm。因此，可以認(rèn)為有降水的日子無需進(jìn)行綠化澆灌及硬地澆灑。

2.2 水動(dòng)力分析

MIKE系列軟件主要用于模擬水動(dòng)力、水質(zhì)變化等水環(huán)境問題，在國內(nèi)外水環(huán)境研究領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。利用DHI MIKE二維水動(dòng)力模塊計(jì)算預(yù)測研究區(qū)域內(nèi)的水動(dòng)力分布狀況，采用三角形計(jì)算網(wǎng)格，對(duì)于復(fù)雜岸線區(qū)域進(jìn)行加密處理，最小水平分辨率可達(dá)0.20 m，計(jì)算網(wǎng)格中共有2 247個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，包含4 206個(gè)三角形網(wǎng)格（圖4）。

模型模擬時(shí)長為1個(gè)月，從2020年12月1日0點(diǎn)至2021年1月1日0點(diǎn)，每0.5 h 輸出一次結(jié)果，計(jì)算中考慮干濕網(wǎng)格。研究區(qū)域水深大于1 m，運(yùn)用公式（2）計(jì)算糙率系數(shù)。

式中，n為糙率系數(shù)，n0為河床沙粒糙率系數(shù)（常數(shù)），n1為河床形態(tài)糙率系數(shù)（常數(shù)），H為水深。

從NOAA（ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/noaa/）獲得同時(shí)期風(fēng)場數(shù)據(jù)，提高模擬準(zhǔn)確性和邊界條件完整性。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，制定兩種方案進(jìn)行水動(dòng)力模擬，除了入流和出流邊界，其他區(qū)域?yàn)殛懙夭豢苫七吔?。方案一：設(shè)計(jì)要求30 d內(nèi)循環(huán)3萬m3水量，即每天循環(huán)1 000 m3，水體設(shè)計(jì)常水位2.0 m；方案二：設(shè)計(jì)要求15 d內(nèi)循環(huán)3萬m3水量，即每天循環(huán)2 000 m3，水體設(shè)計(jì)常水位2.0 m。

3 結(jié)果分析

3.1 水量平衡

水量平衡計(jì)算是指對(duì)人工景觀湖各類水量的收入和支出進(jìn)行逐月計(jì)算分析，以確定人工景觀湖是否能提供一定的水資源量，實(shí)現(xiàn)人工湖功能并保障湖泊自身生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展[14]。根據(jù)各部分水量計(jì)算值，得出各月需要的補(bǔ)充水量如表3所示，全年有8個(gè)月需要補(bǔ)充水量，每月補(bǔ)水量為613.8～2 416.4 m3。其中5月份需要的補(bǔ)充水量最大，為2 416.4 m3，則人工湖每天最大補(bǔ)充水量為80.6 m3/d，按照10%～20%的未可預(yù)見量計(jì)算，設(shè)計(jì)日補(bǔ)充水量為100 m3/d。

表3 封閉人工湖各月水量平衡的結(jié)果Tab. 3 Results of water balance in each month for closed artificial lake

其中，綠化最高日澆灌用水量為71.82 m3/d，硬地澆灑最高日用水量為50.76 m3/d，兩項(xiàng)合計(jì)為122.58 m3/d，考慮10%未預(yù)見水量，澆灌澆灑用水量為134.8 m3/d，全年總澆灌澆灑需水量為1.94萬m3，每月平均值為1 618.8 m3。按照水面面積1.5 hm2、全年湖面設(shè)計(jì)蒸發(fā)量942.0 mm和月均蒸發(fā)量比例計(jì)算，全年月蒸發(fā)水量1 177.5 m3，范圍為483.6～1 941.2 m3，以7月蒸發(fā)水量最大，1月最小。按照全年降水量為1 145.8 mm、降水水面面積1.5 hm2和每月降水比例計(jì)算，全年月降水量為582.1～2 988.6 m3，平均值為1 432.2 m3。10、11、12月和1月降水量少，分別為775.3 m3、821.2 m3、582.1 m3和846.7 m3；雨季6、7、8月降水量多，分別為2 988.6 m3、2 376.3 m3和2 662.2 m3。項(xiàng)目景觀設(shè)計(jì)總面積80 432 m2，扣除其他零散水面面積2 570 m2，按照約10%面積進(jìn)入人工湖計(jì)算，雨水的匯水面積約為7 786.2 m2。匯水面積內(nèi)綜合徑流系數(shù)采用綠地的徑流系數(shù)0.15計(jì)算，全年累計(jì)地表徑流量為1 338.1 m3，月均變化范圍為45.3～232.7 m3，其中徑流量在100 m3以上的3、6、7、8、9等5個(gè)月份。

3.2 場地水動(dòng)力

水動(dòng)力是河湖水生植物分布和生長的關(guān)鍵因子[12]，主要受控于河湖水量、勢能差異和萬有引力。根據(jù)設(shè)計(jì)，人工湖水流速度為0～0.02 m/s，受進(jìn)水流量大小的影響，導(dǎo)致整體流速非常小（圖5）。循環(huán)周期為15 d時(shí)，整個(gè)水體岸線曲折凹陷處仍有多處緩流區(qū)，但緩流區(qū)面積和渦流中心明顯減少，整個(gè)水體流速相對(duì)均衡。循環(huán)周期為30 d時(shí)，整個(gè)水體形成多處緩流區(qū)，尤其是岸線曲折凹陷處，共有三處渦流中心，水體流速非常緩慢。

3.3 人工濕地技術(shù)比選

水量平衡分析得知人工湖全年個(gè)別月份需要補(bǔ)充外源的地表水，進(jìn)入湖區(qū)前需要設(shè)置預(yù)處理設(shè)施以達(dá)到景觀水水質(zhì)要求[7]。人工濕地參數(shù)設(shè)計(jì)參考2017年住建部發(fā)布了《污水自然處理工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 54-2017）中的表面水力負(fù)荷和水力停留時(shí)間兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，具體指標(biāo)和濕地面積要求如表4所示。通過比較表面流、水平潛流和垂直潛流三種不同人工濕地的表面水力負(fù)荷、水力停留時(shí)間和單位面積建設(shè)成本，發(fā)現(xiàn)表面流人工濕地的單位面積建設(shè)成本較低，但占地面積是水平潛流和垂直潛流的兩倍；而在相同面積下，水平潛流人工濕地的單位面積建設(shè)成本相對(duì)較低。綜合考慮用地需求、建設(shè)成本和處理效能，處理水量100 m3/d的外河補(bǔ)充水宜采用約667 m2的水平潛流人工濕地，其設(shè)計(jì)效果如圖6所示。

表4 滿足不同指標(biāo)要求的人工濕地面積比較Tab. 4 Comparison of constructed wetland area reaching the requirements of different indicators

3.4 湖區(qū)水生植物配置設(shè)計(jì)

通過分析內(nèi)部水體深度和流速等基本性狀，根據(jù)上海常見水生植物的適宜水深和植株高度的判斷，并參考主要水生植物對(duì)營養(yǎng)鹽的去除能力[7]，提出內(nèi)部水生生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的植物選擇和種植設(shè)計(jì)。上海地區(qū)常見35種水生植物的適宜水深和株高范圍見表5。在生態(tài)駁岸設(shè)計(jì)時(shí)，植株高大植物可作為水景豎向設(shè)計(jì)中群落上層材料，而植株矮小種類可作為橫向設(shè)計(jì)的應(yīng)用材料或居于豎向設(shè)計(jì)的下層。

表5 上海地區(qū)常見35種水生植物的適宜水深和植株高度Tab. 5 Suitable water depth and plant height of 35 common aquatic plants in Shanghai

在水面范圍內(nèi)，睡蓮、萍蓬草、荇菜、金銀蓮花和水鱉5種可作為生長于較深水域的水面景觀材料?？嗖荨⒔痿~藻、黑藻、眼子菜和菹草5種沉水植物可作為生長較深水域的水下景觀材料。

通過以上分析，結(jié)合項(xiàng)目湖區(qū)湖底現(xiàn)狀和景觀需求，共設(shè)計(jì)種植挺水植物和浮葉植物1 000 m2，主要分布在駁岸和水深0.5 m以內(nèi)淺水區(qū)；種植沉水植物15 000 m2，主要分布在水深0.5 ～1.2 m的水域。具體配置設(shè)計(jì)為駁岸邊種植千屈菜、鳶尾、美人蕉等觀花植物，淺水區(qū)種植蘆葦、蘆竹、水燭、荷花、梭魚草等挺水植物；浮葉植物選用睡蓮和荇菜等觀賞植物，沉水植物則選用苦草、黑藻、金魚藻等鄉(xiāng)土種類，形成層次豐富、錯(cuò)落有致的濕生—挺水—浮葉—沉水植物構(gòu)成的植被帶。

4 討論與結(jié)論

項(xiàng)目參考翟俊等[15]水量計(jì)算公式，采用崇明當(dāng)?shù)貧庀筚Y料逐月分析降雨量和蒸發(fā)量，結(jié)合澆灌用水和地表徑流量，計(jì)算出人工湖匯流區(qū)域內(nèi)全年有8個(gè)月需要外界補(bǔ)水，最大需水量即每天最大補(bǔ)充水量為80.6 m3/d，按照10%～20%的損失量，設(shè)計(jì)每月補(bǔ)水量為100 m3/d；由于降雨和地表徑流，也需要向外排水，日最大排水量為15 m3/d。同時(shí)，根據(jù)長興島2016 - 2018年監(jiān)測斷面水質(zhì)結(jié)果存在主要污染物為氨氮，平均濃度達(dá)2.02 mg/L（劣V類）[16]，推薦采用人工濕地方式進(jìn)行外河補(bǔ)水凈化預(yù)處理[12,17]，根據(jù)表面負(fù)荷水力和水力停留時(shí)間計(jì)算宜采用約667 m2的水平潛流人工濕地，可達(dá)到人工濕地自然處理的水質(zhì)目標(biāo)。

新建人工湖蓄水初期，湖底沉積物較少，水體污染負(fù)荷主要為補(bǔ)水和地表徑流污染，同時(shí)此階段為TN、TP等營養(yǎng)鹽累積高峰期[17]，為藻類生長提供了條件，不利于水生植物的成功定植。同時(shí)，水流也能影響水生植物群落結(jié)構(gòu)和物種分布，當(dāng)水體流速＜0.1 m/s時(shí)，宜種植沉水植物、浮葉植物、挺水植物；當(dāng)水體流速＞0.9 m/s時(shí)，不宜種植沉水植物和浮葉植物，可種植挺水植物[18]。項(xiàng)目人工湖水流速度為0～0.02 m/s，由于受進(jìn)水流量大小的影響，導(dǎo)致整體流速非常小，岸線曲折凹陷處有多處緩流區(qū)，易滋生藻類，會(huì)加劇水質(zhì)惡化。因此，通過設(shè)計(jì)噴泉曝氣系統(tǒng)和魚池曝氣裝置，推動(dòng)水體流動(dòng)和增加溶解氧[14]。利用緩流區(qū)域種植濕生和水生植物營造生態(tài)駁岸，可用鳶尾、梭魚草、燈心草等低矮型挺水植物為主，點(diǎn)綴千屈菜、香蒲、美人蕉等株高1 m以上的種類，浮葉和沉水植物以睡蓮、苦草、金魚藻、黑藻等為主，形成層次豐富、錯(cuò)落有致的水生植被帶[19]；加上螺、蚌、蝦等底棲生物和不同食性的魚類，組成穩(wěn)定的水生生態(tài)系統(tǒng)[7,20]。

因此，參考已有研究經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行維護(hù)效果[7-8,20]，針對(duì)項(xiàng)目補(bǔ)水來源周邊河道劣V類水質(zhì)現(xiàn)狀、人工湖水體現(xiàn)狀和區(qū)域景觀設(shè)計(jì)需求，提出利用潛流人工濕地處理補(bǔ)充水、設(shè)計(jì)曝氣裝置增加水動(dòng)力和構(gòu)建濕生—挺水—浮葉—沉水植物構(gòu)成的植被帶，可以有效維持III類水標(biāo)準(zhǔn)，集成一整套適合人工湖建設(shè)初期和日常維護(hù)的技術(shù)體系。