人工水景观水质改善的生态系统构建工程技术研究——以隋唐洛阳城九洲池水质改善工程为例

韦联平

生态系统构建技术是人工水景观实现水质稳定的一种有效手段。文章通过介绍水质提升与景观提升在隋唐洛阳城九洲池的实际应用案例，从项目主体背景出发，提供具有针对性的设计思路，分析技术选择与参数，展示生态与水景相互衬托、清新秀丽的工程效果。九洲池水质提升为人工水景观提供了低成本、高效的治理模板。

人工水景观；水质提升；生态系统构建；技术筛选集成

人工景观水体是指给人以美感的城市、乡村或旅游景点的湖、河道等人工构建的景观水体。人工景观水体分布于各种城市绿地中，由于水利防洪及水质等原因，为有利于人工管理调控，通常与其他河湖系统不连通。水是人工景观中不可或缺的一环。水或动或静，或有形或无形，本平淡无奇，但与周边景观结合后会传递出不同的情绪和内容。“水秀则灵”又对人工水景观提出了水质的要求，清澈秀美的水质，会给人一种清雅脱俗的感觉，水体需要做到水色自然、无异味，透明度高甚至清澈见底，才能给人以美的享受。因此，人工景观水体的长期景观效果除了水化学质量指标以外，提高水体透明度和水生态系统生物组分和结构，是构建“师法自然”人工水体景观的重要工程技术内容。

1.项目平面图

在开挖、蓄水后，人工景观水体初步成型，但由于封闭缓流、周边污染排入和水质管理不善等问题，后期景观水体都会产生不同程度的水质问题，如水质恶化、藻类爆发、水体富营养化、透明度低，甚至蚊虫滋生，影响游客游览及周边居民正常生活。有数据表明，水中总磷超过0.0515 mg/L、氮浓度超过0.3 mg/L时，藻类就会大量滋生，成为人工景观水质恶化的首要原因[1]。目前通常采用物理、物化、生化和生态等处理方法进行水质改善，其目的主要是保证水质指标如COD、BOD5、TN、TP等，控制藻类的生长，保持水质达标、水体洁净[2]。不同处理方法从不同角度都具有其优越性和局限性，但兼顾景观观赏和净水功能的，非生态治理莫属。同时，为了保证净水效果，可采用“物理—生态”“物化—生态”“生化—生态”几种方式组合以提高水质净化的稳定性。

生态水处理是通过建立人工生态系统进行，待系统稳定后无需外在干预，整个生态系统能够适应周边影响、自行调控，处于生态平衡状态。生态系统构建技术目前已趋于成熟，当前生态系统设计重点处理除了同时兼顾系统完善性、系统净水功能性、生物生态性等外，还需综合考虑其景观和文化表现。项目实施前须先实地考察项目主体，设计方案时须遵循以下六大原则：生态环境修复优先；历史文化延续和活力；场所认知和情感认同；因地制宜，体现地方特色；以人为本、参与共享；景观协调优先[3]。本文通过梳理隋唐洛阳城九洲池水质提升案例，供今后人工水景观生态治理参考。

1 项目分析

1.1 项目背景

文献记载九洲池也称九曲池、九江池，位于河南省洛阳市。九洲池始建于隋代，兴于唐，落于北宋，遗址保存范围清晰。作为紫微城内最大的皇家园林，风景独胜，水色怡人。据《唐两京城坊考》记载，九洲池，其池屈曲，池中有数座岛屿，象东海之九洲，居地十顷，水深丈余，鸟鱼翔泳，花卉罗植。九洲池“广水无山”，考古实测隋唐时期九洲池水域面积达139 250 m2，形成了“纳千顷之汪洋，收四时之烂漫”的效果[4]。“鸟鱼翔泳，花卉罗植”阐述了九洲池的生物范围广泛、品种丰富，生态系统在这广阔的水域，发挥了水质改善、景观和生态效益提升作用。

根据当前的历史资料，尚无法完全复原九洲池全貌。如今建起的九洲池遗址公园（图1），新开挖水体实际水域面积约2.3 万m2，平均设计水深约1.2 m，池底为自然黄土。建成后的九洲池除了传递其深厚的文化内涵，展现隋唐皇家园林风采外，更被赋予了“树立以水景为主的中国古代新形式造园艺术典范”的期待。

1.2 水系分析

景观水体多为静止或流动性较差的缓流水体，水域面积小、水环境容量小、水质稳定性较差、自净能力较差。由于人为扰动强、水生植物群落配置单一、水体流动性差等原因，容易受点面污染、富营养化速度快、难以自我修复。景观水体水质恶化的原因是由于水体受到了污染，污染来源包括：（1）景观水体因蒸发耗散损失，通过各种途径实施补水带来的污染物；（2）雨水特别是初期雨水带入的降尘及其他污染物造成水质恶化；（3）绿化浇灌和喷洒农药通过喷洒、渗透等方式进入水体；（4）植物残体（如树枝、落叶等）进入水体后造成的污染，这些污染物主要分为有机污染和N、P污染。如有机污染量超过水体自净能力，将造成水体恶化、水体底部出现黑臭问题；N、P污染将导致水体富营养化，甚至出现藻类爆发。发生的原因主要是雨水和绿化浇灌时将周边草地上的泥沙冲刷进入池塘，积累在池塘底部；水系内缺乏完整的生态系统，水体自净能力差，污染物不能及时削减。九洲池由于是相对封闭的水体，污染物质（特别是N、P等营养物质）只有输入而没有输出，污染浓度累积大；水系污染积累和自净能力缺失，这两种因素共同作用，水系表现出越来越严重的富营养化问题，容易出现藻类爆发性生长、水体发绿而影响景观的现象。

1.3 水系目标

根据九洲池遗址公园景观总体设计及水体感官要求，水质提升后实现水质主要指标达到地表Ⅲ类水，水体清澈见底，展现“水下森林、鱼翔浅底”自然生态风貌（图2）。

1.4 工艺选择

针对易形成富营养水体的封闭型景观水体进行净化处理，重点是截除外来污染、去除水中的藻类、尽量降低水体中的N、P含量。目前对水体富营养化和水华控制的技术主要包括：

物理方法：控制和改变环境条件，通过引清调水、减少水体中的营养盐和藻类浓度、改变水体的流速以抑制藻类的生长、冲刷团聚的藻类；机械法可在短期内通过收获的方式有效地去除水体中的藻类及藻华，但需要耗费大量的人力和物力。

物化方法：包括外源污染控制方法，如截污（初期雨水等）、污水改道、通过污水脱氮除磷的处理削减磷的排放等；内源污染控制方法，如清淤、营养盐钝化、底层曝气、调节水中氮磷比、覆盖底部沉积物及絮凝沉降措施。

化学方法：采用化学杀灭和絮凝剂（如硫酸铜、明矾、石灰等）方法，以达到杀藻、促磷沉淀和脱氮等治理措施，但这类措施存在易产生二次污染等问题。

综合上述各项技术的投资成本和治理效果发现，单项技术或措施无法实现富营养水体治理后效果的长期保持。相比其他，采用“机械设备+生态”综合技术不仅经济可行，还不易对环境造成二次污染，是实现社会经济和环境协调发展的有效途径。结合九洲池实际情况，采用补水净化/特殊天气应急循环净化（气浮+生化+过滤设备）与生态系统构建技术对水体进行综合治理，在生态系统构建基础上，统筹水下、水面以及沿岸景观的规划设计，实现传统文化与水文化有机统一，展现皇家生态园林的美丽风尚。

2 工艺设计

2.1 工艺介绍

“机械设备+生态”的净化思路，就是先使用机械净化设备使水体中的污染物质降低到生态系统（特别是沉水植物）能够承受的范围，然后再依靠沉水植物强大的净化功能，实现水质净化与提升。针对引起水体富营养化的有机污染和N、P污染，此系统中存在着三种N、P的去除机理：（1）N、P被生态系统中的水生植物吸收，并随植物收割从水中去除；（2）气浮可有效去除水中藻类，因藻类富集了大量的N、P，同时降低水中N、P的含量，相当于植物的收割；（3）过滤通过加入少量絮凝剂（明矾类无毒药）进行絮凝沉淀的沉淀物，辅助去除N和P；（4）系统中的生化单元能够有效去除溶解性有机物。

2.2 机械设备

本次设计采用的“机械设备”，具有以下突出特点：

（1）系统出水浊度通常可以控制在4 NTU以下，透视度可以达到1 m以上；

（2）净化装置独创的内置气浮、生化和过滤三个单元，相辅相成。不仅对藻类、SS、TP有很好的去除作用，而且对有机物和NH3-N也有较好的去除作用，全面改善水质，处理出水溶解氧高；

（3）净化装置对水质变化的适应性好，既能满足富营养化的水处理，又能满足受有机污染的水处理；

（4）见效快，一般2～3 d就可以使水质明显改善；

（5）处理费用低，水系的年处理成本约1.5 元/m3，远远低于常规处理成本或置换自来水的费用。

“机械设备”可以对人工湖水进行循环处理，增加人工湖内循环的水体流动性，同时通过循环净化去除水系中滋生的藻类、有机污染物和悬浮物，降低水体浊度、提高透明度、降解水体中氨氮等污染物含量（图3、4），也可以作为应急净化装置，主要用于应急治理，如特殊时期（夏季蓝绿藻爆发）水质的快速恢复，或重点区域快速改善水质等。

2.水系设计效果图

3.经过“机械设备”处理后的别墅区水景效果

4.左为处理后的水质，右为未经处理的河水

2.3 水生植物

在对水体生态系统修复及水体净化过程中，沉水植物起到至关重要的作用，沉水植物具有以下生态功能[5-8]：（1）维持水体中生物多样性；（2）对水体的净化功能；（3）增加水体透明度；（4）生成化感物质抑制藻类生长。

九洲池清水来自“引黄入洛”工程，根据北方硬质水体和湖底的自然黄土，水生植物应用在此次项目中，以四季常绿矮化苦草为主，应用于水体透明度改善和较浅水域底部断面稳定性；伊乐藻在冬春寒冷的季节里仍具有较强的生命力，特别适用于北方越冬水体；轮叶黑藻假根性植物，多样搭配提高生态系统多样性，多植物系统更贴近自然生态系统。

挺水植物有“彼泽之陂，有蒲与荷。有美一人，伤如之何？”（菖蒲），“山有扶苏，隰有荷华”（荷花），“天门冬夏鸢尾翔，香芸台阁龙骨蜕”（鸢尾）等，同时植物品种搭配及景观设计运用了“构建不同植物层次空间景观、化形移步异景视觉效果”等理念，搭配再力花、旱伞草、千屈菜等，营造色彩及空间的景观观赏效果。

2.4 工艺参数

（1）补水量计算：

设计考虑补水来源为初期雨水，设计处理量为初期雨水量。根据资料暂估九洲池集水面积约计9 万m2，其中水域面积2.3万m2，其他主要为园林绿化，初期雨水带来的污染物最终都将以不同方式进入水体（地表径流或园林灌溉等）。

洛阳多年平均24 h降雨量为90 mm，多年小时暴雨量取平均24 h降雨量的10%，一般工程采用历年最大暴雨的前15 min雨量为初期雨水量，则九洲池初期雨水量为：

九洲池降雨初期雨水流量为202 m3/次，洛阳降雨频率约为4 d/次。根据徐海波等对雨水中污染物浓度分布规律研究发现，氮素对地表水污染贡献最大，结合本项目水质维持目标，主要通过生态治理对初期雨水中氨氮进行降解。氨氮最大值为4.90 mg/L[9]，则需要通过“机械设备+生态”技术净化实现氨氮最大降解量取3.9 mg/L，即每立方降解3.9 g以上，氨氮总量为：

（2）沉水植物种植面积计算：

根据相关实验室数据模拟分析，沉水植物系统稳定且优势净化条件下，可以通过同化作用将氨氮转为水草氮，沉水植物同化率按20%计，水体中氨氮转化为水草氮总量为：

5.九洲池水质提升现场图

沉水植物通过收割的方式将水草氮从水体中移除，水草氮占水草干物质比例取1.5%，水草含水量一般为95%，则水草湿重为：

根据类型项目案例，水草产量为1.3 kg/a，则水草种植面积约为14 750 m2。若考虑补水及周边绿化施肥中的氮素汇入水体，沉水植物面积扩大1.2倍左右，则沉水植物种植面积约为17 878 m2。生态系统除沉水植物系统外，还包括挺水植物系统和水生动物，挺水植物种植面积1 968 m2，水生动物主要投放有自泳动物、底栖动物和浮游动物等。

（3）机械设备参数：

一体化综合积水设备循环处理周期约为11 d，处理能力定为100 m3/h。

2.5 治理效果

通过“机械设备+生态”技术，实现治理后九洲池水体主要指标优于地表Ⅲ类水，水体透亮、清澈，水色自然（图5）。具体水质数据如表1。

3 结论

人工景观水采用“生态系统构建+机械净水设备”组合工艺治理，具有治理效果长效性和有效性的显著优势，虽然从一开始的建造成本较高，但从长远来看，其社会效益、经济效益和生态效益都是持续增长。

生态系统设计时必须根据实际水源水质，科学构建生态系统，其物种选择需符合生态规律，才能实现人工生态系统的生态性、稳定性和有效性。在人们日益增长的文化需求下，水文化的传递也是设计工作需同步考虑的。

表1 现状水体水质检测数据