城市景观人工湖水体治理与修复技术研究进展

唐士芳，龚玲玲，徐 璐，王江南，左书华

(1.上海世博发展(集团)有限公司，上海 200125; 2.上海世博实践区商务有限公司，上海 200125; 3.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

江河湖泊是自然生态系统的重要组成部分，河湖健康是人与自然和谐共生的重要标志。随着国家对生态发展要求的重视、城市可持续发展的需要和人们对生活质量(包括居住环境生态质量)要求的不断提高，人工湖作为一种城市景观水体越来越多的出现在人们生活的城市当中[1]，如广州白云湖、香港迪欣湖、上海滴水湖、郑州龙湖和成都兴隆湖等。人工湖不仅是城市滨水空间的重要组成部分，也是人们日常生活中运动、观景、休憩的重要场所，具有改善人居环境、调节局部气候、调水蓄水和增加城市生物多样性等功能。但是，由于受众多因素的约束或限制，人工建造的城市景观湖泊与天然湖泊相比具有环境较为封闭、面积有限、没有(或很少有)天然河流接入和水体循环或流动性较差等特点，使得湖中水体循环能力和调节能力低下。加之人类活动影响，湖中水体污染和富营养化概率增加，从而导致水体水质和生态系统恶化[2-3]，反而会给城市和人们的生活带来一些不良影响。据统计，全国有93%的人工湖水体遭到不同程度污染[2]，因此保证城市人工湖水体的水质以及治理好受污染的水体尤为重要。

本文主要综述了城市景观人工湖水体治理过程中需要考虑的若干问题，湖水动力研究、富营养化水治理技术和人工湖生态系统构建等几个方面的研究。

1 湖水动力研究

人工湖水动力是湖水流动性和流动能力的体现，掌握湖水的水动力特点有利于了解湖内不同区域水体的交换能力，可以为水体净化方法实施提供理论依据。

湖水动力的研究方法有实地监测、物理模型及数学模型等。实地监测主要是在现场通过仪器对湖内水流进行测量。由于受人工湖本身特点影响(一般人工湖面积不大、水深相对较浅、水体流动缓慢、流速较小)，进行现场测量工作比较困难，因此该方法现在应用相对较少。物理模型是以实际湖泊为原型，根据相似理论按照一定缩放比尺建立物理模型，模拟湖泊在各个因素作用下水动力变化情况。数学模型是研究人工湖水动力特点和水体交换优劣最为广泛的一种方法。该方法通过一定数值计算模式，根据工程特点建立适宜的水动力数学模型，较精确逼真地模拟实际湖泊水体流动，且可以进行三维模拟。

我国对湖水动力研究的数值模拟工作开始于20世纪80年代中期，主要是针对面积较大的天然湖泊。对人工湖水动力研究则主要是近十年才开始的，目前国内应用较为广泛的模式有：Delft3D、WASP、SMS、MIKE、EFDC等。通过数学模型计算不同时间段内人工湖水域水体的不同参数，评价水体交换能力的大小，其计算参数主要包括水体交换率、水体更新时间和滞留时间及半交换时间与水质参数等。

许莉萍等[4]采用EFDC模型建立了某城市人工湖的水动力和对流扩散模型，通过获得湖内保守性物质含量的分布，计算了人工湖的水体更新时间和水体交换率，同时对水体交换较差区域采取的工程措施进行了分析，表明采取增加抽注水等措施可以改善内湖及湖周死水区域水体交换效果。高祥宇等[5]建立了威海某人工湖的二维潮流-物质扩散数学模型，计算了水体交换率和半交换周期，分析了该湖的水体交换能力，研究结果显示：由于该湖区位于海岸河口水域，湖内水体交换能力受到潮流、季风和地形等因素影响，其中湖区水深对湖水交换能力影响最大，表现为湖区水深越大，而湖内水体交换能力则越弱，通过适当调整湖区水深可以改善湖内水体交换能力，同时与湖区连通的河流(逍遥河)下泄流量时，可以加快湖区水体交换。定期引水或对湖内水体进行置换，有利于增强湖水流动、增加水体自我净化能力，进而保持和维护湖水良好的水质状况，王哲等[6]、陈凯等[7]采用MIKE21分别对太仓市金仓湖和许昌市鹿鸣湖进行了研究，结果表明：定期进行水体置换可促进湖水流动、增加水体自净能力，有利于维护湖水良好的水质状况，为实现最优化的人工湖水质保障调度提供了一定的依据。

小型人工湖由于面积较小，风因素对其水体流动影响并不明显，但对于一些宽阔的人工湖，风所产出的风生流和风生浪对湖水体流动会产生一定影响。张晨等[8]采用EFDC模型，计算了龙湖在极端风况下的风生流场和风生浪场，讨论了对龙湖所产生的影响。研究结果显示：由于风场引起的湖泊风生流场比较复杂，但总体上来说受风场主要作用于表面流的影响，一般湖区表层流速较大，表层流向与风向一致，底层水体则主要以补偿流形式运动，且流速较小，流向与表层流向相反；风生浪的有效波高则随着风速的增大而增大，且风区长度和水深对有效波高有一定的影响。

2 水体富营养化治理技术

由于城市化的快速发展，城市中大量污水通过不同途径和方式流入(经)城市内人工湖泊，使人工湖水体遭受到了不同程度的污染，加剧了水体富营养化等现象。因此为保障城市人工湖景观、生态等目标，发挥其应有的作用，必须对人工湖水体出现的各种污染问题进行治理。

控制人工湖水体富营养化的方法一般可分为物理机械方法、化学方法和生物修复技术。物理机械方法包括物理除藻、引水置换、循环曝气、底泥疏浚等；化学方法主要是指化学药品法；生物修复包括水生植物、水生动物修复[9-10]和微生物修复等。

2.1 物理机械方法

水体富营养化最典型的一个表象就是湖面有大量藻类繁殖，使得水中的溶氧急剧下降，进而对水体中的生态环境造成影响。物理除藻就是采用人工方法清除水体中的藻类，该方法直接、简单且见效快，但是人工除藻耗时、耗力，已不太适合目前现代的生活。

引水置换是指将周边清洁的水体或河流的水体通过特定的人为工程措施引入到湖泊内使它们发生掺混或交换，改善湖泊内水体环境，增强湖水动力，进而减少和降低湖泊水体中的污染物，提高水体自我净化的能力[11]。引水置换是一种比较常用的物理净化方法，也是减少和稀释湖泊水体营养物质浓度比较高效的人为措施[9]。我国许多湖泊水质改善方法都采用了这种方式，如南京市玄武湖，根据不同的引水规模、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调水调度方案，通过数学模型探讨了最有利可行的能够改善玄武湖湖区水质的引水调度模式[12]；武汉大东湖，通过生态水网连通工程，以清水入湖的手段来促进水生态的修复，使大东湖水系各湖的污染指标COD、TN、TP得到不同程度的改善[13]；厦门筼筜湖，通过研究引水规模与水环境改善效果之间的相关规律，确定了适宜的调水和引水规模，实现了环境效益最优化[14]。

人工湖水体富营养化会导致水中溶解氧的下降，使水体发生黑臭现象，给城市和人们的生活带来一些负面影响。因此增加水体中的含氧量是治理水体富营养化的一个有效手段。运用曝气系统可以提高水中溶氧的含量，改善湖体水环境，有利于促进水中污染物的降解，且对水中的氮和磷含量有一定的控制作用。循环曝气是指依据人工湖水体的规模大小，通过设计配套的过滤、循环系统，采用湖底曝气来消除水体分层，使湖水水温和化学物质均匀分布，改善水体溶氧的含量，抑制水中藻类的生长[15-17]。李玲等[15]针对污染水体生态修复中水流驱动与强化增氧的问题，提出了曝气汲水技术，并进行了一系列试验及工程应用研究，对水体净化起到了良好效果。尹炜等[16]利用城市景观水体及其上设置的提水风车，将自然风能转化为机械能驱动水体外部循环，提水形成落差之后以不同的跌水方式回至城市景观水体，实现对城市景观水体中的人工湖曝气充氧，促进水体的流动和增加水体中的溶解氧。张舒维[17]采用水涡轮作为动力输出机构，实现气、水的循环涌动，提升了湖水水流的循环流动效率和水中溶解氧的产生效率，较好地提升了水质。

底床沉积物(即底泥)是水体富营养化物质的“源”，因此底泥疏浚是一种去除湖泊水体富营养化“源”的治理方法，其目的在于通过疏浚，清除底泥中的高氮、高磷等营养盐物质，消除这些营养物的释放，降低营养盐浓度，提高湖泊的水环境容量[9]。如1998年云南滇池草海实施了底床沉积物(即底泥)疏浚一期工程，疏浚面积为2.88 km2，疏浚工程量为432.69×104m3，工程实施后滇池草海水质得到了明显改善[18]。2000年安徽巢湖实施了底泥疏浚与处置一期工程，疏浚工程量为301.9×104m3，工程实施后巢湖主要污染指标(TN、TP浓度)分别下降了26.3%和46.9%[19]。底泥疏浚能够切实降低水中营养盐浓度，增加人工湖水体容量，提升水生动植物生态环境，但在移除内源污染的同时也会引发一系列环境问题[20-21](如二次污染、底栖生物生境改变等)，因此目前很少单纯使用底泥疏浚方式进行水体修复，而是与其他物理方法、化学方法或微生物修复技术相结合，以弥补单一底泥疏浚技术的不足。

2.2 化学方法

化学方法一般指通过在水体中添加化学药品(除藻剂、混凝沉淀药剂等)杀死藻类，控制水中氮、磷等污染物的含量，以达到防止水体富营养化的目的[9]。

化学方法也是一种比较常见且较为原始的控制藻类的方法。就目前来看，使用最多的化学药品试剂主要有硫酸铜(CuSO4)、二氧化氯(ClO2)、高锰酸钾(KMnO4)和其他复合药剂[10]。随着科学技术的发展，一些新型高效的除藻剂不断出现，在水体富营养化治理上起到良好效果。孙学习[22]通过陶土制取的新型除藻剂，对水生动植物比较安全，无致死毒性，且除藻效果良好，性能稳定；2007年和晓荣等[23]采用的新型除藻剂(主要由含有Cu2+, Fe2+, Al3+, Ca2+4种金属离子的无机化合物按比例混配而成)对滇池富营养化水体进行了除藻试验，结果表明该新型除藻剂除藻效果良好。

化学方法具有经济性较高、效果好的特点，但是化学除藻也有诸多弊端，虽然化学试剂可以快速杀藻，但是极易造成二次污染，甚至会对水体生态系统的生境产生影响，反而会给城市或人们的健康生活带来不利影响[24]。

化学方法不单纯是除藻用，还可以修复净化水质、净化底泥等。2017年张鹏飞等[25]采用木质和煤基活性炭对包头市两个典型人工湖中叶绿素 a、COD、浊度、蓝藻、总氮和总磷的去除效果进行了研究，结果表明：木质活性炭对人工湖中叶绿素 a、COD 和浊度的去除率高达96%以上，煤基活性炭对总氮和蓝藻的去除率高达88% 以上。含有钙的化学药剂对底泥污染物的固定有良好的效果，例如刘广容[26]在厌氧条件下对东湖底泥进行原位化学处理时发现，铝盐对底泥中的磷有较强的吸附能力；张丹[27]对天津某湖泊底泥研究时发现，过氧化钙可以很好地抑制底泥中磷的释放。

2.3 生物修复技术

生物修复技术研究是当前水环境处理技术研究方面的热点，该技术研究是通过水生动植物或微生物修复水质，改善水体生态结构，提高水体自净能力，且具有景观化和资源化等实用功能[9，28]。目前在实际工程中，水生植物法和水生动物法是较为常用的方法，即在水中培育水生植物或水生动物，利用动、植物自身系统使水中污染物不断进行迁移、转化及降解，逐步净化水质和恢复水环境[9，25]。微生物修复技术是比较前沿的技术，也是未来发展的一种趋势，该技术是利用本地天然存在的微生物(即土著微生物)或者经过特殊培养的微生物(外来的有益微生物或转基因的微生物)菌体在一定的环境条件下，使其发展为优势菌群，扩大微生物生长与繁殖，去除和降解水体的污染物，改善水质[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统来吸收、积累、转化和降解水中的污染物，降低水体中磷、氮等营养盐物质的负荷，减少水华的发生，以达到清除环境中污染物质的目的，同时水生植物还产生一定的经济效果与美化景观。

水生植物修复技术相对简单、易于操作，治理效果明显，但也存在一些弊端，由于植物本身的生理特点，其修复效果也会因地域、季节、环境的不同而有所不同[30]。张勇[31]等通过对比种植本地植物与外来植物对鱼塘植物群落和水质的影响中发现，本地植物更适宜当地土壤、季节和环境等因素，因而在改善水质方面效果更好。孙鹏[32]通过研究发现，植物具有生长周期较短，对气候的依赖性较强，不同植物组织在不同季节对营养盐的吸收能力有所不同，因而不同季节选择不同植物，对水体治理更有效。另外也存在一个弊端，就是水生植物体死亡后需要人工作业进行收割，否则植株腐烂可能会进一步致使水质恶化。因此如何选出合适的不同种类的水生植物，通过它们的优化组合，提高人为工程效率和水体治理效果，以满足不同环境的修复需要，有待深入研究[33]。

2.3.2 水生动物法

水生动物法主要是通过调节滤食性鱼类数量并辅以田螺、贝壳等小动物来控制水中的藻类。陶雪梅[34]在研究中发现，鱼类对去除水体中的总氮效果明显，对去除总磷也有一定的效果，但不同的鱼类对去除水体中的总氮、总磷的效果不同；在水体中放养一定量的不同种类的鱼能够有效降低水体中营养盐负荷，对水质的改善和恢复起到积极作用。王娣娟[35]研究了在水体富营养化的条件下不同鱼类对经典生物操纵的影响，发现在养殖鲢鱼的富营养化水体中的藻类密度有所下降，水体透明度明显升高，而养殖鲤鱼和鲫鱼水体内蓝藻密度增加，可见单纯放养某种鱼类来降低水体中藻类也有一定的局限性。北京市奥林匹克公园人工湖[36]则是综合采用动植物结合的方法，动物有鱼类、鸭、鹅和鸳鸯等，植物由挺水、浮叶、沉水植物组成，有荷花、芦苇、睡莲、浮萍、苦草、金鱼藻等，治理效果良好，且具有很好的美观价值和生态价值。

2.3.3 微生物法

随着人类社会工业化高度的发展，生产、生活中所产生的污染物质越来越多，其组成也越来越复杂，排入自然界以后，天然微生物对这些工业化污染物的降解能力与效率低[37]，因此微生物修复技术应运而生。传统微生物技术对溶解性有机物和氨氮去除效果较好，但也具有停留时间长、占地面积大、剩余污泥产生量大、投资费用高且菌剂易流失的弊端。目前一般微生物修复技术有微生物固化技术和微生物修复剂投加技术[38-39]。

微生物修复剂投加技术是水体治理与修复领域一个新兴的技术，即是指向富营养化水体中投加高效的复合微生物群(EM)，来促进水体中有机物和氮、磷等污染物质的降解，达到修复富营养化水体水质的目的。陈建等在向城市景观湖泊中投加EM修复剂后，有效控制了水华暴发，水体中蓝藻生物量减少了70%以上[43]；李雪梅等[44]、马文林等[45]研究发现，在水体投入EM修复剂后，水体中的叶绿素a、总氮和总磷含量均呈现出下降趋势，下降了65%左右，水体透明度上升、溶解氧含量也明显升高。

2.4 复合修复技术

由以上综述的内容不难看出，每种治理技术或方法都有自己的优缺点，在实际应用或者大范围应用中使用单一技术往往达不到预期效果，如物理和化学方法虽然在污染水体治理上具有一定效果，但该方法弊端明显，存在处理费用高，总氮去除难，易带来二次污染等缺点；水生植物修复技术往往受制于植物本身的生理特点，水生植物有多数是1 a生的草本植物，需要每年补种，耗费人力物力，且枯萎的植物如不及时处理也会给水体造成二次污染。因此目前人工湖的水质维系多采用多元化的修复技术或者复合(或联合)修复技术，如植物-微生物联合修复技术[37]等。

3 人工湖生态系统构建

城市人工湖构成了城市滨水空间的主要组成部分，具有调剂水源、美化环境、改善生态等多种功能。良好的城市景观人工湖生态系统对提高居民的生存环境质量、提升都市人文与自然景观及增强人们的幸福感有着重要作用[49]。近年来随着我国经济迅速的发展以及城市化进程的加快，城市内人工湖的建设需求越来越大，同时已建的人工湖污染问题也日渐突出，因此如何构建和修复城市人工湖的水生态系统成为研究热点。

不同城市由于自身条件的不同，城市人工湖生态系统的构建也有所不同。尤爱菊等[50]的文章中就以上虞滨海新城建设的人工湖为研究对象，对其水质净化系统的构建进行了描述，提出了基于当前外围水源条件、湖泊形态和水质目标等多种因素下的湖泊水体循环处理的设计思路：由湖区外循环、湖区内循环和湖区生态防治系统组成的湖区水质净化系统。陈良霞等[51]以“上海之鱼”I期水系为例，综合利用物理处理方式(拦网截污、生物基处理带等)和生态修复方法(底栖动物调控、水生动植物系统构建、微生物调控等)，实现了自然生态、水景观优美和水循环健康的修复理念。章毅等[52]以临汾汾河城区1号人工湖为例，分析了其工艺流程和施工经验，总结了采用单一的治理方法往往效果不佳，在水体污染治理上应从原位和异位两方面同时考虑，即“内外结合+组合工艺”的治理方针。余帆洋等[53]以广州市白云湖为例，在分析白云湖调水补水、防洪调蓄功能与水质达标、生态修复需求之间矛盾的基础上，根据水深、流速和功能需求等条件，将白云湖划分为湖滨缓流区、深水缓流区、急流调控区、湿地保育区、休闲娱乐区和综合管理区，提出了水体围隔、鱼类调控、沉水植物群落恢复、生物操纵和食物网构建等技术措施，形成分区域、分阶段实施白云湖水生态系统构建的初步方案。

4 结语与展望

人工湖一旦建成，就有可能面临着富营养化的风险。现阶段，水体富营养化仍是中国城市景观人工湖面临的重要环境问题。科学合理的水体治理与修复技术不仅可以很好地改善生态环境、恢复受损的生态系统，也可以美化环境，还具有一定经济效益。本文总结了在人工湖规划和设计使用过程中涉及到的湖水动力研究、富营养化水治理技术和人工湖生态系统构建等几个方面的研究进展。在众多水体治理与修复技术手段上，每种手段都有自己的优缺点，某些处理措施在理论上或在一定条件下是可行的，但使用单一技术往往达不到预期效果。人工湖生态系统的构建应因地制宜，应充分将水体水质净化技术(富营养化治理技术)与绿化环境及景观改善相结合，创造基于人水和谐的多维度多层次水生态景观。

在未来城市景观人工湖水体治理与修复技术研究过程中，湖水动力仍是人工湖规划和后期治理和修复的基础，该研究仍会是未来研究的重点；微生物技术一直是水体治理与修复研究领域的重点和前沿科技，在未来发展中它仍然是重点研究方向；另外，由于单一技术或多或少存在缺点，因此扬长避短的多元化修复方式是未来人工湖水体治理技术的主要应用方向，且多元化的生态修复技术将会是重点。