拟自然化：城市湖泊水环境治理的生态智慧与途径——以南京玄武湖为例

成玉宁

王雪原

建成环境中的城市湖泊普遍具有水体富营养化、生态系统脆弱等特征。随着城市建设用地扩张与建设强度增加，各类土地开发使湖泊水文过程及水文环境与其原初的自然状态有显著差异。土地利用方式转变带来湖泊小流域整体水环境改变的同时，也引起了湖泊生态与形态的退化，极大地增加了城市建设管理运维的费用与难度。湖泊水环境恢复的可持续方法及相关治理技术的研究在持续深入，主要集中于较大尺度的“湖泊-流域”综合治理与场地尺度的湖泊水环境研究两方面。前者发展于流域生态学及生态系统管理领域的研究方法，将湖泊流域视为一个完整系统加以研究[1]，侧重于解决流域生态恶化及综合优化资源配置，在国际上常应用于大型湖泊或湖群的水生态恢复与区域水资源管理[2]；后者主要应对个体湖泊本身的水质恶化、水量失衡等问题，是当代城市湖泊水环境治理的主要内容，实践中方法可总结为物理、化学、生物3类，主要为引水稀释、底泥疏浚、覆盖隔离、堤坝工程、水系连通、生物浮床、生态护坡及投加微生物与化学药剂等方法的搭配使用[3]。如在控源截污与补水疏浚的基础上，利用土工材料制造沟渠、堤坝进行水文控制，拦截污染物并增加水体停留时间以形成良好的生态修复系统[4]。此外，基于遥感卫星的多波段光谱信息也越来越多地被应用于湖泊的生态效应评估及监测湖泊不同阶段的生态过程恢复[5]。城市湖泊在空间上表现独立，其健康评价、生态服务价值核算、退化生态系统修复等研究亦多集中于场地尺度，从小流域尺度探讨城市湖泊水环境的系统恢复的可持续方法亟待推进。南京玄武湖具有典型的城市湖泊特征，长期以来维系玄武湖的生态与形态的质量一直是城市水环境治理的重点与难题。本文基于小流域尺度分析玄武湖水环境退化成因，对比玄武湖周边城市建设前后的水文过程变化来探讨湖泊水环境治理的可持续方法，通过辩证湖泊治理途径的标本差异，梳理玄武湖水环境恢复的生态化途径，以期对其他城市湖泊治理有所借鉴。

1 玄武湖水环境特征及其水文过程

1.1 玄武湖的形成及水环境特征

南京玄武湖是由地质构造断裂、下沉风化及长江演变的水力驱动等诸多因素影响而形成的自然下凹空间，人类对其开发利用的历史可追溯至3 500年前。在自然和社会发展的共同驱动下玄武湖在不断变化着：六朝时期孙权在南京兴修水利，玄武湖壅塞成湖成为水军训练基地；北宋时期王安石为增加耕地面积将玄武泄湖为田；元代“开衍为湖”，对玄武湖及河道进行疏浚；民国以后至20世纪末，人地矛盾突出，为增加建设用地而相继填埋原本的水塘和沟渠；1998年，玄武湖开始了大规模的当代湖泊治理工程。

玄武湖位于钟山西麓，北界红山、南抵鸡笼山与覆舟山，环湖冈峦与其形成了良好的山水格局(图1)。玄武湖东侧钟山片区、北侧红山与幕府山片区、西南侧主城区的地势依次降低，湖泊呈台地湖相，中部形成碟形洼地(图2)。盆域水体出水方向，一为流经西侧金川河、内金川河、护城河等交织的地表通道网络进而汇入长江，二为东南侧沿珍珠河向下汇入秦淮河。明城墙建于玄武湖南岸、西岸一侧，使玄武湖作为天然的“护城湖”隔离于城墙之外，较大程度阻断了玄武湖与西侧主城区的径流过程。太平堤建于湖泊东侧与钟山的接合处，将紧贴钟山西坡的一片湖面隔为白马湖，一定程度限制了玄武湖与钟山西坡的直接水文联系。明城墙与太平堤坐落于玄武湖山水相连的景观格局当中，形成东西2条空间屏障。

图1 山水格局中的玄武湖

图2 玄武湖及其周边地形

1.2 区域地表水环境的改变

城市建设发展导致自然水域范围收缩、集水边界改变及流域水道变更，大量的地表水无法通过自然的流槽进入玄武湖。土地利用及开发建设活动割裂了自然空间，不仅改变了地表径流的方向与流量，也极大限制了水文过程与生态功能。如紫金山北坡径流往西汇至玄武湖，其中军民友谊水库的建设对北坡水系进行了调蓄截流，又跨集水区用于国宾馆、钟山高尔夫球场及别墅区的绿地灌溉。玄武湖径流路径沿线的诸多人为因素对地表产汇流过程产生强烈的截流或阻断作用，由此地表水环境的失衡及流域建设活动对入湖地表径流产生了巨大影响。

1.3 跨流域调水维系水景观

随着玄武湖日趋重要的游憩价值，为了确保玄武湖景观质量，目前平均每日跨流域抽取20万t以上的长江水冲洗湖体，年补水量超过7 000万t，其现状维持依赖人工净化。环境退化影响着湖泊的生态系统循环，长期富营养化的玄武湖，存在生物多样性减少、生态系统不稳定、生物群落结构简化等问题。简而言之，当前玄武湖环境治理工程更多地注重现状水景观的维持，宜继续探讨对于湖泊生态系统健康维系的可持续途径。

1.4 自净与调节能力的衰退

富营养化是城市湖泊的共性问题，20世纪80年代开始，玄武湖从初期的有机物污染状态，逐渐加剧富营养化程度。当代湖泊综合整治工程实施后，水体富营养化程度有所削减。玄武湖的水体富营养化主要是由于生态系统失衡、周边城市发展等因素长期累积，导致湖体自净、调节能力衰退。长期通过入湖地表径流的截流实现有机污染物的阻隔，同时依赖引水与疏浚工程来维持玄武湖水质。

1.5 玄武湖水文过程的解析

1.5.1 自然状态下的玄武湖水文特征

玄武湖地势低洼，其自然小流域范围远大于建设改造后的集水区。史料所载六朝时期的玄武湖面积约是现在的4倍，西通江潮、南接金川河水系，北到大红山、西至西流湾[6]。现状地形条件下，玄武湖汇水来源主要包括钟山北坡、幕府山南坡及玄武湖东北方向的集水片区。通过提取地形的分水线、等高线及地形剖切面推断现状玄武湖小流域范围，如图3、4所示：幕府山以南，钟山、红山以北的区域均处于其中，覆舟山、鸡笼山、鼓楼岗、明城墙共同限制了玄武湖与南部片区的地表径流关系。

图3 玄武湖自然小流域分水线识别

图4 玄武湖小流域竖向关系分析

1.5.2 建成环境条件下的玄武湖水文特征

建设用地开发逐渐阻断玄武湖地表径流，现仅存唐家山沟、紫金山沟等5条入湖通道[7]。这些通道因具有大量的排污口而处于逐步整治过程，为避免污水直接排放或其他面源污染进入湖区，均采取了相应的截流措施。建成环境下的玄武湖主要水源不再是小流域范围内的汇水，而是引长江水经自来水厂初沉后，通过管涵注入湖体，经由多条城市河道排出。玄武湖出水通道由闸门控制，在西北部通过和平闸、大树根闸与护城河、金川河相连，在南部通过武庙闸、太平门闸分别与珍珠河、玉带河相通，水系现状分布与控制状况如图5、表1所示。

图5 玄武湖水系现状

表1 玄武湖入湖及排水通道控制状况

2 玄武湖流域水环境的变迁

玄武湖处在流域单元低洼处，对物质与能量流动趋势、人类活动影响较为敏感，各种陆源污染物、废水、上游泥沙等易在湖泊系统中累积，在切断与周边水系连通的情况下，湖泊自我恢复能力较差。此外，受季风气候影响，南京主城区的对流活动较郊区更为活跃，并出现越来越多的区域性短时强降水天气， 暴雨期大量的地表径流直接进入湖体。雨洪进程的改变也影响着玄武湖小流域的产汇流过程及水质。研究通过对比玄武湖在建成环境及自然条件下的产汇流过程，基于小流域探讨其水环境系统退化的成因。

2.1 水系连通性的变化

近代以来，玄武湖与秦淮河、长江等水系网络的空间联系相对减弱，小流域内的水系断裂、孤立，有效调蓄空间萎缩，地表径流多被雨水管网收集排出。玄武湖入湖通道仅在暴雨期出现短暂的径流汇集，经湖体调峰后注入市区河道泄洪。玄武湖流域内河流、支流曲折蜿蜒，输水距离较长且河道比降较小，在水系不断被压缩的情况下，又有道路横穿、建设用地割裂而形成水系的“喉咙口”，流域水系水质下降(表2)。玄武湖与周边水系连通度降低、流域内河流沟渠压缩，是引起湖泊水环境退化的重要原因。

表2 玄武湖及其连通水系的水质变化情况

2.2 玄武湖周边水域及自然地改变

20世纪50年代疏浚的湖泥占用了部分湖面，玄武湖被压缩至曾公堤西侧；90年代的发展建设使玄武湖的湖面又被侵蚀掉近5万m2；20世纪初玄武湖周边曾存在大量的小型湖泊及水塘，有效地蓄积雨水与补充地下水，而后主城区的诸多小湖被填作城市建设用地[8]。这些水域及自然地的改变使湖泊蓄水空间减小。玄武湖原周边水系、湿地及绿地收集雨水后缓慢释放土壤径流进一步净化水质，进而注入湖泊水体。而在湖泊周边水域及自然地减少、渗滤型湿地与水面型湿地比例下降的情况下，城市区内的降水通过雨水管或河道直接排到玄武湖或其他水系，汇集的雨水难以通过土壤及渗滤湿地得到充分净化，降低了土壤缓释水量、缩减了雨水持续渗透时间并削弱了玄武湖的调蓄作用。

2.3 土地利用与有组织排水

玄武湖小流域土地利用及有组织排水设施的建设发展，长期、显著地影响了玄武湖的水环境状态。“民国”以前，玄武湖汇水范围内多为自然山林地和田野，因此汇集到湖体的径流能够经过自然的过滤和沉降，较为清澈的水源符合玄武湖的自净能力要求。而近代的土地开发使得南京建成区内的河湖水系及自然绿地大量地转变为硬质下垫面。建设用地的相对高差、地表粗糙度减小，不透水性下垫面使雨水难以下渗至浅层地表的土壤径流，长期削弱了自然环境的渗透、缓释过程。此外，为应对地表硬化带来的雨洪压力，雨水管网建设密度与标准增加，地表径流多被有组织排出。失去自然渗透净化空间的雨水资源无法汇入湖体。城市土地利用及配套的排水设施，加剧了玄武湖的水环境退化。

2.4 水环境整治工程设施的扰动

玄武湖主要的环境治理工程主要包括引水、疏浚、截污。引水工程对湖泊水质改善具有一定效果，而在大量长江水源补充下，玄武湖水质仍处于轻至中度富营养化的“亚健康”状态。一方面频繁大量的引水干扰了湖体及自身的水生态系统平衡，另一方面由于长江水源在沉淀净化后，其总氮、氨氮、总磷含量仍然较高[9]，难以从根本上解决水质的问题。

玄武湖的疏浚工程，通过带水吸淤、干湖冲淤2种清淤方式来去除大量的表层淤泥，减弱沉积物的污染释放。而湖泊底泥中含有大量氮、磷等及重金属，清淤、引水等工程的频繁扰动进一步引起营养盐持续释放，影响水生植物繁殖体的萌芽幼苗生长，进而影响生物链循环的稳定[7]。水生生物发育需要适宜的外部水流条件，即从生态水力学角度对引水提出了更高要求[10]。清淤工程在短期内可以改善水质，但从长期效果看，并不适宜作为控制玄武湖富营养化的可持续手段[11]。而截污工程在截断了外源入湖污染的同时，也切断了玄武湖仅剩的几条汇水径流通道，降低了玄武湖的汇水量及雨洪调蓄功能。

3 玄武湖水文过程的拟自然化

3.1 恢复地表水系与水系统

玄武湖自然的湖体因具备良好的汇水、排水关系而得以维持，而地表水文过程的断裂显著影响了湖泊的水环境健康。玄武湖水环境治理不仅需要恢复湖泊本身，而且要恢复小流域范围的水文过程和可持续的水源。

根据城市建设的实际状况，选择有条件的地段来恢复水系或水体。基于自然地形识别玄武湖的小流域边界、分水线、集水单元及自然地表径流路径如图6、7所示，在此范围内的年均径流汇水量约为2 160万m3。将小流域范围内的汇水径流尽可能多地收集，优先选择既有水体，通过沟通、疏浚地表水系的方式，恢复原初的水文过程将地表水输入湖体。如通过恢复紫金山西坡断裂的地表径流通道、沟通幕府山至红山北侧的潜在汇水路径，可分别恢复432万、540万m3的年汇水量(图6)。重建小流域水系网络能够极大地恢复玄武湖小流域水环境的水文过程，但城市湖泊小流域范围普遍存在自然水文过程与土地开发利用间的矛盾，建成环境中恢复地表水文过程至原自然状态较难实现，因此通过模拟自然过程，最大限度地拟自然化恢复水文过程，让自然做功，形成人工与生态结合的水文网络空间，尽可能减少能耗，从根本上改善并恢复玄武湖的水文过程。

图6 玄武湖小流域水系恢复

改善城市土地对雨水的渗透、涵养作用同样能够促进湖泊水文过程的恢复。玄武湖所在建成环境的各类空间要素均直接或间接地改变小流域水文环节，如大面积的硬质铺地、道路等显著影响了地表的下渗过程、产汇流过程、漫流过程。可实施方案如通过识别玄武湖小流域内各集水单元的低洼地，作为海绵城市建设的适宜区(图7)，改善其下垫面的渗透蓄滞能力，采用低干预方法恢复小流域水文过程，从而实现最大限度地借助自然力进行水分转移[12]。以生态化建设为入渗、径流、漫流等自然水文环节提供必要的作用界面，通过配合海绵设施就近导流、促渗，提升玄武湖小流域土壤及近地层的附水含量，维系稳定的水文循环过程，改善小流域的雨水蓄滞能力，实现湖体水量的拟自然化补充。

图7 玄武湖小流域海绵城市建设适宜区

3.2 充分利用既有灰色系统

雨污分流是城市雨水排放调控、二次利用的重要保障。目前南京已基本实现全市区雨污分流，对于多数城市而言也均具备这样的条件。城市绿地、湖泊周边湿地等空间具有一定的污染物吸收与沉淀能力，因此在雨污分流的前提下，将符合净化要求的雨水通过河槽、溪流、河流等天然的自组织路径渗蓄导流，就近排放至湖泊周边的净化区域，或通过工程措施提升水质，达标后传输至湖体。

可实施的方案如结合管涵传输与地表汇流，汇聚小流域雨水至东侧紫金山沟、唐家山沟等入湖通道。城市雨水管的敷设基本依托原地形竖向标高，有组织的雨水排放仍具有拟自然的效应，玄武湖碟形洼地的地势特征对于城市雨水径流有汇集作用，因此雨水的排放可充分利用竖向条件来组织雨水进入湖体。在雨水管网中，初期雨水污染主要由空气污染和城市地表污染引起，包括金属离子、有机质、无机物及固态颗粒等，降雨后期各类污染物浓度降低，可通过雨水系统集中传输至处理出口，在紫金山沟、唐家山沟周边设置净化湿地，视水质情况可以采取相对应的分层级净化措施。

通过“蓝”与“灰”的有机结合恢复入湖水源，充分发挥灰色系统的拟自然作用，逐步削减对于人工补水、换水、调控水位的过度依赖。管网中的雨水资源得到合理、可持续的储蓄，亦相当于实现城市范围内的水资源调控，不仅可以极大改善对地表水的储纳能力，同时也最大限度整合利用既有的灰色系统，共同实现对城市湖泊水体的优化。

4 代偿性恢复途径

4.1 工程措施辅助优化湖泊水环境

在生态智慧的引导下，系统性恢复湖泊的自然水循环过程，基于城市湖泊的现状采用最小干预原则，在此基础上进一步运用拟自然的代偿性措施作为补充。代偿性措施系指在拟自然的基础上运用工程技术手段，其价值在于补充自然过程及拟自然过程的不足。鉴于湖泊的生态及景观效益，为确保湖体的水质状况满足城市景观要求，在日常径流无法满足湖泊的生态需水量时，可采用灰色系统调配补水、结合适度的跨流域补水等代偿性措施。实施代偿性的恢复策略需要同时量化水文过程修复的生态效益及工程绩效，并建立相应的评价体系，促进城市湖泊逐步重建其良性的水文循环过程。

4.2 湖泊的水生态系统修复

湖泊水环境修复的根本在于重建健康的水生态系统，恢复良性生态过程。没有稳定的水生态系统，自然水体就失去了抵御干扰、自我恢复的能力，单纯依靠人工引水、清淤等工程手段，无法恢复水生态系统。湖泊生态系统由水体理化环境及生物共同构成，因此湖泊的生态修复不仅在于去除水体污染物，而是以恢复水体及水生生物种群为根本目标。通过调节湖泊生物总量、增加底栖生物等方法，重建湖泊生态群落，同时结合恢复湖岸浅滩湿地来增加岸边带的生物多样性，以实现城市湖泊环境的综合整治。因此，城市湖泊水环境的恢复与研究需要基于流域尺度及全生命周期的时空维度展开。

5 由“标”至“本”：城市湖泊治理的生态智慧

城市湖泊水环境治理的关键在于协同城市发展与生态保护的基础上实现湖泊水环境的健康，需要坚持生态优先的原则，通过系统优化实现湖泊的长治久安。

湖泊水环境治理之方法，不局限于现状水环境问题的解决，而是基于全生命周期的城市湖泊水环境系统优化。湖泊生态系统的复杂性不仅在水面、亦在水下，不仅在湖面、更在流域，通过疏浚、跨流域调水等工程措施，往往只能治标而无法治本。应以城市湖泊流域、土地、水文关系的变化机制为基础，实现标本兼治、统调内外。

湖泊水环境恢复应从湖泊可持续发展与韧性恢复出发，源头上梳理其产生问题的原因与机制，在流域尺度系统地分析湖泊水文过程，恢复自然的秩序与水文机制。基于城市发展建设现状，通过恢复径流、流域促渗等方法结合既有的灰色设施共同实现增加地表径流调蓄空间、降低有组织排水占比。在补充湖泊水源的同时亦恢复流域既有的水文过程，最大限度地让自然做功，有助于湖泊系统健康的综合发展，提升湖泊自身的维持与调节潜力。

恢复自然的水文过程与机理是为首选，一味地依赖工程措施，不仅消耗更多的能源、资源、财力，同时也会削弱湖泊生态景观的抗干扰能力，工程手段应当作为湖泊水环境修复的补偿性措施。在生态智慧的引导下，妥善处理工程技术与生态措施，充分利用自然规律的基础上采用拟自然、人工辅助恢复自然的水文过程是实现并维系城市湖泊水环境生态系统的根本之策。

注：文中图片均由作者绘制。