基于海绵城市理念的上海长兴岛封闭人工湖生态设计研究

边翡斐

（上海园林（集团）有限公司，上海 200335）

海绵城市是以“自然积存、自然渗透、自然净化”为特征的，系统解决水环境和水生态问题的自然方案[1]，通过构建下凹式绿地、雨水湿地、人工水体等海绵基础设施，实施收集、渗透、调蓄、滞留、净化、利用等措施。人工湖作为其中重要的调蓄储水设施，长期以来侧重防洪、排涝、灌溉等水利功能，硬质化驳岸、雨水简单直排、水生态脆弱等现象比较普遍[2]；还有大量的人工湖设计过于追求景观质量和管理便利，常形成封闭式水池结构，阻碍了水体与外界的交换，亟需进行生态化改造与设计[3-4]。

当前的封闭人工湖生态设计综合利用多水源补给和多技术水质维护，如用外河补水、湖面降水、雨水径流等措施来补充水量，用人工湿地、植草沟、生物滞留设施等设施来净化水质[5-7]。现状的周边河道大部分水质指标为劣V类，污染较为严重，不能满足人工湖的景观要求[8]，水质处理需要依靠物理化学方法为主体的水处理工艺，且水生生物应用时以满足景观需求的外来植物为主[9]。同时，人工湖一般面积不大，流动性也较差，对水生植物分布和生长影响较大[10]，很难通过自身的生态系统实现自我维持和净化水质[11-13]。因此，海绵城市理念下人工湖生态设计，需要进行水量平衡和水动力分析，以确定补充水量、水体流速和水生植物分布，构建结构合理和功能高效的人工湖生态系统。

通过对上海长兴岛工业园区内封闭人工湖的现状分析和计算，提出人工湖水量补充量、水动力优化和水生态处理措施，为封闭人工湖生态设计提供设计思路和参考借鉴。

1 研究对象

研究对象位于上海市崇明区长兴岛，其属于河口沙洲岛屿，东邻横沙岛，北眺崇明岛，西与“宝钢”、南与浦东外高桥隔江相望。地表土层深厚，全岛区域主要分布水稻土，中间部分属旱作灰潮土。长兴岛属海洋性气候，由于四周水体的调温作用，夏季湿润凉爽，冬季温和，雨水调匀，空气新鲜，光照充足，四季分明。年平均气温为15.4℃，年平均日照2 104 h，全年无霜期229 d。最热月平均最高气温35.6℃，最冷月平均最低气温-5.6℃。多东南风，夏秋季受台风影响较大。根据崇明区气象局1986-2015年期间气象数据可知，该区域年降水量在826.0～1 753.1 mm，且呈现不规则的波动，30年的平均值为1 145.8 mm（图1）；蒸发量基本在977.7～1 570.2 mm波动，30年平均值为1 290.4 mm（图2）。

项目区为工业园区，用地总面积为224 206.90 m2，其中景观设计总面积80 432 m2（图3）。绿化浇灌面积为28 728 m2，硬地浇洒面积为25 382 m2；人工湖有15 000 m2封闭水面，设计平均水深为2.0 m，离岸边 2.0 m处水深0.5 m，往水体中部方渐深，最深处3.0 m，其他零散景观水面面积2 570 m2。人工湖主要用于景观水体的游憩休闲需求，并满足绿化和硬地浇灌。项目建成后补水来自周边水质基本为地表Ⅴ类水的河道，甚至更差，水体透明度和各项水质指标难以满足要求，故需要通过生物强化处理来净化补充水。

2 研究方法

2.1 水量平衡计算

对人工生态系统中封闭水体采取合适的维护措施之前，需要分析系统的水量平衡。水体天然补充水有水面降水和地表径流，另外可能有湖底地下水的渗入；消耗水量包括景观浇灌用水和水面的蒸发水量。拟建场区为冲击成陆形成，海拔2.4 ～3.1 m，地下水高，因此渗漏系数取0，即不考虑湖底渗透量。人工湖的水量平衡计算见公式（1）。

W＝Ql＋q1－q2－q3（1）

式中：W为补充水量，Ql为绿化浇灌与硬地浇洒量，q1为蒸发水量，q2为水面降水量，q3为地表径流量。

降水量取崇明区1986 - 2015年间的平均值，即1 145.8 mm。从月均降水量来看，1986 - 2015年期间范围为38.8～199.2 mm，以6月、7月和8月最高，分别占全年降水量的17.39%、13.83%和15.49%；10月、11月、12月和1月最低，为少雨期，分别仅占全年降水量的4.51%、4.78%、3.39%和4.93%（表1）。

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

蒸发量取崇明区1986 - 2015年间的平均值，即1 290.4 mm；但水库湖面蒸发量比气象站小型蒸发器测得值要小，据宝山站测定结果年均值约为气象站蒸发量的73%，故设计实际蒸发量为942.0 mm。从月均蒸发量来看，1986-2015年期间月均蒸发量占全年比例为3.42%～13.74%，12月、1月和2月蒸发量较小，为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 崇明区1986 - 2015年月均蒸发量Tab. 2 Average evaporation per month in Chongming District from 1986 to 2015

根据有关标准和规定绿化浇灌日均用水标准为2.5 L/m2，硬地浇洒日均用水标准为2.0 L/m2，相当于一天降水量为2.5 mm和2.0 mm[7]。1986 - 2015年平均降水量为1 145.8 mm，平均每年降水日数为159.5 d，平均每天降水量为7.18 mm。因此，可以认为有降水的日子无需进行绿化浇灌及硬地浇洒。

2.2 水动力分析

MIKE系列软件主要用于模拟水动力、水质变化等水环境问题，在国内外水环境研究领域已得到广泛应用。利用DHI MIKE二维水动力模块计算预测研究区域内的水动力分布状况，采用三角形计算网格，对于复杂岸线区域进行加密处理，最小水平分辨率可达0.20 m，计算网格中共有2 247个网格节点，包含4 206个三角形网格（图4）。

模型模拟时长为1个月，从2020年12月1日0点至2021年1月1日0点，每0.5 h 输出一次结果，计算中考虑干湿网格。研究区域水深大于1 m，运用公式（2）计算糙率系数。

式中，n为糙率系数，n0为河床沙粒糙率系数（常数），n1为河床形态糙率系数（常数），H为水深。

从NOAA（ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/noaa/）获得同时期风场数据，提高模拟准确性和边界条件完整性。根据项目设计要求，制定两种方案进行水动力模拟，除了入流和出流边界，其他区域为陆地不可滑移边界。方案一：设计要求30 d内循环3万m3水量，即每天循环1 000 m3，水体设计常水位2.0 m；方案二：设计要求15 d内循环3万m3水量，即每天循环2 000 m3，水体设计常水位2.0 m。

3 结果分析

3.1 水量平衡

水量平衡计算是指对人工景观湖各类水量的收入和支出进行逐月计算分析，以确定人工景观湖是否能提供一定的水资源量，实现人工湖功能并保障湖泊自身生态系统的良性发展[14]。根据各部分水量计算值，得出各月需要的补充水量如表3所示，全年有8个月需要补充水量，每月补水量为613.8～2 416.4 m3。其中5月份需要的补充水量最大，为2 416.4 m3，则人工湖每天最大补充水量为80.6 m3/d，按照10%～20%的未可预见量计算，设计日补充水量为100 m3/d。

表3 封闭人工湖各月水量平衡的结果Tab. 3 Results of water balance in each month for closed artificial lake

其中，绿化最高日浇灌用水量为71.82 m3/d，硬地浇洒最高日用水量为50.76 m3/d，两项合计为122.58 m3/d，考虑10%未预见水量，浇灌浇洒用水量为134.8 m3/d，全年总浇灌浇洒需水量为1.94万m3，每月平均值为1 618.8 m3。按照水面面积1.5 hm2、全年湖面设计蒸发量942.0 mm和月均蒸发量比例计算，全年月蒸发水量1 177.5 m3，范围为483.6～1 941.2 m3，以7月蒸发水量最大，1月最小。按照全年降水量为1 145.8 mm、降水水面面积1.5 hm2和每月降水比例计算，全年月降水量为582.1～2 988.6 m3，平均值为1 432.2 m3。10、11、12月和1月降水量少，分别为775.3 m3、821.2 m3、582.1 m3和846.7 m3；雨季6、7、8月降水量多，分别为2 988.6 m3、2 376.3 m3和2 662.2 m3。项目景观设计总面积80 432 m2，扣除其他零散水面面积2 570 m2，按照约10%面积进入人工湖计算，雨水的汇水面积约为7 786.2 m2。汇水面积内综合径流系数采用绿地的径流系数0.15计算，全年累计地表径流量为1 338.1 m3，月均变化范围为45.3～232.7 m3，其中径流量在100 m3以上的3、6、7、8、9等5个月份。

3.2 场地水动力

水动力是河湖水生植物分布和生长的关键因子[12]，主要受控于河湖水量、势能差异和万有引力。根据设计，人工湖水流速度为0～0.02 m/s，受进水流量大小的影响，导致整体流速非常小（图5）。循环周期为15 d时，整个水体岸线曲折凹陷处仍有多处缓流区，但缓流区面积和涡流中心明显减少，整个水体流速相对均衡。循环周期为30 d时，整个水体形成多处缓流区，尤其是岸线曲折凹陷处，共有三处涡流中心，水体流速非常缓慢。

3.3 人工湿地技术比选

水量平衡分析得知人工湖全年个别月份需要补充外源的地表水，进入湖区前需要设置预处理设施以达到景观水水质要求[7]。人工湿地参数设计参考2017年住建部发布了《污水自然处理工程技术规程》（CJJ/T 54-2017）中的表面水力负荷和水力停留时间两项关键指标，具体指标和湿地面积要求如表4所示。通过比较表面流、水平潜流和垂直潜流三种不同人工湿地的表面水力负荷、水力停留时间和单位面积建设成本，发现表面流人工湿地的单位面积建设成本较低，但占地面积是水平潜流和垂直潜流的两倍；而在相同面积下，水平潜流人工湿地的单位面积建设成本相对较低。综合考虑用地需求、建设成本和处理效能，处理水量100 m3/d的外河补充水宜采用约667 m2的水平潜流人工湿地，其设计效果如图6所示。

表4 满足不同指标要求的人工湿地面积比较Tab. 4 Comparison of constructed wetland area reaching the requirements of different indicators

3.4 湖区水生植物配置设计

通过分析内部水体深度和流速等基本性状，根据上海常见水生植物的适宜水深和植株高度的判断，并参考主要水生植物对营养盐的去除能力[7]，提出内部水生生态系统恢复的植物选择和种植设计。上海地区常见35种水生植物的适宜水深和株高范围见表5。在生态驳岸设计时，植株高大植物可作为水景竖向设计中群落上层材料，而植株矮小种类可作为横向设计的应用材料或居于竖向设计的下层。

表5 上海地区常见35种水生植物的适宜水深和植株高度Tab. 5 Suitable water depth and plant height of 35 common aquatic plants in Shanghai

在水面范围内，睡莲、萍蓬草、荇菜、金银莲花和水鳖5种可作为生长于较深水域的水面景观材料。苦草、金鱼藻、黑藻、眼子菜和菹草5种沉水植物可作为生长较深水域的水下景观材料。

通过以上分析，结合项目湖区湖底现状和景观需求，共设计种植挺水植物和浮叶植物1 000 m2，主要分布在驳岸和水深0.5 m以内浅水区；种植沉水植物15 000 m2，主要分布在水深0.5 ～1.2 m的水域。具体配置设计为驳岸边种植千屈菜、鸢尾、美人蕉等观花植物，浅水区种植芦苇、芦竹、水烛、荷花、梭鱼草等挺水植物；浮叶植物选用睡莲和荇菜等观赏植物，沉水植物则选用苦草、黑藻、金鱼藻等乡土种类，形成层次丰富、错落有致的湿生—挺水—浮叶—沉水植物构成的植被带。

4 讨论与结论

项目参考翟俊等[15]水量计算公式，采用崇明当地气象资料逐月分析降雨量和蒸发量，结合浇灌用水和地表径流量，计算出人工湖汇流区域内全年有8个月需要外界补水，最大需水量即每天最大补充水量为80.6 m3/d，按照10%～20%的损失量，设计每月补水量为100 m3/d；由于降雨和地表径流，也需要向外排水，日最大排水量为15 m3/d。同时，根据长兴岛2016 - 2018年监测断面水质结果存在主要污染物为氨氮，平均浓度达2.02 mg/L（劣V类）[16]，推荐采用人工湿地方式进行外河补水净化预处理[12,17]，根据表面负荷水力和水力停留时间计算宜采用约667 m2的水平潜流人工湿地，可达到人工湿地自然处理的水质目标。

新建人工湖蓄水初期，湖底沉积物较少，水体污染负荷主要为补水和地表径流污染，同时此阶段为TN、TP等营养盐累积高峰期[17]，为藻类生长提供了条件，不利于水生植物的成功定植。同时，水流也能影响水生植物群落结构和物种分布，当水体流速＜0.1 m/s时，宜种植沉水植物、浮叶植物、挺水植物；当水体流速＞0.9 m/s时，不宜种植沉水植物和浮叶植物，可种植挺水植物[18]。项目人工湖水流速度为0～0.02 m/s，由于受进水流量大小的影响，导致整体流速非常小，岸线曲折凹陷处有多处缓流区，易滋生藻类，会加剧水质恶化。因此，通过设计喷泉曝气系统和鱼池曝气装置，推动水体流动和增加溶解氧[14]。利用缓流区域种植湿生和水生植物营造生态驳岸，可用鸢尾、梭鱼草、灯心草等低矮型挺水植物为主，点缀千屈菜、香蒲、美人蕉等株高1 m以上的种类，浮叶和沉水植物以睡莲、苦草、金鱼藻、黑藻等为主，形成层次丰富、错落有致的水生植被带[19]；加上螺、蚌、虾等底栖生物和不同食性的鱼类，组成稳定的水生生态系统[7,20]。

因此，参考已有研究经验和运行维护效果[7-8,20]，针对项目补水来源周边河道劣V类水质现状、人工湖水体现状和区域景观设计需求，提出利用潜流人工湿地处理补充水、设计曝气装置增加水动力和构建湿生—挺水—浮叶—沉水植物构成的植被带，可以有效维持III类水标准，集成一整套适合人工湖建设初期和日常维护的技术体系。