滨海淡水人工湖设计关键技术研究

常广品，姜 涛

(1.中电建华东勘测设计研究院(郑州)有限公司，河南 郑州 450018；2.郑州市城乡建设局，河南 郑州 450018)

人工湖对于改善局部地区生态景观环境发挥着重要作用，滨海地区降雨季节性差异大、蒸发量大、土层含砂量高渗透系数大、河道水体和地下水含盐量高高，如何选择合适的水源补给、防渗方式、蓄水方式值得研究和思考。张智[1]等人在重庆大学虎溪校区人工湖设计时综合采用降雨、河水、自来水作为人工湖水源；陈宏平[2]等人研究表明校园再生水用于人工湖补水，不仅造价低，同时可以达到景观用水标准；田玉兰[3]等人对比研究了人工湖不同的生态防渗技术，将粘土防渗技术应用到燕雀湖；郭铭[4]研究显示膨润土防水毯具有防渗效果好、施工简单的特点；何莹[5]等人在太阳岛人工湖采用膨润土防水毯作为防渗材料起到了良好的效果；刘彦汐[6]等人研究表明水生植物根系越发达水质净化功能越好。为使滨海地区人工湖建成后可以发挥预期的生态景观效果，本文开展相应的研究工作。

1 项目概况

海南省某高校新校区位于海口市美兰区陶沙村北侧，距离琼州海峡430m，最近河道160m。该校区内开挖人工湖面积1万m2，汇水面积5.35万m2，平均水深2.50m，蓄水量约2.5万m3，如图1所示。海口市属亚热带季风气候，5—10月为雨季，11月至次年4月为旱季，全年降雨量及蒸发量均出现比较大的月份差异，见表1。6—10月降雨量大于蒸发量，其余月份降雨量小于蒸发量。琼州海峡平均潮位0.70～1.78m，潮差较小，受台风影响时潮差增大至3～4m。地块内土层以粉砂为主，渗透系数为1.6×10-3。地下水水位标高1.17～1.57m，高于人工湖湖底1.0m，地下水含盐量约5‰，高于相关地方标准中挺水植物种植区水体含盐量低于2‰的要求。

表1 海口市近30年月平均降雨量及蒸发量

图1 校园人工湖

2 水源选择

本工程可利用水源包括海水、咸淡水、雨水及校园中水，海水及咸淡水不利于微生物和具有水质净化作用的淡水鱼类生长、不利于耐盐量低的水生植物生长，为保证湖区形成自然生态系统，具有一定的自净能力，采用淡水蓄水。以雨水补水为主，在长期干旱等特殊情况下中水应急补充。雨水收集利用符合海绵城市建设理念，同时可减轻市政管网排水压力。

园区内设计地面高程4.20m，该区域潮位0.70～1.78m，为防止湖区水体受潮位影响，采用高水位蓄水，设计水位为3.70m。湖区设置浅水区和深水区，浅水区水深0.50m，深水区最深处2.70m。

海口市30年的月均降雨量见表1，按照园区径流系数0.50、汇水面积5.35万m2计算，湖区汇水范围1—12月降雨量分别为619、1111、1587、3175、5715、7207、6921、7480、7747、7112、2571、1111m3。年总降雨量5.24万m3。

湖区水体损失主要是蒸发和渗漏。根据表1中海口市30年的月均蒸发量计算，1—12月蒸发量分别为850、820、1270、1590、1870、1880、2060、1770、1500、1480、1240、1020m3。年总蒸发量1.74万m2。在无防渗措施情况下，湖底渗透系数取粉砂层1.6×10^-3cm/s，年总渗漏量约497.6万m3。

因此可见，湖底在无防渗措施情况下年缺水量约494.1万m3，远大于年总降雨量5.24万m3，自然条件下人工湖无法实现蓄水，湖底需考虑防渗措施。

3 湖底防渗

水利工程中常用的防渗措施有混凝土、膨润土防水毯、土工膜、粘土等，见表2。混凝土防渗因结构本身存在的热胀冷缩变形大的原因，结构需进行分缝，分缝处止水施工难度较大，损坏后不容易修复。膨润土防水毯渗透系数小防渗效果好，但是生态效果较差，不利于水生植物和微生物生长。土工膜防渗具有渗透系数小防渗效果好的特点，但是施工过程中发生刺破防渗效果大打折扣，渗漏点查找及修复比较困难。粘土防渗兼顾防渗与生态效果，自我修复能力强，造价低，施工方便。综合比选考虑，湖底采用粘土防渗。

表2 湖底防渗方式对比表

按照湖底80cm厚粘土防渗，渗透系数取1.2×10-6cm/s，湖区年总渗漏量约3732.5m3，湖区每年降雨量扣除蒸发和渗漏后水体净流入量约3.13万m3。即采用粘土防渗情况下，只以雨水为水源，全年可以满足人工湖蓄水要求。经对比各月来水与水体损失发现，4—11月人工湖来水均大于损失，12月至次年3月水体损失大于补水量。考虑天气不稳定性，防止出现长期干旱时候人工湖水位过低影响景观效果，将校园中水作为应急补水水源，如图2所示。

图2 人工湖水体流入与损失对比图

4 蓄水堰坝

为保证人工湖主湖区水位稳定，在湖区出水口明渠段设置两级蓄水堰坝，两处堰坝距离80m，明渠段宽度15m，水深1.50m，形成约1800m3补水池，池内设置500m3/h补水泵站向主湖区补水。两级堰坝顶高程分别为3.70和3.20m，坝顶宽度均为15m，如图3所示。

图3 两级蓄水堰坝

采用经验公式法计算蓄水堰坝溢流洪峰流量，海口市的排涝标准按50年一遇，人工湖常水位3.70m，高水位4.00m，汇水面积F=0.133km2。

4.1 海口市暴雨强度公式

(1)

式中，T—暴雨重现期；t—降雨历时，min；i—暴雨强度，mm/min。

经计算，海口市一年一遇降雨强度为62.85mm/h。

4.2 设计流量计算

因汇水面积为0.133km2小于10km2，采用城市设计涝水计算经验公式：

Qp=kqφF

(2)

式中，Qp—规定频率为P%的设计流量，m3/s；k—与所用单位有关的系数；q—1小时降雨量，mm；φ—径流系数；F—汇水面积，km2。

经计算，人工湖出口处设计洪峰流量Qp=1×62.85×0.45×0.133=3.76m3/s；

4.3 堰坝规模计算

第一级蓄水堰坝顶高程3.70m，设计高水位4.00m。采用理正水力学计算软件，根据排水出口最大洪峰流量计算坝体规模。经计算，堰坝单宽最大过水流量为0.334m3/s，所需堰坝宽度为3.76/0.334=11.25m，15m宽堰坝过水能力可以满足暴雨期间人工湖排涝需要。

5 结语

开挖人工湖往往对建成后效果、品质及运行成本具有较高的要求。根据滨海地区降雨、蒸发、地质、周边水体等特点，以自然降雨补水为主体，湖底设置80cm厚粘土生态防渗方式，人工湖出口结合堰坝设置形成补水池，实现了滨海地区淡水人工湖蓄水和水质的维持，具有较高的参考价值。我国海岸线较长，不同滨海地区也存在一定的自然地理环境差异，本文的研究对象位于南方地区，如何针对北方滨海地区特点提出更加优化的方法，可以作为日后进一步研究的方向。