城市人工湖泊水環(huán)境保護(hù)研究概述

於孟元，趙忠偉

（1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

人工湖泊是一種介于河流和湖泊之間的半自然半人工水體，是城市水體不可缺少的重要組成部分，具有防洪除澇、景觀娛樂、美化城市等功能，可為城市提供更為穩(wěn)定、舒適、可持續(xù)的發(fā)展環(huán)境。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人工湖泊在城市規(guī)劃和生態(tài)文明建設(shè)中的重要性日益突出。

國內(nèi)外在人工湖泊建設(shè)和運(yùn)行方面積累了豐富的成功經(jīng)驗(yàn)和案例。例如，四川成都2012年6月出臺(tái)《成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)總體規(guī)劃》，規(guī)劃中提出建設(shè)“六湖八濕地”，目前已陸續(xù)建成了錦城湖、興隆湖等城市湖泊，進(jìn)一步完善了成都市城市水系格局，使得“生態(tài)城市”理念逐漸得以實(shí)現(xiàn)。位于武漢市城區(qū)內(nèi)的東湖風(fēng)景區(qū)，總面積73 km2，其中湖面面積33 km2，是中國最大的城中湖。1982年成為國家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，2013年成為國家5A級(jí)旅游風(fēng)景區(qū)。

湖泊水體的水環(huán)境保護(hù)歷來是湖泊管理中的關(guān)鍵問題。中國太湖、日本的琵琶湖都曾發(fā)生過非常嚴(yán)重的水污染和富營養(yǎng)化問題。與天然湖泊不同，人工湖泊（特別是城市人工湖泊）具有生態(tài)系統(tǒng)較為單一、來水量小、來水水質(zhì)差、水體置換率低、污染源復(fù)雜等特點(diǎn)，其水環(huán)境污染問題遠(yuǎn)較天然湖泊突出。根據(jù)住建部黑臭水體整治信息平臺(tái)2017年12月31日公布數(shù)據(jù)，全國224個(gè)地級(jí)及以上城市共排查確認(rèn)黑臭水體2 100個(gè)。城市人工湖泊水環(huán)境保護(hù)已成為長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡稱“水十條”）（國發(fā)[2015]17號(hào)）提出要整治城市黑臭水體、保護(hù)水和濕地生態(tài)系統(tǒng)、全力保障水生態(tài)環(huán)境安全。

本文針對(duì)城市人工湖特點(diǎn)，從人工湖泊環(huán)境保護(hù)的法律背景、人工湖生態(tài)需水量、適宜規(guī)模和水深以及城市人工湖水環(huán)境維護(hù)技術(shù)及湖泊數(shù)學(xué)模型應(yīng)用等方面，對(duì)城市人工湖水環(huán)境保護(hù)研究進(jìn)行回顧分析，以期為城市人工湖泊設(shè)計(jì)、健康運(yùn)行及城市水環(huán)境保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 城市人工湖水環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)依據(jù)

城市人工湖水環(huán)境保護(hù)符合我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略需求，具有強(qiáng)有力的法律法規(guī)支撐，主要的法律法規(guī)依據(jù)有：《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》（2014年4月修訂）；《中華人民共和國水法》（2016年6月修訂）；《中華人民共和國水污染防治法》（2017年6月修訂）；《中華人民共和國河道管理?xiàng)l例》（國務(wù)院令第3號(hào)）（1988年6月，2011年修訂）；《全國生態(tài)環(huán)境保護(hù)綱要》（國發(fā)[2000]38號(hào)）；《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)濕地保護(hù)管理的通知》（國辦發(fā)[2004]50號(hào)）；《國務(wù)院關(guān)于落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的決定》（國發(fā)[2005]39號(hào)）；《中國水生生物資源養(yǎng)護(hù)行動(dòng)綱要》（國發(fā)[2006]9號(hào)）；《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)中國應(yīng)對(duì)氣候變化國家方案的通知》（國發(fā)[2007]17號(hào)）；《全國重要江河湖泊水功能區(qū)劃》（國函[2011]167號(hào)）；《國務(wù)院關(guān)于水污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知》（國發(fā)[2015]17號(hào)）；SL 709-2015《河湖生態(tài)修復(fù)與保護(hù)規(guī)劃導(dǎo)則》；《全國生態(tài)功能區(qū)劃（修編版）》（環(huán)境保護(hù)部，2015年11月）等。

2 城市人工湖形態(tài)研究

城市人工湖形態(tài)直接關(guān)系到人工湖水動(dòng)力學(xué)條件的時(shí)空分布特征及水體置換效率，對(duì)于湖泊水環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。人工湖形態(tài)包括其平面形態(tài)和立面形態(tài)2個(gè)層次。平面形態(tài)指湖泊形成后的水面形狀與面積，立面形態(tài)指湖泊可以容納水體的容積、水深和湖盆形狀。

2.1 人工湖平面形態(tài)

人工湖泊的平面形態(tài)應(yīng)盡可能利用“流線發(fā)散和收束”的特點(diǎn)，以利于水流平順、無死水角[1]。此外，人工湖泊平面形態(tài)構(gòu)造受水體補(bǔ)給水循環(huán)的進(jìn)出口條件影響。對(duì)于出入口唯一的人工湖泊，“梨形”是較理想的平面形態(tài)（見圖1）。當(dāng)進(jìn)出補(bǔ)給口較多時(shí)，平面形態(tài)可復(fù)雜些，但原則是以流線型的圓、橢圓或接近圓的形狀為主，以此保證水體整體流向平順，有利水體交換，減少水流之間的干擾頂托，降低人工湖營養(yǎng)物質(zhì)不均勻沉淀機(jī)率。在不同形態(tài)的城市人工湖規(guī)劃設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，如果湖區(qū)存在多處死水區(qū)域和水體交換能力較差的區(qū)域，可能成為湖區(qū)潛在的水質(zhì)重污染區(qū)和富營養(yǎng)化高發(fā)區(qū)，需對(duì)湖體設(shè)計(jì)形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化[2]。

人工湖水面面積的確定應(yīng)多方面綜合考慮自然條件、用地范圍、水面功能需求、土地資源與水資源承載力等因素。其中，土地資源和水資源承載力起決定性作用[3]。水面過大會(huì)造成水體蒸發(fā)量、滲漏量增大，增加水循環(huán)處理、水體清理或換水難度，運(yùn)行費(fèi)用和工作負(fù)荷也會(huì)隨之增加。水面面積還是影響人工湖小氣候效應(yīng)的重要因素。楊凱等[4]對(duì)某人工湖的觀測表明，下風(fēng)向溫度比上風(fēng)向下降1℃～3℃，相對(duì)濕度上升約6%～14%。目前尚無確定水域面積的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 “梨形”人工湖平面形態(tài)示意

2.2 人工湖的立面形態(tài)

人工湖湖盆一般包括湖泊濕地和洼地2個(gè)部分（見圖2）。人工湖的湖盆的立面形態(tài)依靠人工挖掘施工達(dá)到，因此湖泊水深，特別是平均水深，是人工湖建設(shè)首先須解決的問題。

圖2 人工湖泊立面形態(tài)示意

諸多學(xué)者研究認(rèn)為，H/SD（H為水深，SD為透明度）是影響大型水生植物生長的關(guān)鍵因素[5-6]。當(dāng)水深太小（小于2 m）時(shí)，植物的覆蓋程度和生物量明顯受到限制[7]；而當(dāng)水深過大（H/SD=5.26），大部分水生植物的生長也會(huì)受到威脅[5]?？紫楹绲萚8]對(duì)長江下游湖泊的調(diào)查研究表明，中度富營養(yǎng)湖泊（H/SD=9.89）的水生植物的生物量要明顯低于輕度富營養(yǎng)湖泊（H/SD=4.19），菱的分布與水深呈顯著負(fù)相關(guān)。S.M.Thomaz[9]發(fā)現(xiàn)水深下降會(huì)對(duì)細(xì)葉蜈蚣草的生長產(chǎn)生負(fù)面影響，而水位上升可以促進(jìn)浮水植物比如鳳眼蓮的生長。P.Wang[10]研究發(fā)現(xiàn)隨著水體深度的增加，生物群落的生物量、莖節(jié)點(diǎn)數(shù)量和長度都顯著降低。X.Liu[11]研究發(fā)現(xiàn)，真光層深度與水深的比值為0.8可作為太湖大型水生植物生長需水下光量的閾值。B.Liu[12]盆栽實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)扁稈藨草（Scirpus planiculmis Fr）種子的埋藏深度為0 cm、水深為5～10 cm時(shí)，出苗率最高；當(dāng)水深超過10 cm時(shí)，幼苗不會(huì)生長出水面，表明種子埋藏深度和水深是影響濕地出苗和植物滋長的重要因素。這一結(jié)論對(duì)于退化濕地的植被恢復(fù)具有重要指導(dǎo)價(jià)值。實(shí)際上，任何植物都有適合的深度與環(huán)境條件，對(duì)湖泊深水、淺水區(qū)可分別配置不同的適宜植物[13]。

水深對(duì)水生動(dòng)物也有一定影響。K.L.Zimmer[14]提出將水深作為主要因素研究水生巨無脊椎動(dòng)物群落。A.Moussaoui[15]提出一個(gè)反應(yīng)-擴(kuò)散模型來研究擴(kuò)散和水位對(duì)兩種特定魚類種群的影響。另外，從水質(zhì)以及微生物方面來看，水深變化不僅意味著人工湖蓄水量和熱容量的改變，且還會(huì)改變?nèi)斯ず乃畡?dòng)力過程、湖流的流場分布及風(fēng)浪特征，使人工湖水環(huán)境容量和自凈能力發(fā)生變化。A.B.P.Brunberg[16]、J.M.H.Verspagen[17]提出表面沉積物中的藍(lán)藻細(xì)菌進(jìn)入水體的過程主要與水深相關(guān)。劉春光等[18]研究認(rèn)為，總磷、總氮、硝態(tài)氮濃度隨深度增加而減少，溶解性總磷、氨氮濃度隨深度增加而增加。周斌等[19]根據(jù)某人工湖的不同水深對(duì)葉綠素濃度變化趨勢的影響分析，選擇了最大水深3.5 m作為最優(yōu)水深設(shè)計(jì)方案。G.T.Kleinheinz[20]發(fā)現(xiàn)不同水深水體中大腸桿菌濃度的差異。高雅[3]認(rèn)為，水生動(dòng)物活動(dòng)適宜水深一般在0.8～1.0 m，水體自凈要求深水區(qū)大于2 m。

雖然國內(nèi)外研究均表明，水深對(duì)于水生植物、動(dòng)物、微生物以及水質(zhì)等均有非常關(guān)鍵的影響，然而從國內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研來看，對(duì)于人工湖水深的確定尚沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。從理想角度分析，水深越深，水體越大，湖泊生態(tài)功能越強(qiáng)，生命力越旺盛，同時(shí)較高的水位可使人感覺更為親近美觀。但人工開挖湖泊水深必須具有一定限值，以滿足開挖經(jīng)濟(jì)性、減小蒸發(fā)損失、維持湖水置換效率和水質(zhì)保護(hù)的要求。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，國內(nèi)人工湖平均水深在1.6～4.0 m之間[3]，參考自然湖泊圍墾形成的內(nèi)湖，洞庭湖區(qū)水深為3.24 m，太湖湖區(qū)水深為1.33 m。為此，確定湖泊水深需要針對(duì)具體湖泊的特征以及功能需求，綜合考慮水生動(dòng)植物、微生物、水質(zhì)及人體感官等因素影響，在開展針對(duì)性的研究和不同水深方案的比選論證基礎(chǔ)上，提出最優(yōu)設(shè)計(jì)水深。

3 城市人工湖生態(tài)環(huán)境需水量的研究

人工湖的配水流量是人工湖設(shè)計(jì)中需要首先確定和解決的問題。目前普遍認(rèn)為，湖泊生態(tài)環(huán)境需水量是指保證特定發(fā)展階段的湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)揮其正常功能而必需的一定數(shù)量和質(zhì)量的水[21-22]。湖泊生態(tài)環(huán)境需水量存在2個(gè)閾值：①湖泊最大生態(tài)環(huán)境需水量。超過此值，湖泊將水漫堤岸，發(fā)生洪澇災(zāi)害；②湖泊最小生態(tài)環(huán)境需水量。低于此值，湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能將受到不可逆的損害。其中，湖泊最小生態(tài)需水量主要包括湖泊生物、蒸散發(fā)、水生生物棲息地、污染物稀釋、防止湖水鹽化、航運(yùn)以及景觀建設(shè)和保護(hù)等方面的最小需水量[22]。

劉靜玲等[21]以及肖芳等[22]研究認(rèn)為，湖泊最小生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算方法主要有水量平衡法、換水周期法、最小水位法和功能法。水量平衡法是指根據(jù)湖泊水量平衡原理和湖泊水量消耗的實(shí)際情況進(jìn)行估算，適用于沒有或者很少人工干擾的自然湖泊。換水周期法是根據(jù)枯水期的出湖水量和湖泊換水周期來確定，適用于人工干擾很多的城市人工湖泊。最小水位法是指根據(jù)綜合維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)各組成分和滿足湖泊主要生態(tài)環(huán)境功能的最小水位最大值與水面面積，來確定湖泊生態(tài)環(huán)境需水量，適用于亟待保護(hù)和瀕臨干枯的湖泊。功能法是指根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的基本理論和湖泊生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，從維持和保證湖泊生態(tài)系統(tǒng)正常的生態(tài)環(huán)境功能的角度，對(duì)湖泊最小生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行估算的計(jì)算方法，適用于特定區(qū)域湖泊生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建和流域水資源管理。肖芳等[22]以北京市六海為例，考慮了湖泊凈化需水量，利用功能法來計(jì)算了北京市六海的生態(tài)環(huán)境需水量。許文杰等[24]采用功能法，針對(duì)水系和水功能更為復(fù)雜的東昌湖，探討了結(jié)合水量水質(zhì)耦合研究和閾值研究的生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算方法。嚴(yán)晨菲等[25]以梅江景觀湖為例，采用功能法分析其系統(tǒng)不同健康狀況下的生態(tài)環(huán)境需水量，并與水量平衡法相結(jié)合，分析相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境需補(bǔ)水量。

賀新春等[26]引入防洪控制、水質(zhì)控制和景觀水位控制，創(chuàng)建了城市湖泊需引水量和引水水質(zhì)計(jì)算模型。尤愛菊等[27]將城市人工湖生態(tài)環(huán)境需水量分為生態(tài)需水量（蒸發(fā)補(bǔ)充水量和滲漏補(bǔ)充水量）和環(huán)境需水量（滿足人工湖水質(zhì)目標(biāo)），并首次將TP質(zhì)量守恒模型運(yùn)用于城市人工湖生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算。以杭州上虞濱海新城建設(shè)的人工湖為例，預(yù)測了不同生活污水截污率、生態(tài)措施作用前后的人工湖生態(tài)需水量及環(huán)境需水量。

此外，也有一些研究者利用生物指標(biāo)來計(jì)算生態(tài)環(huán)境需水量。M.Abbaspour等[28]考慮水量、水質(zhì)和水生生物及其相互關(guān)系，計(jì)算了Urmia湖的生態(tài)環(huán)境需水量。S.Sajedipour等[29]發(fā)現(xiàn)不同的年份大火烈鳥數(shù)量變化和巴赫泰甘（Bakhtegan）湖表面積之間具有較好的相關(guān)關(guān)系，由此確定了巴赫泰甘湖的生態(tài)環(huán)境需水量。

綜上所述，城市人工湖的生態(tài)環(huán)境需水量多是根據(jù)人工湖的功能來分類和計(jì)算的。因此，對(duì)于不同區(qū)域、功能和類型的人工湖泊，生態(tài)需水影響因素和計(jì)算方法各不相同。而對(duì)于湖泊需水量中的蒸發(fā)和滲漏需水量、動(dòng)植物生存需水量等，尚無定量的閾值標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。此外，在人工湖生態(tài)需水量的確定中通常忽略了湖區(qū)水動(dòng)力學(xué)條件及其對(duì)水體置換效率的影響。在對(duì)湖區(qū)各類污染負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)及其對(duì)水質(zhì)的影響研究方面，尚缺乏基于水動(dòng)力學(xué)理論和生態(tài)水力學(xué)理論的深入研究。

4 城市人工湖水環(huán)境修復(fù)與維護(hù)技術(shù)研究

同天然湖泊相比，人工湖泊生態(tài)系統(tǒng)較為單一，自凈能力較差，因此建成后的人工湖水環(huán)境維護(hù)技術(shù)對(duì)于湖泊水質(zhì)保障至關(guān)重要。

人工湖泊的污染源主要包括外源污染和內(nèi)源污染。外源污染主要是指大氣降塵所帶來的各種污染物、各類污水排放以及地表徑流帶來的地表和土壤中的污染物；內(nèi)源污染主要是指湖泊底泥中由于污染物的不斷積累以及死亡的生物群落積累而成的有機(jī)污染。針對(duì)上述各類污染特點(diǎn)，可分別采取外源和內(nèi)源污染的控制措施以保護(hù)湖泊水環(huán)境。在外源、內(nèi)源污染得到控制的基礎(chǔ)上，為了維持水體的目標(biāo)水質(zhì)，加快內(nèi)部的自身水質(zhì)循環(huán)，仍需在湖區(qū)內(nèi)進(jìn)行水生生態(tài)系統(tǒng)工程建設(shè)和局部強(qiáng)化凈化等工程措施[29]。

4.1 外源污染控制措施

外源污染控制措施主要包括：①配置雨水處理設(shè)施，實(shí)現(xiàn)“雨污分流”；②完善湖區(qū)截污管道系統(tǒng)，禁止各類廢污水排放進(jìn)湖；③保證湖庫補(bǔ)給水的水質(zhì)等。湖區(qū)水源補(bǔ)給通常采用河流、自來水或地下水。為節(jié)約成本，可采用達(dá)標(biāo)的再生回用水作為人工湖穩(wěn)定的補(bǔ)給水來源，但不宜直接采用未經(jīng)處理的污水進(jìn)行補(bǔ)給，以免引起湖體大規(guī)模的水污染。

4.2 內(nèi)源污染控制措施

內(nèi)源污染物的控制措施主要指對(duì)底泥和湖區(qū)水生動(dòng)植物采取的控制措施。

（1）規(guī)范管理，合理使用再生水。當(dāng)完全使用再生水時(shí)，景觀河道內(nèi)水體的水力停留時(shí)間宜在5 d以內(nèi)，并可在人工湖增加噴泉或曝氣裝置，增加水體流動(dòng)速度，減少水力停留的時(shí)間[31-32]。

（2）微生物處理措施。在湖區(qū)添加適當(dāng)微生物，將自然界中的動(dòng)、植物的尸體及殘骸分解，將一些有害的污染物質(zhì)加以吸收和轉(zhuǎn)化，成為無毒害或毒害較小的物質(zhì)?？梢栽诰坝^水水質(zhì)惡化的時(shí)候，投加適量的微生物（各類菌種），加速水中污染物的分解，起到水質(zhì)凈化的作用。但微生物的分解物，如管理不慎，會(huì)造成藻類的大量繁殖，再次導(dǎo)致水質(zhì)變壞。

（3）底泥生態(tài)清淤。采用生態(tài)清淤工程將污染最重、釋放量最大的上層污染底泥依據(jù)環(huán)保要求移出水體，避免因河流、湖泊內(nèi)的底泥釋放和動(dòng)力作用下的再懸浮和溶出后可能造成的河水富營養(yǎng)化以及藻類產(chǎn)生和發(fā)展問題，從而達(dá)到控制底泥釋放二次污染的目的。這是控制內(nèi)源污染效果較為明顯的工程措施之一。

（4）水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建。健康的水生態(tài)系統(tǒng)完全依靠自然界生物之間的食物鏈關(guān)系，建立起“浮游動(dòng)物-水下森林”共生生態(tài)，形成生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。例如，向富營養(yǎng)化水體投放經(jīng)過馴化的特定浮游動(dòng)物，利用生物操縱法控藻并改善水體理化條件，抑制藍(lán)綠藻的生長。當(dāng)水體藻類及各種懸浮有機(jī)顆粒減少、透明度增加后，進(jìn)一步結(jié)合水體條件，適度導(dǎo)入沉水植被、挺水植被、浮葉植被等水生植被。結(jié)合水體凈化程度，逐步引入螺、貝、魚、蝦等高級(jí)水生動(dòng)物。在水生動(dòng)植物共同作用下，水生態(tài)系統(tǒng)形成良好的自凈狀態(tài)。劉杰等[33]提出了一套包括湖區(qū)良好水體生境營造、水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建和生態(tài)輔助強(qiáng)化措施，旨在提升人工湖水體凈化能力的水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建思路和方法。

4.3 水環(huán)境長效維護(hù)措施

雖然外源污染控制措施與內(nèi)源污染控制措施可在較大程度上有效防控水體污染，但由于城市人工湖泊的水環(huán)境保護(hù)是一項(xiàng)長期的系統(tǒng)工程，水環(huán)境長效維護(hù)措施至關(guān)重要。

（1）曝氣復(fù)氧措施。湖區(qū)內(nèi)緩流水體中的溶解氧含量過低是導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化以及富營養(yǎng)化的重要因素，為此在人工湖中心、湖灣等流速較緩地帶安裝活水曝氣裝置，同時(shí)可兼顧水景設(shè)計(jì)，配置水上噴泉，實(shí)現(xiàn)表層和深層水的縱向循環(huán)，成為人工湖泊水質(zhì)維護(hù)的重要措施[34]。

（2）引水置換措施。由于湖水底部的N、P等營養(yǎng)鹽含量高于上部水體，為此定期排放湖底部分的湖水，可加快營養(yǎng)物質(zhì)輸出，有效縮短人工湖換水周期，從而達(dá)到延緩水體水質(zhì)惡化的目的。利用泄洪管作為底水排放管道，在泄洪管旁設(shè)泄水閥，在補(bǔ)水量充足的月份開啟泄水閥，排放湖底氮、磷濃度高的湖水。

（3）人工湖泊沉積物營養(yǎng)鹽控制與釋放。在湖泊外源磷得到有效控制、底泥生態(tài)清淤實(shí)施情況下，人工湖泊中營養(yǎng)鹽濃度可能短時(shí)間得到控制，但清淤后的底泥沉積物亦可能在環(huán)境條件改變后發(fā)生釋放。此外，湖泊中亦可能產(chǎn)生新的泥沙沉積和釋放，因此適宜的水體環(huán)境化學(xué)條件可有效控制和減小底泥沉積物向水體中的營養(yǎng)鹽釋放。首先，水體中溶解氧條件對(duì)于磷循環(huán)至關(guān)重要[35]。溶解氧水平?jīng)Q定了磷在底泥-水界面交換中的轉(zhuǎn)換方向和速度，即溶解氧大于一定水平的條件下，底泥不僅可能由“源”變?yōu)椤皡R”，而且還會(huì)影響間隙水中溶解氧擴(kuò)散深度，進(jìn)而影響底泥-水界面的磷交換速率[36]。龔春生[37]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，底泥釋放由“源”變?yōu)椤皡R”對(duì)應(yīng)的溶解氧臨界飽和度約為75%。水體pH值高低會(huì)影響沉積物對(duì)磷吸附作用的強(qiáng)弱以及離子之間的交換作用，從而對(duì)沉積物磷的釋放行為產(chǎn)生重要影響。當(dāng)水體pH值近似7時(shí)，磷的釋放量很小，水體偏酸性或偏堿性條件下對(duì)沉積物磷的釋放非常有利[38]。

（4）原位生物接觸氧化技術(shù)。原位生物接觸氧化是一種具有活性污泥特點(diǎn)的生物膜技術(shù)，兼有生物膜工藝和活性污泥工藝的優(yōu)點(diǎn)。在氧供應(yīng)充分的條件下，通過棲息在生物填料上的生物膜和懸浮在水中的微絮狀污泥的生物氧化作用，將水體中的有機(jī)污染物進(jìn)行氧化分解，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[39]。

（5）濕地凈化措施。濕地凈化措施是目前在人工湖泊建設(shè)中較為普遍采用的一種技術(shù)，被用于湖區(qū)水體及來水去除污染物的效果研究[40-41]。2010年頒布實(shí)施的HJ 2005-2010《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》[42]，對(duì)濕地污水處理工程在建設(shè)、運(yùn)行和管理等方面進(jìn)行了規(guī)范指導(dǎo)。但近年來的應(yīng)用實(shí)踐表明，該規(guī)范在水力停留時(shí)間、不同條件下的處理效率以及措施設(shè)計(jì)等方面尚不夠具體，特別是在濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)計(jì)規(guī)模及凈化效果等方面不能滿足實(shí)際工程設(shè)計(jì)要求。

凈化水質(zhì)，同時(shí)兼具景觀美化的功能。特別是隨著國家海綿城市建設(shè)的推廣，濕地被更廣泛用于污水處理、水質(zhì)凈化和景觀美化等領(lǐng)域。

（6）生態(tài)防滲技術(shù)。由于人工湖泊生態(tài)系統(tǒng)單一，而常規(guī)防滲處理直接隔斷了水體與土體的水分、氧氣和物質(zhì)的交換，生物和微生物難以生存，易造成對(duì)原有生態(tài)系統(tǒng)的干擾或破壞，因此為提高水體自凈能力，促進(jìn)人工湖泊健康生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建，一些研究者針對(duì)人工湖泊生態(tài)型防滲技術(shù)開展了研究[43]。

采用以微生物灌漿為主的新型生態(tài)防滲體系可滿足地層的滲透穩(wěn)定性要求，滲漏量相比于防滲前減少了98%，同時(shí)滿足該人工湖泊各區(qū)域的生態(tài)需水量。與以土工膜、混凝土襯砌和膨潤土毯為主的綜合防滲體系方案相比，新型生態(tài)防滲體系在防滲效果滿足工程要求的條件下，具有對(duì)生態(tài)環(huán)境更有利、外來污染更少、耐久性更可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[44]。

（7）生態(tài)浮島技術(shù)。生態(tài)浮島也被稱為浮床，是一個(gè)變化的濕地處理系統(tǒng)[45-46]。生態(tài)浮島不僅通過其自身物理性質(zhì)去除懸浮物，吸收污染物質(zhì)和利用污染物進(jìn)行生物合成，還可提供生物膜附著介質(zhì)，起到凈化水體的作用[47]。生態(tài)浮島具有多種功能，包括減少污染傳播、棲息地保護(hù)、人工湖污漬去除與水體凈化、景觀美化等[48-49]。

目前人工生態(tài)浮島的進(jìn)一步推廣使用尚需解決越冬浮島植物的研究問題。其次，人工浮島載體操作多為純手工操作，且操作難度較大，應(yīng)朝著規(guī)模化、機(jī)械化的方向發(fā)展[50]。

5 數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用

由以上分析可知，目前城市人工湖泊水環(huán)境維護(hù)技術(shù)尚不夠成熟和完善。隨著近年來數(shù)學(xué)模擬技術(shù)的的快速發(fā)展，湖泊數(shù)學(xué)模型被作為重要研究手段，越來越廣泛應(yīng)用于城市人工湖水環(huán)境維護(hù)中。湖泊數(shù)學(xué)模型主要包括水環(huán)境模型和生態(tài)模型2個(gè)部分。

基于湖泊空間形態(tài)變化的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型主要用于湖泊水動(dòng)力學(xué)條件時(shí)空分布規(guī)律及水體置換效率模擬中。成昌衛(wèi)[50]采用MIKE3軟件預(yù)測了西安雁鳴湖水質(zhì)時(shí)空分布變化特征，為水生態(tài)修復(fù)措施的布置提供了重要科學(xué)依據(jù)。高學(xué)平等[51]、許莉萍[53]應(yīng)用EFDC建立了某人工湖泊的三維水動(dòng)力模型，研究不同引水調(diào)度方案下該湖泊的水體交換能力和水體輸運(yùn)時(shí)間，為通過優(yōu)化水體調(diào)度運(yùn)行改善城市人工湖泊水環(huán)境提供了管理依據(jù)。

湖泊生態(tài)模型可以較早追溯到R.A.Vollenweider[54]提出的湖泊總磷平衡模型，之后發(fā)展到Dillon模型、Lorenzen模型[55]，直到目前更為綜合的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型[56-57]。生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型考慮了氮磷營養(yǎng)鹽的輸入、輸出、底泥沉積和釋放、水生動(dòng)植物對(duì)營養(yǎng)鹽的吸收、富集等復(fù)雜過程，但由于湖泊特別是人工湖泊水動(dòng)力學(xué)和水環(huán)境的空間異質(zhì)性特征，生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用中參數(shù)確定和優(yōu)化成為其中的關(guān)鍵問題[58]。而由于城市人工湖泊中水生動(dòng)植物措施的普遍應(yīng)用，建立基于水生動(dòng)植物措施與水環(huán)境耦合的生態(tài)模型將成為城市人工湖泊數(shù)學(xué)模型發(fā)展的新趨勢。

6 結(jié)語

人工湖泊在現(xiàn)代城市規(guī)劃和生態(tài)文明建設(shè)中具有不可替代的功能和地位，因此在水資源日益緊張的背景下，如何發(fā)揮湖泊功能、維護(hù)湖泊生態(tài)健康成為人工湖泊設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中亟待解決的問題。本文回顧了城市人工湖水環(huán)境保護(hù)的法律法規(guī)依據(jù)，主要從城市人工湖形態(tài)、人工湖生態(tài)需水量等方面進(jìn)行梳理分析。在此基礎(chǔ)上，提出了外源污染控制措施、內(nèi)源污染控制措施以及水環(huán)境保護(hù)工程措施等水環(huán)境維護(hù)技術(shù)等，并介紹了數(shù)學(xué)模型在湖泊模擬中的應(yīng)用，以期為人工湖泊設(shè)計(jì)和健康運(yùn)行提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。