表流濕地與活水循環(huán)協(xié)同提升城市河網(wǎng)水環(huán)境品質(zhì)
——以蘇州獅子山水系為例

丁 瑞 范子武 李 云 謝 忱 蔡秋鵬

（1 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024； 2 水利部太湖流域水治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024）

長(zhǎng)三角城市地勢(shì)低平、河網(wǎng)密布、河流水動(dòng)力弱。受城市化進(jìn)程的影響，面臨水環(huán)境品質(zhì)不高、水生態(tài)惡化趨勢(shì)加劇等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，極大地制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展與創(chuàng)造幸福美好生活的愿景。十三五期間經(jīng)過(guò)水污染防治，水環(huán)境治理取得顯著成效，流域性與區(qū)域性河網(wǎng)水質(zhì)逐漸提升，但水質(zhì)不穩(wěn)定，水體感觀差、水環(huán)境品質(zhì)相對(duì)較差，水體透明度基本維持在30 ～50 cm，與百姓期望的高品質(zhì)水環(huán)境仍有差距。隨著長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略，對(duì)水環(huán)境品質(zhì)提出更高要求。在長(zhǎng)三角平原河網(wǎng)區(qū)現(xiàn)狀水動(dòng)力弱、水體渾濁度高的天然條件下，如何提升城市河網(wǎng)水環(huán)境品質(zhì)，成為亟待解決的技術(shù)難題。

表流濕地作為城市河網(wǎng)生態(tài)修復(fù)的主要手段（李鑫斐等, 2020），廣泛應(yīng)用于河湖水環(huán)境提升，在降解污染物（范遠(yuǎn)紅等, 2016）、提高水體透明度（曹昀等, 2009）、提升水體自?xún)裟芰ΓㄔS銘宇等,2021）等方面發(fā)揮著重要作用。表流濕地生態(tài)系統(tǒng)可以通過(guò)物理、化學(xué)和生物三者綜合作用實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬等污染物的有效凈化（蘇文輝等,2015）。目前對(duì)表流濕地的研究與應(yīng)用主要集中在污水處理廠尾水凈化（黃俊等, 2023）、湖泊生態(tài)修復(fù)（Liu et al., 2008）、封閉河道生態(tài)修復(fù)（谷勇峰等, 2013），主要的水域基本為靜止水體或流動(dòng)性較弱的水體，對(duì)不同沉水植物的凈化效率也做了響應(yīng)研究（王耀輝等, 2022）。部分學(xué)者也開(kāi)展了在流動(dòng)水體條件下表流濕地的研究與應(yīng)用（陳慶江等, 2020）。

本文以蘇州市高新區(qū)獅子山水系為研究對(duì)象，根據(jù)區(qū)域水系格局特點(diǎn)，以水動(dòng)力調(diào)控為基礎(chǔ)，提出了表流濕地與活水循環(huán)協(xié)同提升城市河網(wǎng)水環(huán)境的解決方案，為平原河網(wǎng)城市水生態(tài)修復(fù)提供理論與技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況

蘇州獅子山水系位于蘇州高新區(qū)中心城區(qū)獅山片區(qū)，區(qū)域范圍內(nèi)主要為獅山文化廣場(chǎng)，規(guī)劃建設(shè)為科技館（工業(yè)展覽館）、博物館、藝術(shù)劇院等公共服務(wù)項(xiàng)目融入在內(nèi)的開(kāi)放性山水公園的文化廣場(chǎng)，與金雞湖沿蘇州東西發(fā)展城市軸線遙相呼應(yīng)，打造為“東有金雞湖，西有獅子山”的城市軸線，成為蘇州城市的新名片和新地標(biāo)。

獅子山水系主要包括獅山河、北褲子浜和天獅湖（圖1）。獅山河自金山東路至北褲子浜，長(zhǎng)度約1 100 m，河道寬度16 ～23 m，水域面積約2.15 萬(wàn)m2；北褲子浜自獅山河至長(zhǎng)江路段，長(zhǎng)度約950 m，河道寬度15 ～22 m，水域面積約1.73 萬(wàn)m2；河道水深約1.2 ～3.0 m，常水位3.2 m。天獅湖規(guī)劃水面面積10.60 萬(wàn)m2，并建設(shè)配套的水體與生態(tài)景觀。獅山河北側(cè)有1 座獅山河泵閘，具備雙向引排功能，泵站排水能力4 m3/s，獅山河南側(cè)與北褲子浜東側(cè)自然敞開(kāi)，與外部河網(wǎng)連通。

圖1 獅子山河網(wǎng)水系Fig.1 Lion mountain river network

獅山河與北褲子浜水質(zhì)基本處于Ⅲ～Ⅳ類(lèi)，水質(zhì)相對(duì)好，河道現(xiàn)狀透明度較低，約30 ～40 cm。現(xiàn)狀排口基本為雨水排放口為主，雨水排放口11 處，主要分布在獅山河與北褲子浜沿岸，降雨期間城市地表徑流入河容易造成局部水質(zhì)惡化。河道水面漂浮水葫蘆（Eichhornia crassipes），沿岸兩側(cè)分布較多纖維浮床，浮床表面種植挺水植物，景觀較差，未發(fā)現(xiàn)沉水植物及其他濱水帶景觀挺水植物，河道駁岸為自然草皮、生態(tài)石籠與疊石等駁岸型式。

根據(jù)獅山文化廣場(chǎng)高標(biāo)準(zhǔn)定位，獅子山水系需要高標(biāo)準(zhǔn)提升區(qū)域水生態(tài)環(huán)境，主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)Ⅲ類(lèi)，透明度達(dá)1.2 m 以上；構(gòu)建穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)，具有相應(yīng)的污染負(fù)荷削減能力，形成穩(wěn)定的清水型生態(tài)系統(tǒng)；增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)自?xún)裟芰Α＊{子山水系目前與外河水系直接連通，區(qū)域水質(zhì)受外圍水質(zhì)影響較大，外圍水質(zhì)目前普遍無(wú)法穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水體透明度普遍為30 ～40 cm，無(wú)法達(dá)到區(qū)域水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)、透明度為1.2 m 的高品質(zhì)水環(huán)境目標(biāo)，需要形成可調(diào)控的水域范圍。此外，區(qū)域動(dòng)植物品種較少，生態(tài)食物鏈網(wǎng)缺失，水生態(tài)系統(tǒng)缺失，景觀體驗(yàn)感較差，需要開(kāi)展水生態(tài)修復(fù)提升水體自?xún)裟芰Α?/p>

2 水動(dòng)力調(diào)控

2.1 水動(dòng)力調(diào)控方案

以天獅湖為中心，建設(shè)表流濕地涵養(yǎng)凈化水體，建設(shè)管路連通天獅湖與獅山河，在獅山河與連通管路交匯口建設(shè)天獅湖泵站，形成獅山河-天獅湖-北褲子浜-獅山河的水體循環(huán)流動(dòng)體系（圖2）。通過(guò)天獅湖、獅山河、北褲子浜表流濕地建設(shè)，構(gòu)建清水型生態(tài)系統(tǒng)。水體循環(huán)應(yīng)兼顧內(nèi)部水體循環(huán)與外部水體交換，通過(guò)獅山河泵閘、獅山河堰、北褲子浜堰的聯(lián)合調(diào)度，使80%的水體流量?jī)?nèi)部循環(huán)，20%的流量通過(guò)獅山河堰、北褲子浜堰向東、向南溢流，惠及周邊河網(wǎng)。

圖2 獅子山水系工程布局與水流路徑Fig. 2 Water project Layout and flow path of Lion mountain river network

天獅湖泵站規(guī)模應(yīng)考慮日常河湖水體交換，以及遭遇降雨河道水質(zhì)受沖擊后快速恢復(fù)。天獅湖地勢(shì)高，匯水區(qū)基本為獅子山，沒(méi)有雨水排口入河，區(qū)域水質(zhì)和水體透明度基本不受降雨影響。因此，在降雨地表徑流入河后，可促進(jìn)河道與湖泊的水體循環(huán)，盡快恢復(fù)水質(zhì)與水體透明度。設(shè)置天獅湖泵站流量為0.25 m3/s，可保障河道與湖泊5 ～8 d 循環(huán)一次，通過(guò)表流濕地凈化作用，可盡快恢復(fù)天獅湖水質(zhì)與水體透明度。

2.2 水動(dòng)力調(diào)控裝備

需要在獅山河南側(cè)、北褲子浜東側(cè)布設(shè)兩座溢流堰，起到調(diào)控水體、重構(gòu)水動(dòng)力的作用。溢流堰在城市水環(huán)境提升中得到了廣泛應(yīng)用（柳楊等,2019），目前溢流堰多采用鋼壩閘等型式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)、造價(jià)高。在平原河網(wǎng)城市水環(huán)境提升中，堰上下游水頭差較小，對(duì)溢流堰的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求低，因此，采用新型裝配式景觀溢流堰（圖3）（范子武等, 2018），在工廠預(yù)制溢流堰箱體，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)吊裝到河道中，在溢流堰箱體與河道護(hù)岸之間布置雙排鋼板樁，現(xiàn)場(chǎng)施工安裝周期大幅縮減。溢流堰采用翻板門(mén)可調(diào)節(jié)的型式，快速實(shí)現(xiàn)水位自由調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足汛期防洪排澇與活水配水調(diào)度需求。

圖3 裝配式溢流堰布置示意圖Fig. 3 Layout of assembly type overflow weir

裝配式溢流堰有如下優(yōu)點(diǎn)：1）標(biāo)準(zhǔn)式加工，在工廠預(yù)制，標(biāo)準(zhǔn)化加工，簡(jiǎn)單快捷；2）裝配式施工，工廠加工完成后，運(yùn)輸?shù)胶拥垃F(xiàn)場(chǎng)，吊裝安裝，施工周期由傳統(tǒng)溢流堰的4 ～6 個(gè)月縮短為2 d，無(wú)需河道干涸施工，無(wú)需修筑圍堰與設(shè)備基礎(chǔ)，對(duì)河道擾動(dòng)少；3）造價(jià)大幅降低，僅為傳統(tǒng)常規(guī)溢流堰的20%；4）可升降調(diào)節(jié)，底板可放到河底；5）景觀效果好，以堰體結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力特性為基礎(chǔ)，合理布置景觀綠化，溢流堰與河道自然景觀融為一體。裝配式溢流堰在上海進(jìn)口博覽會(huì)、寧波東部新城等區(qū)域水環(huán)境提升中得到了應(yīng)用。

2.3 對(duì)防汛的影響

構(gòu)建高新區(qū)一維河網(wǎng)水文—水動(dòng)力模型，分析裝配堰的建設(shè)對(duì)區(qū)域除澇的影響。采用有限差分法求解一維河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)模型，采用Preissman 四點(diǎn)隱格式對(duì)圣維南方程組進(jìn)行離散。一維河網(wǎng)的洪水運(yùn)動(dòng)用圣維南方程組描述，其上、下游邊界條件一般采用水位、流量、流量—水位關(guān)系等（陳鳴等,2010），公式如下：

式中：x、t分別為河道縱向坐標(biāo)及時(shí)間；n為糙率系數(shù)；Q、Z分別為斷面流量及水位；q為單位河長(zhǎng)的旁側(cè)入流量；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；u、R分別為過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉偌八Π霃剑籫為重力加速度。

模型構(gòu)建范圍以水利分區(qū)為界，擴(kuò)展至江南運(yùn)河以西，太湖以東，計(jì)算總面積約722.83 km2，選取望亭（大）、琳橋、太湖、胥口、瓜涇口作為水位邊界條件。模型創(chuàng)建斷面3 124 個(gè)，河段1 324 條，閘泵358 座，工程調(diào)度按實(shí)際運(yùn)行設(shè)置（圖4）。

圖4 蘇州高新區(qū)河網(wǎng)模型Fig.4 River network model of Suzhou New District

河道糙率值主要根據(jù)《水力學(xué)手冊(cè)》《太湖流域防洪規(guī)劃》《河道整治規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》等有關(guān)人工渠道以及天然河道的經(jīng)驗(yàn)值，模型糙率初始值取0.025，模型計(jì)算時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的率定，京杭大運(yùn)河蘇州段的糙率取值0.019 ～0.020，區(qū)域河道糙率取值0.022，城區(qū)河道糙率取值0.024，城區(qū)河道綜合糙率最大取值0.044。

依據(jù)2009 年太湖流域楓橋、望亭（大）、蘇州、瓜涇口和西山水文站實(shí)測(cè)日平均水位過(guò)程資料系列，楓橋、瓜涇口和西山3 個(gè)雨量站實(shí)測(cè)日平均雨量過(guò)程資料系列，并結(jié)合區(qū)域閘泵工程的調(diào)度運(yùn)用規(guī)則，對(duì)構(gòu)建模型進(jìn)行精度驗(yàn)證。楓橋站水位實(shí)測(cè)與計(jì)算對(duì)比如圖5 所示，計(jì)算水位和實(shí)測(cè)水位的變化趨勢(shì)相似，水位最大誤差能控制在5 cm 內(nèi)，能夠滿(mǎn)足模型計(jì)算要求。

圖5 楓橋站模型驗(yàn)證水位過(guò)程Fig.5 Fengqiao water level veritify of river network model

圖6 獅子山水系水位過(guò)程對(duì)比Fig.6 water level process of Lion mountain river network

采用20 a 一遇設(shè)計(jì)降雨，設(shè)置建堰與不建堰2個(gè)計(jì)算工況，分析兩座裝配式溢流堰建設(shè)對(duì)獅子山水系除澇的影響。計(jì)算結(jié)果表明，獅山河堰與北褲子浜堰的建設(shè)對(duì)獅子山水系防汛除澇沒(méi)有影響，獅子山水系最高水位上漲小于1 cm。

3 表流濕地系統(tǒng)的構(gòu)建

水生態(tài)修復(fù)方案由生境營(yíng)造凈化系統(tǒng)、排口攔截凈化系統(tǒng)、沉水植物凈化系統(tǒng)、濱水廊道凈化系統(tǒng)、水生動(dòng)物調(diào)控系統(tǒng)5 部分構(gòu)成。

3.1 河床底質(zhì)改良

沉水植物的種植需要一定的底泥基質(zhì)，河底底泥通常分布不均，需要在沉水植物種植區(qū)進(jìn)行找平處理，便于后續(xù)沉水植物的種植。底泥中一定包含了各種藻類(lèi)的孢子等，在水體透明度提升而沉水植物凈化系統(tǒng)未形成之前，容易引起藻類(lèi)增殖，必須進(jìn)行底質(zhì)改良和消毒處理，同時(shí)降低有害物質(zhì)含量。增加土壤中水生動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的常量元素和微量元素，改變惡臭底質(zhì)，提高河底氧化性、除害殺菌、施肥以及改善底質(zhì)。對(duì)實(shí)施范圍內(nèi)河底區(qū)包括沿岸的土壤進(jìn)行底質(zhì)改良，采用復(fù)合微生物緩釋劑，調(diào)整底泥生態(tài)系統(tǒng)菌群，改善底泥環(huán)境，為水生植物恢復(fù)提供基礎(chǔ)條件；通過(guò)功能性填料解離出大量鈣離子形成難溶化合物，去除水中總磷；沉降后在底泥層形成一層覆蓋，具有高效的阻斷作用，遏制底泥層中磷的釋放。

3.2 雨水排口攔截

排口攔截凈化系統(tǒng)主要包括過(guò)濾系統(tǒng)、生態(tài)填料、水生植物與曝氣系統(tǒng)，通過(guò)濾料吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用，對(duì)雨水中懸浮物進(jìn)行截留，對(duì)污水進(jìn)行凈化，降低水體中的氮、磷含量，起到初步凈化的效果。排口攔截可對(duì)進(jìn)入河道的雨水起到緩沖作用，促進(jìn)水流攜帶的顆粒物沉淀，加速氮、磷界面交換和傳遞，使污水中氮、磷的濃度快速減小，具有良好的凈化效果，并對(duì)排口進(jìn)行遮擋，形成濱水廊道生態(tài)景觀。根據(jù)現(xiàn)狀排口尺寸特點(diǎn)，共設(shè)置11 處雨水排口攔截凈化系統(tǒng)。

3.3 沉水植物凈化

沉水植物是指植株全部或大部分沉沒(méi)于水下的植物，是水體生物多樣性賴(lài)以維持的基礎(chǔ)，沉水植物的恢復(fù)是水生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵，其所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和水環(huán)境質(zhì)量改善的重要依據(jù)。沉水植物可促進(jìn)泥沙沉降，防止水底泥沙再懸浮；能夠高效地吸收氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，抑制底泥氮磷釋放，促進(jìn)氮的硝化/反硝化作用及磷的沉降；沉水植物能夠產(chǎn)生大量的原生氧，可長(zhǎng)久保持水體高溶氧狀態(tài)；沉水植物為浮游動(dòng)物提供避難所，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)浮游植物的控制和系統(tǒng)自?xún)裟芰?。沉水植被是健康水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，沉水植被恢復(fù)不僅表征著退化水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，而且具有穩(wěn)定恢復(fù)的效果。

沉水植物群落設(shè)計(jì)除考慮凈化效率外，還需考慮其季節(jié)性演替性規(guī)律，充分考慮種間競(jìng)爭(zhēng)對(duì)植物生長(zhǎng)及水質(zhì)凈化的影響。物種選擇以土著種為主，避免引入入侵種。綜合考慮本工程水質(zhì)凈化和景觀提升需求，選擇苦草（Vallisneria natans）、竹葉眼子菜（Potamogeton malaianus）和穗狀狐尾藻（Myriophyllum spicatum）等適應(yīng)性強(qiáng)且水體凈化能力強(qiáng)的植物。沉水植物覆蓋水力調(diào)控范圍內(nèi)所有河道與湖泊，包括天獅湖、獅山河與北褲子浜，水域總面積14.48 萬(wàn)m2。

3.4 濱水廊道構(gòu)建

在廣場(chǎng)、棧橋、廊橋等兩側(cè)及重點(diǎn)水質(zhì)提升區(qū)域，選擇適宜當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)的鳶尾（Iris tectorum）、黃菖蒲（Iris pseudacorus）、梭魚(yú)草（Pontederia lanceolata）、粉美人蕉（Canna glauca）、蒲葦（Cortaderia selloana）等挺水植物及不同花色的睡蓮（Nymphaea tetragona）等浮葉植物，利用植物的花色、莖葉形態(tài)、植株高度等元素精細(xì)化的設(shè)計(jì)水中花境，形成“水面+駁岸+陸域”三維一體的縱向立體景觀。在硬質(zhì)駁岸0.5 m 以?xún)?nèi)的淺水水域種植濱水植物，其中，在0.3 m 以?xún)?nèi)的淺水水域種植挺水植物。挺水植物群落種植面積3 822 m2，浮葉植物種植面積960 m2。

3.5 水生動(dòng)物調(diào)控

水生動(dòng)物是水體中重要的消費(fèi)者，是河道生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的重要環(huán)境，通過(guò)放養(yǎng)一定種類(lèi)和數(shù)量的水生動(dòng)物，可提高水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。投放以肉食性魚(yú)類(lèi)為主，通過(guò)兇猛性魚(yú)類(lèi)控制雜食性魚(yú)類(lèi)及濾食性魚(yú)類(lèi)，減少浮游生物食性魚(yú)類(lèi)對(duì)浮游動(dòng)物的捕食，以利于浮游動(dòng)物種群（特別是枝角類(lèi)）增長(zhǎng)，總計(jì)投放720 條，10 條/667 m2。

為有效防止水體的水體富營(yíng)養(yǎng)化，投放環(huán)棱螺（Sinotaia）、河蚌（Unionidae）等底棲動(dòng)物，環(huán)棱螺和河蚌投放量分別為1 080 kg 和1 296 kg，完善了人工生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈和食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，改善土壤環(huán)境，穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)平衡，實(shí)現(xiàn)水體生物多樣性。濾藻蟲(chóng)（Daphnia）是水體天然存在的一種水生動(dòng)物，以藻類(lèi)與有機(jī)碎屑為食，適應(yīng)低溫，濾藻能力強(qiáng)，抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)繁殖，有效提高透明度，總計(jì)投放1 440 L，體長(zhǎng)3 ～6 mm，密度1 000 個(gè)/L。

4 結(jié)論

1）在蘇州河網(wǎng)區(qū)利用原有工程，新建泵站與堰，重塑區(qū)域水動(dòng)力格局，以天獅湖為中心，形成水體循環(huán)流動(dòng)格局，通過(guò)閘泵堰工程群聯(lián)合調(diào)度，可精準(zhǔn)調(diào)控表流濕地系統(tǒng)與外部河網(wǎng)的水體交換量，協(xié)同提升河網(wǎng)水環(huán)境品質(zhì)，且溢流部分清水惠及到周邊河網(wǎng)。

2）蘇州獅子山水系采用新型裝配式景觀溢流堰和河網(wǎng)水動(dòng)力模型計(jì)算，論證裝配式溢流堰的建設(shè)對(duì)獅子山水系防汛除澇沒(méi)有影響。

3）在水動(dòng)力調(diào)控范圍內(nèi)建設(shè)天獅湖、獅山河、北褲子浜表流濕地，通過(guò)河床底質(zhì)改良、雨水排口攔截、沉水植物凈化、濱水廊道構(gòu)建、水生動(dòng)物調(diào)控，構(gòu)建清水型生態(tài)系統(tǒng)，與水動(dòng)力調(diào)控相結(jié)合，提升水體溶解氧、形成適宜多樣生物生存的水力條件，協(xié)同提升濕地涵養(yǎng)凈化能力。