城市人工湖泊工程設(shè)計(jì)探討
——以東方云湖工程為例

唐孟煊

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

良好的生態(tài)環(huán)境是最公平的公共產(chǎn)品，是最普惠的民生福祉。2015年10月，在黨的十八屆五中全會(huì)上，“美麗中國(guó)”被納入“十三五”規(guī)劃。黨的十八大報(bào)告中首次提出了“建設(shè)美麗中國(guó)”“實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展”的全新概念，并將生態(tài)文明建設(shè)放在了突出地位，尤其強(qiáng)調(diào)了在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會(huì)建設(shè)中生態(tài)文明建設(shè)的融入，即“五位一體”的總體布局。

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，具有防洪除澇、景觀娛樂(lè)、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。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)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[1]。東方云湖位于常州市經(jīng)開區(qū)核心區(qū)，工程場(chǎng)地周邊分布生態(tài)公園及遺址。常州市經(jīng)開區(qū)圍繞建設(shè)“一軸繞湖，多區(qū)環(huán)抱”的景觀生態(tài)目標(biāo)，在其核心區(qū)智慧城市綠軸與特色商業(yè)水軸交匯處實(shí)施了一座庫(kù)容168 000 m3的城市人工湖泊工程——東方云湖工程。

1 項(xiàng)目背景

東方云湖位于常州市經(jīng)開區(qū)核心區(qū)，所在區(qū)域呈現(xiàn)城郊風(fēng)貌，用地混雜，以大片農(nóng)田和廠房為主，居住環(huán)境較差，基礎(chǔ)設(shè)施配套落后；區(qū)域內(nèi)現(xiàn)存較多農(nóng)田，現(xiàn)狀河流水系未貫通，親水性不足，整體生態(tài)性好但缺少景觀性。為了讓城市與自然和諧相處，讓居民看得見水、記得住鄉(xiāng)愁，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域“以城市綠色空間為基底，打造綠色活力走廊，以濱水活力區(qū)引爆區(qū)域產(chǎn)業(yè)智慧升級(jí)”的目標(biāo)，項(xiàng)目依據(jù)區(qū)域的地形地貌、資源稟賦、交通區(qū)位等因素，科學(xué)合理地確定了該區(qū)域“一軸繞湖，多區(qū)環(huán)抱”的規(guī)劃結(jié)構(gòu)。東方云湖的建設(shè)是完善該結(jié)構(gòu)中“湖”的功能。

2 工程設(shè)計(jì)

東方云湖位于江蘇省常州市經(jīng)開區(qū)智慧城市綠軸與特色商業(yè)水軸交匯處，北側(cè)為東方二路、南側(cè)為東方三路、西鄰楓尚路、東接常青路，湖面面積84 000 m2，水深1.5~2.5 m，中間深、四周淺，湖水庫(kù)容約168 000 m3。由于東方云湖位于常州市經(jīng)開區(qū)核心區(qū)域，是重點(diǎn)打造的工程，結(jié)合上位規(guī)劃要求，湖體設(shè)計(jì)水質(zhì)定為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類（以下簡(jiǎn)稱“地表Ⅲ類”）。

2.1 設(shè)計(jì)條件

本工程場(chǎng)地周邊分布生態(tài)公園及遺址，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯。四周以城市次干道為主，臨近革新河景觀帶。湖體周邊以商業(yè)用地和住宅用地為主，科創(chuàng)綠軸兩側(cè)為創(chuàng)新辦公集群，周邊設(shè)有文化活如表1所示，為工程實(shí)施前對(duì)周邊4條河道搜集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)。由表1可知，賽馬河除CODMn指標(biāo)超“地表Ⅲ類”的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（目標(biāo)水質(zhì)）外，氨氮、TP指標(biāo)相對(duì)較好。根據(jù)規(guī)劃，隨著地塊更新的開展，賽馬河沿線雨污混流排放口需消除，外源污染將得到有效控制；同時(shí)，賽馬河在城市管理中將定期開展清淤工作，從而有效去除內(nèi)源污染。通過(guò)外源、內(nèi)源的控制，河道水質(zhì)將進(jìn)一步得到提升，賽馬河的近期目標(biāo)水質(zhì)需達(dá)到“地表Ⅲ類”。根據(jù)經(jīng)開區(qū)對(duì)賽馬河水質(zhì)的規(guī)劃目標(biāo)，考慮經(jīng)濟(jì)性，本工程將賽馬河定為湖體補(bǔ)水水源；同時(shí)，為保障水體的流動(dòng)性，考慮就近排動(dòng)中心、超高層總部辦公區(qū)、商業(yè)街等。區(qū)域?qū)⒔ㄔO(shè)成為以創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)和商業(yè)為主的城市核心區(qū)，實(shí)現(xiàn)多樣化的城市功能。隨著未來(lái)城市的發(fā)展，周邊將主要集聚商務(wù)休閑人士、社區(qū)居民和外來(lái)游客三類人群。

表1 河道水質(zhì)情況 單位：mg/L

如圖1 所示，為湖體區(qū)位及周邊水系分布圖。臨近該湖體的區(qū)域內(nèi)有4 條河道，其中：丁塘港河與賽馬河通過(guò)陸豐浜排澇站連接；常豐河和革新河通過(guò)常青閘站連接；賽馬河為常豐河的上游。賽馬河常水位、豐水期水位、枯水期水位分別為1.60 m、1.70~1.90 m、1.30 m，革新河常水位、豐水期水位、枯水期水位分別為1.60~1.70 m、1.90 m、1.30 m。如圖2 所示，為湖體豎向設(shè)計(jì)圖。圖2 顯示，湖體地塊四周路面交叉口標(biāo)高在5.00 m 以上。上述水系標(biāo)高及湖體周邊標(biāo)高是制約取水方式及湖面標(biāo)高的主要因素。放，將革新河設(shè)計(jì)為云湖水體排放的受納水體。

圖2 湖體豎向設(shè)計(jì)圖

2.2 設(shè)計(jì)方案

2.2.1 總體布局

由圖2可知，工程周邊路網(wǎng)標(biāo)高在5.00~6.20 m之間，湖體水面標(biāo)高需考慮與周圍地塊的標(biāo)高銜接及打造景觀效果，因此，將其水面標(biāo)高設(shè)計(jì)為4.00 m。湖體水深設(shè)計(jì)著重考慮沿岸的行人安全和湖泊的生態(tài)平衡，根據(jù)水體深度和藻類的生長(zhǎng)規(guī)律，當(dāng)湖體深度≥2.00 m時(shí)，水體自凈能力較強(qiáng)，水質(zhì)較好；因此，湖體水深設(shè)計(jì)為1.50~2.50 m，河底標(biāo)高為1.50~2.50 m。

如圖3所示，為工程方案平面布置圖。由于賽馬河的常水位標(biāo)高（1.60 m）低于湖體水面標(biāo)高（4.00 m）；因此，湖體通過(guò)賽馬河補(bǔ)水需經(jīng)泵站提升，且取水管管頂標(biāo)高需低于賽馬河常水位。為保障湖體的流動(dòng)性，另需設(shè)計(jì)與革新河的連接通道。項(xiàng)目水面面積約為84 000 m2，綠地、鋪裝及建筑面積為86 000 m2。設(shè)計(jì)湖體放空及雨水排放連通管管徑為d1650 排水管，同時(shí)，考慮革新河的常水位為1.60~1.70 m，為確保湖體水量及水面標(biāo)高，本工程在d1650 管前端設(shè)置“溢流堰+閘門”的閘門井控制湖體水位。

圖3 工程方案平面布置圖

2.2.2 取水泵站規(guī)模確定

水量平衡是城市人工湖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其結(jié)果影響著人工湖的運(yùn)行方式。李書鉞[2]指出：湖體的輸入水量主要有水系全年的降雨量、地表徑流的水量、補(bǔ)水量；輸出水量有全年水系蒸發(fā)量、綠化澆灑用水量、滲漏水量。滲透水量與防滲技術(shù)密切相關(guān)，防滲技術(shù)有自然防滲和土工膜防滲兩種：自然防滲采用滲透系數(shù)較小的土壤對(duì)湖底原狀土進(jìn)行換填碾壓，形成自然防滲層；土工膜防滲就是在湖底鋪設(shè)由塑料薄膜和無(wú)紡布復(fù)合而成的具有低滲透系數(shù)的土工防滲材料。土工膜防滲性能雖好，但天然湖底防滲方法顯然比鋪設(shè)防滲膜更符合生態(tài)要求[3]。綜上，工程考慮投資情況及生態(tài)效果，選取自然防滲的形式。

常州市位于江蘇省南部，北靠長(zhǎng)江，南臨太湖，瀕臨東海，屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候。地區(qū)常年氣候溫和，雨量充沛，年降雨量大于年蒸發(fā)量，尤其在每年六七月份雨水量大于損失量，無(wú)需補(bǔ)水。全年需補(bǔ)水的月份為10 個(gè)月，補(bǔ)水量為44 125 m3，月均補(bǔ)水量為4 400 m3。其中：3 月份補(bǔ)水量最少，為1 883 m3；10 月份補(bǔ)水量最大，為5 600 m3；其他月份補(bǔ)水量較為穩(wěn)定，為3 200~5 400 m3。

如表2 所示，為工程水量平衡分析表。綠化澆灑水量主要用于湖體周邊綠地灌溉，用水均可取自湖體。取水泵站規(guī)模除考慮日常補(bǔ)水外，還需考慮初次注水及應(yīng)急注水時(shí)間。如表3 所示，為方案比選表。由表3可見：方案一投資低，但補(bǔ)水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；方案三補(bǔ)水時(shí)間短，但投資較高；方案二換水時(shí)間為14 d，小于天然河道的換水時(shí)間（16 d），且投資較低。故本工程取水泵站規(guī)模采用方案二（12 000 m3/d）。

表2 工程水量平衡分析表

表3 取水泵站規(guī)模比選表

如圖4 所示，為取水泵站平面圖。如圖5 所示，為取水泵站剖面圖。泵站為地下式，尺寸為7.70 m×4.60 m×4.65 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土。泵站內(nèi)設(shè)進(jìn)水井、泵室、閘閥井，進(jìn)水井與泵室之間設(shè)置閘門，關(guān)閉閘門可對(duì)泵室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行檢修。如圖6 所示，為閘門井工藝設(shè)計(jì)圖。泵室內(nèi)設(shè)兩臺(tái)潛水泵（Q=250 m3/h，H=8.0 m，參考功率為18.5 kW），并設(shè)有插入式液位計(jì)等設(shè)備，泵站進(jìn)水管采用DN1000 鋼管，出水壓力管為DN500；考慮取水安全，管底標(biāo)高0.05 m，管頂標(biāo)高1.05 m。

圖4 取水泵站平面圖

圖5 取水泵站剖面圖

圖6 閘門井工藝設(shè)計(jì)圖

3 后期運(yùn)行控制方式

本工程具備自動(dòng)控制及人工控制的雙重能力，自動(dòng)控制通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)[4]，即在湖體內(nèi)設(shè)置液位計(jì)，其通過(guò)線路傳遞至控制中心系統(tǒng)與水泵系統(tǒng)連通，將湖體液位信息轉(zhuǎn)換為水泵啟閉的控制命令。

3.1 初次補(bǔ)水

初次補(bǔ)水時(shí)需要人工啟動(dòng)取水泵站，由兩臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)湖體水位達(dá)到4.00 m時(shí)，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)停泵。初次補(bǔ)水水量約為168 000 m3， 取水泵運(yùn)行約14 d后可完成補(bǔ)水。

3.2 平時(shí)補(bǔ)水

當(dāng)湖體水位降至3.95 m時(shí)，低水位報(bào)警，啟動(dòng)一臺(tái)水泵補(bǔ)水，以防止湖面變小而影響景觀；當(dāng)湖體水位升至4.00 m后停泵，防止湖體水體溢流造成水資源浪費(fèi)。補(bǔ)水水量約為4 200 m3，一臺(tái)取水泵運(yùn)行約17 h，兩臺(tái)水泵可通過(guò)自控系統(tǒng)交替運(yùn)行。

3.3 應(yīng)急補(bǔ)換水

日常運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)第三方監(jiān)測(cè)。根據(jù)水質(zhì)情況，放空部分湖水，補(bǔ)換水時(shí)將湖水水位由4.00 m 降至3.00 m，排掉湖水容積76 527 m3（約占42%的湖水），排水時(shí)間約7.50 h；然后啟動(dòng)水泵，由兩臺(tái)水泵交替運(yùn)行，應(yīng)急補(bǔ)水12.75 d，排水與補(bǔ)水共計(jì)13.06 d。

3.4 調(diào)蓄與疏浚

雨季時(shí)，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，提前將湖體水位調(diào)整至3.90 m，即雨水調(diào)蓄水深為0.10 m，此操作將調(diào)整出約8 400 m3調(diào)蓄量。雨天，當(dāng)湖體溢流水位為4.03 m 時(shí)，啟閉機(jī)動(dòng)作開啟閘門；當(dāng)水位為3.90 m時(shí)，啟閉機(jī)動(dòng)作關(guān)閉閘門。疏浚放空時(shí)，當(dāng)湖體水位為4.00 m 時(shí)，在革新河下游的陳儲(chǔ)河閘站共同配合下，啟閉機(jī)開啟閘門疏浚排空，需要約42.2 h排空湖體。

4 生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

4.1 水生植物

水生植物主要包括挺水植物、浮葉植物、沉水植物、漂浮植物以及濕生植物。水生植物的恢復(fù)與重建在淡水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化（從濁水到清水）中具有重要作用，是水生態(tài)修復(fù)的重要一環(huán)[5]。水生植物的作用主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一是直接汲取污水中可吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，將重金屬和一些有毒有害物質(zhì)吸附和富集于體內(nèi)；二是通過(guò)光合作用將氧氣輸送至根區(qū)，以供好氧微生物吸收；三是為介質(zhì)的水力傳輸提供動(dòng)力[6]。本工程在湖體內(nèi)種植了千屈菜、鳶尾、黃菖蒲、美人蕉、旱傘草等水生植物，不僅便于光合產(chǎn)氧、吸收水體氮磷，而且也營(yíng)造了和諧美觀的景觀效果。

4.2 水生動(dòng)物

本工程在湖體中投放了螺螄、蚌等軟體動(dòng)物，同時(shí)，還投放了濾食性的魚類，以提高湖體的生態(tài)位。蚌具有濾食生活習(xí)性，它能夠?qū)⑺袘腋〉脑孱惣坝袡C(jī)碎屑濾食，從而提高湖水的透明度；螺螄主要攝食固著的藻類，通過(guò)分泌促絮凝的物質(zhì)，使湖水中的懸浮物質(zhì)絮凝，使水變清澈；濾食性的魚類通過(guò)濾食浮游動(dòng)植物及藻類腐屑，降低了富營(yíng)養(yǎng)化的概率。

5 工程思考

（1）該項(xiàng)目前期考慮投資及生態(tài)影響，湖體按自然防滲設(shè)計(jì)，補(bǔ)水量最大為每月5 600 m3，投資成本較高。如果采用防滲膜，王博等人[7]在人工湖湖底防滲分析中指出，防滲膜的滲透系數(shù)在1×10-13～1×10-11cm/s，則滲漏水量可忽略不計(jì)，補(bǔ)水量最大為每月1 100 m3，運(yùn)行成本降低。項(xiàng)目前期投資充裕，在綜合生態(tài)因素后，后續(xù)可考慮采用防滲膜的防滲工藝。

（2）湖體日常流動(dòng)性相對(duì)較差，運(yùn)行時(shí)需加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)。項(xiàng)目運(yùn)行中應(yīng)總結(jié)規(guī)律，制定湖體更新計(jì)劃表，以確保湖體“地表Ⅲ類”的水體要求。