環(huán)靈峰山旅游度假區(qū)人工湖水量平衡分析

孫 晨，陳金杭，蘇 晨，王 琴，張小岳

(1.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，南京 210098；2.河海大學(xué)設(shè)計研究院有限公司，南京 210098；3.寶應(yīng)縣水務(wù)局，江蘇 揚州 225800)

人工湖作為城市濱水空間的重要組成部分，為城市提供更為穩(wěn)定、舒適、可持續(xù)的發(fā)展條件[1]。城市景觀水體作為城市景觀中的重要組成部分，對改善水體周邊生態(tài)環(huán)境發(fā)揮了直接或間接的作用[2]。水量平衡計算是人工湖水量保障的基礎(chǔ)[3-5]，對區(qū)域蓄洪泄洪、生態(tài)維護也具有重要意義。本文以環(huán)靈峰山旅游度假區(qū)人工湖為例，對新規(guī)劃建設(shè)的人工湖進行水量平衡分析。

1 研究區(qū)概況

環(huán)靈峰山旅游度假區(qū)位于浙江省安吉縣中心城區(qū)，規(guī)劃面積52 km2。該度假區(qū)是以竹文化和美麗鄉(xiāng)村為主題，集精品度假酒店、會議中心、溫泉基地、生態(tài)住宅為一體的度假示范區(qū)。為使各度假項目圍湖而建、游客住戶逐水而居，規(guī)劃在度假區(qū)中心開挖景觀湖。度假區(qū)夾于西南兩側(cè)山地之間，地勢較低，臺汛期雨水下泄形成山洪，由西南向東北貫穿整個度假區(qū)，曾是該區(qū)域山洪下泄必經(jīng)的通道。若不合理規(guī)劃，則該項目區(qū)或?qū)⒃庥鰢乐睾樗{。因此，該人工湖是結(jié)合地形改造設(shè)計的景觀水體，既承擔(dān)著蓄洪防洪功能，同時也解決了雨水的調(diào)蓄、局部小氣候的調(diào)節(jié)、地下涵養(yǎng)的補充等眾多環(huán)境舒適度的技術(shù)問題，還兼有景觀河道的觀賞和生態(tài)功能，建成后將成為一個防汛抗?jié)场⑷宋纳鷳B(tài)的標(biāo)志性景觀。

規(guī)劃人工湖總體呈東南-西北向不規(guī)則狹長分布，湖岸總長約11.67 km，湖區(qū)總面積10.24×104m2，見圖1。設(shè)計景觀水位(常水位)30.00 m，平均水深1.81 m，對應(yīng)庫容約18.51×104m3。

圖1 人工湖總體布置圖

人工湖水量設(shè)計主要目的包括3個方面：①水安全：合理確定行洪主要通道，保證行洪安全，減少行洪對湖區(qū)水環(huán)境水安全的影響；②水資源：維持一定的水位及水面率，滿足整體景觀的需要，實現(xiàn)雨洪資源化利用；③水生態(tài)、水景觀：通過構(gòu)建良好的水生態(tài)系統(tǒng)，長期凈化和維持水質(zhì)，營造良好水質(zhì)條件，提升水景觀品質(zhì)，更好地滿足景觀要求。

2 數(shù)據(jù)與模型

根據(jù)人工湖周邊規(guī)劃和現(xiàn)實情況，湖體水量匯入包括湖面降雨量、度假區(qū)環(huán)湖綠地雨水徑流，水量支出包括湖面蒸發(fā)、湖水溢流、地下滲漏。

2.1 數(shù) 據(jù)

地形數(shù)據(jù)采用實測的1/1 000地形圖。

氣象數(shù)據(jù)采用安吉縣城市氣象站和遞鋪雨量站2003-2017年數(shù)據(jù)，其中降雨數(shù)據(jù)采用2003-2017年共15年遞鋪雨量站的日雨量資料，多年平均降水量見表1；風(fēng)速、相對濕度、溫度、水汽壓采用安吉縣城市氣象站資料。楊萍等對湖泊風(fēng)速進行了研究[6]，湖內(nèi)平均風(fēng)速比陸地大2～3 m/s左右，湖內(nèi)靜風(fēng)率比湖外約少一半以上，因此湖面風(fēng)速采用安吉縣城市氣象站風(fēng)速加3的處理方法。

表1 工程區(qū)降水量統(tǒng)計表 /mm

2.2 模型建立

人工湖水量平衡是指湖中水量變化的總過程，可由下式表示：

P+W入=E+W出+U滲±ΔV

(1)

式中:P為時段內(nèi)湖面上的降雨量，m3；W入為時段內(nèi)進入湖泊的雨水徑流,m3；E為時段內(nèi)湖面的蒸發(fā)量,m3；W出為時段內(nèi)流出湖泊的水量，m3；U滲為時段內(nèi)湖泊的滲漏量，m3；ΔV為時段始末湖區(qū)水量的變化量，m3，當(dāng)時段末水量多于時段初，ΔV為正值，反之為負值。

遠赴俄羅斯聯(lián)邦卡爾梅克共和國，追尋土爾扈特汗國的歷史蹤跡，是馬大正多年的宿愿，自上世紀80年代萌發(fā)，至今已有近40年的歲月。馬大正在記述自己尋訪土爾扈特人歷史的游記《天山問穹廬》中曾發(fā)出如下感嘆：

2.2.1 湖面降雨量

湖面降雨量為多年平均降雨量與湖面面積的乘積，計算公式為：

P=PS×A/1 000

(2)

式中：PS為時段內(nèi)多年平均降雨量，mm；A為人工湖湖面面積，m2。

2.2.2 入湖水量

入湖水量主要為進入人工湖的地表徑流，采用徑流系數(shù)法計算徑流量，公式如下：

W入=A′φαβPS/1 000

(3)

式中：A′為匯水區(qū)域面積，m2；φ為匯水區(qū)域內(nèi)平均徑流系數(shù)；α為季節(jié)折減系數(shù)，取0.85；β為初期雨水棄流或者下滲系數(shù)；PS為時段內(nèi)多年平均降雨量，mm。

2.2.3 湖面蒸發(fā)

李萬義對適用于全國范圍的水面蒸發(fā)量計算模型進行了研究，可通過測定水面和其上空某一高度的水汽壓, 以及風(fēng)速和濕度來計算水面蒸發(fā)量。湖面蒸發(fā)計算公式如下：

E=Ea×A

(4)

Ea=[0.1+0.24(1-U2)0.5](e0-e150)W[0.85W/(W+2)]

(5)

式中:E為人工湖的蒸發(fā)量，mm/d；Ea為單位面積的蒸發(fā)量，mm/d；A為人工湖面積，m2；U為相對濕度，以小數(shù)計；e0、e150分別為水面和水面以上150 cm處空氣中的水汽壓，hPa；W為水面以上150 cm處的風(fēng)速，m/s。

2.2.4 湖底滲漏量

U滲=KDAs

(6)

式中：K為滲透系數(shù)，m/s；D為時間，s；As為湖底面積，m2。

3 環(huán)靈峰山旅游度假區(qū)人工湖水量平衡分析

3.1 湖面降水量

依據(jù)降雨資料推算，該區(qū)域平均年降水量為1 387.0 mm，最大年降水量為1 641.3(2009年)，最小年降水量1 040.2 mm(2003年)，降水在年內(nèi)多集中在主汛期(6-8月份)，占全年的42.8%，其他月份相對較枯。平水年湖面年均降水量為14.203×104m3，枯水年為10.652×104m3。

3.2 入湖水量

人工湖入湖水量即為度假區(qū)環(huán)湖綠地雨水徑流量。項目區(qū)內(nèi)周邊匯流面積約58.11 hm2，主要是住宅和旅游用地，地表綜合徑流系數(shù)=多年平均徑流深/多年平均降水深[5]=694.4/1 387=0.50，平水年入湖水量為34.31×104m3，枯水年為25.73×104m3。

3.3 湖面蒸發(fā)量

平水年、枯水年、豐水年的湖面面積沒有變化，相對濕度、水汽壓、風(fēng)速等參數(shù)亦變化不大。因此，采用湖區(qū)多年平均氣象數(shù)據(jù)進行湖面蒸發(fā)量計算，計算結(jié)果為9.617×104m3。

3.4 湖底滲漏量

根據(jù)區(qū)域地勘資料，該區(qū)大部分區(qū)域表層土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，層頂埋深0.4～2.10 m，滲透系數(shù)較小，約為3×10-7cm/s，為弱透水層；部分區(qū)域粉質(zhì)黏土層較薄，主要為礫砂和圓礫層，層頂埋深1.10～7.30 m，滲透系數(shù)為3.4×10-3cm/s，屬于中強透水層。湖底防滲設(shè)計方案采用黏土鋪蓋的防滲方案[7]，即湖底整體滲透系數(shù)為3×10-7cm/s。計算得到年下滲水量U滲=0.97×104m3。

3.5 水量平衡分析

為保障環(huán)靈峰山旅游度假區(qū)人工湖的景觀效果，根據(jù)人工湖調(diào)洪計算，在景觀常水位時，人工湖可蓄水量為18.51×104m3，超出水位則溢流出湖。因此，理想狀態(tài)下的湖區(qū)水量變化應(yīng)控制為零，即出入湖水量與人工湖水量損失保持平衡。人工湖平水年、枯水年水量平衡見表2。

表2 人工湖平水年水量平衡表

通過水量平衡分析可知，在平水年水量變化ΔV為零，說明人工湖匯水范圍內(nèi)的降水完全被人工湖蓄積的情況下，人工湖總自然補給水量大于損耗水量；枯水年的10、11、12月這3個月份的出湖水量為零，說明這3個月份人工湖補給水量不足；當(dāng)月人工湖水量變化為負，說明湖泊水位低于設(shè)計景觀水位30.00 m，該時段需對湖泊進行補水，補水量為當(dāng)月人工湖水量變化值，即1.065×104、0.23×104和0.044×104m3。

續(xù)表2

4 補換水設(shè)計

由上述水量平衡計算可得，人工湖補水量為1.065×104m3，24 h完成補水，則設(shè)計補水流量約為0.2 m3/s。同時，建成區(qū)的地表初期雨水?dāng)y帶一定量的污染物進入人工湖，會對水質(zhì)造成不利影響。據(jù)相關(guān)研究資料表明，建成區(qū)地面初期雨水的污染負荷甚至超過了生活污水[8]，當(dāng)雨水?dāng)y帶的污染負荷超出人工湖的環(huán)境容量時，湖水水質(zhì)將會惡化。因此需同時考慮枯水季節(jié)補水和水質(zhì)維護性換水，人工湖設(shè)計循環(huán)周期30 d，按每7天更換湖內(nèi)水量的一半進行引水，日循環(huán)流量約為0.15 m3/s。從節(jié)水、可操作性和經(jīng)濟可行性考慮，以項目區(qū)東側(cè)的水口渠引水口渠道引滸溪河水作為水源補給人工湖，其水質(zhì)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》(GB 3838—2002)III類水質(zhì)，滿足景觀水水質(zhì)要求，可直接進行補水。

5 結(jié) 論

水量平衡計算是人工湖水量、水質(zhì)保障的基礎(chǔ)。本文以安吉環(huán)靈峰山旅游度假區(qū)人工湖為例，綜合考慮湖面降雨、入湖水量、湖面蒸發(fā)量、湖底滲漏量等多個因素，進行了水量平衡計算、補換水周期及流量計算，介紹了新開挖人工湖湖底防滲措施、雨水資源化利用、換水周期計算以及補水水源選，以期為類似城市人工景觀湖設(shè)計提供參考和借鑒。