城市人工湖泊水環境保護研究概述

於孟元，趙忠偉

（1.河海大學環境學院，江蘇南京 210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，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定、舒適、可持續的發展環境。近年來，隨著社會經濟的發展，人工湖泊在城市規劃和生態文明建設中的重要性日益突出。

國內外在人工湖泊建設和運行方面積累了豐富的成功經驗和案例。例如，四川成都2012年6月出臺《成都市環城生態區總體規劃》，規劃中提出建設“六湖八濕地”，目前已陸續建成了錦城湖、興隆湖等城市湖泊，進一步完善了成都市城市水系格局，使得“生態城市”理念逐漸得以實現。位于武漢市城區內的東湖風景區，總面積73 km2，其中湖面面積33 km2，是中國最大的城中湖。1982年成為國家重點風景名勝區，2013年成為國家5A級旅游風景區。

湖泊水體的水環境保護歷來是湖泊管理中的關鍵問題。中國太湖、日本的琵琶湖都曾發生過非常嚴重的水污染和富營養化問題。與天然湖泊不同，人工湖泊（特別是城市人工湖泊）具有生態系統較為單一、來水量小、來水水質差、水體置換率低、污染源復雜等特點，其水環境污染問題遠較天然湖泊突出。根據住建部黑臭水體整治信息平臺2017年12月31日公布數據，全國224個地級及以上城市共排查確認黑臭水體2 100個。城市人工湖泊水環境保護已成為長江經濟帶發展的巨大挑戰?！端廴痉乐涡袆佑媱潯罚ê喎Q“水十條”）（國發[2015]17號）提出要整治城市黑臭水體、保護水和濕地生態系統、全力保障水生態環境安全。

本文針對城市人工湖特點，從人工湖泊環境保護的法律背景、人工湖生態需水量、適宜規模和水深以及城市人工湖水環境維護技術及湖泊數學模型應用等方面，對城市人工湖水環境保護研究進行回顧分析，以期為城市人工湖泊設計、健康運行及城市水環境保護提供參考依據。

1 城市人工湖水環境保護法律法規依據

城市人工湖水環境保護符合我國生態環境保護戰略需求，具有強有力的法律法規支撐，主要的法律法規依據有：《中華人民共和國環境保護法》（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條例》（國務院令第3號）（1988年6月，2011年修訂）；《全國生態環境保護綱要》（國發[2000]38號）；《國務院辦公廳關于加強濕地保護管理的通知》（國辦發[2004]50號）；《國務院關于落實科學發展觀加強環境保護的決定》（國發[2005]39號）；《中國水生生物資源養護行動綱要》（國發[2006]9號）；《國務院關于印發中國應對氣候變化國家方案的通知》（國發[2007]17號）；《全國重要江河湖泊水功能區劃》（國函[2011]167號）；《國務院關于水污染防治行動計劃的通知》（國發[2015]17號）；SL 709-2015《河湖生態修復與保護規劃導則》；《全國生態功能區劃（修編版）》（環境保護部，2015年11月）等。

2 城市人工湖形態研究

城市人工湖形態直接關系到人工湖水動力學條件的時空分布特征及水體置換效率，對于湖泊水環境保護至關重要。人工湖形態包括其平面形態和立面形態2個層次。平面形態指湖泊形成后的水面形狀與面積，立面形態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

人工湖泊的平面形態應盡可能利用“流線發散和收束”的特點，以利于水流平順、無死水角[1]。此外，人工湖泊平面形態構造受水體補給水循環的進出口條件影響。對于出入口唯一的人工湖泊，“梨形”是較理想的平面形態（見圖1）。當進出補給口較多時，平面形態可復雜些，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，降低人工湖營養物質不均勻沉淀機率。在不同形態的城市人工湖規劃設計中發現，如果湖區存在多處死水區域和水體交換能力較差的區域，可能成為湖區潛在的水質重污染區和富營養化高發區，需對湖體設計形態進行優化[2]。

人工湖水面面積的確定應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]。水面過大會造成水體蒸發量、滲漏量增大，增加水循環處理、水體清理或換水難度，運行費用和工作負荷也會隨之增加。水面面積還是影響人工湖小氣候效應的重要因素。楊凱等[4]對某人工湖的觀測表明，下風向溫度比上風向下降1℃～3℃，相對濕度上升約6%～14%。目前尚無確定水域面積的相關技術標準。

圖1 “梨形”人工湖平面形態示意

2.2 人工湖的立面形態

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

圖2 人工湖泊立面形態示意

諸多學者研究認為，H/SD（H為水深，SD為透明度）是影響大型水生植物生長的關鍵因素[5-6]。當水深太?。ㄐ∮? m）時，植物的覆蓋程度和生物量明顯受到限制[7]；而當水深過大（H/SD=5.26），大部分水生植物的生長也會受到威脅[5]?？紫楹绲萚8]對長江下游湖泊的調查研究表明，中度富營養湖泊（H/SD=9.89）的水生植物的生物量要明顯低于輕度富營養湖泊（H/SD=4.19），菱的分布與水深呈顯著負相關。S.M.Thomaz[9]發現水深下降會對細葉蜈蚣草的生長產生負面影響，而水位上升可以促進浮水植物比如鳳眼蓮的生長。P.Wang[10]研究發現隨著水體深度的增加，生物群落的生物量、莖節點數量和長度都顯著降低。X.Liu[11]研究發現，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]盆栽實驗結果表明：當扁稈藨草（Scirpus planiculmis Fr）種子的埋藏深度為0 cm、水深為5～10 cm時，出苗率最高；當水深超過10 cm時，幼苗不會生長出水面，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。這一結論對于退化濕地的植被恢復具有重要指導價值。實際上，任何植物都有適合的深度與環境條件，對湖泊深水、淺水區可分別配置不同的適宜植物[13]。

水深對水生動物也有一定影響。K.L.Zimmer[14]提出將水深作為主要因素研究水生巨無脊椎動物群落。A.Moussaoui[15]提出一個反應-擴散模型來研究擴散和水位對兩種特定魚類種群的影響。另外，從水質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，且還會改變人工湖的水動力過程、湖流的流場分布及風浪特征，使人工湖水環境容量和自凈能力發生變化。A.B.P.Brunberg[16]、J.M.H.Verspagen[17]提出表面沉積物中的藍藻細菌進入水體的過程主要與水深相關。劉春光等[18]研究認為，總磷、總氮、硝態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]根據某人工湖的不同水深對葉綠素濃度變化趨勢的影響分析，選擇了最大水深3.5 m作為最優水深設計方案。G.T.Kleinheinz[20]發現不同水深水體中大腸桿菌濃度的差異。高雅[3]認為，水生動物活動適宜水深一般在0.8～1.0 m，水體自凈要求深水區大于2 m。

雖然國內外研究均表明，水深對于水生植物、動物、微生物以及水質等均有非常關鍵的影響，然而從國內外文獻調研來看，對于人工湖水深的確定尚沒有統一標準。從理想角度分析，水深越深，水體越大，湖泊生態功能越強，生命力越旺盛，同時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，以滿足開挖經濟性、減小蒸發損失、維持湖水置換效率和水質保護的要求。根據統計數據，國內人工湖平均水深在1.6～4.0 m之間[3]，參考自然湖泊圍墾形成的內湖，洞庭湖區水深為3.24 m，太湖湖區水深為1.33 m。為此，確定湖泊水深需要針對具體湖泊的特征以及功能需求，綜合考慮水生動植物、微生物、水質及人體感官等因素影響，在開展針對性的研究和不同水深方案的比選論證基礎上，提出最優設計水深。

3 城市人工湖生態環境需水量的研究

人工湖的配水流量是人工湖設計中需要首先確定和解決的問題。目前普遍認為，湖泊生態環境需水量是指保證特定發展階段的湖泊生態系統結構發揮其正常功能而必需的一定數量和質量的水[21-22]。湖泊生態環境需水量存在2個閾值：①湖泊最大生態環境需水量。超過此值，湖泊將水漫堤岸，發生洪澇災害；②湖泊最小生態環境需水量。低于此值，湖泊生態系統結構與功能將受到不可逆的損害。其中，湖泊最小生態需水量主要包括湖泊生物、蒸散發、水生生物棲息地、污染物稀釋、防止湖水鹽化、航運以及景觀建設和保護等方面的最小需水量[22]。

劉靜玲等[21]以及肖芳等[22]研究認為，湖泊最小生態環境需水量的計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湖泊水量平衡原理和湖泊水量消耗的實際情況進行估算，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綜合維持湖泊生態系統各組成分和滿足湖泊主要生態環境功能的最小水位最大值與水面面積，來確定湖泊生態環境需水量，適用于亟待保護和瀕臨干枯的湖泊。功能法是指根據生態系統生態學的基本理論和湖泊生態系統的特點，從維持和保證湖泊生態系統正常的生態環境功能的角度，對湖泊最小生態環境需水量進行估算的計算方法，適用于特定區域湖泊生態系統的恢復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，利用功能法來計算了北京市六海的生態環境需水量。許文杰等[24]采用功能法，針對水系和水功能更為復雜的東昌湖，探討了結合水量水質耦合研究和閾值研究的生態環境需水量計算方法。嚴晨菲等[25]以梅江景觀湖為例，采用功能法分析其系統不同健康狀況下的生態環境需水量，并與水量平衡法相結合，分析相應的生態環境需補水量。

賀新春等[26]引入防洪控制、水質控制和景觀水位控制，創建了城市湖泊需引水量和引水水質計算模型。尤愛菊等[27]將城市人工湖生態環境需水量分為生態需水量（蒸發補充水量和滲漏補充水量）和環境需水量（滿足人工湖水質目標），并首次將TP質量守恒模型運用于城市人工湖生態環境需水量的計算。以杭州上虞濱海新城建設的人工湖為例，預測了不同生活污水截污率、生態措施作用前后的人工湖生態需水量及環境需水量。

此外，也有一些研究者利用生物指標來計算生態環境需水量。M.Abbaspour等[28]考慮水量、水質和水生生物及其相互關系，計算了Urmia湖的生態環境需水量。S.Sajedipour等[29]發現不同的年份大火烈鳥數量變化和巴赫泰甘（Bakhtegan）湖表面積之間具有較好的相關關系，由此確定了巴赫泰甘湖的生態環境需水量。

綜上所述，城市人工湖的生態環境需水量多是根據人工湖的功能來分類和計算的。因此，對于不同區域、功能和類型的人工湖泊，生態需水影響因素和計算方法各不相同。而對于湖泊需水量中的蒸發和滲漏需水量、動植物生存需水量等，尚無定量的閾值標準和規范。此外，在人工湖生態需水量的確定中通常忽略了湖區水動力學條件及其對水體置換效率的影響。在對湖區各類污染負荷的統計及其對水質的影響研究方面，尚缺乏基于水動力學理論和生態水力學理論的深入研究。

4 城市人工湖水環境修復與維護技術研究

同天然湖泊相比，人工湖泊生態系統較為單一，自凈能力較差，因此建成后的人工湖水環境維護技術對于湖泊水質保障至關重要。

人工湖泊的污染源主要包括外源污染和內源污染。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污染。針對上述各類污染特點，可分別采取外源和內源污染的控制措施以保護湖泊水環境。在外源、內源污染得到控制的基礎上，為了維持水體的目標水質，加快內部的自身水質循環，仍需在湖區內進行水生生態系統工程建設和局部強化凈化等工程措施[29]。

4.1 外源污染控制措施

外源污染控制措施主要包括：①配置雨水處理設施，實現“雨污分流”；②完善湖區截污管道系統，禁止各類廢污水排放進湖；③保證湖庫補給水的水質等。湖區水源補給通常采用河流、自來水或地下水。為節約成本，可采用達標的再生回用水作為人工湖穩定的補給水來源，但不宜直接采用未經處理的污水進行補給，以免引起湖體大規模的水污染。

4.2 內源污染控制措施

內源污染物的控制措施主要指對底泥和湖區水生動植物采取的控制措施。

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

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

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

（4）水生態系統構建。健康的水生態系統完全依靠自然界生物之間的食物鏈關系，建立起“浮游動物-水下森林”共生生態，形成生態系統良性循環。例如，向富營養化水體投放經過馴化的特定浮游動物，利用生物操縱法控藻并改善水體理化條件，抑制藍綠藻的生長。當水體藻類及各種懸浮有機顆粒減少、透明度增加后，進一步結合水體條件，適度導入沉水植被、挺水植被、浮葉植被等水生植被。結合水體凈化程度，逐步引入螺、貝、魚、蝦等高級水生動物。在水生動植物共同作用下，水生態系統形成良好的自凈狀態。劉杰等[33]提出了一套包括湖區良好水體生境營造、水生態系統構建和生態輔助強化措施，旨在提升人工湖水體凈化能力的水生態系統構建思路和方法。

4.3 水環境長效維護措施

雖然外源污染控制措施與內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境保護是一項長期的系統工程，水環境長效維護措施至關重要。

（1）曝氣復氧措施。湖區內緩流水體中的溶解氧含量過低是導致水體水質惡化以及富營養化的重要因素，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，同時可兼顧水景設計，配置水上噴泉，實現表層和深層水的縱向循環，成為人工湖泊水質維護的重要措施[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，可加快營養物質輸出，有效縮短人工湖換水周期，從而達到延緩水體水質惡化的目的。利用泄洪管作為底水排放管道，在泄洪管旁設泄水閥，在補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鹽控制與釋放。在湖泊外源磷得到有效控制、底泥生態清淤實施情況下，人工湖泊中營養鹽濃度可能短時間得到控制，但清淤后的底泥沉積物亦可能在環境條件改變后發生釋放。此外，湖泊中亦可能產生新的泥沙沉積和釋放，因此適宜的水體環境化學條件可有效控制和減小底泥沉積物向水體中的營養鹽釋放。首先，水體中溶解氧條件對于磷循環至關重要[35]。溶解氧水平決定了磷在底泥-水界面交換中的轉換方向和速度，即溶解氧大于一定水平的條件下，底泥不僅可能由“源”變為“匯”，而且還會影響間隙水中溶解氧擴散深度，進而影響底泥-水界面的磷交換速率[36]。龔春生[37]通過室內試驗研究表明，底泥釋放由“源”變為“匯”對應的溶解氧臨界飽和度約為75%。水體pH值高低會影響沉積物對磷吸附作用的強弱以及離子之間的交換作用，從而對沉積物磷的釋放行為產生重要影響。當水體pH值近似7時，磷的釋放量很小，水體偏酸性或偏堿性條件下對沉積物磷的釋放非常有利[38]。

（4）原位生物接觸氧化技術。原位生物接觸氧化是一種具有活性污泥特點的生物膜技術，兼有生物膜工藝和活性污泥工藝的優點。在氧供應充分的條件下，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，將水體中的有機污染物進行氧化分解，達到凈化水質的目的[39]。

（5）濕地凈化措施。濕地凈化措施是目前在人工湖泊建設中較為普遍采用的一種技術，被用于湖區水體及來水去除污染物的效果研究[40-41]。2010年頒布實施的HJ 2005-2010《人工濕地污水處理工程技術規范》[42]，對濕地污水處理工程在建設、運行和管理等方面進行了規范指導。但近年來的應用實踐表明，該規范在水力停留時間、不同條件下的處理效率以及措施設計等方面尚不夠具體，特別是在濕地生態系統構成、設計規模及凈化效果等方面不能滿足實際工程設計要求。

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

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

采用以微生物灌漿為主的新型生態防滲體系可滿足地層的滲透穩定性要求，滲漏量相比于防滲前減少了98%，同時滿足該人工湖泊各區域的生態需水量。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，新型生態防滲體系在防滲效果滿足工程要求的條件下，具有對生態環境更有利、外來污染更少、耐久性更可靠和維護方便等優點[44]。

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

目前人工生態浮島的進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，應朝著規?；C械化的方向發展[50]。

5 數學模型的應用

由以上分析可知，目前城市人工湖泊水環境維護技術尚不夠成熟和完善。隨著近年來數學模擬技術的的快速發展，湖泊數學模型被作為重要研究手段，越來越廣泛應用于城市人工湖水環境維護中。湖泊數學模型主要包括水環境模型和生態模型2個部分。

基于湖泊空間形態變化的水環境數學模型主要用于湖泊水動力學條件時空分布規律及水體置換效率模擬中。成昌衛[50]采用MIKE3軟件預測了西安雁鳴湖水質時空分布變化特征，為水生態修復措施的布置提供了重要科學依據。高學平等[51]、許莉萍[53]應用EFDC建立了某人工湖泊的三維水動力模型，研究不同引水調度方案下該湖泊的水體交換能力和水體輸運時間，為通過優化水體調度運行改善城市人工湖泊水環境提供了管理依據。

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

6 結語

人工湖泊在現代城市規劃和生態文明建設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，如何發揮湖泊功能、維護湖泊生態健康成為人工湖泊設計和運行管理中亟待解決的問題。本文回顧了城市人工湖水環境保護的法律法規依據，主要從城市人工湖形態、人工湖生態需水量等方面進行梳理分析。在此基礎上，提出了外源污染控制措施、內源污染控制措施以及水環境保護工程措施等水環境維護技術等，并介紹了數學模型在湖泊模擬中的應用，以期為人工湖泊設計和健康運行提供理論依據和技術支撐。