擬自然化：城市湖泊水環境治理的生態智慧與途徑
——以南京玄武湖為例

成玉寧

王雪原

建成環境中的城市湖泊普遍具有水體富營養化、生態系統脆弱等特征。隨著城市建設用地擴張與建設強度增加，各類土地開發使湖泊水文過程及水文環境與其原初的自然狀態有顯著差異。土地利用方式轉變帶來湖泊小流域整體水環境改變的同時，也引起了湖泊生態與形態的退化，極大地增加了城市建設管理運維的費用與難度。湖泊水環境恢復的可持續方法及相關治理技術的研究在持續深入，主要集中于較大尺度的“湖泊-流域”綜合治理與場地尺度的湖泊水環境研究兩方面。前者發展于流域生態學及生態系統管理領域的研究方法，將湖泊流域視為一個完整系統加以研究[1]，側重于解決流域生態惡化及綜合優化資源配置，在國際上常應用于大型湖泊或湖群的水生態恢復與區域水資源管理[2]；后者主要應對個體湖泊本身的水質惡化、水量失衡等問題，是當代城市湖泊水環境治理的主要內容，實踐中方法可總結為物理、化學、生物3類，主要為引水稀釋、底泥疏浚、覆蓋隔離、堤壩工程、水系連通、生物浮床、生態護坡及投加微生物與化學藥劑等方法的搭配使用[3]。如在控源截污與補水疏浚的基礎上，利用土工材料制造溝渠、堤壩進行水文控制，攔截污染物并增加水體停留時間以形成良好的生態修復系統[4]。此外，基于遙感衛星的多波段光譜信息也越來越多地被應用于湖泊的生態效應評估及監測湖泊不同階段的生態過程恢復[5]。城市湖泊在空間上表現獨立，其健康評價、生態服務價值核算、退化生態系統修復等研究亦多集中于場地尺度，從小流域尺度探討城市湖泊水環境的系統恢復的可持續方法亟待推進。南京玄武湖具有典型的城市湖泊特征，長期以來維系玄武湖的生態與形態的質量一直是城市水環境治理的重點與難題。本文基于小流域尺度分析玄武湖水環境退化成因，對比玄武湖周邊城市建設前后的水文過程變化來探討湖泊水環境治理的可持續方法，通過辯證湖泊治理途徑的標本差異，梳理玄武湖水環境恢復的生態化途徑，以期對其他城市湖泊治理有所借鑒。

1 玄武湖水環境特征及其水文過程

1.1 玄武湖的形成及水環境特征

南京玄武湖是由地質構造斷裂、下沉風化及長江演變的水力驅動等諸多因素影響而形成的自然下凹空間，人類對其開發利用的歷史可追溯至3 500年前。在自然和社會發展的共同驅動下玄武湖在不斷變化著：六朝時期孫權在南京興修水利，玄武湖壅塞成湖成為水軍訓練基地；北宋時期王安石為增加耕地面積將玄武泄湖為田；元代“開衍為湖”，對玄武湖及河道進行疏浚；民國以后至20世紀末，人地矛盾突出，為增加建設用地而相繼填埋原本的水塘和溝渠；1998年，玄武湖開始了大規模的當代湖泊治理工程。

玄武湖位于鐘山西麓，北界紅山、南抵雞籠山與覆舟山，環湖岡巒與其形成了良好的山水格局(圖1)。玄武湖東側鐘山片區、北側紅山與幕府山片區、西南側主城區的地勢依次降低，湖泊呈臺地湖相，中部形成碟形洼地(圖2)。盆域水體出水方向，一為流經西側金川河、內金川河、護城河等交織的地表通道網絡進而匯入長江，二為東南側沿珍珠河向下匯入秦淮河。明城墻建于玄武湖南岸、西岸一側，使玄武湖作為天然的“護城湖”隔離于城墻之外，較大程度阻斷了玄武湖與西側主城區的徑流過程。太平堤建于湖泊東側與鐘山的接合處，將緊貼鐘山西坡的一片湖面隔為白馬湖，一定程度限制了玄武湖與鐘山西坡的直接水文聯系。明城墻與太平堤坐落于玄武湖山水相連的景觀格局當中，形成東西2條空間屏障。

圖1 山水格局中的玄武湖

圖2 玄武湖及其周邊地形

1.2 區域地表水環境的改變

城市建設發展導致自然水域范圍收縮、集水邊界改變及流域水道變更，大量的地表水無法通過自然的流槽進入玄武湖。土地利用及開發建設活動割裂了自然空間，不僅改變了地表徑流的方向與流量，也極大限制了水文過程與生態功能。如紫金山北坡徑流往西匯至玄武湖，其中軍民友誼水庫的建設對北坡水系進行了調蓄截流，又跨集水區用于國賓館、鐘山高爾夫球場及別墅區的綠地灌溉。玄武湖徑流路徑沿線的諸多人為因素對地表產匯流過程產生強烈的截流或阻斷作用，由此地表水環境的失衡及流域建設活動對入湖地表徑流產生了巨大影響。

1.3 跨流域調水維系水景觀

隨著玄武湖日趨重要的游憩價值，為了確保玄武湖景觀質量，目前平均每日跨流域抽取20萬t以上的長江水沖洗湖體，年補水量超過7 000萬t，其現狀維持依賴人工凈化。環境退化影響著湖泊的生態系統循環，長期富營養化的玄武湖，存在生物多樣性減少、生態系統不穩定、生物群落結構簡化等問題。簡而言之，當前玄武湖環境治理工程更多地注重現狀水景觀的維持，宜繼續探討對于湖泊生態系統健康維系的可持續途徑。

1.4 自凈與調節能力的衰退

富營養化是城市湖泊的共性問題，20世紀80年代開始，玄武湖從初期的有機物污染狀態，逐漸加劇富營養化程度。當代湖泊綜合整治工程實施后，水體富營養化程度有所削減。玄武湖的水體富營養化主要是由于生態系統失衡、周邊城市發展等因素長期累積，導致湖體自凈、調節能力衰退。長期通過入湖地表徑流的截流實現有機污染物的阻隔，同時依賴引水與疏浚工程來維持玄武湖水質。

1.5 玄武湖水文過程的解析

1.5.1 自然狀態下的玄武湖水文特征

玄武湖地勢低洼，其自然小流域范圍遠大于建設改造后的集水區。史料所載六朝時期的玄武湖面積約是現在的4倍，西通江潮、南接金川河水系，北到大紅山、西至西流灣[6]。現狀地形條件下，玄武湖匯水來源主要包括鐘山北坡、幕府山南坡及玄武湖東北方向的集水片區。通過提取地形的分水線、等高線及地形剖切面推斷現狀玄武湖小流域范圍，如圖3、4所示：幕府山以南，鐘山、紅山以北的區域均處于其中，覆舟山、雞籠山、鼓樓崗、明城墻共同限制了玄武湖與南部片區的地表徑流關系。

圖3 玄武湖自然小流域分水線識別

圖4 玄武湖小流域豎向關系分析

1.5.2 建成環境條件下的玄武湖水文特征

建設用地開發逐漸阻斷玄武湖地表徑流，現僅存唐家山溝、紫金山溝等5條入湖通道[7]。這些通道因具有大量的排污口而處于逐步整治過程，為避免污水直接排放或其他面源污染進入湖區，均采取了相應的截流措施。建成環境下的玄武湖主要水源不再是小流域范圍內的匯水，而是引長江水經自來水廠初沉后，通過管涵注入湖體，經由多條城市河道排出。玄武湖出水通道由閘門控制，在西北部通過和平閘、大樹根閘與護城河、金川河相連，在南部通過武廟閘、太平門閘分別與珍珠河、玉帶河相通，水系現狀分布與控制狀況如圖5、表1所示。

圖5 玄武湖水系現狀

表1 玄武湖入湖及排水通道控制狀況

2 玄武湖流域水環境的變遷

玄武湖處在流域單元低洼處，對物質與能量流動趨勢、人類活動影響較為敏感，各種陸源污染物、廢水、上游泥沙等易在湖泊系統中累積，在切斷與周邊水系連通的情況下，湖泊自我恢復能力較差。此外，受季風氣候影響，南京主城區的對流活動較郊區更為活躍，并出現越來越多的區域性短時強降水天氣， 暴雨期大量的地表徑流直接進入湖體。雨洪進程的改變也影響著玄武湖小流域的產匯流過程及水質。研究通過對比玄武湖在建成環境及自然條件下的產匯流過程，基于小流域探討其水環境系統退化的成因。

2.1 水系連通性的變化

近代以來，玄武湖與秦淮河、長江等水系網絡的空間聯系相對減弱，小流域內的水系斷裂、孤立，有效調蓄空間萎縮，地表徑流多被雨水管網收集排出。玄武湖入湖通道僅在暴雨期出現短暫的徑流匯集，經湖體調峰后注入市區河道泄洪。玄武湖流域內河流、支流曲折蜿蜒，輸水距離較長且河道比降較小，在水系不斷被壓縮的情況下，又有道路橫穿、建設用地割裂而形成水系的“喉嚨口”，流域水系水質下降(表2)。玄武湖與周邊水系連通度降低、流域內河流溝渠壓縮，是引起湖泊水環境退化的重要原因。

表2 玄武湖及其連通水系的水質變化情況

2.2 玄武湖周邊水域及自然地改變

20世紀50年代疏浚的湖泥占用了部分湖面，玄武湖被壓縮至曾公堤西側；90年代的發展建設使玄武湖的湖面又被侵蝕掉近5萬m2；20世紀初玄武湖周邊曾存在大量的小型湖泊及水塘，有效地蓄積雨水與補充地下水，而后主城區的諸多小湖被填作城市建設用地[8]。這些水域及自然地的改變使湖泊蓄水空間減小。玄武湖原周邊水系、濕地及綠地收集雨水后緩慢釋放土壤徑流進一步凈化水質，進而注入湖泊水體。而在湖泊周邊水域及自然地減少、滲濾型濕地與水面型濕地比例下降的情況下，城市區內的降水通過雨水管或河道直接排到玄武湖或其他水系，匯集的雨水難以通過土壤及滲濾濕地得到充分凈化，降低了土壤緩釋水量、縮減了雨水持續滲透時間并削弱了玄武湖的調蓄作用。

2.3 土地利用與有組織排水

玄武湖小流域土地利用及有組織排水設施的建設發展，長期、顯著地影響了玄武湖的水環境狀態。“民國”以前，玄武湖匯水范圍內多為自然山林地和田野，因此匯集到湖體的徑流能夠經過自然的過濾和沉降，較為清澈的水源符合玄武湖的自凈能力要求。而近代的土地開發使得南京建成區內的河湖水系及自然綠地大量地轉變為硬質下墊面。建設用地的相對高差、地表粗糙度減小，不透水性下墊面使雨水難以下滲至淺層地表的土壤徑流，長期削弱了自然環境的滲透、緩釋過程。此外，為應對地表硬化帶來的雨洪壓力，雨水管網建設密度與標準增加，地表徑流多被有組織排出。失去自然滲透凈化空間的雨水資源無法匯入湖體。城市土地利用及配套的排水設施，加劇了玄武湖的水環境退化。

2.4 水環境整治工程設施的擾動

玄武湖主要的環境治理工程主要包括引水、疏浚、截污。引水工程對湖泊水質改善具有一定效果，而在大量長江水源補充下，玄武湖水質仍處于輕至中度富營養化的“亞健康”狀態。一方面頻繁大量的引水干擾了湖體及自身的水生態系統平衡，另一方面由于長江水源在沉淀凈化后，其總氮、氨氮、總磷含量仍然較高[9]，難以從根本上解決水質的問題。

玄武湖的疏浚工程，通過帶水吸淤、干湖沖淤2種清淤方式來去除大量的表層淤泥，減弱沉積物的污染釋放。而湖泊底泥中含有大量氮、磷等及重金屬，清淤、引水等工程的頻繁擾動進一步引起營養鹽持續釋放，影響水生植物繁殖體的萌芽幼苗生長，進而影響生物鏈循環的穩定[7]。水生生物發育需要適宜的外部水流條件，即從生態水力學角度對引水提出了更高要求[10]。清淤工程在短期內可以改善水質，但從長期效果看，并不適宜作為控制玄武湖富營養化的可持續手段[11]。而截污工程在截斷了外源入湖污染的同時，也切斷了玄武湖僅剩的幾條匯水徑流通道，降低了玄武湖的匯水量及雨洪調蓄功能。

3 玄武湖水文過程的擬自然化

3.1 恢復地表水系與水系統

玄武湖自然的湖體因具備良好的匯水、排水關系而得以維持，而地表水文過程的斷裂顯著影響了湖泊的水環境健康。玄武湖水環境治理不僅需要恢復湖泊本身，而且要恢復小流域范圍的水文過程和可持續的水源。

根據城市建設的實際狀況，選擇有條件的地段來恢復水系或水體。基于自然地形識別玄武湖的小流域邊界、分水線、集水單元及自然地表徑流路徑如圖6、7所示，在此范圍內的年均徑流匯水量約為2 160萬m3。將小流域范圍內的匯水徑流盡可能多地收集，優先選擇既有水體，通過溝通、疏浚地表水系的方式，恢復原初的水文過程將地表水輸入湖體。如通過恢復紫金山西坡斷裂的地表徑流通道、溝通幕府山至紅山北側的潛在匯水路徑，可分別恢復432萬、540萬m3的年匯水量(圖6)。重建小流域水系網絡能夠極大地恢復玄武湖小流域水環境的水文過程，但城市湖泊小流域范圍普遍存在自然水文過程與土地開發利用間的矛盾，建成環境中恢復地表水文過程至原自然狀態較難實現，因此通過模擬自然過程，最大限度地擬自然化恢復水文過程，讓自然做功，形成人工與生態結合的水文網絡空間，盡可能減少能耗，從根本上改善并恢復玄武湖的水文過程。

圖6 玄武湖小流域水系恢復

改善城市土地對雨水的滲透、涵養作用同樣能夠促進湖泊水文過程的恢復。玄武湖所在建成環境的各類空間要素均直接或間接地改變小流域水文環節，如大面積的硬質鋪地、道路等顯著影響了地表的下滲過程、產匯流過程、漫流過程。可實施方案如通過識別玄武湖小流域內各集水單元的低洼地，作為海綿城市建設的適宜區(圖7)，改善其下墊面的滲透蓄滯能力，采用低干預方法恢復小流域水文過程，從而實現最大限度地借助自然力進行水分轉移[12]。以生態化建設為入滲、徑流、漫流等自然水文環節提供必要的作用界面，通過配合海綿設施就近導流、促滲，提升玄武湖小流域土壤及近地層的附水含量，維系穩定的水文循環過程，改善小流域的雨水蓄滯能力，實現湖體水量的擬自然化補充。

圖7 玄武湖小流域海綿城市建設適宜區

3.2 充分利用既有灰色系統

雨污分流是城市雨水排放調控、二次利用的重要保障。目前南京已基本實現全市區雨污分流，對于多數城市而言也均具備這樣的條件。城市綠地、湖泊周邊濕地等空間具有一定的污染物吸收與沉淀能力，因此在雨污分流的前提下，將符合凈化要求的雨水通過河槽、溪流、河流等天然的自組織路徑滲蓄導流，就近排放至湖泊周邊的凈化區域，或通過工程措施提升水質，達標后傳輸至湖體。

可實施的方案如結合管涵傳輸與地表匯流，匯聚小流域雨水至東側紫金山溝、唐家山溝等入湖通道。城市雨水管的敷設基本依托原地形豎向標高，有組織的雨水排放仍具有擬自然的效應，玄武湖碟形洼地的地勢特征對于城市雨水徑流有匯集作用，因此雨水的排放可充分利用豎向條件來組織雨水進入湖體。在雨水管網中，初期雨水污染主要由空氣污染和城市地表污染引起，包括金屬離子、有機質、無機物及固態顆粒等，降雨后期各類污染物濃度降低，可通過雨水系統集中傳輸至處理出口，在紫金山溝、唐家山溝周邊設置凈化濕地，視水質情況可以采取相對應的分層級凈化措施。

通過“藍”與“灰”的有機結合恢復入湖水源，充分發揮灰色系統的擬自然作用，逐步削減對于人工補水、換水、調控水位的過度依賴。管網中的雨水資源得到合理、可持續的儲蓄，亦相當于實現城市范圍內的水資源調控，不僅可以極大改善對地表水的儲納能力，同時也最大限度整合利用既有的灰色系統，共同實現對城市湖泊水體的優化。

4 代償性恢復途徑

4.1 工程措施輔助優化湖泊水環境

在生態智慧的引導下，系統性恢復湖泊的自然水循環過程，基于城市湖泊的現狀采用最小干預原則，在此基礎上進一步運用擬自然的代償性措施作為補充。代償性措施系指在擬自然的基礎上運用工程技術手段，其價值在于補充自然過程及擬自然過程的不足。鑒于湖泊的生態及景觀效益，為確保湖體的水質狀況滿足城市景觀要求，在日常徑流無法滿足湖泊的生態需水量時，可采用灰色系統調配補水、結合適度的跨流域補水等代償性措施。實施代償性的恢復策略需要同時量化水文過程修復的生態效益及工程績效，并建立相應的評價體系，促進城市湖泊逐步重建其良性的水文循環過程。

4.2 湖泊的水生態系統修復

湖泊水環境修復的根本在于重建健康的水生態系統，恢復良性生態過程。沒有穩定的水生態系統，自然水體就失去了抵御干擾、自我恢復的能力，單純依靠人工引水、清淤等工程手段，無法恢復水生態系統。湖泊生態系統由水體理化環境及生物共同構成，因此湖泊的生態修復不僅在于去除水體污染物，而是以恢復水體及水生生物種群為根本目標。通過調節湖泊生物總量、增加底棲生物等方法，重建湖泊生態群落，同時結合恢復湖岸淺灘濕地來增加岸邊帶的生物多樣性，以實現城市湖泊環境的綜合整治。因此，城市湖泊水環境的恢復與研究需要基于流域尺度及全生命周期的時空維度展開。

5 由“標”至“本”：城市湖泊治理的生態智慧

城市湖泊水環境治理的關鍵在于協同城市發展與生態保護的基礎上實現湖泊水環境的健康，需要堅持生態優先的原則，通過系統優化實現湖泊的長治久安。

湖泊水環境治理之方法，不局限于現狀水環境問題的解決，而是基于全生命周期的城市湖泊水環境系統優化。湖泊生態系統的復雜性不僅在水面、亦在水下，不僅在湖面、更在流域，通過疏浚、跨流域調水等工程措施，往往只能治標而無法治本。應以城市湖泊流域、土地、水文關系的變化機制為基礎，實現標本兼治、統調內外。

湖泊水環境恢復應從湖泊可持續發展與韌性恢復出發，源頭上梳理其產生問題的原因與機制，在流域尺度系統地分析湖泊水文過程，恢復自然的秩序與水文機制。基于城市發展建設現狀，通過恢復徑流、流域促滲等方法結合既有的灰色設施共同實現增加地表徑流調蓄空間、降低有組織排水占比。在補充湖泊水源的同時亦恢復流域既有的水文過程，最大限度地讓自然做功，有助于湖泊系統健康的綜合發展，提升湖泊自身的維持與調節潛力。

恢復自然的水文過程與機理是為首選，一味地依賴工程措施，不僅消耗更多的能源、資源、財力，同時也會削弱湖泊生態景觀的抗干擾能力，工程手段應當作為湖泊水環境修復的補償性措施。在生態智慧的引導下，妥善處理工程技術與生態措施，充分利用自然規律的基礎上采用擬自然、人工輔助恢復自然的水文過程是實現并維系城市湖泊水環境生態系統的根本之策。

注：文中圖片均由作者繪制。