表流濕地與活水循環協同提升城市河網水環境品質
——以蘇州獅子山水系為例

丁 瑞 范子武 李 云 謝 忱 蔡秋鵬

（1 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024； 2 水利部太湖流域水治理重點實驗室，江蘇 南京 210024）

長三角城市地勢低平、河網密布、河流水動力弱。受城市化進程的影響，面臨水環境品質不高、水生態惡化趨勢加劇等生態環境問題，極大地制約了區域經濟社會可持續發展與創造幸福美好生活的愿景。十三五期間經過水污染防治，水環境治理取得顯著成效，流域性與區域性河網水質逐漸提升，但水質不穩定，水體感觀差、水環境品質相對較差，水體透明度基本維持在30 ～50 cm，與百姓期望的高品質水環境仍有差距。隨著長三角生態綠色一體化發展上升為國家戰略，對水環境品質提出更高要求。在長三角平原河網區現狀水動力弱、水體渾濁度高的天然條件下，如何提升城市河網水環境品質，成為亟待解決的技術難題。

表流濕地作為城市河網生態修復的主要手段（李鑫斐等, 2020），廣泛應用于河湖水環境提升，在降解污染物（范遠紅等, 2016）、提高水體透明度（曹昀等, 2009）、提升水體自凈能力（許銘宇等,2021）等方面發揮著重要作用。表流濕地生態系統可以通過物理、化學和生物三者綜合作用實現對水體中營養鹽、重金屬等污染物的有效凈化（蘇文輝等,2015）。目前對表流濕地的研究與應用主要集中在污水處理廠尾水凈化（黃俊等, 2023）、湖泊生態修復（Liu et al., 2008）、封閉河道生態修復（谷勇峰等, 2013），主要的水域基本為靜止水體或流動性較弱的水體，對不同沉水植物的凈化效率也做了響應研究（王耀輝等, 2022）。部分學者也開展了在流動水體條件下表流濕地的研究與應用（陳慶江等, 2020）。

本文以蘇州市高新區獅子山水系為研究對象，根據區域水系格局特點，以水動力調控為基礎，提出了表流濕地與活水循環協同提升城市河網水環境的解決方案，為平原河網城市水生態修復提供理論與技術參考。

1 研究區概況

蘇州獅子山水系位于蘇州高新區中心城區獅山片區，區域范圍內主要為獅山文化廣場，規劃建設為科技館（工業展覽館）、博物館、藝術劇院等公共服務項目融入在內的開放性山水公園的文化廣場，與金雞湖沿蘇州東西發展城市軸線遙相呼應，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。

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，長度約1 100 m，河道寬度16 ～23 m，水域面積約2.15 萬m2；北褲子浜自獅山河至長江路段，長度約950 m，河道寬度15 ～22 m，水域面積約1.73 萬m2；河道水深約1.2 ～3.0 m，常水位3.2 m。天獅湖規劃水面面積10.60 萬m2，并建設配套的水體與生態景觀。獅山河北側有1 座獅山河泵閘，具備雙向引排功能，泵站排水能力4 m3/s，獅山河南側與北褲子浜東側自然敞開，與外部河網連通。

圖1 獅子山河網水系Fig.1 Lion mountain river network

獅山河與北褲子浜水質基本處于Ⅲ～Ⅳ類，水質相對好，河道現狀透明度較低，約30 ～40 cm?，F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惡化。河道水面漂浮水葫蘆（Eichhornia crassipes），沿岸兩側分布較多纖維浮床，浮床表面種植挺水植物，景觀較差，未發現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、生態石籠與疊石等駁岸型式。

根據獅山文化廣場高標準定位，獅子山水系需要高標準提升區域水生態環境，主要水質指標達Ⅲ類，透明度達1.2 m 以上；構建穩定的水生態系統，具有相應的污染負荷削減能力，形成穩定的清水型生態系統；增強生態系統自凈能力。獅子山水系目前與外河水系直接連通，區域水質受外圍水質影響較大，外圍水質目前普遍無法穩定達到Ⅲ類水質標準，水體透明度普遍為30 ～40 cm，無法達到區域水質為Ⅲ類、透明度為1.2 m 的高品質水環境目標，需要形成可調控的水域范圍。此外，區域動植物品種較少，生態食物鏈網缺失，水生態系統缺失，景觀體驗感較差，需要開展水生態修復提升水體自凈能力。

2 水動力調控

2.1 水動力調控方案

以天獅湖為中心，建設表流濕地涵養凈化水體，建設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-獅山河的水體循環流動體系（圖2）。通過天獅湖、獅山河、北褲子浜表流濕地建設，構建清水型生態系統。水體循環應兼顧內部水體循環與外部水體交換，通過獅山河泵閘、獅山河堰、北褲子浜堰的聯合調度，使80%的水體流量內部循環，20%的流量通過獅山河堰、北褲子浜堰向東、向南溢流，惠及周邊河網。

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

天獅湖泵站規模應考慮日常河湖水體交換，以及遭遇降雨河道水質受沖擊后快速恢復。天獅湖地勢高，匯水區基本為獅子山，沒有雨水排口入河，區域水質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，可促進河道與湖泊的水體循環，盡快恢復水質與水體透明度。設置天獅湖泵站流量為0.25 m3/s，可保障河道與湖泊5 ～8 d 循環一次，通過表流濕地凈化作用，可盡快恢復天獅湖水質與水體透明度。

2.2 水動力調控裝備

需要在獅山河南側、北褲子浜東側布設兩座溢流堰，起到調控水體、重構水動力的作用。溢流堰在城市水環境提升中得到了廣泛應用（柳楊等,2019），目前溢流堰多采用鋼壩閘等型式，結構復雜、施工周期長、造價高。在平原河網城市水環境提升中，堰上下游水頭差較小，對溢流堰的設計強度要求低，因此，采用新型裝配式景觀溢流堰（圖3）（范子武等, 2018），在工廠預制溢流堰箱體，運輸到現場吊裝到河道中，在溢流堰箱體與河道護岸之間布置雙排鋼板樁，現場施工安裝周期大幅縮減。溢流堰采用翻板門可調節的型式，快速實現水位自由調節，滿足汛期防洪排澇與活水配水調度需求。

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點：1）標準式加工，在工廠預制，標準化加工，簡單快捷；2）裝配式施工，工廠加工完成后，運輸到河道現場，吊裝安裝，施工周期由傳統溢流堰的4 ～6 個月縮短為2 d，無需河道干涸施工，無需修筑圍堰與設備基礎，對河道擾動少；3）造價大幅降低，僅為傳統常規溢流堰的20%；4）可升降調節，底板可放到河底；5）景觀效果好，以堰體結構和水動力特性為基礎，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口博覽會、寧波東部新城等區域水環境提升中得到了應用。

2.3 對防汛的影響

構建高新區一維河網水文—水動力模型，分析裝配堰的建設對區域除澇的影響。采用有限差分法求解一維河網水動力學模型，采用Preissman 四點隱格式對圣維南方程組進行離散。一維河網的洪水運動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—水位關系等（陳鳴等,2010），公式如下：

式中：x、t分別為河道縱向坐標及時間；n為糙率系數；Q、Z分別為斷面流量及水位；q為單位河長的旁側入流量；A為過水斷面面積；u、R分別為過水斷面平均流速及水力半徑；g為重力加速度。

模型構建范圍以水利分區為界，擴展至江南運河以西，太湖以東，計算總面積約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。模型創建斷面3 124 個，河段1 324 條，閘泵358 座，工程調度按實際運行設置（圖4）。

圖4 蘇州高新區河網模型Fig.4 River network model of Suzhou New District

河道糙率值主要根據《水力學手冊》《太湖流域防洪規劃》《河道整治規劃設計規范》等有關人工渠道以及天然河道的經驗值，模型糙率初始值取0.025，模型計算時根據實測數據的率定，京杭大運河蘇州段的糙率取值0.019 ～0.020，區域河道糙率取值0.022，城區河道糙率取值0.024，城區河道綜合糙率最大取值0.044。

依據2009 年太湖流域楓橋、望亭（大）、蘇州、瓜涇口和西山水文站實測日平均水位過程資料系列，楓橋、瓜涇口和西山3 個雨量站實測日平均雨量過程資料系列，并結合區域閘泵工程的調度運用規則，對構建模型進行精度驗證。楓橋站水位實測與計算對比如圖5 所示，計算水位和實測水位的變化趨勢相似，水位最大誤差能控制在5 cm 內，能夠滿足模型計算要求。

圖5 楓橋站模型驗證水位過程Fig.5 Fengqiao water level veritify of river network model

圖6 獅子山水系水位過程對比Fig.6 water level process of Lion mountain river network

采用20 a 一遇設計降雨，設置建堰與不建堰2個計算工況，分析兩座裝配式溢流堰建設對獅子山水系除澇的影響。計算結果表明，獅山河堰與北褲子浜堰的建設對獅子山水系防汛除澇沒有影響，獅子山水系最高水位上漲小于1 cm。

3 表流濕地系統的構建

水生態修復方案由生境營造凈化系統、排口攔截凈化系統、沉水植物凈化系統、濱水廊道凈化系統、水生動物調控系統5 部分構成。

3.1 河床底質改良

沉水植物的種植需要一定的底泥基質，河底底泥通常分布不均，需要在沉水植物種植區進行找平處理，便于后續沉水植物的種植。底泥中一定包含了各種藻類的孢子等，在水體透明度提升而沉水植物凈化系統未形成之前，容易引起藻類增殖，必須進行底質改良和消毒處理，同時降低有害物質含量。增加土壤中水生動植物生長發育所需要的常量元素和微量元素，改變惡臭底質，提高河底氧化性、除害殺菌、施肥以及改善底質。對實施范圍內河底區包括沿岸的土壤進行底質改良，采用復合微生物緩釋劑，調整底泥生態系統菌群，改善底泥環境，為水生植物恢復提供基礎條件；通過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

排口攔截凈化系統主要包括過濾系統、生態填料、水生植物與曝氣系統，通過濾料吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用，對雨水中懸浮物進行截留，對污水進行凈化，降低水體中的氮、磷含量，起到初步凈化的效果。排口攔截可對進入河道的雨水起到緩沖作用，促進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，并對排口進行遮擋，形成濱水廊道生態景觀。根據現狀排口尺寸特點，共設置11 處雨水排口攔截凈化系統。

3.3 沉水植物凈化

沉水植物是指植株全部或大部分沉沒于水下的植物，是水體生物多樣性賴以維持的基礎，沉水植物的恢復是水生態修復的關鍵，其所產生的環境效應是生態系統穩定和水環境質量改善的重要依據。沉水植物可促進泥沙沉降，防止水底泥沙再懸??；能夠高效地吸收氮磷等營養物質，抑制底泥氮磷釋放，促進氮的硝化/反硝化作用及磷的沉降；沉水植物能夠產生大量的原生氧，可長久保持水體高溶氧狀態；沉水植物為浮游動物提供避難所，增強生態系統對浮游植物的控制和系統自凈能力。沉水植被是健康水生態系統的重要組成部分，沉水植被恢復不僅表征著退化水生態系統的恢復，而且具有穩定恢復的效果。

沉水植物群落設計除考慮凈化效率外，還需考慮其季節性演替性規律，充分考慮種間競爭對植物生長及水質凈化的影響。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）等適應性強且水體凈化能力強的植物。沉水植物覆蓋水力調控范圍內所有河道與湖泊，包括天獅湖、獅山河與北褲子浜，水域總面積14.48 萬m2。

3.4 濱水廊道構建

在廣場、棧橋、廊橋等兩側及重點水質提升區域，選擇適宜當地生長的鳶尾（Iris tectorum）、黃菖蒲（Iris pseudacorus）、梭魚草（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、植株高度等元素精細化的設計水中花境，形成“水面+駁岸+陸域”三維一體的縱向立體景觀。在硬質駁岸0.5 m 以內的淺水水域種植濱水植物，其中，在0.3 m 以內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 水生動物調控

水生動物是水體中重要的消費者，是河道生態系統食物鏈的重要環境，通過放養一定種類和數量的水生動物，可提高水生生態系統的穩定性。投放以肉食性魚類為主，通過兇猛性魚類控制雜食性魚類及濾食性魚類，減少浮游生物食性魚類對浮游動物的捕食，以利于浮游動物種群（特別是枝角類）增長，總計投放720 條，10 條/667 m2。

為有效防止水體的水體富營養化，投放環棱螺（Sinotaia）、河蚌（Unionidae）等底棲動物，環棱螺和河蚌投放量分別為1 080 kg 和1 296 kg，完善了人工生態系統的食物鏈和食物網結構，改善土壤環境，穩定生態系統平衡，實現水體生物多樣性。濾藻蟲（Daphnia）是水體天然存在的一種水生動物，以藻類與有機碎屑為食，適應低溫，濾藻能力強，抑制藻類生長繁殖，有效提高透明度，總計投放1 440 L，體長3 ～6 mm，密度1 000 個/L。

4 結論

1）在蘇州河網區利用原有工程，新建泵站與堰，重塑區域水動力格局，以天獅湖為中心，形成水體循環流動格局，通過閘泵堰工程群聯合調度，可精準調控表流濕地系統與外部河網的水體交換量，協同提升河網水環境品質，且溢流部分清水惠及到周邊河網。

2）蘇州獅子山水系采用新型裝配式景觀溢流堰和河網水動力模型計算，論證裝配式溢流堰的建設對獅子山水系防汛除澇沒有影響。

3）在水動力調控范圍內建設天獅湖、獅山河、北褲子浜表流濕地，通過河床底質改良、雨水排口攔截、沉水植物凈化、濱水廊道構建、水生動物調控，構建清水型生態系統，與水動力調控相結合，提升水體溶解氧、形成適宜多樣生物生存的水力條件，協同提升濕地涵養凈化能力。