城市人工湖泊工程設計探討
——以東方云湖工程為例

唐孟煊

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

良好的生態環境是最公平的公共產品，是最普惠的民生福祉。2015年10月，在黨的十八屆五中全會上，“美麗中國”被納入“十三五”規劃。黨的十八大報告中首次提出了“建設美麗中國”“實現中華民族永續發展”的全新概念，并將生態文明建設放在了突出地位，尤其強調了在經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設中生態文明建設的融入，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、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。隨著經濟社會的發展，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[1]。東方云湖位于常州市經開區核心區，工程場地周邊分布生態公園及遺址。常州市經開區圍繞建設“一軸繞湖，多區環抱”的景觀生態目標，在其核心區智慧城市綠軸與特色商業水軸交匯處實施了一座庫容168 000 m3的城市人工湖泊工程——東方云湖工程。

1 項目背景

東方云湖位于常州市經開區核心區，所在區域呈現城郊風貌，用地混雜，以大片農田和廠房為主，居住環境較差，基礎設施配套落后；區域內現存較多農田，現狀河流水系未貫通，親水性不足，整體生態性好但缺少景觀性。為了讓城市與自然和諧相處，讓居民看得見水、記得住鄉愁，實現該區域“以城市綠色空間為基底，打造綠色活力走廊，以濱水活力區引爆區域產業智慧升級”的目標，項目依據區域的地形地貌、資源稟賦、交通區位等因素，科學合理地確定了該區域“一軸繞湖，多區環抱”的規劃結構。東方云湖的建設是完善該結構中“湖”的功能。

2 工程設計

東方云湖位于江蘇省常州市經開區智慧城市綠軸與特色商業水軸交匯處，北側為東方二路、南側為東方三路、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，湖水庫容約168 000 m3。由于東方云湖位于常州市經開區核心區域，是重點打造的工程，結合上位規劃要求，湖體設計水質定為《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類（以下簡稱“地表Ⅲ類”）。

2.1 設計條件

本工程場地周邊分布生態公園及遺址，區位優勢明顯。四周以城市次干道為主，臨近革新河景觀帶。湖體周邊以商業用地和住宅用地為主，科創綠軸兩側為創新辦公集群，周邊設有文化活如表1所示，為工程實施前對周邊4條河道搜集到的水質數據。由表1可知，賽馬河除CODMn指標超“地表Ⅲ類”的水質標準（目標水質）外，氨氮、TP指標相對較好。根據規劃，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，賽馬河在城市管理中將定期開展清淤工作，從而有效去除內源污染。通過外源、內源的控制，河道水質將進一步得到提升，賽馬河的近期目標水質需達到“地表Ⅲ類”。根據經開區對賽馬河水質的規劃目標，考慮經濟性，本工程將賽馬河定為湖體補水水源；同時，為保障水體的流動性，考慮就近排動中心、超高層總部辦公區、商業街等。區域將建設成為以創新產業和商業為主的城市核心區，實現多樣化的城市功能。隨著未來城市的發展，周邊將主要集聚商務休閑人士、社區居民和外來游客三類人群。

表1 河道水質情況 單位：mg/L

如圖1 所示，為湖體區位及周邊水系分布圖。臨近該湖體的區域內有4 條河道，其中：丁塘港河與賽馬河通過陸豐浜排澇站連接；常豐河和革新河通過常青閘站連接；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，為湖體豎向設計圖。圖2 顯示，湖體地塊四周路面交叉口標高在5.00 m 以上。上述水系標高及湖體周邊標高是制約取水方式及湖面標高的主要因素。放，將革新河設計為云湖水體排放的受納水體。

圖2 湖體豎向設計圖

2.2 設計方案

2.2.1 總體布局

由圖2可知，工程周邊路網標高在5.00~6.20 m之間，湖體水面標高需考慮與周圍地塊的標高銜接及打造景觀效果，因此，將其水面標高設計為4.00 m。湖體水深設計著重考慮沿岸的行人安全和湖泊的生態平衡，根據水體深度和藻類的生長規律，當湖體深度≥2.00 m時，水體自凈能力較強，水質較好；因此，湖體水深設計為1.50~2.50 m，河底標高為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高（1.60 m）低于湖體水面標高（4.00 m）；因此，湖體通過賽馬河補水需經泵站提升，且取水管管頂標高需低于賽馬河常水位。為保障湖體的流動性，另需設計與革新河的連接通道。項目水面面積約為84 000 m2，綠地、鋪裝及建筑面積為86 000 m2。設計湖體放空及雨水排放連通管管徑為d1650 排水管，同時，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高，本工程在d1650 管前端設置“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 取水泵站規模確定

水量平衡是城市人工湖設計的基礎，其結果影響著人工湖的運行方式。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、補水量；輸出水量有全年水系蒸發量、綠化澆灑用水量、滲漏水量。滲透水量與防滲技術密切相關，防滲技術有自然防滲和土工膜防滲兩種：自然防滲采用滲透系數較小的土壤對湖底原狀土進行換填碾壓，形成自然防滲層；土工膜防滲就是在湖底鋪設由塑料薄膜和無紡布復合而成的具有低滲透系數的土工防滲材料。土工膜防滲性能雖好，但天然湖底防滲方法顯然比鋪設防滲膜更符合生態要求[3]。綜上，工程考慮投資情況及生態效果，選取自然防滲的形式。

常州市位于江蘇省南部，北靠長江，南臨太湖，瀕臨東海，屬于北亞熱帶季風氣候。地區常年氣候溫和，雨量充沛，年降雨量大于年蒸發量，尤其在每年六七月份雨水量大于損失量，無需補水。全年需補水的月份為10 個月，補水量為44 125 m3，月均補水量為4 400 m3。其中：3 月份補水量最少，為1 883 m3；10 月份補水量最大，為5 600 m3；其他月份補水量較為穩定，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。取水泵站規模除考慮日常補水外，還需考慮初次注水及應急注水時間。如表3 所示，為方案比選表。由表3可見：方案一投資低，但補水時間過長；方案三補水時間短，但投資較高；方案二換水時間為14 d，小于天然河道的換水時間（16 d），且投資較低。故本工程取水泵站規模采用方案二（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，結構形式為鋼筋混凝土。泵站內設進水井、泵室、閘閥井，進水井與泵室之間設置閘門，關閉閘門可對泵室內設備進行檢修。如圖6 所示，為閘門井工藝設計圖。泵室內設兩臺潛水泵（Q=250 m3/h，H=8.0 m，參考功率為18.5 kW），并設有插入式液位計等設備，泵站進水管采用DN1000 鋼管，出水壓力管為DN500；考慮取水安全，管底標高0.05 m，管頂標高1.05 m。

圖4 取水泵站平面圖

圖5 取水泵站剖面圖

圖6 閘門井工藝設計圖

3 后期運行控制方式

本工程具備自動控制及人工控制的雙重能力，自動控制通過PLC實現[4]，即在湖體內設置液位計，其通過線路傳遞至控制中心系統與水泵系統連通，將湖體液位信息轉換為水泵啟閉的控制命令。

3.1 初次補水

初次補水時需要人工啟動取水泵站，由兩臺水泵同時運行，當湖體水位達到4.00 m時，通過自動控制系統停泵。初次補水水量約為168 000 m3， 取水泵運行約14 d后可完成補水。

3.2 平時補水

當湖體水位降至3.95 m時，低水位報警，啟動一臺水泵補水，以防止湖面變小而影響景觀；當湖體水位升至4.00 m后停泵，防止湖體水體溢流造成水資源浪費。補水水量約為4 200 m3，一臺取水泵運行約17 h，兩臺水泵可通過自控系統交替運行。

3.3 應急補換水

日常運行過程中應加強第三方監測。根據水質情況，放空部分湖水，補換水時將湖水水位由4.00 m 降至3.00 m，排掉湖水容積76 527 m3（約占42%的湖水），排水時間約7.50 h；然后啟動水泵，由兩臺水泵交替運行，應急補水12.75 d，排水與補水共計13.06 d。

3.4 調蓄與疏浚

雨季時，根據氣象數據，提前將湖體水位調整至3.90 m，即雨水調蓄水深為0.10 m，此操作將調整出約8 400 m3調蓄量。雨天，當湖體溢流水位為4.03 m 時，啟閉機動作開啟閘門；當水位為3.90 m時，啟閉機動作關閉閘門。疏浚放空時，當湖體水位為4.00 m 時，在革新河下游的陳儲河閘站共同配合下，啟閉機開啟閘門疏浚排空，需要約42.2 h排空湖體。

4 生態系統構建

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。水生植物的恢復與重建在淡水生態系統的穩態轉化（從濁水到清水）中具有重要作用，是水生態修復的重要一環[5]。水生植物的作用主要體現在以下三個方面：一是直接汲取污水中可吸收的營養物質，將重金屬和一些有毒有害物質吸附和富集于體內；二是通過光合作用將氧氣輸送至根區，以供好氧微生物吸收；三是為介質的水力傳輸提供動力[6]。本工程在湖體內種植了千屈菜、鳶尾、黃菖蒲、美人蕉、旱傘草等水生植物，不僅便于光合產氧、吸收水體氮磷，而且也營造了和諧美觀的景觀效果。

4.2 水生動物

本工程在湖體中投放了螺螄、蚌等軟體動物，同時，還投放了濾食性的魚類，以提高湖體的生態位。蚌具有濾食生活習性，它能夠將水中懸浮的藻類及有機碎屑濾食，從而提高湖水的透明度；螺螄主要攝食固著的藻類，通過分泌促絮凝的物質，使湖水中的懸浮物質絮凝，使水變清澈；濾食性的魚類通過濾食浮游動植物及藻類腐屑，降低了富營養化的概率。

5 工程思考

（1）該項目前期考慮投資及生態影響，湖體按自然防滲設計，補水量最大為每月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，防滲膜的滲透系數在1×10-13～1×10-11cm/s，則滲漏水量可忽略不計，補水量最大為每月1 100 m3，運行成本降低。項目前期投資充裕，在綜合生態因素后，后續可考慮采用防滲膜的防滲工藝。

（2）湖體日常流動性相對較差，運行時需加強水質監測。項目運行中應總結規律，制定湖體更新計劃表，以確保湖體“地表Ⅲ類”的水體要求。