环灵峰山旅游度假区人工湖水量平衡分析

孙 晨，陈金杭，苏 晨，王 琴，张小岳

(1.南京瑞迪建设科技有限公司，南京 210098；2.河海大学设计研究院有限公司，南京 210098；3.宝应县水务局，江苏 扬州 225800)

人工湖作为城市滨水空间的重要组成部分，为城市提供更为稳定、舒适、可持续的发展条件[1]。城市景观水体作为城市景观中的重要组成部分，对改善水体周边生态环境发挥了直接或间接的作用[2]。水量平衡计算是人工湖水量保障的基础[3-5]，对区域蓄洪泄洪、生态维护也具有重要意义。本文以环灵峰山旅游度假区人工湖为例，对新规划建设的人工湖进行水量平衡分析。

1 研究区概况

环灵峰山旅游度假区位于浙江省安吉县中心城区，规划面积52 km2。该度假区是以竹文化和美丽乡村为主题，集精品度假酒店、会议中心、温泉基地、生态住宅为一体的度假示范区。为使各度假项目围湖而建、游客住户逐水而居，规划在度假区中心开挖景观湖。度假区夹于西南两侧山地之间，地势较低，台汛期雨水下泄形成山洪，由西南向东北贯穿整个度假区，曾是该区域山洪下泄必经的通道。若不合理规划，则该项目区或将遭遇严重洪水威胁。因此，该人工湖是结合地形改造设计的景观水体，既承担着蓄洪防洪功能，同时也解决了雨水的调蓄、局部小气候的调节、地下涵养的补充等众多环境舒适度的技术问题，还兼有景观河道的观赏和生态功能，建成后将成为一个防汛抗涝、人文生态的标志性景观。

规划人工湖总体呈东南-西北向不规则狭长分布，湖岸总长约11.67 km，湖区总面积10.24×104m2，见图1。设计景观水位(常水位)30.00 m，平均水深1.81 m，对应库容约18.51×104m3。

图1 人工湖总体布置图

人工湖水量设计主要目的包括3个方面：①水安全：合理确定行洪主要通道，保证行洪安全，减少行洪对湖区水环境水安全的影响；②水资源：维持一定的水位及水面率，满足整体景观的需要，实现雨洪资源化利用；③水生态、水景观：通过构建良好的水生态系统，长期净化和维持水质，营造良好水质条件，提升水景观品质，更好地满足景观要求。

2 数据与模型

根据人工湖周边规划和现实情况，湖体水量汇入包括湖面降雨量、度假区环湖绿地雨水径流，水量支出包括湖面蒸发、湖水溢流、地下渗漏。

2.1 数 据

地形数据采用实测的1/1 000地形图。

气象数据采用安吉县城市气象站和递铺雨量站2003-2017年数据，其中降雨数据采用2003-2017年共15年递铺雨量站的日雨量资料，多年平均降水量见表1；风速、相对湿度、温度、水汽压采用安吉县城市气象站资料。杨萍等对湖泊风速进行了研究[6]，湖内平均风速比陆地大2～3 m/s左右，湖内静风率比湖外约少一半以上，因此湖面风速采用安吉县城市气象站风速加3的处理方法。

表1 工程区降水量统计表 /mm

2.2 模型建立

人工湖水量平衡是指湖中水量变化的总过程，可由下式表示：

P+W入=E+W出+U渗±ΔV

(1)

式中:P为时段内湖面上的降雨量，m3；W入为时段内进入湖泊的雨水径流,m3；E为时段内湖面的蒸发量,m3；W出为时段内流出湖泊的水量，m3；U渗为时段内湖泊的渗漏量，m3；ΔV为时段始末湖区水量的变化量，m3，当时段末水量多于时段初，ΔV为正值，反之为负值。

远赴俄罗斯联邦卡尔梅克共和国，追寻土尔扈特汗国的历史踪迹，是马大正多年的宿愿，自上世纪80年代萌发，至今已有近40年的岁月。马大正在记述自己寻访土尔扈特人历史的游记《天山问穹庐》中曾发出如下感叹：

2.2.1 湖面降雨量

湖面降雨量为多年平均降雨量与湖面面积的乘积，计算公式为：

P=PS×A/1 000

(2)

式中：PS为时段内多年平均降雨量，mm；A为人工湖湖面面积，m2。

2.2.2 入湖水量

入湖水量主要为进入人工湖的地表径流，采用径流系数法计算径流量，公式如下：

W入=A′φαβPS/1 000

(3)

式中：A′为汇水区域面积，m2；φ为汇水区域内平均径流系数；α为季节折减系数，取0.85；β为初期雨水弃流或者下渗系数；PS为时段内多年平均降雨量，mm。

2.2.3 湖面蒸发

李万义对适用于全国范围的水面蒸发量计算模型进行了研究，可通过测定水面和其上空某一高度的水汽压, 以及风速和湿度来计算水面蒸发量。湖面蒸发计算公式如下：

E=Ea×A

(4)

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

(5)

式中:E为人工湖的蒸发量，mm/d；Ea为单位面积的蒸发量，mm/d；A为人工湖面积，m2；U为相对湿度，以小数计；e0、e150分别为水面和水面以上150 cm处空气中的水汽压，hPa；W为水面以上150 cm处的风速，m/s。

2.2.4 湖底渗漏量

U渗=KDAs

(6)

式中：K为渗透系数，m/s；D为时间，s；As为湖底面积，m2。

3 环灵峰山旅游度假区人工湖水量平衡分析

3.1 湖面降水量

依据降雨资料推算，该区域平均年降水量为1 387.0 mm，最大年降水量为1 641.3(2009年)，最小年降水量1 040.2 mm(2003年)，降水在年内多集中在主汛期(6-8月份)，占全年的42.8%，其他月份相对较枯。平水年湖面年均降水量为14.203×104m3，枯水年为10.652×104m3。

3.2 入湖水量

人工湖入湖水量即为度假区环湖绿地雨水径流量。项目区内周边汇流面积约58.11 hm2，主要是住宅和旅游用地，地表综合径流系数=多年平均径流深/多年平均降水深[5]=694.4/1 387=0.50，平水年入湖水量为34.31×104m3，枯水年为25.73×104m3。

3.3 湖面蒸发量

平水年、枯水年、丰水年的湖面面积没有变化，相对湿度、水汽压、风速等参数亦变化不大。因此，采用湖区多年平均气象数据进行湖面蒸发量计算，计算结果为9.617×104m3。

3.4 湖底渗漏量

根据区域地勘资料，该区大部分区域表层土质为粉质黏土，层顶埋深0.4～2.10 m，渗透系数较小，约为3×10-7cm/s，为弱透水层；部分区域粉质黏土层较薄，主要为砾砂和圆砾层，层顶埋深1.10～7.30 m，渗透系数为3.4×10-3cm/s，属于中强透水层。湖底防渗设计方案采用黏土铺盖的防渗方案[7]，即湖底整体渗透系数为3×10-7cm/s。计算得到年下渗水量U渗=0.97×104m3。

3.5 水量平衡分析

为保障环灵峰山旅游度假区人工湖的景观效果，根据人工湖调洪计算，在景观常水位时，人工湖可蓄水量为18.51×104m3，超出水位则溢流出湖。因此，理想状态下的湖区水量变化应控制为零，即出入湖水量与人工湖水量损失保持平衡。人工湖平水年、枯水年水量平衡见表2。

表2 人工湖平水年水量平衡表

通过水量平衡分析可知，在平水年水量变化ΔV为零，说明人工湖汇水范围内的降水完全被人工湖蓄积的情况下，人工湖总自然补给水量大于损耗水量；枯水年的10、11、12月这3个月份的出湖水量为零，说明这3个月份人工湖补给水量不足；当月人工湖水量变化为负，说明湖泊水位低于设计景观水位30.00 m，该时段需对湖泊进行补水，补水量为当月人工湖水量变化值，即1.065×104、0.23×104和0.044×104m3。

续表2

4 补换水设计

由上述水量平衡计算可得，人工湖补水量为1.065×104m3，24 h完成补水，则设计补水流量约为0.2 m3/s。同时，建成区的地表初期雨水携带一定量的污染物进入人工湖，会对水质造成不利影响。据相关研究资料表明，建成区地面初期雨水的污染负荷甚至超过了生活污水[8]，当雨水携带的污染负荷超出人工湖的环境容量时，湖水水质将会恶化。因此需同时考虑枯水季节补水和水质维护性换水，人工湖设计循环周期30 d，按每7天更换湖内水量的一半进行引水，日循环流量约为0.15 m3/s。从节水、可操作性和经济可行性考虑，以项目区东侧的水口渠引水口渠道引浒溪河水作为水源补给人工湖，其水质为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)III类水质，满足景观水水质要求，可直接进行补水。

5 结 论

水量平衡计算是人工湖水量、水质保障的基础。本文以安吉环灵峰山旅游度假区人工湖为例，综合考虑湖面降雨、入湖水量、湖面蒸发量、湖底渗漏量等多个因素，进行了水量平衡计算、补换水周期及流量计算，介绍了新开挖人工湖湖底防渗措施、雨水资源化利用、换水周期计算以及补水水源选，以期为类似城市人工景观湖设计提供参考和借鉴。