山水林田湖草理念在生态工程设计的应用

胡春明，王书芬，郑军彦，尤 立，郑亚凯

(1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085； 2. 北京土人城市规划设计股份有限公司，北京 100083)

引 言

党的十八大以来，习近平总书记从生态文明建设整体视野提出“山水林田湖草是生命共同体”理念。该理念将山、水、林、田、湖、草等生态系统视为有机整体，各生态系统有机关联、互为影响、不可分割，同时与人共存、共生、共荣，继而统一保护、统一修复[1]。生态保护与修复的根本目标在于维护和增强生态系统服务、维持生态系统较高的稳定性、保障生态产品和服务的可持续供给，提升生态系统服务因而被视为贯彻生命共同体理念的重要途径[2-3]。

城市是一个复合生态系统，包括社会生态、经济生态和自然生态3个层次，生态系统服务具有明显的人为主导性和社会经济属性[4-5]。在我国水资源短缺大背景下，再生水普遍作为城市景观水体补给水源回用，并依靠生态工程技术加以水质深度净化[6-7]，且通常与城市景观设计相结合[8-9]。但与城市景观设计相结合的生态工程往往存在两方面不足，一是追求景观效果而忽略生态服务功能，二是追求水质净化效果而缺乏系统性思量，综合导致工程与城市周边环境融入不足。本研究以邯郸市园博园清渠如许景点为案例，探讨山水林田湖草生命共同体理念在生态工程设计中的应用，以期为城市再生水回用及水质深度净化提供新思路。

1 山水林田湖草生命共同体理念及应用探讨

1.1 理念内涵

2013年11月在党的十八届三中全会上，习近平总书记指出：“山水林田湖是一个生命共同体，人的命脉在田，田的命脉在水，水的命脉在山，山的命脉在土，土的命脉在树。”。2017年8月，中央全面深化改革领导小组第三十七次会议又将“草”纳入山水林田湖生命共同体。山水林田湖草生命共同体理念提出后，围绕其内涵、理论基础、应用技术体系等方面的研究相继展开。理念以生态学理论为支撑，诠释各生态系统之间耦合机制[10]，技术体系上包括生态保护、生态恢复、生态修复、生态重建、生态系统服务功能提升等[11]。

生态系统服务被认为是生态共同体理念的内涵之一，体现了人类直接或间接从生态系统得到的惠益，既包括客观产品，也包括享受的服务[12]。生态系统服务大体可划分为供给服务、调节服务、文化服务以及支持服务四大类[13]：供给服务指生态系统直接提供食物、木材等产品的服务；调节服务指从生态系统过程所得到的气候调节、水质净化等惠益；文化服务指从生态系统获取的娱乐、审美等非物质性惠益；支持服务指生态系统因提供其他服务而必需的基础服务，如光合作用、养分循环等。

1.2 应用探讨

从生态学角度，山水林田湖草相互之间存在一定差异：林、田、湖、草为单一生态系统，具有生态服务功能；山、水则为支撑生态系统的要素，是林田湖草的载体及命脉。从景观学角度，山、水是景观的基底，林、田、湖、草则是镶嵌于基底之上的景观单元。林、田、湖、草生态系统在自然环境中发挥着各自的服务功能(表1)，但处于城市复合生态系统时，人类对林、田、湖、草生态系统的服务功能需求发生转变，从专注“生态”转为“人”与“生态”相互协调，对生态系统的社会服务功能需求更高[17]。

表1 林田湖草生态系统服务功能Tab.1 Ecosystem services of forests, fields, lakes and grasses

生命共同体理念在生态工程设计中可从两个层级实现：首先是“形”，将山、水、林、田、湖、草以景观形式展现；其次为“神”，需将各景观单元有机融合以实现有效的生态服务功能。在设计中“形神兼备”地贯彻生命共同体理念，基础在于“山”“水”形态的构建，重点在于生态系统的景观呈现，核心则是如何将林、田、湖、草有机融合于既定的生态系统服务目标。

2 实践案例—邯郸市园博园清渠如许景点

2020年河北省第四届园林博览会由邯郸市复兴区承办，会址位于邯郸城区西侧，场地历史为工业发展用地，地形地貌及生态环境等基础条件极差。场地现状需解决的核心问题包括两方面：一是场地现有大量矿渣及建筑垃圾；二是整个园区水资源量不足，需引城市再生水作为补给水源，但再生水污染物浓度较高。构建景点“清渠如许”以解决上述问题：将场地现有矿渣、建筑垃圾及园区施工弃方集中堆放；将景点作为城市再生水净化及水资源调度环节，深度净化再生水中的污染物，保障园区后续景观用水的水质。

园林博览会于2020年9月16日开幕，总占地面积约283万m2，其中水系面积约60万m2、绿化面积约220万m2、建筑总面积约5.5万m2，包括核心文化游览区、生态湿地保护区、生态修复实践区、地域特色展示区、钢城农趣服务区、齐村民俗体验区和涧沟农旅文化区等7大功能区和13个市园。“清渠如许”景点总面积约9万m2，于9月初开始净化再生水。

2.1 理念应用

根据场地现状条件及项目目标，区域亟需形成的生态系统服务为水质净化及景观服务，同时兼顾保育土壤、科研教育。以山水林田湖草生命共同体理念为指导，在清渠如许设计中贯彻实现上述生态系统服务功能，技术路线如图1。

图1 山水林田湖草生命共同体理念落实路线图Fig.1 Technology roadmap of applying mountains-rivers-forests-fields-lakes-grasses

“山”与“水”的设计。“山”是景观基底以及林、田、湖、草的载体；“水”是景观纽带以及林、田、湖、草的命脉；以山、水诠释景点主题，营造远景景观。基于土石方平衡核算，将园博园的废渣及弃土堆砌、压实形成面积9万m2，高14m的“山”体，为林田湖草提供构建空间。根据园区场地基础条件选址于水库南岸，依托周边的库区水面以及景点内的“田”、“湖”等景观单元，共同烘托“半亩方塘一鉴开，天光云影共徘徊”的观感。泵站将水源提升至山体顶部再依地势流至底部，“水”为林田湖草提供水源及营养盐，而林田湖草深度净化中水中的污染物，彰显“问渠那得清如许，为有源头活水来”的内涵。

“田”与“湖”的设计。针对补给水源污染物浓度依然较高的问题，依托山势构建净化单元，使清渠如许具备水质净化服务功能：以水平潜流湿地技术构建“梯田”，以塘、水平表流湿地、垂直表流湿地技术构建“湖”。

“林”与“草”的设计。清渠如许景点范围内，除道路、广场等硬化地面外的其他区域均构建“林”及“草”。土壤裸露区域构建草地以保育土壤、减少水土流失；在湿塘、水平表流湿地等水面周边种植乔木，利用树荫减少阳光、降低温度以抑制藻类生长，辅助水质净化。

游览路径的设计。游览路径为人提供亲近景点的途径，使人与景点在互动的过程中得到景观体验、科研教育等服务：在清渠如许景点设置车行道、步行道、休憩平台、观景平台等构筑物。

2.2 水资源量平衡

园博园的水资源调度主要依托于齐村水库调节，该水库修建于20世纪50年代，主要功能为防洪及灌溉。水库面积约125万m2，总库容约470万m3，上游沁河的集水面积约127km2，现状库区水质满足《地表水环境质量标准》Ⅲ类限值。

根据园区水系规划，再生水经清渠如许景点深度净化后排入下游“矿坑花园”及“滨水湿地”两个景点，最终汇入齐村水库作为园区补给水源。根据清渠如许景点及其周边水体的水资源量平衡核算(图2)，为补给蒸发渗漏损耗补给以及保障适当的景观环境用水，水资源需求总量约为50.3万t/a。根据多年平均逐月蒸发、降雨量核算(表2)，补水需求量最高期在6月份，日均需求量平均为2 952t；1月、2月及12月冬季不补水。考虑实际运行中的差异，设计水量按5 000t/d。

图2 清渠如许及周边水体水资源量平衡图Fig.2 Water balance of the Qingquruxu and surrounding water bodies

表2 逐月水资源需求量Tab.2 Monthly demands for water resources

2.3 水质净化核算

清渠如许及周边水系主要为开阔水体，富营养化控制是保障景观效果的先决条件，选择磷作为目标污染物进行设计计算。人工湿地对磷的净化去除大致遵循污染物一阶反应动力学，如下式。式中：Ka为磷的面积去除速率常数，单位m/d；Q为水量，本项目为5 000 m3/d；A为湿地面积；Cin为设计进水水质，本工程为0.5 mg/L；Cout为设计出水水质，本工程为0.2 mg/L；Ce为磷平衡浓度，取0.02 mg/L。

塘、水平表流、水平潜流及垂直表流湿地的Ka取值根据已有研究及经验参数[18]，分别取0.03、0.06、0.16、0.25m/d。经计算确定构建景观塘1.4万m2、水平表流湿地2万m2、水平潜流湿地0.6万m2、垂直表流湿地0.9万m2。净化单元总面积4.9万m2，理论净化能力约5 000t/d，平均水力负荷为0.1 m/d。

为充分发挥各净化单元的水质净化服务功能，在工艺流程设计上重点凸显两个功能：(1)在塘、水平表流湿地、垂直表流湿地等具有自由水面的净化单元设计时，进水借助“山”的落差设置跌水，依托跌水过程大幅增加水体溶解氧含量，从而保障水体内的高溶解氧含量，促进有机物净化；(2)在流程中构建多处“水平潜流湿地+跌水”、“垂直表流湿地+跌水”微组合，形成厌氧好氧交替环境，提高脱氮除磷效果。

2.4 最终设计效果

清渠如许设计图及实景照片如图3。通过构建“山”因地就势处理现状污染基底并形成竖向落差；将再生水引入山顶，水系层层跌落过程中发挥“田”与“湖”的水质净化功能；利用乡土植物构建“林”与“草”，打造具有邯郸本土特色的植物基底，发挥土壤保持功能；山水林田湖草相互融合形成全范围的绿荫覆盖和多层次的景观，形成以大片观赏花田为基底的特色湿地景观区，发挥景观服务、科研教育功能，并与本届园博园主题“山水邯郸，绿色复兴”相呼应。

2020年10月份进行了三次水质监测，因秋季园区水量蒸发损耗较小，清渠如许景点日处理再生水量维持在约2 000 t/d。监测期间，虽然“林”、“草”系统的植物长势一般，但“田”、“湖”系统内的湿地植物生长状况良好，景点总体发挥出较理想的水质净化服务功能，出水水质达到设计目标(表3)。

图3 清渠如许景点设计图及实景图Fig.3 Design drawing and real picture of the Qinquruxu scenic spot

表3 清渠如许景点水污染物去除效果Tab.3 Removal effect of water pollutants of the Qinquruxu scenic spot (mg/L)

3 结 语

山水林田湖草生命共同体理念及生态系统服务理论在生态系统保护与修复工作中发挥着重要指导作用。本文将该理念应用于邯郸市园博园清渠如许景点，针对场地废渣多、水资源量不足、水污染物浓度较高等问题，引入城市再生水作为园区补给水源，并在构建山、水、林、田、湖、草景观单元的同时赋予水质净化、土壤保持、景观服务、科研教育等服务功能，使生态工程在城市复合生态系统中发挥更大的作用及价值。在后续运行中，将重点加强山水林田湖草系统的维护管理以保障生态系统服务功能持续发挥，并定期跟踪水质监测和植物生长状况观测，从而更好地评估系统效果。本实践证明了山水林田湖草生命共同体理念应用于生态工程设计的可行性，为城市再生水回用及深度处理工程的设计提供新思路及方向。