城市人工湖泊水环境保护研究概述

於孟元，赵忠伟

（1.河海大学环境学院，江苏南京 210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098）

人工湖泊是一种介于河流和湖泊之间的半自然半人工水体，是城市水体不可缺少的重要组成部分，具有防洪除涝、景观娱乐、美化城市等功能，可为城市提供更为稳定、舒适、可持续的发展环境。近年来，随着社会经济的发展，人工湖泊在城市规划和生态文明建设中的重要性日益突出。

国内外在人工湖泊建设和运行方面积累了丰富的成功经验和案例。例如，四川成都2012年6月出台《成都市环城生态区总体规划》，规划中提出建设“六湖八湿地”，目前已陆续建成了锦城湖、兴隆湖等城市湖泊，进一步完善了成都市城市水系格局，使得“生态城市”理念逐渐得以实现。位于武汉市城区内的东湖风景区，总面积73 km2，其中湖面面积33 km2，是中国最大的城中湖。1982年成为国家重点风景名胜区，2013年成为国家5A级旅游风景区。

湖泊水体的水环境保护历来是湖泊管理中的关键问题。中国太湖、日本的琵琶湖都曾发生过非常严重的水污染和富营养化问题。与天然湖泊不同，人工湖泊（特别是城市人工湖泊）具有生态系统较为单一、来水量小、来水水质差、水体置换率低、污染源复杂等特点，其水环境污染问题远较天然湖泊突出。根据住建部黑臭水体整治信息平台2017年12月31日公布数据，全国224个地级及以上城市共排查确认黑臭水体2 100个。城市人工湖泊水环境保护已成为长江经济带发展的巨大挑战。《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）（国发[2015]17号）提出要整治城市黑臭水体、保护水和湿地生态系统、全力保障水生态环境安全。

本文针对城市人工湖特点，从人工湖泊环境保护的法律背景、人工湖生态需水量、适宜规模和水深以及城市人工湖水环境维护技术及湖泊数学模型应用等方面，对城市人工湖水环境保护研究进行回顾分析，以期为城市人工湖泊设计、健康运行及城市水环境保护提供参考依据。

1 城市人工湖水环境保护法律法规依据

城市人工湖水环境保护符合我国生态环境保护战略需求，具有强有力的法律法规支撑，主要的法律法规依据有：《中华人民共和国环境保护法》（2014年4月修订）；《中华人民共和国水法》（2016年6月修订）；《中华人民共和国水污染防治法》（2017年6月修订）；《中华人民共和国河道管理条例》（国务院令第3号）（1988年6月，2011年修订）；《全国生态环境保护纲要》（国发[2000]38号）；《国务院办公厅关于加强湿地保护管理的通知》（国办发[2004]50号）；《国务院关于落实科学发展观加强环境保护的决定》（国发[2005]39号）；《中国水生生物资源养护行动纲要》（国发[2006]9号）；《国务院关于印发中国应对气候变化国家方案的通知》（国发[2007]17号）；《全国重要江河湖泊水功能区划》（国函[2011]167号）；《国务院关于水污染防治行动计划的通知》（国发[2015]17号）；SL 709-2015《河湖生态修复与保护规划导则》；《全国生态功能区划（修编版）》（环境保护部，2015年11月）等。

2 城市人工湖形态研究

城市人工湖形态直接关系到人工湖水动力学条件的时空分布特征及水体置换效率，对于湖泊水环境保护至关重要。人工湖形态包括其平面形态和立面形态2个层次。平面形态指湖泊形成后的水面形状与面积，立面形态指湖泊可以容纳水体的容积、水深和湖盆形状。

2.1 人工湖平面形态

人工湖泊的平面形态应尽可能利用“流线发散和收束”的特点，以利于水流平顺、无死水角[1]。此外，人工湖泊平面形态构造受水体补给水循环的进出口条件影响。对于出入口唯一的人工湖泊，“梨形”是较理想的平面形态（见图1）。当进出补给口较多时，平面形态可复杂些，但原则是以流线型的圆、椭圆或接近圆的形状为主，以此保证水体整体流向平顺，有利水体交换，减少水流之间的干扰顶托，降低人工湖营养物质不均匀沉淀机率。在不同形态的城市人工湖规划设计中发现，如果湖区存在多处死水区域和水体交换能力较差的区域，可能成为湖区潜在的水质重污染区和富营养化高发区，需对湖体设计形态进行优化[2]。

人工湖水面面积的确定应多方面综合考虑自然条件、用地范围、水面功能需求、土地资源与水资源承载力等因素。其中，土地资源和水资源承载力起决定性作用[3]。水面过大会造成水体蒸发量、渗漏量增大，增加水循环处理、水体清理或换水难度，运行费用和工作负荷也会随之增加。水面面积还是影响人工湖小气候效应的重要因素。杨凯等[4]对某人工湖的观测表明，下风向温度比上风向下降1℃～3℃，相对湿度上升约6%～14%。目前尚无确定水域面积的相关技术标准。

图1 “梨形”人工湖平面形态示意

2.2 人工湖的立面形态

人工湖湖盆一般包括湖泊湿地和洼地2个部分（见图2）。人工湖的湖盆的立面形态依靠人工挖掘施工达到，因此湖泊水深，特别是平均水深，是人工湖建设首先须解决的问题。

图2 人工湖泊立面形态示意

诸多学者研究认为，H/SD（H为水深，SD为透明度）是影响大型水生植物生长的关键因素[5-6]。当水深太小（小于2 m）时，植物的覆盖程度和生物量明显受到限制[7]；而当水深过大（H/SD=5.26），大部分水生植物的生长也会受到威胁[5]。孔祥虹等[8]对长江下游湖泊的调查研究表明，中度富营养湖泊（H/SD=9.89）的水生植物的生物量要明显低于轻度富营养湖泊（H/SD=4.19），菱的分布与水深呈显著负相关。S.M.Thomaz[9]发现水深下降会对细叶蜈蚣草的生长产生负面影响，而水位上升可以促进浮水植物比如凤眼莲的生长。P.Wang[10]研究发现随着水体深度的增加，生物群落的生物量、茎节点数量和长度都显著降低。X.Liu[11]研究发现，真光层深度与水深的比值为0.8可作为太湖大型水生植物生长需水下光量的阈值。B.Liu[12]盆栽实验结果表明：当扁秆藨草（Scirpus planiculmis Fr）种子的埋藏深度为0 cm、水深为5～10 cm时，出苗率最高；当水深超过10 cm时，幼苗不会生长出水面，表明种子埋藏深度和水深是影响湿地出苗和植物滋长的重要因素。这一结论对于退化湿地的植被恢复具有重要指导价值。实际上，任何植物都有适合的深度与环境条件，对湖泊深水、浅水区可分别配置不同的适宜植物[13]。

水深对水生动物也有一定影响。K.L.Zimmer[14]提出将水深作为主要因素研究水生巨无脊椎动物群落。A.Moussaoui[15]提出一个反应-扩散模型来研究扩散和水位对两种特定鱼类种群的影响。另外，从水质以及微生物方面来看，水深变化不仅意味着人工湖蓄水量和热容量的改变，且还会改变人工湖的水动力过程、湖流的流场分布及风浪特征，使人工湖水环境容量和自净能力发生变化。A.B.P.Brunberg[16]、J.M.H.Verspagen[17]提出表面沉积物中的蓝藻细菌进入水体的过程主要与水深相关。刘春光等[18]研究认为，总磷、总氮、硝态氮浓度随深度增加而减少，溶解性总磷、氨氮浓度随深度增加而增加。周斌等[19]根据某人工湖的不同水深对叶绿素浓度变化趋势的影响分析，选择了最大水深3.5 m作为最优水深设计方案。G.T.Kleinheinz[20]发现不同水深水体中大肠杆菌浓度的差异。高雅[3]认为，水生动物活动适宜水深一般在0.8～1.0 m，水体自净要求深水区大于2 m。

虽然国内外研究均表明，水深对于水生植物、动物、微生物以及水质等均有非常关键的影响，然而从国内外文献调研来看，对于人工湖水深的确定尚没有统一标准。从理想角度分析，水深越深，水体越大，湖泊生态功能越强，生命力越旺盛，同时较高的水位可使人感觉更为亲近美观。但人工开挖湖泊水深必须具有一定限值，以满足开挖经济性、减小蒸发损失、维持湖水置换效率和水质保护的要求。根据统计数据，国内人工湖平均水深在1.6～4.0 m之间[3]，参考自然湖泊围垦形成的内湖，洞庭湖区水深为3.24 m，太湖湖区水深为1.33 m。为此，确定湖泊水深需要针对具体湖泊的特征以及功能需求，综合考虑水生动植物、微生物、水质及人体感官等因素影响，在开展针对性的研究和不同水深方案的比选论证基础上，提出最优设计水深。

3 城市人工湖生态环境需水量的研究

人工湖的配水流量是人工湖设计中需要首先确定和解决的问题。目前普遍认为，湖泊生态环境需水量是指保证特定发展阶段的湖泊生态系统结构发挥其正常功能而必需的一定数量和质量的水[21-22]。湖泊生态环境需水量存在2个阈值：①湖泊最大生态环境需水量。超过此值，湖泊将水漫堤岸，发生洪涝灾害；②湖泊最小生态环境需水量。低于此值，湖泊生态系统结构与功能将受到不可逆的损害。其中，湖泊最小生态需水量主要包括湖泊生物、蒸散发、水生生物栖息地、污染物稀释、防止湖水盐化、航运以及景观建设和保护等方面的最小需水量[22]。

刘静玲等[21]以及肖芳等[22]研究认为，湖泊最小生态环境需水量的计算方法主要有水量平衡法、换水周期法、最小水位法和功能法。水量平衡法是指根据湖泊水量平衡原理和湖泊水量消耗的实际情况进行估算，适用于没有或者很少人工干扰的自然湖泊。换水周期法是根据枯水期的出湖水量和湖泊换水周期来确定，适用于人工干扰很多的城市人工湖泊。最小水位法是指根据综合维持湖泊生态系统各组成分和满足湖泊主要生态环境功能的最小水位最大值与水面面积，来确定湖泊生态环境需水量，适用于亟待保护和濒临干枯的湖泊。功能法是指根据生态系统生态学的基本理论和湖泊生态系统的特点，从维持和保证湖泊生态系统正常的生态环境功能的角度，对湖泊最小生态环境需水量进行估算的计算方法，适用于特定区域湖泊生态系统的恢复重建和流域水资源管理。肖芳等[22]以北京市六海为例，考虑了湖泊净化需水量，利用功能法来计算了北京市六海的生态环境需水量。许文杰等[24]采用功能法，针对水系和水功能更为复杂的东昌湖，探讨了结合水量水质耦合研究和阈值研究的生态环境需水量计算方法。严晨菲等[25]以梅江景观湖为例，采用功能法分析其系统不同健康状况下的生态环境需水量，并与水量平衡法相结合，分析相应的生态环境需补水量。

贺新春等[26]引入防洪控制、水质控制和景观水位控制，创建了城市湖泊需引水量和引水水质计算模型。尤爱菊等[27]将城市人工湖生态环境需水量分为生态需水量（蒸发补充水量和渗漏补充水量）和环境需水量（满足人工湖水质目标），并首次将TP质量守恒模型运用于城市人工湖生态环境需水量的计算。以杭州上虞滨海新城建设的人工湖为例，预测了不同生活污水截污率、生态措施作用前后的人工湖生态需水量及环境需水量。

此外，也有一些研究者利用生物指标来计算生态环境需水量。M.Abbaspour等[28]考虑水量、水质和水生生物及其相互关系，计算了Urmia湖的生态环境需水量。S.Sajedipour等[29]发现不同的年份大火烈鸟数量变化和巴赫泰甘（Bakhtegan）湖表面积之间具有较好的相关关系，由此确定了巴赫泰甘湖的生态环境需水量。

综上所述，城市人工湖的生态环境需水量多是根据人工湖的功能来分类和计算的。因此，对于不同区域、功能和类型的人工湖泊，生态需水影响因素和计算方法各不相同。而对于湖泊需水量中的蒸发和渗漏需水量、动植物生存需水量等，尚无定量的阈值标准和规范。此外，在人工湖生态需水量的确定中通常忽略了湖区水动力学条件及其对水体置换效率的影响。在对湖区各类污染负荷的统计及其对水质的影响研究方面，尚缺乏基于水动力学理论和生态水力学理论的深入研究。

4 城市人工湖水环境修复与维护技术研究

同天然湖泊相比，人工湖泊生态系统较为单一，自净能力较差，因此建成后的人工湖水环境维护技术对于湖泊水质保障至关重要。

人工湖泊的污染源主要包括外源污染和内源污染。外源污染主要是指大气降尘所带来的各种污染物、各类污水排放以及地表径流带来的地表和土壤中的污染物；内源污染主要是指湖泊底泥中由于污染物的不断积累以及死亡的生物群落积累而成的有机污染。针对上述各类污染特点，可分别采取外源和内源污染的控制措施以保护湖泊水环境。在外源、内源污染得到控制的基础上，为了维持水体的目标水质，加快内部的自身水质循环，仍需在湖区内进行水生生态系统工程建设和局部强化净化等工程措施[29]。

4.1 外源污染控制措施

外源污染控制措施主要包括：①配置雨水处理设施，实现“雨污分流”；②完善湖区截污管道系统，禁止各类废污水排放进湖；③保证湖库补给水的水质等。湖区水源补给通常采用河流、自来水或地下水。为节约成本，可采用达标的再生回用水作为人工湖稳定的补给水来源，但不宜直接采用未经处理的污水进行补给，以免引起湖体大规模的水污染。

4.2 内源污染控制措施

内源污染物的控制措施主要指对底泥和湖区水生动植物采取的控制措施。

（1）规范管理，合理使用再生水。当完全使用再生水时，景观河道内水体的水力停留时间宜在5 d以内，并可在人工湖增加喷泉或曝气装置，增加水体流动速度，减少水力停留的时间[31-32]。

（2）微生物处理措施。在湖区添加适当微生物，将自然界中的动、植物的尸体及残骸分解，将一些有害的污染物质加以吸收和转化，成为无毒害或毒害较小的物质。可以在景观水水质恶化的时候，投加适量的微生物（各类菌种），加速水中污染物的分解，起到水质净化的作用。但微生物的分解物，如管理不慎，会造成藻类的大量繁殖，再次导致水质变坏。

（3）底泥生态清淤。采用生态清淤工程将污染最重、释放量最大的上层污染底泥依据环保要求移出水体，避免因河流、湖泊内的底泥释放和动力作用下的再悬浮和溶出后可能造成的河水富营养化以及藻类产生和发展问题，从而达到控制底泥释放二次污染的目的。这是控制内源污染效果较为明显的工程措施之一。

（4）水生态系统构建。健康的水生态系统完全依靠自然界生物之间的食物链关系，建立起“浮游动物-水下森林”共生生态，形成生态系统良性循环。例如，向富营养化水体投放经过驯化的特定浮游动物，利用生物操纵法控藻并改善水体理化条件，抑制蓝绿藻的生长。当水体藻类及各种悬浮有机颗粒减少、透明度增加后，进一步结合水体条件，适度导入沉水植被、挺水植被、浮叶植被等水生植被。结合水体净化程度，逐步引入螺、贝、鱼、虾等高级水生动物。在水生动植物共同作用下，水生态系统形成良好的自净状态。刘杰等[33]提出了一套包括湖区良好水体生境营造、水生态系统构建和生态辅助强化措施，旨在提升人工湖水体净化能力的水生态系统构建思路和方法。

4.3 水环境长效维护措施

虽然外源污染控制措施与内源污染控制措施可在较大程度上有效防控水体污染，但由于城市人工湖泊的水环境保护是一项长期的系统工程，水环境长效维护措施至关重要。

（1）曝气复氧措施。湖区内缓流水体中的溶解氧含量过低是导致水体水质恶化以及富营养化的重要因素，为此在人工湖中心、湖湾等流速较缓地带安装活水曝气装置，同时可兼顾水景设计，配置水上喷泉，实现表层和深层水的纵向循环，成为人工湖泊水质维护的重要措施[34]。

（2）引水置换措施。由于湖水底部的N、P等营养盐含量高于上部水体，为此定期排放湖底部分的湖水，可加快营养物质输出，有效缩短人工湖换水周期，从而达到延缓水体水质恶化的目的。利用泄洪管作为底水排放管道，在泄洪管旁设泄水阀，在补水量充足的月份开启泄水阀，排放湖底氮、磷浓度高的湖水。

（3）人工湖泊沉积物营养盐控制与释放。在湖泊外源磷得到有效控制、底泥生态清淤实施情况下，人工湖泊中营养盐浓度可能短时间得到控制，但清淤后的底泥沉积物亦可能在环境条件改变后发生释放。此外，湖泊中亦可能产生新的泥沙沉积和释放，因此适宜的水体环境化学条件可有效控制和减小底泥沉积物向水体中的营养盐释放。首先，水体中溶解氧条件对于磷循环至关重要[35]。溶解氧水平决定了磷在底泥-水界面交换中的转换方向和速度，即溶解氧大于一定水平的条件下，底泥不仅可能由“源”变为“汇”，而且还会影响间隙水中溶解氧扩散深度，进而影响底泥-水界面的磷交换速率[36]。龚春生[37]通过室内试验研究表明，底泥释放由“源”变为“汇”对应的溶解氧临界饱和度约为75%。水体pH值高低会影响沉积物对磷吸附作用的强弱以及离子之间的交换作用，从而对沉积物磷的释放行为产生重要影响。当水体pH值近似7时，磷的释放量很小，水体偏酸性或偏碱性条件下对沉积物磷的释放非常有利[38]。

（4）原位生物接触氧化技术。原位生物接触氧化是一种具有活性污泥特点的生物膜技术，兼有生物膜工艺和活性污泥工艺的优点。在氧供应充分的条件下，通过栖息在生物填料上的生物膜和悬浮在水中的微絮状污泥的生物氧化作用，将水体中的有机污染物进行氧化分解，达到净化水质的目的[39]。

（5）湿地净化措施。湿地净化措施是目前在人工湖泊建设中较为普遍采用的一种技术，被用于湖区水体及来水去除污染物的效果研究[40-41]。2010年颁布实施的HJ 2005-2010《人工湿地污水处理工程技术规范》[42]，对湿地污水处理工程在建设、运行和管理等方面进行了规范指导。但近年来的应用实践表明，该规范在水力停留时间、不同条件下的处理效率以及措施设计等方面尚不够具体，特别是在湿地生态系统构成、设计规模及净化效果等方面不能满足实际工程设计要求。

净化水质，同时兼具景观美化的功能。特别是随着国家海绵城市建设的推广，湿地被更广泛用于污水处理、水质净化和景观美化等领域。

（6）生态防渗技术。由于人工湖泊生态系统单一，而常规防渗处理直接隔断了水体与土体的水分、氧气和物质的交换，生物和微生物难以生存，易造成对原有生态系统的干扰或破坏，因此为提高水体自净能力，促进人工湖泊健康生态系统的构建，一些研究者针对人工湖泊生态型防渗技术开展了研究[43]。

采用以微生物灌浆为主的新型生态防渗体系可满足地层的渗透稳定性要求，渗漏量相比于防渗前减少了98%，同时满足该人工湖泊各区域的生态需水量。与以土工膜、混凝土衬砌和膨润土毯为主的综合防渗体系方案相比，新型生态防渗体系在防渗效果满足工程要求的条件下，具有对生态环境更有利、外来污染更少、耐久性更可靠和维护方便等优点[44]。

（7）生态浮岛技术。生态浮岛也被称为浮床，是一个变化的湿地处理系统[45-46]。生态浮岛不仅通过其自身物理性质去除悬浮物，吸收污染物质和利用污染物进行生物合成，还可提供生物膜附着介质，起到净化水体的作用[47]。生态浮岛具有多种功能，包括减少污染传播、栖息地保护、人工湖污渍去除与水体净化、景观美化等[48-49]。

目前人工生态浮岛的进一步推广使用尚需解决越冬浮岛植物的研究问题。其次，人工浮岛载体操作多为纯手工操作，且操作难度较大，应朝着规模化、机械化的方向发展[50]。

5 数学模型的应用

由以上分析可知，目前城市人工湖泊水环境维护技术尚不够成熟和完善。随着近年来数学模拟技术的的快速发展，湖泊数学模型被作为重要研究手段，越来越广泛应用于城市人工湖水环境维护中。湖泊数学模型主要包括水环境模型和生态模型2个部分。

基于湖泊空间形态变化的水环境数学模型主要用于湖泊水动力学条件时空分布规律及水体置换效率模拟中。成昌卫[50]采用MIKE3软件预测了西安雁鸣湖水质时空分布变化特征，为水生态修复措施的布置提供了重要科学依据。高学平等[51]、许莉萍[53]应用EFDC建立了某人工湖泊的三维水动力模型，研究不同引水调度方案下该湖泊的水体交换能力和水体输运时间，为通过优化水体调度运行改善城市人工湖泊水环境提供了管理依据。

湖泊生态模型可以较早追溯到R.A.Vollenweider[54]提出的湖泊总磷平衡模型，之后发展到Dillon模型、Lorenzen模型[55]，直到目前更为综合的生态动力学模型[56-57]。生态动力学模型考虑了氮磷营养盐的输入、输出、底泥沉积和释放、水生动植物对营养盐的吸收、富集等复杂过程，但由于湖泊特别是人工湖泊水动力学和水环境的空间异质性特征，生态动力学模型应用中参数确定和优化成为其中的关键问题[58]。而由于城市人工湖泊中水生动植物措施的普遍应用，建立基于水生动植物措施与水环境耦合的生态模型将成为城市人工湖泊数学模型发展的新趋势。

6 结语

人工湖泊在现代城市规划和生态文明建设中具有不可替代的功能和地位，因此在水资源日益紧张的背景下，如何发挥湖泊功能、维护湖泊生态健康成为人工湖泊设计和运行管理中亟待解决的问题。本文回顾了城市人工湖水环境保护的法律法规依据，主要从城市人工湖形态、人工湖生态需水量等方面进行梳理分析。在此基础上，提出了外源污染控制措施、内源污染控制措施以及水环境保护工程措施等水环境维护技术等，并介绍了数学模型在湖泊模拟中的应用，以期为人工湖泊设计和健康运行提供理论依据和技术支撑。