人工湖系统或人工环状水系已逐渐成为新建或改建居住区的必备组成部分, 而由于建设初期的理念、技术以及其他条件的限制, 其水体系统失去自然生态性, 保障水安全的情况下难以满足居民日益高涨的生态文明夙求, 基于已建居住区水体系统尤其是人工湖系统, 绿色生态化升级改造是必要的^[1], 因此引起诸多学者的关注, 如张智等^[2]通过对水体水量的来源与水量平衡的分析计算, 确定了保持人工湖水量的方案, 但没有详细提到内外源污染物控制的工程措施;曾永刚等^[3]通过A²/O污水处理工艺与人工湖结合的方式探讨适合人工湖体污染综合治理的生态处理措施, 改造后工程的水质有较好改善, 但前期的成本投入较高, 后期的维护运行管理较为复杂;程江等^[4]解释了下沉式绿地措施对降雨时形成径流污染物削减的原因;王德蜜等^[5]重点分析了透水路面的分类以及材料应用;胡顺敏^[6]总结了硬质驳岸存在的问题以及生态驳岸的设计与选择要点;刘来胜^[7]对试验中慢滤系统的结构以及去除污染物的机理有较深的研究。基于前人研究的单一生态系统为依据, 本工程采用多种生态系统组合的设计思路, 并以湖体水质较好, 周边环境较优为前提, 采用外部水力循环的低成本低能耗模式, 为集中居住区人工湖建设提供工程示范与技术借鉴。

　　 本项目位于苏州地区, 常年雨水充沛, 人工湖水域面积约为2 800m², 平均水深为0.8m, 总容积约为2 240m³, 河底、河岸均为硬质卵石等材料铺砌, 透水性差, 初期雨水、居民生活污染等外源污染长期入侵, 加之缺乏人工湖水力循环, 水体总体质量为劣Ⅴ类, 夏季散发腥臭味, 对附近居民生活环境产生不利影响。

　　 根据社区和物业要求, 在满足水安全的前提下, 营造舒适、美观的生态湖景观, 项目方案通过人工湖扩容增加水域面积和水体容量保证水安全, 同时借助于低影响开发技术措施, 利用海绵城市建设措施中的“渗、滞、蓄、净、用”5个措施综合治理^[8,9], 通过对人工湖多生态系统和水力循环系统的构建, 使得人工湖水体具备生态健康、防洪排涝、雨水资源化利用、水力循环利用等特点, 为建设现代示范工程营造和谐、优美的水环境提供技术支持。

　　 充足的循环水量是构建水循环系统的基本要求, 规划前人工湖为死水区, 湖体浅、面积小, 容量无法满足要求。为了增大容量就必须扩大湖体面积、开挖水深, 开挖后湖最深处达到2.5m, 水域面积扩大了2倍, 开挖后的总容积约为14 000m³ (见图1) , 能够储存足够水量。

　　 由于初期路面径流雨水携带大量泥沙及污染物, 进入湖中会严重影响湖水水质, 为防止外源污染物污染水体, 采用多生态处理技术进行预处理, 结合水力循环系统保证水体的流动, 并针对突发强降雨事件采用慢滤生态墙抑制与储存雨水。图2为设计方案, 以雨水和附近河水作为人工湖的补给水源, 河岸生态滤池实为慢滤系统与生态驳岸贯穿为整体, 且慢滤系统位于生态驳岸的内部, 水力循环采用循环水泵让水体流动起来。本工程采用多种生态系统预处理结合水力循环的模式使得湖水形成亦动亦静的生态体系。

　　 下沉式绿地是LID措施中的一种较为常见的生态排水措施, 具有储存雨水、削减洪峰流量、减小地表径流产生的污染等优点^[10]。

　　 本设计中下沉式绿地设置在居住区道路至绕湖透水性道路之间, 其标高要低于居住区道路标高, 但高于人工湖标高, 依实际情况设1~2个波峰, 下沉式绿地有关参数设计根据式 (1) ~式 (5) 可得:

　　 下沉式绿地水量平衡方程:

　　 式中P₀———降雨总量, m³;

　　 U₀———初始蓄水量, m³;

　　 D———径流损失量, m³;

　　 E———蒸发量, m³;

　　 S———下渗量, m³;

　　 U₁———结束时绿地蓄水量, m³;

　　 Q———溢流外排水量, m³。

　　 下沉式绿地的雨水渗蓄能力:

　　 式中N———雨水渗蓄率;

　　 P_z———降雨量, mm;

　　 F₁———集水区面积, m²;

　　 C_n———绿地服务区域的径流系数;

　　 F₂———下沉式绿地面积, m²。

　　 下渗量:

　　 式中K———土壤稳定入渗率, m/s;

　　 J———水力坡度, 垂直下渗时取1;

　　 T———渗蓄计算时段, min。

　　 下沉式绿地蓄水量:

　　 式中Δh———下沉深度, m。

　　 下沉式绿地率:

　　 式中f———下沉式绿地率;

　　 S₁———绿地总面积, m²。

　　 经计算下沉式绿地率为18%, 下沉深度设置在15cm, 设计重现期为3年一遇, 下渗时间为2h, 径流控制率为70%左右;绿地下设坡度为0.005的d300多孔混凝土雨水管道, 管道末端高于最高湖水位并设有带填料的雨水出水口, 填料可根据污染程度选取更换。因绿地具有蓄水功能, 决定以种植抗水性草本植物为主, 以提高成活率。下沉式绿地的建设使雨水能充分作为人工湖补给水源并有效控制来自面源的污染, 预防雨洪发生, 保障出水水质。图3为下沉式绿地平剖面示意。

　　 多孔透水路是一种轻质美观、孔穴均匀分布、无细骨料的路面, 由于其密度小、透水性能好、施工简单、绿色环保且具有生态效益而被广泛应用于园林、公园、人行道、停车场等道路材料。方案在人工湖周边设置多孔透水性园林道路示范区, 如图1所示, 可对下沉式绿地径流雨水进行进一步收集过滤处理, 同时起到抗洪减灾作用, 具有优异的经济、生态效益, 其透水铺装率可根据式 (6) 计算^[11]:

　　 式中f₀———透水铺装率;

　　 F₀———铺有透水砖的人行道、停车场、广场面积, m²;

　　 S₀———人行道、停车场、广场面积, m²。

　　 经计算透水铺装率为25%, 本设计为全面渗透铺砖, 80mm混凝土透水砖贯穿粒径为5mm开级配碎石, 50mm厚粒径为5mm的开级配碎石为垫层, 透水基层选用厚为300mm开级配骨料 (100mm粒径为5~20 mm开级配骨料, 200 mm粒径为40~80mm开级配骨料) , 经压实后空隙率为46%;土工织物为透水性土工网格布, 具有加筋、过滤的作用, 土基为黏土, 且黏土中的含砂量≥62%, 其中土基渗透性、承载力以及冻胀程度是由黏土的含砂率决定的, 边缘墙限制强降雨的外溢, 使得雨水更好地下渗, 从而有效控制径流量。图4为多孔透水路面断面示意。

　　 河岸生态滤池由生态驳岸与慢滤系统组成, 以下分两部分具体进行介绍。

　　 生态驳岸是以自然生态水系为基础, 以安全活动为导向, 构建适合人们活动且对河流自然环境伤害最低的滨水河岸线, 充分体现人与自然的和谐共处^[12]。其中北岸靠近居民小区, 有3条多孔透水路面通向人工湖, 人群聚集地应更多从人群安全与活动平台方面考虑, 故设计为人工型生态驳岸;南岸坡度较缓, 且人群活动较少, 以景观为主, 故设计为自然型生态驳岸。

　　 北面为阶梯式人工型驳岸, 采用强度较大的硬质石材与渗透性材料, 其中靠近人工湖一侧用渗透性材料, 增强对水体的净化能力;临近人工湖外侧紧挨着透水性路面, 人流量较大, 因此需要强度较大的石材, 起到承载路面压力与保护岸堤作用, 图5为北岸人工型生态驳岸平剖面示意。

　　 现状:人工湖宽度约为35m, 规划长约为160m, 湖水常水位-0.6 m, 最高水位为-0.1 m, 最低水位为-1.1m。

　　 北岸人工型生态驳岸:采用阶梯式人工生态驳岸, 从居民娱乐活动平台角度来设计, 高水位活动平台标高为0.10m, 低水位活动平台标高为-0.50m;低水位平台在挡土墙的基础上, 至下而上铺设石块、浆砌石、碎石以提高抗洪能力;在石块与浆砌石中插入d100混凝土管以增加驳岸强度, 同时也为水生生物及鱼类提供舒适的栖息地。

　　 南面采用自然型生态驳岸, 以多种植浮叶植物、挺水植物、滨水植物为主, 主要依靠植物的生长呼吸作用来降解与吸收水体中的有机污染物, 创造良好的生态、物质多样性环境, 从而形成完整优美的人工湖生态系统。图6为南岸人工型生态驳岸平剖面示意。

　　 南岸自然型生态驳岸:湖底采用浆砌石与碎石垫层护坡, 以保证驳岸的坚实程度, 提高抗洪能力;驳岸采用1∶3坡度的浆砌石挡土墙, 并使用GES生态袋护坡, 喷洒草种增加绿化率, GES生态袋铺设的范围从-1.50m至最低水位-1.1m, 以保证湖水波动时, 不至于露出浆砌石护坡。

　　 慢滤是指雨水、溪水等缓流时经过不同层次的滤料过滤, 长时间通过对水中的矿物质与有机物进行截留和吸附, 使水质得到净化, 从而形成生态慢滤系统^[13]。

　　 设计中慢滤系统设置于生态驳岸内部, 由3层不同的材料组成, 自上而下分别为无烟灰、石英砂、卵石, 具有材料简洁、运行费用低、管理方便、可范围性推广等优点。慢滤系统与双驳岸系统共同组成生态慢滤池系统。图7为慢滤系统的平剖面示意。

　　 慢滤系统的设计中, 进水水位高于滤床1m, 留有一定的水头压力以保证水流正常通过滤床, 无烟灰和石英砂组成滤床, 厚度在800~1 000mm, 其中滤料石英砂粒径在0.9~1.35 mm, 不均匀系数为1.4, 空隙率为42.6%, 卵石作为承重层保护排水管道正常排水不被堵塞, 调节阀控制滤床流速, 设计流速为0.1~0.6m/h, 调节池使出水更加稳定。

　　 小区水质之所以较差, 是由于湖内大多数水体处于静止或者缓慢流动状态, 以及附近居民生活污水的影响。为使死水变为动态的活水循环, 水量要求达标是前提条件, 前文已对原有人工湖进行了扩湖改造, 可以受纳足够水体, 但仅仅靠雨水作为补给水源远远不够, 因此还需就近河水作为补充水源。

　　 为了促进人工湖水的循环流动性, 除了足够的补给水源之外还需要动力驱动, 通过水循环管道设计及循环水泵操作来完成此需求, 使整个水系以一定的速度流动起来形成“活水”。本设计经水力计算后确定2条主干管采用DN200, 东西向支干管管径为DN100, 支管管径为DN75、DN50, 管材均采用材质较轻且耐腐蚀的PVC-U管。管道设计如图8所示。设计初期选用进水口27个, 溢水口27个, 均设有过滤网罩, 规格为400mm×400mm。循环水泵2台, 1用1备, 型号为ISW200-250 (I) , 流量520m³/h, 扬程14m, 泵对应的电机功率为30kW, 同时循环水泵设置漏电保护开关。通过PL控制 (开2h, 停2h, 每天最大循环水量为998.4m³) 形成水系循环管道系统, 如图9所示。

　　 当发生强降雨事件时, 径流量大、流速快使多生态处理效果不明显, 仍有大量污染物进入水体污染水环境。因此, 根据小区地面标高高于人工湖地面标高1m的原则, 在下沉式绿地和围绕人工湖的透水性路面之间修建高为80cm的慢滤生态墙体, 四周开设透水性台阶 (6~10个) 至透水性道路, 可起到抑制径流雨水快速流入湖体及存储雨水的作用, 预防强暴雨造成雨洪事件的发生。

　　 人工湖经多生态处理及动力学循环后, 不同点取样测得其主要水质指标如表1所示, 可知主要参数中TP为0.25mg/L, 降低了52.8%, 化学需氧量为25.5mg/L, 降低了49.57%, 浊度为7.05NTU, 水体的透明度达到1.5m左右, 据GB 3838《地表水环境质量标准》, 湖水水质达到地表水Ⅲ、Ⅳ类水, 具有良好的改观效果。

　　 该人工湖的设计利用下沉式绿地、渗透性路面、河岸生态滤池等多生态技术, 结合扩湖、水力循环管道、慢滤生态墙等措施的组合, 其具有景观美化、水环境整治、能耗与运行费用低以及维护管理简单等优点。项目运行后的湖水水质为Ⅲ、Ⅳ类水, 达到一般景观水体水质Ⅳ类水标准, 为维护人工湖的水体生态健康、防洪排涝、雨水资源化利用及水力循环利用提供了工程示范与技术支持。