基于健康理念的人工湖泊形態(tài)構(gòu)建

嚴(yán)鈺

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近年來在城市規(guī)模不斷擴(kuò)大的同時(shí)，也產(chǎn)生了諸多問題：河湖水系不斷萎縮、洪澇干旱災(zāi)害頻發(fā)、環(huán)境質(zhì)量不斷惡化、生態(tài)系統(tǒng)衰退等。這種種問題也在一定程度上限制了城市建設(shè)和社會(huì)發(fā)展。黨的十八大以來，高度重視生態(tài)文明建設(shè)，新時(shí)期治水新思路應(yīng)運(yùn)而生，越來越多的城市加入了“挖湖”的行列，試圖通過人工湖的建設(shè)，效仿天然湖泊，提高水面率，主動(dòng)為行洪蓄洪留足空間，也為城市生態(tài)建設(shè)提供基地，豐富城市景觀。但現(xiàn)階段對(duì)于人工湖泊形態(tài)構(gòu)建的研究較少，且較為雜亂，大多研究是單一景觀導(dǎo)向的，且主要集中在平面形態(tài)上，如何從健康湖泊理念出發(fā)，合理構(gòu)建湖泊的湖盆形態(tài)，充分發(fā)揮其生態(tài)功能及綜合效益，尚缺乏研究。

1 健康湖泊形態(tài)內(nèi)涵

1.1 健康湖泊內(nèi)涵

健康湖泊[1]是人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)相協(xié)調(diào)的整合性概念。一個(gè)健康的湖泊既是生態(tài)良好的湖泊，又是造福人類的湖泊，它不僅能維持其生態(tài)功能，而且能夠可持續(xù)地滿足人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)其服務(wù)功能的需求[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于湖泊健康的定義主要是針對(duì)湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康，包括以下4個(gè)方面的內(nèi)涵[3-4]：

（1）湖泊具有充足的水量和優(yōu)良的水質(zhì)，既能夠維持生態(tài)系統(tǒng)平衡，又能夠滿足生產(chǎn)取水的需要。

（2）湖泊岸線流暢，死水區(qū)較少，湖體內(nèi)水流聯(lián)系強(qiáng)，并與周邊河道保持良好的連通性和完整性。

（3）湖泊抗干擾能力強(qiáng)，受突發(fā)的自然或人為干擾后，仍具有較強(qiáng)的自我修復(fù)能力。

（4）湖泊具有可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)，能夠保持和恢復(fù)生態(tài)與環(huán)境。

1.2 湖泊形態(tài)健康內(nèi)涵

湖泊形態(tài)表征為湖泊平面的與立體的幾何形狀。其中，平面形態(tài)取決于城市規(guī)劃或景觀布局，多從人的美學(xué)欣賞出發(fā)；湖盆立體形態(tài)主要受地形地質(zhì)條件的影響。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于湖泊形態(tài)健康的具體定義尚模糊，基于健康湖泊的定義，湖泊的形態(tài)結(jié)構(gòu)健康的具體內(nèi)涵是：

（1）健康的湖泊形態(tài)應(yīng)該能夠保障其供水、戲水、景觀、生態(tài)、環(huán)境、航運(yùn)等各項(xiàng)社會(huì)服務(wù)功能的發(fā)揮。

（2）健康的湖泊形態(tài)應(yīng)該能夠自我消化人類活動(dòng)產(chǎn)生的影響，在受到人類活動(dòng)干擾后，能夠迅速地恢復(fù)到自身原有的穩(wěn)定形態(tài)。

1.3 湖泊形態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

湖泊形態(tài)健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立科學(xué)性、主導(dǎo)性、易獲取性、完備性及簡(jiǎn)明性[5]的基礎(chǔ)上，由八個(gè)指標(biāo)組成：岸線發(fā)育系數(shù)、周長(zhǎng)面積比、湖岸硬質(zhì)化率、湖泊補(bǔ)給系數(shù)、濕地面積比、湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積比、湖泊面積動(dòng)態(tài)度、湖泊容積動(dòng)態(tài)度。

通過國(guó)內(nèi)外共100多個(gè)受人類活動(dòng)影響相對(duì)較小的湖泊的統(tǒng)計(jì)[6]，得知以下幾點(diǎn)：

（1）岸線發(fā)育系數(shù)（Z1）。即式中：S是湖泊岸線長(zhǎng)度；A是湖泊水面面積。天然湖泊約有90%的岸線發(fā)育系數(shù)分布在1.0～3.0，人工湖泊約有90%的岸線發(fā)育系數(shù)在1.6～4.2。

（2）周長(zhǎng)面積比（Z2）。天然湖泊中約85%分布在 0.1～1.0，人工湖泊約 85%分布在 0.4～3.5。

（3）湖岸硬質(zhì)化率（Z3）。指混凝土化岸堤長(zhǎng)度占總岸線周長(zhǎng)的比例，湖泊岸線的硬質(zhì)化導(dǎo)致湖泊陸域生態(tài)系統(tǒng)與水域生態(tài)系統(tǒng)的隔離，不利于湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

（4）湖泊補(bǔ)給系數(shù)（Z4）。指湖泊流域面積與湖水面積之比，可以反映天然湖泊的換水周期，而人工湖泊多采用工程調(diào)度，因此采用年換水次數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（5）濕地面積比（Z5）。這里指狹義的濕地，即低水位時(shí)水深小于2 m可種植水生植物的區(qū)域占湖泊總水域面積的比例。

（6）湖泊圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積比（Z6）。過渡的圍網(wǎng)養(yǎng)殖將影響湖泊的水體環(huán)境，破環(huán)其生態(tài)平衡。

（7）湖泊面積動(dòng)態(tài)度（Z7）。即湖泊面積的變化率，其值越大，表征湖泊形態(tài)越宜受到干擾。

（8）湖泊容積動(dòng)態(tài)度（Z8）。即湖泊容積的變化率，其值越大，表征湖泊形態(tài)越宜受到干擾。

湖泊形態(tài)健康綜合評(píng)價(jià)各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 湖泊健康綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 紫瑯湖湖泊形態(tài)構(gòu)建

2.1 典型湖泊案例分析

中國(guó)東部平原湖區(qū)共有大小湖泊約834個(gè)，其中大于1 km2的湖泊約有696個(gè)，總面積為21 171.60 km2，大于10 km2的湖泊約有138個(gè)，總面積19 587.50 km2。東部平原湖區(qū)較著名的湖泊有洞庭湖、洪澤湖、鄱陽(yáng)湖、巢湖、太湖等。

統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)人工湖的實(shí)例，人工湖平均水深一般在1.6～4.0 m。表2為五大淡水湖及東部地區(qū)部分典型人工湖的水深比照。

表2 五大淡水湖及典型人工湖深度情況

2.2 紫瑯湖湖泊形態(tài)構(gòu)建

2.2.1 紫瑯湖概況

紫瑯湖位于江蘇省南通市中央創(chuàng)新區(qū)范圍內(nèi)，是南通市城市水系規(guī)劃中的人工湖泊之一，湖區(qū)形狀接近葫蘆形，設(shè)計(jì)常水位為1.8 m，常水位下湖區(qū)面積為89.14 hm2。

2.2.2 湖區(qū)功能分析

從紫瑯湖的功能需求上來看，需滿足親水、垂釣、通航、自凈等不同功能要求，對(duì)于各功能需求，需滿足不同的水深要求：親水區(qū)水深需在0.2～0.5 m，垂釣區(qū)水深在0.8～1.5 m，通航區(qū)水深應(yīng)大于1.5 m，水體自凈要求深水區(qū)大于2 m；另外，水生植物的種植水深要求為0～2.0 m，水生動(dòng)物活動(dòng)適宜水深一般在 0.8～1.0 m。

結(jié)合上述功能分區(qū)及相應(yīng)的水深要求，在紫瑯湖湖盆形態(tài)構(gòu)建時(shí)，分沿岸帶、亞沿岸帶和深水帶三部分[10]設(shè)計(jì)，湖底形態(tài)有深有淺、深淺結(jié)合。

2.2.3 構(gòu)建方案

紫瑯湖是人工湖泊，它的平面形態(tài)結(jié)合城市總體規(guī)劃及其旅游休閑服務(wù)功能要求設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)岸線平滑柔和，島嶼灑落其間，具有一定的形態(tài)美感，筆者主要在設(shè)計(jì)岸線下構(gòu)建湖盆形態(tài)，充分利用其現(xiàn)有岸線的蜿蜒曲折營(yíng)造湖區(qū)深淺不一的水生生境，如圖1所示。

圖1 紫瑯湖水下地形圖

紫瑯湖的南北部最大設(shè)計(jì)水深為3.5 m，同時(shí)按照1∶20的緩坡拓寬沿岸0～0.5 m水深的分布帶，沿岸2 m范圍內(nèi)水深盡量不大于0.5 m。中部穿河隧道湖區(qū)在滿足隧道覆土要求的前提下適當(dāng)加高局部湖底高程，設(shè)計(jì)水深2.5 m。南部島鏈內(nèi)部空間較狹窄，因此島鏈內(nèi)側(cè)放坡設(shè)計(jì)為1∶10，外部放坡為1∶20，既保證島鏈內(nèi)部有開闊的過渡區(qū)水深區(qū)域，也能保證島鏈外部有較大范圍的淺水種植區(qū)，增強(qiáng)景觀和生態(tài)效果。湖內(nèi)島嶼近岸側(cè)水域比較狹窄，在該類狹窄區(qū)域保證最大水深至少為2.0 m，放坡不大于1∶5。

該湖盆形態(tài)下，沿岸帶占比30%左右，亞沿岸帶占比45%左右，深水帶占比25%左右，最大水深約3.5 m，常水位下庫(kù)容202.24萬m3，水面面積為89.14萬m2，平均水深2.27 m，見表3。

表3 紫瑯湖水深分配占比情況統(tǒng)計(jì)

3 紫瑯湖形態(tài)健康評(píng)價(jià)

3.1 紫瑯湖形態(tài)健康分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，從前述八個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行湖泊形態(tài)健康評(píng)價(jià)（見表4）：

（1）岸線發(fā)育系數(shù)。紫瑯湖水面面積為0.89 km2，岸線長(zhǎng)度為12.49 km，岸線發(fā)育系數(shù)約為3.73，Z1指標(biāo)屬于健康的范疇。

（2）紫瑯湖周長(zhǎng)面積比值約等于14.03，Z2指標(biāo)屬于不健康的范疇，其主要原因是由于紫瑯湖岸線曲折，且湖泊內(nèi)島嶼眾多。

（3）岸坡硬化率小于10%，全湖除碼頭段均為生態(tài)緩坡，Z3指標(biāo)屬于健康范疇。

（4）紫瑯湖換水周期為30 d，湖水的年交換律大于10，Z4指標(biāo)達(dá)健康要求。

（5）紫瑯湖濕地的總面積可達(dá)25.89 km2，占總面積的29.05%，大于10%，Z5指標(biāo)達(dá)健康要求。

（6）湖泊無圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)域，Z6指標(biāo)達(dá)健康要求。

（7）湖泊的岸坡系人工構(gòu)筑的生態(tài)緩坡或硬質(zhì)化護(hù)坡，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、穩(wěn)定、耐沖蝕強(qiáng)，能夠較長(zhǎng)久地保持岸線形態(tài)的規(guī)整，湖泊面積動(dòng)態(tài)度小。

（8）紫瑯湖的水源是通過河網(wǎng)引來的河水，有一定的含沙量，但大部分可淤積的泥沙基本都在河道中沉淀了下來，進(jìn)入紫瑯湖的泥沙含量已經(jīng)很低。在紫瑯湖基本不會(huì)造成嚴(yán)重的淤積，改變生境和防洪、排澇的條件。湖泊容積動(dòng)態(tài)度小。

表4 紫瑯湖健康評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值

3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

3.2.1 評(píng)價(jià)模型

模糊綜合評(píng)價(jià)就是在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的一種方法[11]，是由美國(guó)控制論專家查德（L.A.Zadeh）奠定基礎(chǔ)的。模糊綜合評(píng)價(jià)基本步驟如下：

（1）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)集 Z={Z1，Z2，…，Zp}，分別對(duì)應(yīng)湖泊形態(tài)健康評(píng)價(jià)的八項(xiàng)指標(biāo)。

（2）確定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)模型 V={V1，V2，…，Vm}。

（3）確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度，建立模糊關(guān)系矩陣。逐個(gè)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)Z1～Z8進(jìn)行量化，即確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)于各評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，進(jìn)而得到模糊關(guān)系矩陣R：

（4）確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值 W={W1，W2，…，Wp}。

（5）將權(quán)重向量W與模糊矩陣R進(jìn)行模糊乘，得到歸屬類別矩陣B：

3.2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)集及相應(yīng)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)得到模糊關(guān)系矩陣R：

由專家打分法確定指標(biāo)Z1～Z8的權(quán)重分別為0.136、0.154、0.120、0.103、0.102、0.128、0.137、0.120，得到紫瑯湖湖泊形態(tài)歸屬類別矩陣B={0.717 5，0.128 5，0.154 0}。

因此紫瑯湖形態(tài)健康對(duì)于健康的隸屬度為0.717 5，亞健康的隸屬度為0.128 5，不健康的隸屬度為0.154 0。總體上，紫瑯湖的形態(tài)結(jié)構(gòu)健康是可以達(dá)到的，滿足生境和防洪、排澇的要求。

4 結(jié) 語

湖泊形態(tài)的健康對(duì)湖泊的管理維護(hù)、開發(fā)利用以及可持續(xù)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。對(duì)構(gòu)建的紫瑯湖形態(tài)進(jìn)行了健康評(píng)價(jià)分析，個(gè)別指標(biāo)有所欠缺，總體為健康的人工湖泊，進(jìn)一步論證了其形態(tài)構(gòu)架的合理性。然而湖泊形態(tài)健康的影響因素是眾多的，評(píng)價(jià)指標(biāo)的全面性以及各指標(biāo)之間的影響均待進(jìn)一步的研究。