基于生態功能分區的平原河網生態校園景觀水系水生態規劃探討

謝 忱，黃 溢，鐘勝財，丁 瑞，蔡秋鵬，烏景秀

(1. 南京水利科學研究院，江蘇南京 210029；2. 蘇州市環境科學研究所，江蘇蘇州 215004；3.上海水生環境工程有限公司，上海 200090)

大學校園作為給國家培養棟梁的主要場所，一直以來都是社會各界關注的焦點，隨著社會經濟的快速發展，校園生態環境問題日益突出，人們對建設校園美好生態環境的需求也日益強烈。特別是隨著生態文明建設的發展，“生態校園”的概念逐漸被熟知與理解。

我國對生態校園的研究始于20世紀80年代，直到21世紀才逐漸成為研究的焦點[1]。但目前，我國在生態校園建設規劃過程中，更多的是融入生態、綠色、健康、環保等元素[2]，而較少關注水生態、水景觀、水文化三者的有機融合。因此，本文以某學院智慧水利示范建設項目規劃設計為基礎，并結合水體結構、水深等生境類似且成功的水生態構建案例——上海之魚[3-4]，探討如何建設一個以水生態、水景觀、水文化等多元化景觀水系為前提的全方位生態校園，為衡量一個生態校園成功與否提供重要的參考。

1 規劃背景

由圖1可知，學院位于湖州市南潯區，北鄰南長興港、東倚沈莊漾，西靠陽安塘，南依博成橋港，整體地勢平坦，原有大片魚塘、農田。整個學院占地面積約1 471畝(1畝=666.67 m2)，水域面積約271畝，主湖區水系面積約134畝，外環水系面積約104畝，屬于典型的平原河網水系，其水流較平緩、結構四通八達。但校園水系規劃使用泵站及鋼泵閘與外界水系隔開，外圍補水水源需經過濕地凈化后，才能匯入校內水系。

圖1 校園位置圖及鳥瞰圖Fig.1 General Plan and Aerial View of the Campus

學院智慧水利通過：面源控制、水源濕地凈化、水動力調控、水生態構建、科普教學、智慧運管多措并舉、因地制宜地進行系統性智慧提升，總體思路如圖2所示。

圖2 總體思路Fig.2 General Ideas

學院智慧水利示范建設項目總體建設目標是促使學校達到水安全保障、水環境提升、水生態修復、水文化傳承、水教學科普、水管理智慧的多重目標，總體目標如圖3所示。

圖3 總體目標Fig.3 General Objectives

水安全：防洪排澇安全(防洪50年，排澇20年標準)，確保百年一遇強降雨不淹不澇。

水環境：主要指標達到Ⅲ類，水體透明度>0.8 m，核心區>1.2 m；水環境容量、動力調控科學合理；活水補水、人造階梯水位、有序流動。

水生態：抗擾動，水生境穩定、良性循環。

水文化：傳承水校歷史、南潯文化，弘揚水利人精神。

水教學：智慧水渠、濕地、海綿城市、湖泊生態點、運維中心等科普教學示范點；水工水力學、河流動力學、環境水利、生態水利、水信息學、能源學等多學科實景教學。

水管理：全生命周期智慧運維管理。

在校園整體規劃上，以“把學校建設在實驗室上”為理念，以“建設科技、科研、實驗、實習、環保、生態、健康等多功能的生態智慧校園”為目標，以高品質水生態(地表水質類別為Ⅲ類)建設為基礎，以西湖“三面云山一面城”的空間意向為原型，結合現狀地形條件及周邊環境的特點，形成“一湖兩軸兩環三帶”的空間結構[5]。并通過構建水生態、打造水景觀、塑造水文化等方法，構建一個以人水和諧、功能多元的校園景觀水系為基礎的全方位生態智慧校園。

2 水生態規劃設計

2.1 規劃理念

校園水系是生態校園至關重要的生態系統，對其生態化、自然化的規劃有利于生態系統的長久穩定，能顯著提高生態校園環境品質。大型維管束水生植物群落(挺水植物、浮葉植物、沉水植物)、水生動物群落(大型底棲動物、魚類、浮游動物)、微生物群落共同構成了水系生態系統多層級的食物鏈網，是物質在系統內完成遷移、轉化、積累、代謝、釋放的基礎條件。校園水系水生態系統的合理構建對水系生態系統呈現良好的生態目標，起著極其重要的作用。

本項目校園水系的水生態系統構建主要依據河網水系水質現狀、水環境容量及預期凈化目標。以生態原理為指導、生態平衡為原則，并結合以沉水植物修復為主的水生態構建案例——上海之魚，通過沉水植被修復為先導；在規劃紅線內重現構建“清水型健康水生態系統”，使規劃后的校園水系水生動植物、微生物之間形成平衡的食物鏈網結構；進而形成一個健康的水生態系統，實現水系生態自我維持、自我演替的動態平衡過程[6]和校園水系水質凈化、水景觀提升、水文化和諧的整體目標。清水型健康生態系統構建原理如圖4所示。

圖4 清水型健康生態系統構建原理圖Fig.4 Schematic Diagram of Clean Water Healthy Ecosystem Construction

2.2 水生態目標校核

水生態規劃需依據河網水系水質現狀、水環境容量及預期凈化目標，因此，水生態規劃前應對水生態承載力或水環境容量、污染負荷等進行計算分析，以確定水生態目標校核。

2.2.1 污染負荷分析

項目水系以新開挖水系為主，部分水系為老水系擴建，并對老水系表層底泥進行清淤(清淤后的淤泥計劃項目內其他工程待用)。因此，項目污染源主要為大氣沉降、地表徑流及補水水源污染，不考慮內源污染，計算如式(1)～式(5)。由表1～表3可知，總污染負荷為高錳酸鹽指數(CODMn)：86.25 t/a；總氮(TN)：8.10 t/a；氨氮(NH3-N)：4.06 t/a；總磷(TP)：0.69 t/a。結合水環境容量分析，計算如式(6)，由表4可知，需削減負荷量為CODMn：-13.64 t/a；TN：2.48 t/a；NH3-N：1.36 t/a；TP：0.45 t/a。

1)大氣沉降

Wd=A×Fd/1 000

(1)

其中：Wd——大氣沉降污染負荷，t/a；

A——水系受納面積，km2；

Fd——大氣營養鹽沉降年通量，kg/(km2·a)。

根據資料，大氣營養鹽沉降年通量CODMn：48 516.86 kg/(km2·a)，TN：4 950.7 kg/(km2·a)，NH3-N：897.6 kg/(km2·a)，TP：67.2 kg/(km2·a)[7-9]，本水系水域治理面積為受納面積，水域面積為15.0萬m2。

2)地表徑流

Qm=10-3Q×C×A

(2)

其中：Qm——降雨產生的路面水量，m3/a；

Q——年平均降雨量，mm；

A——集水區地表面積，m2；

C——集水區徑流系數。

根據《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)，硬化地面(道路路面、人工建筑物屋頂等)的綜合徑流系數可取0.70，其他綠化地面(草地、植被地表等)的徑流系數可取0.15[10]；年均降雨量為1 294.2 mm。

地表徑流中主要污染物排放負荷如式(3)。

Wm=10-6Qm×Cm

(3)

其中：Wm——地表徑流中主要污染物排放年負荷，t/a；

Qm——降雨產生的路面水量，m3/a；

Cm——不同區域次降雨徑流平均濃度(event mean concentration，EMC)，mg/L。

根據資料，區域EMC值如表1所示[11]。

表1 區域EMC值參考表Tab.1 EMC Reference Value in Region

3)補水水源污染負荷

本項目補水方式主要為2種，前期一次性補水(37萬m3，補水水源為南長興港)和后期每日濕地補水(3 000 m3)，補水水源污染計算如式(4)，補水水質如表2所示。

Wn=10-3V×Cr

(4)

其中：Wn——湖體補水水源污染年污染量，t/a；

V——不同湖體年水容量，m3/a；

Cr——不同湖體中水污染濃度，mg/L。

表2 補水水源水質濃度參數Tab.2 Water Quality Parameters of Replenished Water Source

4)總污染負荷

本項目總污染負荷主要為面源污染，面源污染包括干濕沉降和地表徑流，計算如式(5)，年總污染負荷如表3所示。

Wz=Wd+Wm+Wn

(5)

其中：Wz——本次治理河道年總污染負荷，t/a。

表3 該水系治理年總污染負荷Tab.3 Total Annual Pollution Load of the Water System

5)水環境容量

本工程治理水系的水生態系統構建范圍為外環水系及主湖區水系。因此，用水庫納污能力數學模型公式[12]計算水環境容量，如式(6)，項目建設目標主要為Ⅲ類，需削減的污染量如表4所示。

W=[Q×(Cs-C0)+365k×V×Cs]/1 000 000

(6)

其中：W——水功能區納污能力，t/a；

Q——湖庫設計蓄水量，m3；

Cs——水功能區水質目標，mg/L；

C0——湖庫初始濃度，mg/L；

k——污染物綜合衰減系數，d-1；

V——水功能區水體體積，m3。

表4 需削減污染量分析表Tab.4 Analysis of Water Pollution Load Reduction

2.2.2 目標可達性分析

項目后期建立以苦草為先導的“沉水植物—水生動物—微生物”共生生態的水生態系統，結合水下微生態系統構建及水體凈化模擬試驗分析[13]，為滿足涉及目標要求，項目需設計沉水植物系統面積為74 347.43 m2及以上，計算如式(7)，具體分析如表5所示。

Sz=Wz/Pz

(7)

其中：Sz——去除污染物z需種植的沉水植物面積，m2；

Pz——單位平方米污染物z的凈化效率，g/m2。

表5 目標可達性分析Tab.5 Analysis of Targets Reachability

2.3 功能分區規劃設計

如圖5所示，在學院水生態規劃設計中，根據其功能以及現場區域特點、水質狀況等實際情況，對每個區域進行不同的功能定位，采取不同的凈化措施進行強化處理，以構建完整的水生態系統。本項目水生態規劃共設定生態保障區、生態緩沖區、生態恢復區及生態保育區4個生態功能分區，表6為各功能區基本參數。

圖5 功能分區示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Functional Zoning

表6 各功能區基本參數Tab.6 Basic Parameters of Each Functional Area

(1)生態保障區

外環河道水系范圍內，主要作為學院主湖區的進水通道，面積約6萬m2，寬約10 m，水深一般為2 m，最深2.5 m，兩側以自然生態駁岸為主，將此處水域定位為“生態保障區”。主要針對帶狀水系、水深較淺的生境特點，采取沉水植物凈化系統、濱水帶植物凈化系統、增氧曝氣等凈化措施，進行初步強化處理，構建以矮生耐寒苦草為主、輔以刺苦草的低矮品種沉水植物群落，呈現優美的“水下草皮”景觀效果?？蛇x擇較野趣的水生花卉(水生植物)造景，充分發揮水生花卉的姿韻、線條、色彩等自然美，在發揮凈化水質的同時，提升景觀效果。在外環河道水系水流滯留區、盲端區等，通過增氧曝氣的設置增加水體溶解氧，實現生態清潔小流域的功能，以保障主湖區水體水質穩定。

(2)生態緩沖區

外環河道水系與主湖區水系進行水體交換區域，以及應急備用水源進水通道，面積約1萬m2，寬約20 m，水深一般為2 m，最深3.0 m，兩側以自然生態駁岸為主，將此處水域定位為“生態緩沖區”。主要針對外河引水、河湖交界的生境特點，通過地形改造優化達到多級沉淀效果，消減泥沙等入湖量，并采用生物基攔網等凈化措施進行強化處理，消減營養物質入湖，以實現生態緩沖功能，維持主湖區水體水質穩定。

(3)生態恢復區

學院主湖區3.0 m以淺范圍內，主要作為學院主湖區水生態系統構建及景觀節點營造區域，面積約5.4萬m2，將此處水域定位為“生態恢復區”。主要針對濱湖交界、水下地形條件多樣的生境特點，采取沉水植物凈化系統、濱水帶植物凈化系統、增氧曝氣等凈化措施，結合不同種群水生植物的生態位，構建以矮生耐寒苦草、刺苦草為主，輔以馬來眼子菜、輪葉黑藻及金魚藻等凈化能力強的沉水植物群落，呈現生物性多樣的“水下森林”景觀效果。同時，利用景觀美學，通過濱水帶植物點、線、面的布局方式，結合植物掛牌介紹，展示植物的種植水深、搭配層次，增加觀賞性和科普教育性，削減營養物質，為水體的水質凈化提供了基礎條件，并通過增氧曝氣增加水體溶解氧，恢復水生態系統的自凈功能。

(4)生態保育區

學院主湖區3.0 m以深區域，采用生物操縱技術，在水底建筑人工魚巢營造水生動物棲息環境，并在水體中投放肉食性的鱖鳡魚類以及河蚌河蜆等大型底棲動物，通過對藻類的攝食控制水體中的藻類生物量，以實現預防藻類水華暴發和改善水質的目的。

2.4 水景觀規劃設計

水景觀是生態校園水系建設的重要組成部分，對生態校園的可持續發展具有重要的支撐作用。校園水景觀規劃設計中應注重多元人文表達，回歸項目區位和專業特色，打造底蘊深厚的文化校園。將校園文化、區位人文文化、乃至中華文化隱喻在生態校園水系中、表達于景觀主題和小品細節之間。

本項目根據學院位置和學校特色，結合中華道法文化、水院文化、南潯橋文化打造多元的生態水院校園水系景觀。如圖6所示，如校園行政樓南側大面積荷花、睡蓮的布置寓意水院育人“出淤泥而不染”的清廉品質；校園南側與東南側的人工濕地通過植物掛牌介紹，形成獨特濕地景觀的同時，對學生進行科普宣傳；將極具南潯文化特征的雕塑置于西書齋前的島嶼上，進行南潯文化宣傳的同時，增加趣味性；內湖正南面區域設計以“漣漪”為理念，通過噴泉、涌泉、提水曝氣裝置增加溶解氧的同時，營造動態水景；內湖西南側區域通過選擇不同品種、不同花色的鳶尾搭配，融入植物文化，形成鳶尾植物專類園等。

3 結論與展望

校園水系是生態校園總體建設的重要組成部分[14]。特別是新規劃的校園，其校園景觀水系的水生態系統健康構建不僅涉及水質凈化、水生態穩定，還需與水文化、水景觀相融合，以營造一個“景觀、人文、生態”相互交融的校園生態景觀。本文以某學院智慧水利示范建設項目中的水生態系統構建為例，依據其功能以及現場區域特點、水質狀況等實際情況，結合水生態目標校核，設定生態保障區、生態緩沖區、生態恢復區及生態保育區4個生態功能分區，采取多種凈化措施進行強化處理，以構建完整的生態校園景觀水系水生態系統，并以文化、水景觀規劃為補充，構建一個水生態、水景觀、水文化等多元化景觀水系。

對于現代化的生態校園而言，校園水系水質的長效穩定至關重要，為呈現良好的實施效果，離不開前期規劃與策劃，亦離不開水系的專業管養。俗話說“三分建、七分養”，校園水系生態規劃更是需要樹立建、管、養并重的理念[15]。校園水系整體規劃需制定特定的管護方案，組建專業化的管護隊伍，完善水生態監測系統，根據水生動植物的生長繁殖習性，分別對水生植物進行修剪、收割、補種及對水生動物進行捕撈、投放等專業化、精細化的管養。同時，依據校園水系水質的變化及時應急調控，才能確保水體的長治久清、水生態系統的健康穩定，從而長久提升校園的生態環境品質，為校園師生創造一個人水和諧的生活學習環境。