濱海淡水人工湖設計關鍵技術研究

常廣品，姜 濤

(1.中電建華東勘測設計研究院(鄭州)有限公司，河南 鄭州 450018；2.鄭州市城鄉建設局，河南 鄭州 450018)

人工湖對于改善局部地區生態景觀環境發揮著重要作用，濱海地區降雨季節性差異大、蒸發量大、土層含砂量高滲透系數大、河道水體和地下水含鹽量高高，如何選擇合適的水源補給、防滲方式、蓄水方式值得研究和思考。張智[1]等人在重慶大學虎溪校區人工湖設計時綜合采用降雨、河水、自來水作為人工湖水源；陳宏平[2]等人研究表明校園再生水用于人工湖補水，不僅造價低，同時可以達到景觀用水標準；田玉蘭[3]等人對比研究了人工湖不同的生態防滲技術，將粘土防滲技術應用到燕雀湖；郭銘[4]研究顯示膨潤土防水毯具有防滲效果好、施工簡單的特點；何瑩[5]等人在太陽島人工湖采用膨潤土防水毯作為防滲材料起到了良好的效果；劉彥汐[6]等人研究表明水生植物根系越發達水質凈化功能越好。為使濱海地區人工湖建成后可以發揮預期的生態景觀效果，本文開展相應的研究工作。

1 項目概況

海南省某高校新校區位于海口市美蘭區陶沙村北側，距離瓊州海峽430m，最近河道160m。該校區內開挖人工湖面積1萬m2，匯水面積5.35萬m2，平均水深2.50m，蓄水量約2.5萬m3，如圖1所示。海口市屬亞熱帶季風氣候，5—10月為雨季，11月至次年4月為旱季，全年降雨量及蒸發量均出現比較大的月份差異，見表1。6—10月降雨量大于蒸發量，其余月份降雨量小于蒸發量。瓊州海峽平均潮位0.70～1.78m，潮差較小，受臺風影響時潮差增大至3～4m。地塊內土層以粉砂為主，滲透系數為1.6×10-3。地下水水位標高1.17～1.57m，高于人工湖湖底1.0m，地下水含鹽量約5‰，高于相關地方標準中挺水植物種植區水體含鹽量低于2‰的要求。

表1 海口市近30年月平均降雨量及蒸發量

圖1 校園人工湖

2 水源選擇

本工程可利用水源包括海水、咸淡水、雨水及校園中水，海水及咸淡水不利于微生物和具有水質凈化作用的淡水魚類生長、不利于耐鹽量低的水生植物生長，為保證湖區形成自然生態系統，具有一定的自凈能力，采用淡水蓄水。以雨水補水為主，在長期干旱等特殊情況下中水應急補充。雨水收集利用符合海綿城市建設理念，同時可減輕市政管網排水壓力。

園區內設計地面高程4.20m，該區域潮位0.70～1.78m，為防止湖區水體受潮位影響，采用高水位蓄水，設計水位為3.70m。湖區設置淺水區和深水區，淺水區水深0.50m，深水區最深處2.70m。

海口市30年的月均降雨量見表1，按照園區徑流系數0.50、匯水面積5.35萬m2計算，湖區匯水范圍1—12月降雨量分別為619、1111、1587、3175、5715、7207、6921、7480、7747、7112、2571、1111m3。年總降雨量5.24萬m3。

湖區水體損失主要是蒸發和滲漏。根據表1中海口市30年的月均蒸發量計算，1—12月蒸發量分別為850、820、1270、1590、1870、1880、2060、1770、1500、1480、1240、1020m3。年總蒸發量1.74萬m2。在無防滲措施情況下，湖底滲透系數取粉砂層1.6×10^-3cm/s，年總滲漏量約497.6萬m3。

因此可見，湖底在無防滲措施情況下年缺水量約494.1萬m3，遠大于年總降雨量5.24萬m3，自然條件下人工湖無法實現蓄水，湖底需考慮防滲措施。

3 湖底防滲

水利工程中常用的防滲措施有混凝土、膨潤土防水毯、土工膜、粘土等，見表2。混凝土防滲因結構本身存在的熱脹冷縮變形大的原因，結構需進行分縫，分縫處止水施工難度較大，損壞后不容易修復。膨潤土防水毯滲透系數小防滲效果好，但是生態效果較差，不利于水生植物和微生物生長。土工膜防滲具有滲透系數小防滲效果好的特點，但是施工過程中發生刺破防滲效果大打折扣，滲漏點查找及修復比較困難。粘土防滲兼顧防滲與生態效果，自我修復能力強，造價低，施工方便。綜合比選考慮，湖底采用粘土防滲。

表2 湖底防滲方式對比表

按照湖底80cm厚粘土防滲，滲透系數取1.2×10-6cm/s，湖區年總滲漏量約3732.5m3，湖區每年降雨量扣除蒸發和滲漏后水體凈流入量約3.13萬m3。即采用粘土防滲情況下，只以雨水為水源，全年可以滿足人工湖蓄水要求。經對比各月來水與水體損失發現，4—11月人工湖來水均大于損失，12月至次年3月水體損失大于補水量。考慮天氣不穩定性，防止出現長期干旱時候人工湖水位過低影響景觀效果，將校園中水作為應急補水水源，如圖2所示。

圖2 人工湖水體流入與損失對比圖

4 蓄水堰壩

為保證人工湖主湖區水位穩定，在湖區出水口明渠段設置兩級蓄水堰壩，兩處堰壩距離80m，明渠段寬度15m，水深1.50m，形成約1800m3補水池，池內設置500m3/h補水泵站向主湖區補水。兩級堰壩頂高程分別為3.70和3.20m，壩頂寬度均為15m，如圖3所示。

圖3 兩級蓄水堰壩

采用經驗公式法計算蓄水堰壩溢流洪峰流量，海口市的排澇標準按50年一遇，人工湖常水位3.70m，高水位4.00m，匯水面積F=0.133km2。

4.1 海口市暴雨強度公式

(1)

式中，T—暴雨重現期；t—降雨歷時，min；i—暴雨強度，mm/min。

經計算，海口市一年一遇降雨強度為62.85mm/h。

4.2 設計流量計算

因匯水面積為0.133km2小于10km2，采用城市設計澇水計算經驗公式：

Qp=kqφF

(2)

式中，Qp—規定頻率為P%的設計流量，m3/s；k—與所用單位有關的系數；q—1小時降雨量，mm；φ—徑流系數；F—匯水面積，km2。

經計算，人工湖出口處設計洪峰流量Qp=1×62.85×0.45×0.133=3.76m3/s；

4.3 堰壩規模計算

第一級蓄水堰壩頂高程3.70m，設計高水位4.00m。采用理正水力學計算軟件，根據排水出口最大洪峰流量計算壩體規模。經計算，堰壩單寬最大過水流量為0.334m3/s，所需堰壩寬度為3.76/0.334=11.25m，15m寬堰壩過水能力可以滿足暴雨期間人工湖排澇需要。

5 結語

開挖人工湖往往對建成后效果、品質及運行成本具有較高的要求。根據濱海地區降雨、蒸發、地質、周邊水體等特點，以自然降雨補水為主體，湖底設置80cm厚粘土生態防滲方式，人工湖出口結合堰壩設置形成補水池，實現了濱海地區淡水人工湖蓄水和水質的維持，具有較高的參考價值。我國海岸線較長，不同濱海地區也存在一定的自然地理環境差異，本文的研究對象位于南方地區，如何針對北方濱海地區特點提出更加優化的方法，可以作為日后進一步研究的方向。