基于健康理念的人工湖泊形态构建

严钰

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

近年来在城市规模不断扩大的同时，也产生了诸多问题：河湖水系不断萎缩、洪涝干旱灾害频发、环境质量不断恶化、生态系统衰退等。这种种问题也在一定程度上限制了城市建设和社会发展。党的十八大以来，高度重视生态文明建设，新时期治水新思路应运而生，越来越多的城市加入了“挖湖”的行列，试图通过人工湖的建设，效仿天然湖泊，提高水面率，主动为行洪蓄洪留足空间，也为城市生态建设提供基地，丰富城市景观。但现阶段对于人工湖泊形态构建的研究较少，且较为杂乱，大多研究是单一景观导向的，且主要集中在平面形态上，如何从健康湖泊理念出发，合理构建湖泊的湖盆形态，充分发挥其生态功能及综合效益，尚缺乏研究。

1 健康湖泊形态内涵

1.1 健康湖泊内涵

健康湖泊[1]是人类经济社会发展与生态系统保护相协调的整合性概念。一个健康的湖泊既是生态良好的湖泊，又是造福人类的湖泊，它不仅能维持其生态功能，而且能够可持续地满足人类经济社会发展对其服务功能的需求[2]。

目前，国内外对于湖泊健康的定义主要是针对湖泊的生态系统健康，包括以下4个方面的内涵[3-4]：

（1）湖泊具有充足的水量和优良的水质，既能够维持生态系统平衡，又能够满足生产取水的需要。

（2）湖泊岸线流畅，死水区较少，湖体内水流联系强，并与周边河道保持良好的连通性和完整性。

（3）湖泊抗干扰能力强，受突发的自然或人为干扰后，仍具有较强的自我修复能力。

（4）湖泊具有可持续的生态系统，能够保持和恢复生态与环境。

1.2 湖泊形态健康内涵

湖泊形态表征为湖泊平面的与立体的几何形状。其中，平面形态取决于城市规划或景观布局，多从人的美学欣赏出发；湖盆立体形态主要受地形地质条件的影响。目前国内外对于湖泊形态健康的具体定义尚模糊，基于健康湖泊的定义，湖泊的形态结构健康的具体内涵是：

（1）健康的湖泊形态应该能够保障其供水、戏水、景观、生态、环境、航运等各项社会服务功能的发挥。

（2）健康的湖泊形态应该能够自我消化人类活动产生的影响，在受到人类活动干扰后，能够迅速地恢复到自身原有的稳定形态。

1.3 湖泊形态健康评价指标体系

湖泊形态健康综合评价指标体系建立科学性、主导性、易获取性、完备性及简明性[5]的基础上，由八个指标组成：岸线发育系数、周长面积比、湖岸硬质化率、湖泊补给系数、湿地面积比、湖泊围网养殖面积比、湖泊面积动态度、湖泊容积动态度。

通过国内外共100多个受人类活动影响相对较小的湖泊的统计[6]，得知以下几点：

（1）岸线发育系数（Z1）。即式中：S是湖泊岸线长度；A是湖泊水面面积。天然湖泊约有90%的岸线发育系数分布在1.0～3.0，人工湖泊约有90%的岸线发育系数在1.6～4.2。

（2）周长面积比（Z2）。天然湖泊中约85%分布在 0.1～1.0，人工湖泊约 85%分布在 0.4～3.5。

（3）湖岸硬质化率（Z3）。指混凝土化岸堤长度占总岸线周长的比例，湖泊岸线的硬质化导致湖泊陆域生态系统与水域生态系统的隔离，不利于湖泊生态系统的健康发展。

（4）湖泊补给系数（Z4）。指湖泊流域面积与湖水面积之比，可以反映天然湖泊的换水周期，而人工湖泊多采用工程调度，因此采用年换水次数进行评价。

（5）湿地面积比（Z5）。这里指狭义的湿地，即低水位时水深小于2 m可种植水生植物的区域占湖泊总水域面积的比例。

（6）湖泊围网养殖面积比（Z6）。过渡的围网养殖将影响湖泊的水体环境，破环其生态平衡。

（7）湖泊面积动态度（Z7）。即湖泊面积的变化率，其值越大，表征湖泊形态越宜受到干扰。

（8）湖泊容积动态度（Z8）。即湖泊容积的变化率，其值越大，表征湖泊形态越宜受到干扰。

湖泊形态健康综合评价各指标分级标准见表1。

表1 湖泊健康综合评价指标分级标准

2 紫琅湖湖泊形态构建

2.1 典型湖泊案例分析

中国东部平原湖区共有大小湖泊约834个，其中大于1 km2的湖泊约有696个，总面积为21 171.60 km2，大于10 km2的湖泊约有138个，总面积19 587.50 km2。东部平原湖区较著名的湖泊有洞庭湖、洪泽湖、鄱阳湖、巢湖、太湖等。

统计国内人工湖的实例，人工湖平均水深一般在1.6～4.0 m。表2为五大淡水湖及东部地区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况

2.2 紫琅湖湖泊形态构建

2.2.1 紫琅湖概况

紫琅湖位于江苏省南通市中央创新区范围内，是南通市城市水系规划中的人工湖泊之一，湖区形状接近葫芦形，设计常水位为1.8 m，常水位下湖区面积为89.14 hm2。

2.2.2 湖区功能分析

从紫琅湖的功能需求上来看，需满足亲水、垂钓、通航、自净等不同功能要求，对于各功能需求，需满足不同的水深要求：亲水区水深需在0.2～0.5 m，垂钓区水深在0.8～1.5 m，通航区水深应大于1.5 m，水体自净要求深水区大于2 m；另外，水生植物的种植水深要求为0～2.0 m，水生动物活动适宜水深一般在 0.8～1.0 m。

结合上述功能分区及相应的水深要求，在紫琅湖湖盆形态构建时，分沿岸带、亚沿岸带和深水带三部分[10]设计，湖底形态有深有浅、深浅结合。

2.2.3 构建方案

紫琅湖是人工湖泊，它的平面形态结合城市总体规划及其旅游休闲服务功能要求设计的。设计岸线平滑柔和，岛屿洒落其间，具有一定的形态美感，笔者主要在设计岸线下构建湖盆形态，充分利用其现有岸线的蜿蜒曲折营造湖区深浅不一的水生生境，如图1所示。

图1 紫琅湖水下地形图

紫琅湖的南北部最大设计水深为3.5 m，同时按照1∶20的缓坡拓宽沿岸0～0.5 m水深的分布带，沿岸2 m范围内水深尽量不大于0.5 m。中部穿河隧道湖区在满足隧道覆土要求的前提下适当加高局部湖底高程，设计水深2.5 m。南部岛链内部空间较狭窄，因此岛链内侧放坡设计为1∶10，外部放坡为1∶20，既保证岛链内部有开阔的过渡区水深区域，也能保证岛链外部有较大范围的浅水种植区，增强景观和生态效果。湖内岛屿近岸侧水域比较狭窄，在该类狭窄区域保证最大水深至少为2.0 m，放坡不大于1∶5。

该湖盆形态下，沿岸带占比30%左右，亚沿岸带占比45%左右，深水带占比25%左右，最大水深约3.5 m，常水位下库容202.24万m3，水面面积为89.14万m2，平均水深2.27 m，见表3。

表3 紫琅湖水深分配占比情况统计

3 紫琅湖形态健康评价

3.1 紫琅湖形态健康分析

根据设计方案，从前述八个指标来进行湖泊形态健康评价（见表4）：

（1）岸线发育系数。紫琅湖水面面积为0.89 km2，岸线长度为12.49 km，岸线发育系数约为3.73，Z1指标属于健康的范畴。

（2）紫琅湖周长面积比值约等于14.03，Z2指标属于不健康的范畴，其主要原因是由于紫琅湖岸线曲折，且湖泊内岛屿众多。

（3）岸坡硬化率小于10%，全湖除码头段均为生态缓坡，Z3指标属于健康范畴。

（4）紫琅湖换水周期为30 d，湖水的年交换律大于10，Z4指标达健康要求。

（5）紫琅湖湿地的总面积可达25.89 km2，占总面积的29.05%，大于10%，Z5指标达健康要求。

（6）湖泊无围网养殖区域，Z6指标达健康要求。

（7）湖泊的岸坡系人工构筑的生态缓坡或硬质化护坡，结构强度大、稳定、耐冲蚀强，能够较长久地保持岸线形态的规整，湖泊面积动态度小。

（8）紫琅湖的水源是通过河网引来的河水，有一定的含沙量，但大部分可淤积的泥沙基本都在河道中沉淀了下来，进入紫琅湖的泥沙含量已经很低。在紫琅湖基本不会造成严重的淤积，改变生境和防洪、排涝的条件。湖泊容积动态度小。

表4 紫琅湖健康评价指标数值

3.2 模糊综合评价

3.2.1 评价模型

模糊综合评价就是在模糊数学的基础上，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，进行综合评价的一种方法[11]，是由美国控制论专家查德（L.A.Zadeh）奠定基础的。模糊综合评价基本步骤如下：

（1）确定评价指标集 Z={Z1，Z2，…，Zp}，分别对应湖泊形态健康评价的八项指标。

（2）确定评分标准模型 V={V1，V2，…，Vm}。

（3）确定各评价指标的隶属度，建立模糊关系矩阵。逐个对评价指标Z1～Z8进行量化，即确定每个评价指标对应于各评分标准的隶属度，进而得到模糊关系矩阵R：

（4）确定各评价指标的权重值 W={W1，W2，…，Wp}。

（5）将权重向量W与模糊矩阵R进行模糊乘，得到归属类别矩阵B：

3.2.2 评价结果

根据评价指标集及相应评分标准得到模糊关系矩阵R：

由专家打分法确定指标Z1～Z8的权重分别为0.136、0.154、0.120、0.103、0.102、0.128、0.137、0.120，得到紫琅湖湖泊形态归属类别矩阵B={0.717 5，0.128 5，0.154 0}。

因此紫琅湖形态健康对于健康的隶属度为0.717 5，亚健康的隶属度为0.128 5，不健康的隶属度为0.154 0。总体上，紫琅湖的形态结构健康是可以达到的，满足生境和防洪、排涝的要求。

4 结 语

湖泊形态的健康对湖泊的管理维护、开发利用以及可持续发展有着深远的意义。对构建的紫琅湖形态进行了健康评价分析，个别指标有所欠缺，总体为健康的人工湖泊，进一步论证了其形态构架的合理性。然而湖泊形态健康的影响因素是众多的，评价指标的全面性以及各指标之间的影响均待进一步的研究。