暨城市景观水系的生态规划方法

一.写在前边——从一个污水处理和人工湿地景观的项目说起

　　如何能够达到建设、运行成本低，处理效果好的最佳污水处理组合方式——一直困扰着设计人员，不同的项目具有很大的差异，根据项目的实际情况选择具有低投资、低运行成本、高处理效果，同时具有良好生态环境效果的污水处理方式是每个技术工程师的梦想。

　　下面介绍的是我们承担的一个北京军区某部的项目。我们在项目规划设计和实施中尽量选择最佳的配合方式，达到多个方面的最优组合。希望能给大家开拓思路，在适合的项目上使用这样的污水处理方式。

　　之所以在这里提起，是因为这个项目已经不是单纯的污水处理项目，可以看作是一个区域水资源的综合规划，它整合了水环境中污水治理、中水回用、湿地水系深度净化、生态湿地景观、湿地调蓄雨洪、生态水利工程等多个方面，系统虽然仍有很多需要改进的方面，但很有参考价值，而且是一个发展方向。

　　这个项目通过合理规划营区水环境、有效利用水资源，改善营区水环境和生态环境，为官兵营造自然、舒适、健康、优美的工作、居住、生活空间区域。规划内容是：利用湿地处理区域内每天产生2500M3的污水（绝大部分是生活污水，有一小部分污水来自区域内的洗衣房、食品厂这类的小作坊），通过多级湿地处理技术，使出水水质达到中水回用标准，以处理后的水作为营区内的人工水系水源，并采用生态水质保持技术，维护水系的水质。

　　这个项目的组成包括：
　　一个10000M2的潜流式芦苇湿地，利用潜流式湿地对污水进行处理，我们称之为一级污水处理湿地；
　　这个一级湿地的出水通过管线提升到区域内一个较高的位置（山沟），这个山沟的原本是行洪的通道；
　　我们把山沟依据地势做成8级平台，每级平台的面积有2000平米左右，它们构成湿地和湖的人工水系，并且兼具有行洪的功能；
　　前4级平台设计成表面流的湿地，进一步去除中水中的N、P等污染物，我们称作二级湿地；
　　后4级平台则设计成生态的景观湖；
　　从这个湖中的水通过一条人工开挖的小溪蜿蜒流到工作区和生活区，改造原有的渠状排洪沟，使之也具有生态的功能，最终汇入一个开敞的水面。

　　之所以称作“生态”的，是由于我们在景观设计中应用了湿地技术作为基础，采用了较多的水生植物水质保持、生态水系形态、比较好的“水系-环境物质交换通道”等设计思想，希望这个水系能够依靠自身的能力维持水系的清洁并且自然发展。这个解决方案对于目前城市水系面临的困境的解决有所启示。

二、城市水系的困境

　　随着社会发展，城市中不断出现越来越多的人工景观湖河，究其原因是人员需要水的特质：
　　“能唤起人类天性中所深植之原始根源。”然而这些人工的水系普遍令人感到遗憾——没有清澈见底、没有绿色、没有蜿蜒曲折的水的宜人感受，只有呆板生硬的线条、没有生机的死气沉沉和遇到恶劣天气就会水藻爆发继而水质变臭的烦恼…到了冬天则是裸露着冰冷的石滩或是混凝土的底层。

　　这就是城市水系面临的困境。

　　这个困境究其根源其实在于沉积多年的固有思想——人们总是试图驾驭水，而不是尊重和善待。

三、从技术层面将困境的原因——水体富营养化

　　如果单纯从技术层面分析，城市河湖等水体恶化的主要原因：除人为向水体排污的原因外，主要是水体的富营养化，即水中的P、N等生物营养物质富集。

　　从北京1998年开始出现水体严重的富营养化现象，2000年以来，水体富营养化开始普遍出现，表现为水体中藻类大量生长，水体呈绿色，透明度逐步降低，水质逐渐变坏。主要的河流湖泊爆发严重的水华现象。水华现象产生的原因就是由于水体中N、P等营养成分富集，在夏季强光照射下藻类爆发性生长，水中溶解氧被耗尽，水中各种生物处于缺氧环境而死亡，进一步腐败变质，使水质恶化。

　　水体中营养物质的富集通常来自纳污、降雨过程的雨水带入、降雨过程中产生地表径流，使地面污染物排入水体、从河湖构成材料（石材、土壤）中释放等途径。

　　根据藻类的经验分子式C106H263O110N16P，我们可以推算出，水体每生成1g藻，需供给0.009g的磷和0.063g的氮。藻类的繁殖量与外界输入的P与N浓度值成正比。

　　控制氮供给源，对富营养化水体来说，是非常困难的。从藻类经验公式不难看出，藻类的生产量主要取决于水环境中磷的供应量，当水环境中磷的供应量充足时，藻类可以得到充分增殖，而且当磷的浓度超过藻类的直接需要时，磷便在藻类的细胞中储存起来。

四、组合拳——挑战困境

　　“态度决定一切”

　　面对城市水系困境，最好的方式就是尊重水的天性——水系总和周边环境有最密切的联系，我们在建设一个人工水系的时候也要尽可能满足这一点。
　　面对水系的富营养化，很难用一种手段有效地而且经济地解决问题，需要用一系列手段——也就是组合拳来控制。城市水系的建设者其实很有必要邀请专业人士来协助。

　　需要水系“可持续”的基础当然是需要有一个整体的水系规划，这个规划不仅需要考虑雨洪和景观。大部分的物理、生化、生态的方法都应该纳入规划和设计考虑中，一个合适的组合方式可以得到一个经济而且有效的解决方案。后面介绍一些常见的手段。

五、景观水体水处理技术介绍

　　1.物理方式：
　　除了直接引水换掉这个方法，通过强制循环加强水系的流动性是一个有效的途径——流水不腐么，通常保持水系3cm/S的流速就能够抑制藻类的泛滥；但代价是需要比较大的能耗，另外一个圆形的、方形的水系如果需要它循环也很麻烦。

　　2.化学方法：投加杀菌灭藻剂
　　敞开式的水体，在阳光的照射下，会使水中的藻类大量繁殖，布满整个水面，不仅影响了水体的美观，而且挡住了阳光，致使许多水下的植物无法进行光合作用，释放氧气，使水中的污染物质发生化学变化，导致水质恶化，发出难闻的恶臭，水也变成了黑色。
　　投加化学灭藻剂，杀死藻类。不过久而久之，水中会出现耐药的藻类，灭藻剂的效能会逐渐下降，投药的间隔会越来越短，而投加的量会越来越多，灭藻剂的品种也要频繁的更换，对环境的污染也在不断地增加。

　　3.微生物方法：投加微生物
　　微生物在自然界大量而广泛的存在，是生态系统的重要组成之一。它们能将自然界中的动、植物的尸体及残骸分解，将一些有害的污染物质加以吸收和转化，成为无毒害或毒害较小的物质。
　　可以在景观水水质恶化的时候，投加适当的适量的微生物（各类菌种），加速水中污染物的分解，起到水质净化的作用。微生物的繁殖速度惊人，呈几何级增长，每一次繁殖都或多或少的会产生一些变异品种，导致微生物处理水质能力下降，而且很难控制其数量，其生长又受环境的影响很大，例如温度、气压等等。同时微生物的分解物，会造成藻类的大量繁殖，再次导致水质变坏。
　　因此用微生物处理水质，必须定期进行微生物的筛选培育、保存、复壮等等一系列专业处理过程，而且不能保证水质状况长期处于良好的状态之中。

　　4.生态水系——大型水生植物占优的草型清水状态
　　简单地说，生态水处理就是在水域中人为地建立起一个生态系统，无需人类的外在干预，整个生态系统能适应外界环境对它的影响，处在原始的生态平衡状态，和人类共生共存。
　　水生植物是这个生态系统的基础。水生植物中沉水和挺水植物的发展抑制浮游藻类，减弱了风浪强度和对湖底的冲刷，增强了水体的污染自净能力，污染物质通过沉积、生物转化、生物产品收获等途径离开水体，水体清澈，这种高度有序状态称为“大型水生植物占优的清水状态”。
　　“生态的”，看起来很美，不过这个生态的体系却需要时间来慢慢成长、变得强壮起来，而且还要避免人的打扰。

　　5.生态水系中的水生植物
　　既然生态水系的基础和核心是水生植物，我们在这里举一些北京地区具体植物的例子，来说明为什么在水系中种植适合的植物可以自动维持水系的清洁，不再单纯依靠循过过滤等物化方法，并且能够循环往复、生生不息。
　　北京地区的水生植物分为湿生（池边）植物、挺水植物、浮叶植物、沉水植物、漂浮植物五个部分，共有51科、83属、147种水生植物，可供北京地区库滨带、河道、河岸、湿地的生态恢复和水环境治理应用，可以根据河湖水质的成份有针对性地选择种植水生植物。

　　1）作用
　　水生植物是由生长在水体浅水区和周围滩地上的沉水植物群落、浮叶植物群落、漂浮植物群落、挺水植物群落及湿生植物群落组成，俗称水草。水生植物有重要的生态恢复功能，水草茂盛则水质清澈、水产丰盛、水体生态稳定，缺乏水草则水质浑浊、水生动物稀少、水体生态环境脆弱。水生植物在美化水体景观、净化水质、保持河道生态平衡方面具有显著功效。

　　2）湿生植物
　　湿生植物是指能适应潮湿环境的植物，与一般陆生植物的最大区别是它们喜欢在潮湿的土壤环境中生存，有些种类还能忍耐短期淹没。他们生长在介于陆地和水体之间的湿地环境中。湿生植物中有草本植物36种，木本植物31种。草本植物常见的品种有回回蒜、毛莨、石龙芮、水毛花、扁杆草、习见蓼、豆瓣菜等。这些植物生长在溪边、水田边、水边湿地，是多年生或一年生草本植物。木本植物有垂柳、沙地柏、连翘等，不但可以在水边生长，还可以起到防浪护岸、防风固沙的作用。

　　3）挺水植物
　　挺水植物是挺立在岸边浅水中的植物，根和部分茎埋在水下的泥土中，上部茎叶伸出水面， 通常体型比较高大，根和地下茎埋在水下的泥土中，上部茎叶伸出水面。挺水植物主要为单子叶植物，多属禾本科和莎草科，如芦苇、茭笋、蒲草等。

　　4）沉水植物
　　沉水植物扎根在湖底泥土中，全部茎叶沉没在水下，对水深的适应性最强。它们能伴生在挺水植物和浮叶植物群落中，也能在浮叶植物带深水一侧形成沉水植物群落。常见种类为眼子菜科、水鳖科、茨藻科和金鱼藻科。
　　沉水植物在光合作用中向湖水释放大量的氧气，有利于保持湖水的高度氧化状态，促进有机污染物和某些还原性无机物的氧化分解；沉水植物与湖水有较大的接触面积，可以成为“生物膜”的附着基，能够提供强大的生物降解能力；沉水植物可以直接吸收湖水中的营养盐，降低湖水营养水平，抑制浮游藻类的生长，周丛生物还能直接捕食浮游藻类。沉水植物不仅能够创造一定的经济效益，还能有效地防止二次污染并输出大量的营养盐。

　　5）飘浮植物
　　飘浮植物的茎叶飘浮在水面，根系悬垂于水中，常见种类有凤眼莲、白萍、满江红等。它们对维持水的清澈作用如：
　　凤眼莲又名水葫芦，它繁殖快，耐污能力强，对水中的COD、BOD有明显的降解效果，对氮、磷、钾及重金属离子均有一定的吸收作用，是一种净化水质、美化环境的理想水生植物。一公顷水葫芦能将800人排放的氮、磷元素当天吸收掉。水葫芦还能从污水中吸收镉、铅、汞、等重金属元素，能使水中的酚、氰等有毒物质分解成无毒物质。但要控制密度，防止过度繁殖。

　　6）其它的水处理技术
　　还有很多方法，比如生物浮岛、高频电子除藻等等…方法不一而足，各有作用。

六、我们这样设计这个水系

　　1.设计思想还是师法自然
　　北京是典型的季风气候地区，四季分明，按模拟自然建造的生态水体会在一年的不同季节呈现出不同的美景。在四季变化的过程中，拟自然的生态水体各具特色的景观特点会给人不同的精神享受。如果采用生硬的景观设计，这样的效果是无法达到的。人们只能在天气温暖时才能亲近水，感受人造的自然，无法体会生物潜移默化的成长变化。伴随着时间的改变，拟自然的生态水体会越来越接近自然，生物的生命力会大大增加，生物种类会不断增加，鸟类和一些小的动物也会跑来，更增加景观的自然特征。建设一个拟自然的水系能为野生动物创造一个人间天堂，像天赐的美宅吸引着野生动物、水中的昆虫、两栖动物、微生物以及鸟类。

　　2.水系形态的设计
　　景观设计中的设计方往往把水体设计为蜿蜒曲折、变化多端，这实际上也符合自然界生态变迁的规律。各种水系的形态都有可能对一些物种的生存繁衍有重要的作用。我们举例说明一些水体形态和生态体系的内在关联。
　　比如中国北方河道中常见的一些小型鱼类，习惯在浅水中觅食、深水中休息，产卵时游到砂砾堆积的浅滩中。蜻蜓，以水边或草丛中的小昆虫为食，在水面、水草或者土中产卵，孵化的幼虫在水中生活，长大后游到水边，在露出水面的木桩、草茎上羽化。
　　所以生物不是一直生活在一个地方，需要不同的生活场所。因此在进行水系建设时，我们需要考虑生物一生中的各种自然环境，这样可以使今后的景观产生奇妙的变化。

　　1）流浅滩、深潭
　　河流中，水流急而且浅的地方叫浅滩，缓而深的地方叫深潭。在浅滩和深潭中，分别生活着不同的水生生物，所以浅滩和深潭是形成多样水域环境不可缺少的重要条件。
　　浅滩中由于水流湍急，河床中的细沙被水流冲走，砾石间空隙很大，成为水生昆虫及附着藻类等多种生物的栖息地，而这又吸引了以之为食物的这种鱼类。同时，浅滩还是一些虾、鱼的产卵地。
　　深潭水流缓慢，泥沙容易淤积，不利于藻类生长，是鱼类休息、幼鱼成长及隐匿的避难所。
　　在冬季，深潭还是最好的越冬地点。
　　浅滩和深潭是构成河流的基本要素。
　　2）蜿蜒的岸线：形成缓流区
　　蜿蜒的河岸，形成缓流区，这里适合贝、螺类的生长。
　　3）瀑布
　　为水体中补充氧气。
　　4）河心洲
　　自然的河流在激流的出口处会由于泥沙淤积，形成河心洲。河心洲有着与干流不同的水环境。
　　5）洄水区、洼地
　　洼地处泥沙淤积，植物繁茂，同样形成与干流不同的水环境，成为喜欢静水和缓慢水流生物的栖息地。
　　6）丁坝、巨石
　　丁坝和巨石改变水流的方向，诱导泥沙淤积，可以形成河滩洼地和静水区等多样的河道环境。
　　7）护岸——能够让萤火虫重归故里
　　萤火虫通常栖息在植被繁茂、水流清澈的小溪浅滩中，如果河水被污染或者河岸被混凝土固定，萤火虫就无法生存。同样的，萤火虫生息的地方，也适合青蛙、蜻蜓等小动物的生息。
　　而由砌石制成的护岸，有很大的缝隙，上面附着潮湿而柔软的苔藓。萤火虫会把卵产在这里，孵化的幼虫生活在水中，9个月后幼虫上岸（需要留出它们迁徙的路径）钻入土中成蛹，40-50天后，羽化成虫。它们白天在草木中休息，夜晚则背着灯笼到处飞舞。
　　像这样，宁静的河畔春季樱花烂漫，夏季萤火虫飞舞，四季风情尽显其中。

　　8）河畔林
　　河畔林在水面形成树阴，是河水温度发生微妙的变化，为水生生物提供了重要的栖息场所。
　　生活在林中的昆虫、秋天的落叶等等都是生态多样性中的重要组成部分。

　　3.水生植物的配置
　　何种水质需要何种数量、何种构成的水生植物才能够达到均衡的草型清水状态？其实缺乏严谨的数据支持，更多的是经验数据。
　　如果简单而言，建设一个拟自然的池塘可以将30%以上的面积让水生植物覆盖，但对于这样一个既要实现水体深度处理、又要达到一定景观效果的湿地景观，我们则需要首先确定污染物容量和处理能力，需要确定观赏性水生植物和功能性水生植物的比例，对于水生植物量则通过各种植物对污染物的吸收能力来估算大致的水生植物量，最后参考湿地的水处理能力来模拟景观湿地的情况对植物的配置进行调整。
　　如果单纯从水生植物的污染物吸收能力来分析的话、芦苇、凤眼帘、伞草、茭笋、美人蕉都具有成长快速、生物体量大的优点，它们对N、P的吸收率都比较高，但这些植物有些景观效果一些在北方地区不能自然越冬，这样在植物配置中也要受到限制。
　　另外我们在这个项目中比较注重沉水植物的作用——尤其在需要开敞水面的场合，沉水植物不会影响水面开阔性，而且可以提供给水体一个富氧环境。
　　湿生植物作为水系的重要缓冲带，可以减轻外部环境的不良冲击，我们在设计中也尽可能加大这个缓冲区。

七、一个所有人会关心的问题——建设成本

　　目前通过我们对这样一个项目的设计得到的结论是：我们设计的这个水系的建设成本应该比传统的硬化水系省钱，省得不太多，但还是省。主要的成本降低来自非常少的硬化材料和施工——软的湖底、自然的坡岸、随地势蜿蜒的形态，都会减少投资。
　　这个水系在未来将会经受各种考验，但是我们认为“师法自然”的结局应该是得到自然的回馈。