人工湖泊构建及其配套技术研究

人工湖泊作为改善人居环境的一项水利工程设施，在水域面积不断缩小的今天，显得越来越重要。尤其在现代城市建设、新型社区建设以及大面积的公共绿地建设中，构建人工湖泊已被越来越多的人所推崇。本文通过对人工湖泊的规划设计、防渗技术、景观设计及人工湖泊的管理等四个方面的具体分析，探讨了人工湖泊的构建技术体系及其存在的问题。认为因地制宜，合理规划设计是人工湖泊构建的灵魂，有效而生态的防渗技术是人工湖泊构建的基础，以生态学原理为指导，进行合理的景观设计和有效的管理是人工湖泊构建成败的关键。
　　随着生活水平的不断提高，人们开始追求高质量、高品位的居住与休闲环境。单纯的低容积率、高绿地率已不能满足现代城镇居民的要求。水乃万物之灵，人工湖泊以其独特的生态及景观功能，越来越受到人们的青睐，成为新型社区与公共绿地设计的首选。人工湖泊是指人工挖掘、具有景观用途的，在公共绿地和住宅小区中的人工湖泊，其合理的规划、设计与实施，既可调节水文、供养生物、维护生物多样性、吸尘、减噪、净化环境，为居民提供优质、优美的生活环境，而且其自生、循环的原则与特点也有利于节约水资源，是实现水资源可持续利用的必然选择[1-2]。从生态学的角度来说，人工湖泊就是一个小型的生态系统，其构建过程应充分考虑生态系统的基本结构，强化其自我修复能力，使其具有可持续性。国内外学者对人工湖泊的构建技术进行了广泛的研究，但主要集中于工程较大的水库等的建造以及防渗技术方面，缺乏对社区及公共绿地中景观人工湖泊的构建及后期管理等方面的研究，导致很多的人工湖泊起不到景观和生态等方面应有的功能。
1　人工湖泊的规划设计
　　因地制宜，合理规划设计是人工湖泊构建的灵魂，水体设计不合理将会带给人工湖泊先天的缺陷，给人工湖泊的景观设计及管理造成不利的影响。总的来说，人工湖泊的规划设计应遵循以下原则：统筹协调水资源、水环境、水景观、水生境及水安全；充分有效地保护和利用水资源；防治水污染，寓废水处理于利用中，促进水生态代谢从良性小循环到大循环的转变。因地、因类制宜，具体贯彻生态工程学的整体性、协调性、自生性、再生和良性循环等原理，促使水资源在利用与消耗过程中达到长期的持续、稳定和生态平衡[3-6，18-20]。
　　国外对人工水体设计的经验值得借鉴，他们主要针对设计细节方面，包括从水体的选址、形状、大小、材料到进水方式、流动、维护费用等方面考虑，使水体能够发挥预期的功能，达到低维护的效果。因此在选址上应考虑到充足的光照；大小既要符合功能要求，又要便于维护和管理；形状和结构上以提高水体综合效率为首选；材料上要求能更持久地防止渗漏的自然物质，以有利于形成水生、湿生、旱生动物的栖息地，成为生物走廊。总的来说要考虑以下几个方面的问题：是否提供了足够的空间环境，增强舒适感；是否有利于净化空气，改善区内小气候；是否能保证今后正常的运行和维护；既要满足亲水，又要保证安全等等，让水为人们带来名副其实的享受。
2　人工湖泊的防渗技术
　　蒸发、渗漏的水量在人工湖泊设计中是一个非常重要的方面。如果湖泊不能控制或克服这些损失，湖泊的持水和保水能力就会受到影响。在湖泊设计建造和管理中蒸发往往是可以被接受的，只要在补水系统中给予考虑。渗漏是整个湖泊建造和管理中最重要的水量损失，因此做好防渗工程是人工湖泊构建的基础。 国内外学者对防渗技术进行了广泛的研究，在多年的施工实践中，人工湖泊的防渗技术措施已日渐成熟。针对不同的工程地质条件、施工工艺及项目投资量，有许多不同的防渗技术和防渗材料可供选择，如表1。

2.1 土工膜
　　土工膜是一种薄型、连续、柔软的防渗材料，具有质轻、伸缩率大、防渗性能好、适应变形性能强、施工简便、造价低廉等优点，已广泛应用于城市河湖、渠道、堤坝等防渗工程。
　　人工湖泊土工膜防渗工程设计包括垫层(基础)、支撑层(膜的下保护层细土层)、防渗膜、保护层(膜的上保护层细土层或混凝土面层)以及与各类建筑物的衔接设计等，不同的地质条件、地区和湖泊的类型，都给人工湖泊的防渗工程设计提出了不同的要求。
　　垫层：即为地基，是整个防渗工程的基础。对于垫层的处理相当关键，不容马虎，因为地基一旦出现较大程度变形， 土工膜无法承受其上的各种负荷。
　　支撑层：膜的下保护层，它的作用是使土工膜受力均匀， 免受局部集中应力的损坏。
　　防渗土工膜：是人工湖泊的防渗层， 其寿命应与人工湖泊的使用年限相同。因此在设计过程中适当选择， 同时考虑施工方便。
　　保护层：膜的上保护层，其作用是人工湖泊防渗工程在运行的过程中防渗膜不被破坏。
　　膜与各类建筑物的衔接设计：主要包括与湖岸墙、进水口、穿湖桥涵、泄水建筑物等的衔接设计[1，8]。下面就以LDPE土工膜的应用形式为例进行具体的说明。
2.1.1　LDPE土工膜基本特点
　　LDPE土工膜由聚乙烯材料制成，是一种连续、柔软的防渗材料，具有下列优点。
　　⑴防渗性能好。经室内试验和现场观测，采用焊接接头，可减少渗漏损失93%～94%。
　　⑵适应变形能力强。土工膜具有良好的柔韧性、延展性和较强的抗拉能力，不仅适合各种不同形状的断面，而且适用于可能发生沉陷和位移的基础。
　　⑶质轻、用量少、运输量少。对于交通不便，当地缺乏其他建筑材料的地区尤为适用。
　　⑷施工简便、工期短。施工主要是挖填土方、铺膜、焊接等，不需要复杂的技术，大大缩短了周期，保证了质量。
　　⑸耐腐蚀性强。LDPE具有较好的抵抗细菌侵害和化学作用的性能，它不受酸、碱和土壤微生物的侵蚀，耐腐蚀性能很好。因此，特别适用于有侵蚀性水文地质条件及盐碱化地区的工程。
　　⑹不易老化。国外的抗老化试验结果表明LDPE土工膜暴露在大气中可使用15年，埋在土中或水下可使用40～50年，而我国现行规范规定，水工建筑物经济使用年限一般为20～50年，因此，只要精心施工完全可以满足要求。
　　⑺造价低。根据经济技术分析，每平方米LDPE土工膜防渗的造价平均为混凝土防渗的1/10～1/5，浆砌石防渗的1/10～1/4左右，即使采用混凝土面板作保护层，其总造价也不会高于混凝土防渗，但克服了土保护层糙率大、允许流速小、易坍塌和滋生杂草等缺点。
　　⑻无冻胀破坏。LDPE土工膜具有很好的柔韧性和伸展性，不会产生冻胀破坏。
　　⑼在防渗结构上不必考虑任何形式的接缝。LDPE土工膜既可以在室内焊接现场铺设，也可以现场焊接，焊接之后整个防渗结构形成一个整体，不必预留任何形式的接缝，也就避免了由于接缝止水处理不好导致渗水的情况。[9-10]
2.1.2　LDPE土工膜防渗设计
　　为防止LDPE土工膜被刺破，首先在砂砾料的基层上铺设10cm厚的壤土层或细砂土层作为下层保护层，压平整并确保没有外露砖石等硬物后再铺设LDPE土工膜，焊接后再铺设15cm的中细砂或壤土作为上层过渡层，最后铺设预制混凝土方砖或砂砾料，示意图如图1。

2.2 膨润土防水毯
　　膨润土防水毯是一种新型的复合土工合成防水材料。防水毯内膨润土的厚度一般为4mm，底层为土工纤维布，上层为无纺布，中间为经过处理的膨润土，因其貌似毯状，故称其为膨润土防水毯[11]。

2.2.1　膨润土防水毯的防水机理
　　膨润土具有良好的粘结性、膨胀性、胶体分散性和阳离子交换性能等。膨润土系Si-Al-Si结构体系是由云母状薄片层堆垒而成的单个颗粒。水化时，水分子沿着Si-Al-Si结构单元表面被吸附起来，使相邻接结构单元之间的距离加大。膨润土经水化表面阳离子呈水合状态，吸收2个、4个或6个水分子后达到饱和，变成凝胶，其耐久性可达200年。膨润土通常在与水接触24h后开始水化，膨胀4～5倍，48h后水化完成，变成原来颗粒体积的10～15倍甚至30倍的凝胶体。在限制空间内，防水毯中膨润土的膨胀从无序变为有序，持续地吸水膨胀使防水毯层自身变得密实，其体积增大，使其内部形成负压从而具有防水功能，渗透率可减至10-9cm/s，几乎滴水不漏。
2.2.2　膨润土防水毯的优点
　　膨润土防水毯是一种新型的土工合成材料。既具有土工材料的全部特性，又具有优异的防水（渗）性能，其主要特性如下[12]。
　　⑴具有优异的防水防渗性能，抗渗静水压可达1.0MPa以上，渗透系数10-9cm/s。
　　⑵膨润土是天然无机材料，不会发生老化反应，耐久性好。
　　⑶无机环保材料，无毒、无味、无污染，是真正的绿色环保建材。
　　⑷施工简便且不受施工环境温度的限制，在-20℃不产生裂纹、裂缝，低温柔韧性-32℃无影响。施工时只需将防水毯平铺在地上，立面或斜面施工时，用钉子和垫圈将其固定，并按要求搭接即可。
　　⑸具有自愈性、容易修补，防水层发生较大意外破损，只需对破损的部位加以简单的修补即可。
　　⑹性价比高，用途广泛。产品幅度可达6m，大大提高了施工效率。
　　膨润土防水毯的相关产品还有膨润土止水条、膨润土防水浆及膨润土防水粉等附料，它们与膨润土防水毯配合使用，可使防水毯的防水效果达到最佳。
2.2.3　主要技术性能指标及施工要点
　　本产品目前在国内还未制订相应的行业标准和施工规范。国内企业生产的膨润土防水毯一般参照美国ASTM标准，要求各项技术性能指标应达到ASTM的要求。
　　膨润土防水毯施工应注意下列问题[14]：⑴防水毯铺设时无纺布应对着遇水面；⑵除了在防水毯重叠部分和边缘部位用钢钉固定外，整幅中间也需视平整度加钉；⑶膨润土的防水机理决定其只有处在一个密闭受约束的空间内才能发挥防水作用，所以覆盖层必需有一定的厚度要求。考虑膨润土防水毯有一定的自约束能力，因此其覆盖层厚度最好不小于100mm；⑷大面积施工中防水毯尺寸不足时，可采用搭接的办法，搭接宽度不小于100mm；⑸平整度应符合D/L=1/6～1/10，其中，D为基面相邻两凸面间凹进去的深度，L为基面相邻两凸面间的距离。
[page]2.3　自然粘土
　　自然粘土防渗最大的特点在于它的自然性，不会阻断人工湖泊水环境与地下水环境、周边环境的相互作用。再就是，工期短，成本低。
2.3.1　自然粘土的特性及防渗机理
　　由于粘性土的土粒微小，所含的水分多以结合水存在，土粒为强结合水(吸着水)和弱结合水(薄膜水)所包裹，所以自由水的渗透只能在不为结合水所占据的那部分孔隙中发生。粘土由于其颗粒组成的高分散性、表面能大，因而吸附大量水分子，天然含水量很高，故这种土中孔隙是被结合水(吸着水)所填充。如果粘性土的孔隙全为结合水充满，结合水处于电分子引力作用下，具有粘滞性，结合水层愈薄，粘滞性就愈大，因此，粘土中自由水的渗漏受到结合水的粘滞作用产生很大阻力，只有克服结合水的抗剪强度后才能开始渗漏。老粘性土粒间空隙饱和，浸水或雨季含水量也不会明显增加。天然土在无压条件下充分浸水，胀限含水量只较天然时增加1％～3％，可见渗透性的微弱。当红粘土为致密结构时，其渗透系数可视为不透水。
　　不过，红粘土具有较小的吸水膨胀性和强烈的失水收缩性，故裂隙发育也是红粘土的一大特征。由于土中裂隙的存在，碎裂、碎块或镶嵌状的土块周边便具有较大的透气或透水性，大气降水或地表水可渗入其中，使土体形成依附网状裂隙赋存的“含水层”。其含水特性因所处的地形地貌、裂隙发育状况、补给条件等而异，含有裂隙的大块土样实测的渗透系数可达10-5～10-3cm/s，接近砂的透水性。因此，湖岸边土方回填的选料、压实等对防止渗漏非常关键[15]。
2.3.2　施工注意事项
　　施工砌挡土墙时，一定要严格按规范要求施工，特别是挡土墙后回填土，要严格按要求选择回填土分层夯压，局部复杂难以机械夯压地段可采用人工边回填土边灌水边人工踩压。
3　人工湖泊的景观设计
　　目前已建成和拟建的人工湖泊，按其设计思路不同主要有：一是以水泥为底质，水泥驳岸，不设置底栖动物和水生植物。此类人工湖泊景观呆板，缺乏自然情趣，自净功能薄弱。一旦受到大量污染物的冲击，水质迅速恶化，易引发藻类大量繁殖，透明度下降。二是仿造天然湖泊，对人工湖泊景观进行生态设计，将水体的自然生态属性、水面的开阔奔放与大环境绿化的背景融为一体。湖以泥为底，并配置既有抗污吸污能力的环保型植物群落，又有模拟自然的观赏型植物群落。湖中适量放养具有净化功效的动物，人为建立水生生态系统，在藻类大量繁殖前，设法不让其形成优势物种，因而不产生富营养化。此类人工湖泊只要维持其生态系统平衡，可防止水质恶化[16]。
　　人工湖泊的配置植物要选择适当，驳岸植物、湖底植物以及湖面植物的配置不仅要有利于营造景观，还要有利于水体的自净作用；为增加水中有机质的分解、矿化，可适时向湖中投洒有益微生物，植物与微生物两者协同作用，有效地促进并完善水中有机质和营养盐的迁移、转化、输出的过程；湖中适当放养蚌类、鱼类、螺蛳等动物，延长食物链，提高生物净化效果。
3.1　人工湖泊景观设计的原则
　　① 以人为本、景致为人：社区及公共绿地中的人工湖泊与人的活动是紧密联系的，人工湖泊驳岸设计及植物配置时应考虑亲水性。假山、喷泉、湖心亭（对于大型人工湖泊）等小景的设置也应从适合人们观赏及休闲的角度出发。
　　② 因地制宜原则：植物树种的选择应根据人工湖泊所在地区的特性（水资源、土壤、气候条件等），应多选用本地树种，不可盲目追求外来新鲜的观赏树种，以免造成不利的影响，同时也可节约成本。同时还应结合人工湖泊所在社区及公共绿地的实际，具体设计。
　　③ 生态性原则：水生及湿生植物的选择在注重景观效应的同时，应兼顾生态效应。选择有利于水质净化的植物和鱼类，促进人工湖泊生态系统的可持续性。
　　④ 特色性原则：各个社区及公共绿地人工湖泊景观的设计应各具特色，防止千篇一律。
　　⑤ 整体性原则：人工湖泊景观应与周围环境相协调、相呼应，体现整体美。不可为追求独特而使人工湖泊景观显得突兀。
3.2　水生植物
　　目前用于水面绿化的植物种类也相当多，而且，细分起来，又有挺水植物、浮水植物、沉水植物等区别。水面植物是园林水体绿化不可缺少的一种植物材料，植物景观配置较好的大片水体，能够于明净、开阔的视野中，给人增添清雅、爽心悦目之感，同时，水面植物又起到分隔空间的功能。基本上是荷花、睡莲、萍蓬、菖蒲、鸢尾、芦苇、千屈菜等，在接近岸边的地方，还种植水芋、燕子花、羊胡子草、灯心草、薄荷、丁香蓼、毛茛、婆婆纳和一些苔类植物，漂浮在水面和沉入水中的则以水藻类植物为主，如金鱼藻、狸藻、狐尾藻等，欧菱、水马齿、水藓。
3.3　驳岸植物
　　由于园林绿化中驳岸的处理形式变化多样，什么土岸、石岸、砌石驳岸、混凝土驳岸、砖砌驳岸、还有卵石沙滩驳岸等，现在还有一种木状驳岸，其实驳岸的形式还可以有很多种。因为有了各种各样的驳岸，那么，植物的种植，就不能只是一种模式了，要结合水与岸、水与环境、水边道路、人流量等等进行布置，远近、疏密、断续做得恰到好处。一般驳岸线比较生硬、粗糙，这正好需要植物进行柔化、美化。一般园林在驳岸植物的处理上，除了通过迎春、垂柳、连翘等柔长纤细的枝条来弱化岩石的生硬线条外，还在岸边栽植一些花灌木、地被、四季草花和一些水生湿生花卉。如：鸢尾、菖蒲、郁金香、美人蕉、风信子、剑麻、地锦、地被凌霄、铺地柏、红叶小檗等，也可以用锦熟黄杨、雀舌黄杨、小叶女贞、金叶女贞、刺柏类等修剪成不同造型进行绿化遮挡，当然，也可以根据季节栽植一些草花、宿根花卉等来美化。另外，枫树搭配一些常绿灌木地被，也能创造出很不错的效果[17]。
　　对于植物的选择和栽培，要视具体情况而定，例如湖泊的水质，底部的土质，湖泊的大小以及形状等等。如果人工湖泊的面积较大，可以选择性地种植几棵水杉或水松。但是若是面积较小，则应当以选择挺水植物和浮水植物为主。
　　根据人工湖泊的具体情况，也可以相应配置一些人工的景观，如喷泉，假山，湖心亭等。
4　人工湖泊的管理
　　人造水景备受城市居民的追捧，“水景房”、“水景住宅”应运而生，但此类水景大多好景不常，断水、污染、发臭等等问题频频发生，不但没有起到美化景观的效果，反而成为一种负担，影响周围环境，这其中也包括人工湖泊。本文认为造成这种结果的主要原因是管理不善。人工湖泊构建完成只是第一步，科学管理才是其可持续的关键。
　　水是人工湖泊的生命，除了保证有稳定的供水源外，还应保持其良好的水质。从节约水资源的角度出发，利用自然降水是一种不错的选择，特别是在现代小区中，还可以中水回用，将雨水收集、中水回用、分质供水、景观用水、绿化用水等进行综合考虑和利用，以形成良性循环链。当然这需要事先建造中水处理设施。
　　要保持水质，最重要的就是维持人工湖泊生态系统的稳定性，减少外界对它的干扰，更好地发挥水体生态系统的自净作用。主要采取以下措施：及时捞出落入湖中的枯枝落叶，决不让其腐败在湖中；定期清理湖底腐败动、植物残体；严格控制外来污水的进入；湖中种植的水生植物要定期收割。一般年收割4次，这样，既可及时带出大量的氮、磷，又可促进生物的生长；湖中放养的水生动物应根据生长情况，适当追放或捞出，使整个湖中的食物链保持通畅。另外，在水生动物的管理中，要严格禁止向湖中投放人工饵料。
　　另外，凡在小区内挖土造水，不能听之任之，应该纳入水务部门的管理范围，并制定有关人工湖泊管理办法，开工前必须进行申报评审，竣工后必须经过验收，方能投入使用。还应加强环保知识的宣传，提高人们的环保意识，使人们自觉地保护自己生活的周边环境。在社区及公共绿地中可设专人负责人工湖泊的日常维护，并竖立相关的宣传标牌。
5　问题与讨论
　　以聚乙烯或聚氯乙稀为主要原料的膜类防渗材料，其防渗施工工艺及相关配套技术都已相当成熟，应用也最为广泛，其主要的发展方向在于以聚乙烯膜为防渗体，附加相关工艺，加工成复合材料，加强其防渗效果，扩展应用范围，提高耐久性。但是聚乙烯膜为难降解材料，虽然作为防渗材料埋在地下，其生产、施工及过期后留下的残渣处理仍是一个棘手的问题。因此开发绿色环保型材料，是防渗行业的首选。
　　膨润土防水毯是比较新型的无机环保防渗材料，使用天然矿物膨润土作为主要原料加工而成，被认为是十种最有前途的防渗材料之一。但是由于其发展周期尚短，还存在许多明显的不足之处，如，其生产工艺较难，价格偏贵，国内尚无比较完整的测试标准和技术规范，施工方法也在摸索之中等。
膨润土防水毯和各种膜类防渗材料，其防渗效果毋庸置疑，加上管理得当，在湖底与湖岸边大面积铺设此类防渗材料能在短期内维持较好的水域景观，人工湖泊生态系统也不至于迅速恶化，但由于其阻碍了水体的交换（与地下水）和侧渗补给作用（与湖泊周边环境），将会对湖底和湖边的植物生长产生负面的影响。同时在有限水量补给条件下，在防渗膜上部的底泥中会出现营养物质和盐分的积累，从而加大了水质恶化的风险。特别是对于水域面积较大的人工湖泊，其影响更为明显。使用自然粘土防渗可以较好的解决这些问题，因为粘土层不会导致渗漏完全停止，并能保证适当的渗漏率，同时粘土渗漏率的高低也可以人为设定。
　　自然粘土防渗使人工湖泊不至于成为一潭死水，但同时又带来另外一个问题：如何保持人工湖泊的水量。这就需要有稳定的供给水源。最好的办法就是利用雨水及中水回用，既解决生活污水的去处，又能保证景观用水，还能补给地下水，一举三得。当然这要求在公共绿地及社区设计之初就予以考虑，用生态工程的设计理念来协调其中各种设施的建设。这是一种比较理想的模式，但由于牵涉面较广，具体实施起来还要靠各个的部门的配合。
当然因地制宜还是防渗材料及施工工艺选择的首要原则，因为每一座人工湖泊的自然环境及所处的地理位置有其不同特点，对于覆面材料的确定应有所不同。在人工湖泊防渗施工中，几种不同形式的防渗措施适用于不同的条件，也可几种方案相互结合使用，根据其条件的不同而定。
　　现存人工湖泊的景观都略显单一，多样化中显特色应该作为它的发展方向。同时应更多的借助现代园林技术的理念，加强人工湖泊景观设计的创新。本文主要讨论社区及公共绿地中人工湖泊的构建，因此更强调人工湖泊景观与周围环境的协调性。
　　管理不善是人工湖泊的通病。应当将人工湖泊的管理及维护列入人工湖泊构建的体系，且作为一项主要内容和重点工作。不可在交付使用后就置之不理，对于人工湖泊生态系统的逐渐恶化不以为然。建议有关部门尽快制定有关人工湖泊的管理办法，编写有关小区人工湖泊构建的原则，起指导与规范作用。各社区及公共绿地管理单位也可制定相关的管理规章制度，设专人负责人工湖泊的日常护理，使其具有可持续性。同时也应加强环境保护的宣传，人工湖泊周围可设立环保口号标牌，时刻提醒人们，也可起到教育作用。
6　结论
　　人工湖泊的构建最基本的是要做好防渗工程，目前关于防渗技术，国内外都有很多的相关研究，大多针对具体的工程进行讲解，本文列举了几个常用且比较经济的方法，它们互有优点，具体工程项目可因地制宜地将他们进行合理搭配，结合循环经济的理念进行设计，使人工湖泊具有可持续性。
人工湖泊的构建主要包括以下几个方面的内容：规划设计、做好防渗工程、做好景观设计及人工湖泊的管理等，如图2。

　　做好防渗工作是为了湖泊的实用性，做好景观设计是为了增强湖泊的休闲和娱乐性，而做好管理则是为了增强人工湖泊生态系统的可持续性，延长人工湖泊的寿命。景观的配置应与周围环境相协调，做到和谐统一。
　　在社区及公共绿地构建人工湖泊越来越受人们的欢迎，但这方面的成功例子较少，还需根据各地的情况进行摸索。