謝 忱，黃 溢，鐘勝財(cái)，丁 瑞，蔡秋鵬，烏景秀

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

大學(xué)校園作為給國家培養(yǎng)棟梁的主要場所，一直以來都是社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，校園生態(tài)環(huán)境問題日益突出，人們對(duì)建設(shè)校園美好生態(tài)環(huán)境的需求也日益強(qiáng)烈。特別是隨著生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展，“生態(tài)校園”的概念逐漸被熟知與理解。

我國對(duì)生態(tài)校園的研究始于20世紀(jì)80年代，直到21世紀(jì)才逐漸成為研究的焦點(diǎn)[1]。但目前，我國在生態(tài)校園建設(shè)規(guī)劃過程中，更多的是融入生態(tài)、綠色、健康、環(huán)保等元素[2]，而較少關(guān)注水生態(tài)、水景觀、水文化三者的有機(jī)融合。因此，本文以某學(xué)院智慧水利示范建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，并結(jié)合水體結(jié)構(gòu)、水深等生境類似且成功的水生態(tài)構(gòu)建案例——上海之魚[3-4]，探討如何建設(shè)一個(gè)以水生態(tài)、水景觀、水文化等多元化景觀水系為前提的全方位生態(tài)校園，為衡量一個(gè)生態(tài)校園成功與否提供重要的參考。

1 規(guī)劃背景

由圖1可知，學(xué)院位于湖州市南潯區(qū)，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(nóng)田。整個(gè)學(xué)院占地面積約1 471畝(1畝=666.67 m2)，水域面積約271畝，主湖區(qū)水系面積約134畝，外環(huán)水系面積約104畝，屬于典型的平原河網(wǎng)水系，其水流較平緩、結(jié)構(gòu)四通八達(dá)。但校園水系規(guī)劃使用泵站及鋼泵閘與外界水系隔開，外圍補(bǔ)水水源需經(jīng)過濕地凈化后，才能匯入校內(nèi)水系。

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

學(xué)院智慧水利通過：面源控制、水源濕地凈化、水動(dòng)力調(diào)控、水生態(tài)構(gòu)建、科普教學(xué)、智慧運(yùn)管多措并舉、因地制宜地進(jìn)行系統(tǒng)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(xué)院智慧水利示范建設(shè)項(xiàng)目總體建設(shè)目標(biāo)是促使學(xué)校達(dá)到水安全保障、水環(huán)境提升、水生態(tài)修復(fù)、水文化傳承、水教學(xué)科普、水管理智慧的多重目標(biāo)，總體目標(biāo)如圖3所示。

圖3 總體目標(biāo)Fig.3 General Objectives

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

水環(huán)境：主要指標(biāo)達(dá)到Ⅲ類，水體透明度>0.8 m，核心區(qū)>1.2 m；水環(huán)境容量、動(dòng)力調(diào)控科學(xué)合理；活水補(bǔ)水、人造階梯水位、有序流動(dòng)。

水生態(tài)：抗擾動(dòng)，水生境穩(wěn)定、良性循環(huán)。

水文化：傳承水校歷史、南潯文化，弘揚(yáng)水利人精神。

水教學(xué)：智慧水渠、濕地、海綿城市、湖泊生態(tài)點(diǎn)、運(yùn)維中心等科普教學(xué)示范點(diǎn)；水工水力學(xué)、河流動(dòng)力學(xué)、環(huán)境水利、生態(tài)水利、水信息學(xué)、能源學(xué)等多學(xué)科實(shí)景教學(xué)。

水管理：全生命周期智慧運(yùn)維管理。

在校園整體規(guī)劃上，以“把學(xué)校建設(shè)在實(shí)驗(yàn)室上”為理念，以“建設(shè)科技、科研、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、環(huán)保、生態(tài)、健康等多功能的生態(tài)智慧校園”為目標(biāo)，以高品質(zhì)水生態(tài)(地表水質(zhì)類別為Ⅲ類)建設(shè)為基礎(chǔ)，以西湖“三面云山一面城”的空間意向?yàn)樵?，結(jié)合現(xiàn)狀地形條件及周邊環(huán)境的特點(diǎn)，形成“一湖兩軸兩環(huán)三帶”的空間結(jié)構(gòu)[5]。并通過構(gòu)建水生態(tài)、打造水景觀、塑造水文化等方法，構(gòu)建一個(gè)以人水和諧、功能多元的校園景觀水系為基礎(chǔ)的全方位生態(tài)智慧校園。

2 水生態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1 規(guī)劃理念

校園水系是生態(tài)校園至關(guān)重要的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)其生態(tài)化、自然化的規(guī)劃有利于生態(tài)系統(tǒng)的長久穩(wěn)定，能顯著提高生態(tài)校園環(huán)境品質(zhì)。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(dòng)物群落(大型底棲動(dòng)物、魚類、浮游動(dòng)物)、微生物群落共同構(gòu)成了水系生態(tài)系統(tǒng)多層級(jí)的食物鏈網(wǎng)，是物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)完成遷移、轉(zhuǎn)化、積累、代謝、釋放的基礎(chǔ)條件。校園水系水生態(tài)系統(tǒng)的合理構(gòu)建對(duì)水系生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)良好的生態(tài)目標(biāo)，起著極其重要的作用。

本項(xiàng)目校園水系的水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建主要依據(jù)河網(wǎng)水系水質(zhì)現(xiàn)狀、水環(huán)境容量及預(yù)期凈化目標(biāo)。以生態(tài)原理為指導(dǎo)、生態(tài)平衡為原則，并結(jié)合以沉水植物修復(fù)為主的水生態(tài)構(gòu)建案例——上海之魚，通過沉水植被修復(fù)為先導(dǎo)；在規(guī)劃紅線內(nèi)重現(xiàn)構(gòu)建“清水型健康水生態(tài)系統(tǒng)”，使規(guī)劃后的校園水系水生動(dòng)植物、微生物之間形成平衡的食物鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)；進(jìn)而形成一個(gè)健康的水生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水系生態(tài)自我維持、自我演替的動(dòng)態(tài)平衡過程[6]和校園水系水質(zhì)凈化、水景觀提升、水文化和諧的整體目標(biāo)。清水型健康生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建原理如圖4所示。

圖4 清水型健康生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建原理圖Fig.4 Schematic Diagram of Clean Water Healthy Ecosystem Construction

2.2 水生態(tài)目標(biāo)校核

水生態(tài)規(guī)劃需依據(jù)河網(wǎng)水系水質(zhì)現(xiàn)狀、水環(huán)境容量及預(yù)期凈化目標(biāo)，因此，水生態(tài)規(guī)劃前應(yīng)對(duì)水生態(tài)承載力或水環(huán)境容量、污染負(fù)荷等進(jìn)行計(jì)算分析，以確定水生態(tài)目標(biāo)校核。

2.2.1 污染負(fù)荷分析

項(xiàng)目水系以新開挖水系為主，部分水系為老水系擴(kuò)建，并對(duì)老水系表層底泥進(jìn)行清淤(清淤后的淤泥計(jì)劃項(xiàng)目內(nèi)其他工程待用)。因此，項(xiàng)目污染源主要為大氣沉降、地表徑流及補(bǔ)水水源污染，不考慮內(nèi)源污染，計(jì)算如式(1)～式(5)。由表1～表3可知，總污染負(fù)荷為高錳酸鹽指數(shù)(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(jié)合水環(huán)境容量分析，計(jì)算如式(6)，由表4可知，需削減負(fù)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(fù)荷，t/a；

A——水系受納面積，km2；

Fd——大氣營養(yǎng)鹽沉降年通量，kg/(km2·a)。

根據(jù)資料，大氣營養(yǎng)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(chǎn)生的路面水量，m3/a；

Q——年平均降雨量，mm；

A——集水區(qū)地表面積，m2；

C——集水區(qū)徑流系數(shù)。

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014—2006)，硬化地面(道路路面、人工建筑物屋頂?shù)?的綜合徑流系數(shù)可取0.70，其他綠化地面(草地、植被地表等)的徑流系數(shù)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(fù)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(fù)荷，t/a；

Qm——降雨產(chǎn)生的路面水量，m3/a；

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

根據(jù)資料，區(qū)域EMC值如表1所示[11]。

表1 區(qū)域EMC值參考表Tab.1 EMC Reference Value in Region

3)補(bǔ)水水源污染負(fù)荷

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

Wn=10-3V×Cr

(4)

其中：Wn——湖體補(bǔ)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(bǔ)水水源水質(zhì)濃度參數(shù)Tab.2 Water Quality Parameters of Replenished Water Source

4)總污染負(fù)荷

本項(xiàng)目總污染負(fù)荷主要為面源污染，面源污染包括干濕沉降和地表徑流，計(jì)算如式(5)，年總污染負(fù)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(fù)荷，t/a。

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

5)水環(huán)境容量

本工程治理水系的水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建范圍為外環(huán)水系及主湖區(qū)水系。因此，用水庫納污能力數(shù)學(xué)模型公式[12]計(jì)算水環(huán)境容量，如式(6)，項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)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(qū)納污能力，t/a；

Q——湖庫設(shè)計(jì)蓄水量，m3；

Cs——水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，mg/L；

C0——湖庫初始濃度，mg/L；

k——污染物綜合衰減系數(shù)，d-1；

V——水功能區(qū)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(biāo)可達(dá)性分析

項(xiàng)目后期建立以苦草為先導(dǎo)的“沉水植物—水生動(dòng)物—微生物”共生生態(tài)的水生態(tài)系統(tǒng)，結(jié)合水下微生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建及水體凈化模擬試驗(yàn)分析[13]，為滿足涉及目標(biāo)要求，項(xiàng)目需設(shè)計(jì)沉水植物系統(tǒng)面積為74 347.43 m2及以上，計(jì)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(biāo)可達(dá)性分析Tab.5 Analysis of Targets Reachability

2.3 功能分區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)

如圖5所示，在學(xué)院水生態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，根據(jù)其功能以及現(xiàn)場區(qū)域特點(diǎn)、水質(zhì)狀況等實(shí)際情況，對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行不同的功能定位，采取不同的凈化措施進(jìn)行強(qiáng)化處理，以構(gòu)建完整的水生態(tài)系統(tǒng)。本項(xiàng)目水生態(tài)規(guī)劃共設(shè)定生態(tài)保障區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)恢復(fù)區(qū)及生態(tài)保育區(qū)4個(gè)生態(tài)功能分區(qū)，表6為各功能區(qū)基本參數(shù)。

圖5 功能分區(qū)示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Functional Zoning

表6 各功能區(qū)基本參數(shù)Tab.6 Basic Parameters of Each Functional Area

(1)生態(tài)保障區(qū)

外環(huán)河道水系范圍內(nèi)，主要作為學(xué)院主湖區(qū)的進(jìn)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(cè)以自然生態(tài)駁岸為主，將此處水域定位為“生態(tài)保障區(qū)”。主要針對(duì)帶狀水系、水深較淺的生境特點(diǎn)，采取沉水植物凈化系統(tǒng)、濱水帶植物凈化系統(tǒng)、增氧曝氣等凈化措施，進(jìn)行初步強(qiáng)化處理，構(gòu)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(xiàn)優(yōu)美的“水下草皮”景觀效果。可選擇較野趣的水生花卉(水生植物)造景，充分發(fā)揮水生花卉的姿韻、線條、色彩等自然美，在發(fā)揮凈化水質(zhì)的同時(shí)，提升景觀效果。在外環(huán)河道水系水流滯留區(qū)、盲端區(qū)等，通過增氧曝氣的設(shè)置增加水體溶解氧，實(shí)現(xiàn)生態(tài)清潔小流域的功能，以保障主湖區(qū)水體水質(zhì)穩(wěn)定。

(2)生態(tài)緩沖區(qū)

外環(huán)河道水系與主湖區(qū)水系進(jìn)行水體交換區(qū)域，以及應(yīng)急備用水源進(jìn)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(cè)以自然生態(tài)駁岸為主，將此處水域定位為“生態(tài)緩沖區(qū)”。主要針對(duì)外河引水、河湖交界的生境特點(diǎn)，通過地形改造優(yōu)化達(dá)到多級(jí)沉淀效果，消減泥沙等入湖量，并采用生物基攔網(wǎng)等凈化措施進(jìn)行強(qiáng)化處理，消減營養(yǎng)物質(zhì)入湖，以實(shí)現(xiàn)生態(tài)緩沖功能，維持主湖區(qū)水體水質(zhì)穩(wěn)定。

(3)生態(tài)恢復(fù)區(qū)

學(xué)院主湖區(qū)3.0 m以淺范圍內(nèi)，主要作為學(xué)院主湖區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建及景觀節(jié)點(diǎn)營造區(qū)域，面積約5.4萬m2，將此處水域定位為“生態(tài)恢復(fù)區(qū)”。主要針對(duì)濱湖交界、水下地形條件多樣的生境特點(diǎn)，采取沉水植物凈化系統(tǒng)、濱水帶植物凈化系統(tǒng)、增氧曝氣等凈化措施，結(jié)合不同種群水生植物的生態(tài)位，構(gòu)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(qiáng)的沉水植物群落，呈現(xiàn)生物性多樣的“水下森林”景觀效果。同時(shí)，利用景觀美學(xué)，通過濱水帶植物點(diǎn)、線、面的布局方式，結(jié)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(yǎng)物質(zhì)，為水體的水質(zhì)凈化提供了基礎(chǔ)條件，并通過增氧曝氣增加水體溶解氧，恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能。

(4)生態(tài)保育區(qū)

學(xué)院主湖區(qū)3.0 m以深區(qū)域，采用生物操縱技術(shù)，在水底建筑人工魚巢營造水生動(dòng)物棲息環(huán)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(dòng)物，通過對(duì)藻類的攝食控制水體中的藻類生物量，以實(shí)現(xiàn)預(yù)防藻類水華暴發(fā)和改善水質(zhì)的目的。

2.4 水景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)

水景觀是生態(tài)校園水系建設(shè)的重要組成部分，對(duì)生態(tài)校園的可持續(xù)發(fā)展具有重要的支撐作用。校園水景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)注重多元人文表達(dá)，回歸項(xiàng)目區(qū)位和專業(yè)特色，打造底蘊(yùn)深厚的文化校園。將校園文化、區(qū)位人文文化、乃至中華文化隱喻在生態(tài)校園水系中、表達(dá)于景觀主題和小品細(xì)節(jié)之間。

本項(xiàng)目根據(jù)學(xué)院位置和學(xué)校特色，結(jié)合中華道法文化、水院文化、南潯橋文化打造多元的生態(tài)水院校園水系景觀。如圖6所示，如校園行政樓南側(cè)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(zhì)；校園南側(cè)與東南側(cè)的人工濕地通過植物掛牌介紹，形成獨(dú)特濕地景觀的同時(shí)，對(duì)學(xué)生進(jìn)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(jìn)行南潯文化宣傳的同時(shí)，增加趣味性；內(nèi)湖正南面區(qū)域設(shè)計(jì)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(shí)，營造動(dòng)態(tài)水景；內(nèi)湖西南側(cè)區(qū)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(jié)論與展望

校園水系是生態(tài)校園總體建設(shè)的重要組成部分[14]。特別是新規(guī)劃的校園，其校園景觀水系的水生態(tài)系統(tǒng)健康構(gòu)建不僅涉及水質(zhì)凈化、水生態(tài)穩(wěn)定，還需與水文化、水景觀相融合，以營造一個(gè)“景觀、人文、生態(tài)”相互交融的校園生態(tài)景觀。本文以某學(xué)院智慧水利示范建設(shè)項(xiàng)目中的水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建為例，依據(jù)其功能以及現(xiàn)場區(qū)域特點(diǎn)、水質(zhì)狀況等實(shí)際情況，結(jié)合水生態(tài)目標(biāo)校核，設(shè)定生態(tài)保障區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)恢復(fù)區(qū)及生態(tài)保育區(qū)4個(gè)生態(tài)功能分區(qū)，采取多種凈化措施進(jìn)行強(qiáng)化處理，以構(gòu)建完整的生態(tài)校園景觀水系水生態(tài)系統(tǒng)，并以文化、水景觀規(guī)劃為補(bǔ)充，構(gòu)建一個(gè)水生態(tài)、水景觀、水文化等多元化景觀水系。

對(duì)于現(xiàn)代化的生態(tài)校園而言，校園水系水質(zhì)的長效穩(wěn)定至關(guān)重要，為呈現(xiàn)良好的實(shí)施效果，離不開前期規(guī)劃與策劃，亦離不開水系的專業(yè)管養(yǎng)。俗話說“三分建、七分養(yǎng)”，校園水系生態(tài)規(guī)劃更是需要樹立建、管、養(yǎng)并重的理念[15]。校園水系整體規(guī)劃需制定特定的管護(hù)方案，組建專業(yè)化的管護(hù)隊(duì)伍，完善水生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)水生動(dòng)植物的生長繁殖習(xí)性，分別對(duì)水生植物進(jìn)行修剪、收割、補(bǔ)種及對(duì)水生動(dòng)物進(jìn)行捕撈、投放等專業(yè)化、精細(xì)化的管養(yǎng)。同時(shí)，依據(jù)校園水系水質(zhì)的變化及時(shí)應(yīng)急調(diào)控，才能確保水體的長治久清、水生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定，從而長久提升校園的生態(tài)環(huán)境品質(zhì)，為校園師生創(chuàng)造一個(gè)人水和諧的生活學(xué)習(xí)環(huán)境。