山水林田湖草理念在生態(tài)工程設(shè)計的應(yīng)用

胡春明，王書芬，鄭軍彥，尤 立，鄭亞凱

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085； 2. 北京土人城市規(guī)劃設(shè)計股份有限公司，北京 100083)

引 言

黨的十八大以來，習(xí)近平總書記從生態(tài)文明建設(shè)整體視野提出“山水林田湖草是生命共同體”理念。該理念將山、水、林、田、湖、草等生態(tài)系統(tǒng)視為有機(jī)整體，各生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)關(guān)聯(lián)、互為影響、不可分割，同時與人共存、共生、共榮，繼而統(tǒng)一保護(hù)、統(tǒng)一修復(fù)[1]。生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的根本目標(biāo)在于維護(hù)和增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、維持生態(tài)系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性、保障生態(tài)產(chǎn)品和服務(wù)的可持續(xù)供給，提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)因而被視為貫徹生命共同體理念的重要途徑[2-3]。

城市是一個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，包括社會生態(tài)、經(jīng)濟(jì)生態(tài)和自然生態(tài)3個層次，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有明顯的人為主導(dǎo)性和社會經(jīng)濟(jì)屬性[4-5]。在我國水資源短缺大背景下，再生水普遍作為城市景觀水體補(bǔ)給水源回用，并依靠生態(tài)工程技術(shù)加以水質(zhì)深度凈化[6-7]，且通常與城市景觀設(shè)計相結(jié)合[8-9]。但與城市景觀設(shè)計相結(jié)合的生態(tài)工程往往存在兩方面不足，一是追求景觀效果而忽略生態(tài)服務(wù)功能，二是追求水質(zhì)凈化效果而缺乏系統(tǒng)性思量，綜合導(dǎo)致工程與城市周邊環(huán)境融入不足。本研究以邯鄲市園博園清渠如許景點為案例，探討山水林田湖草生命共同體理念在生態(tài)工程設(shè)計中的應(yīng)用，以期為城市再生水回用及水質(zhì)深度凈化提供新思路。

1 山水林田湖草生命共同體理念及應(yīng)用探討

1.1 理念內(nèi)涵

2013年11月在黨的十八屆三中全會上，習(xí)近平總書記指出：“山水林田湖是一個生命共同體，人的命脈在田，田的命脈在水，水的命脈在山，山的命脈在土，土的命脈在樹?！?。2017年8月，中央全面深化改革領(lǐng)導(dǎo)小組第三十七次會議又將“草”納入山水林田湖生命共同體。山水林田湖草生命共同體理念提出后，圍繞其內(nèi)涵、理論基礎(chǔ)、應(yīng)用技術(shù)體系等方面的研究相繼展開。理念以生態(tài)學(xué)理論為支撐，詮釋各生態(tài)系統(tǒng)之間耦合機(jī)制[10]，技術(shù)體系上包括生態(tài)保護(hù)、生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)重建、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提升等[11]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)被認(rèn)為是生態(tài)共同體理念的內(nèi)涵之一，體現(xiàn)了人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的惠益，既包括客觀產(chǎn)品，也包括享受的服務(wù)[12]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)大體可劃分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)以及支持服務(wù)四大類[13]：供給服務(wù)指生態(tài)系統(tǒng)直接提供食物、木材等產(chǎn)品的服務(wù)；調(diào)節(jié)服務(wù)指從生態(tài)系統(tǒng)過程所得到的氣候調(diào)節(jié)、水質(zhì)凈化等惠益；文化服務(wù)指從生態(tài)系統(tǒng)獲取的娛樂、審美等非物質(zhì)性惠益；支持服務(wù)指生態(tài)系統(tǒng)因提供其他服務(wù)而必需的基礎(chǔ)服務(wù)，如光合作用、養(yǎng)分循環(huán)等。

1.2 應(yīng)用探討

從生態(tài)學(xué)角度，山水林田湖草相互之間存在一定差異：林、田、湖、草為單一生態(tài)系統(tǒng)，具有生態(tài)服務(wù)功能；山、水則為支撐生態(tài)系統(tǒng)的要素，是林田湖草的載體及命脈。從景觀學(xué)角度，山、水是景觀的基底，林、田、湖、草則是鑲嵌于基底之上的景觀單元。林、田、湖、草生態(tài)系統(tǒng)在自然環(huán)境中發(fā)揮著各自的服務(wù)功能(表1)，但處于城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)時，人類對林、田、湖、草生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能需求發(fā)生轉(zhuǎn)變，從專注“生態(tài)”轉(zhuǎn)為“人”與“生態(tài)”相互協(xié)調(diào)，對生態(tài)系統(tǒng)的社會服務(wù)功能需求更高[17]。

表1 林田湖草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能Tab.1 Ecosystem services of forests, fields, lakes and grasses

生命共同體理念在生態(tài)工程設(shè)計中可從兩個層級實現(xiàn)：首先是“形”，將山、水、林、田、湖、草以景觀形式展現(xiàn)；其次為“神”，需將各景觀單元有機(jī)融合以實現(xiàn)有效的生態(tài)服務(wù)功能。在設(shè)計中“形神兼?zhèn)洹钡刎瀼厣餐w理念，基礎(chǔ)在于“山”“水”形態(tài)的構(gòu)建，重點在于生態(tài)系統(tǒng)的景觀呈現(xiàn)，核心則是如何將林、田、湖、草有機(jī)融合于既定的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)目標(biāo)。

2 實踐案例—邯鄲市園博園清渠如許景點

2020年河北省第四屆園林博覽會由邯鄲市復(fù)興區(qū)承辦，會址位于邯鄲城區(qū)西側(cè)，場地歷史為工業(yè)發(fā)展用地，地形地貌及生態(tài)環(huán)境等基礎(chǔ)條件極差。場地現(xiàn)狀需解決的核心問題包括兩方面：一是場地現(xiàn)有大量礦渣及建筑垃圾；二是整個園區(qū)水資源量不足，需引城市再生水作為補(bǔ)給水源，但再生水污染物濃度較高。構(gòu)建景點“清渠如許”以解決上述問題：將場地現(xiàn)有礦渣、建筑垃圾及園區(qū)施工棄方集中堆放；將景點作為城市再生水凈化及水資源調(diào)度環(huán)節(jié)，深度凈化再生水中的污染物，保障園區(qū)后續(xù)景觀用水的水質(zhì)。

園林博覽會于2020年9月16日開幕，總占地面積約283萬m2，其中水系面積約60萬m2、綠化面積約220萬m2、建筑總面積約5.5萬m2，包括核心文化游覽區(qū)、生態(tài)濕地保護(hù)區(qū)、生態(tài)修復(fù)實踐區(qū)、地域特色展示區(qū)、鋼城農(nóng)趣服務(wù)區(qū)、齊村民俗體驗區(qū)和澗溝農(nóng)旅文化區(qū)等7大功能區(qū)和13個市園。“清渠如許”景點總面積約9萬m2，于9月初開始凈化再生水。

2.1 理念應(yīng)用

根據(jù)場地現(xiàn)狀條件及項目目標(biāo)，區(qū)域亟需形成的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為水質(zhì)凈化及景觀服務(wù)，同時兼顧保育土壤、科研教育。以山水林田湖草生命共同體理念為指導(dǎo)，在清渠如許設(shè)計中貫徹實現(xiàn)上述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，技術(shù)路線如圖1。

圖1 山水林田湖草生命共同體理念落實路線圖Fig.1 Technology roadmap of applying mountains-rivers-forests-fields-lakes-grasses

“山”與“水”的設(shè)計?！吧健笔蔷坝^基底以及林、田、湖、草的載體；“水”是景觀紐帶以及林、田、湖、草的命脈；以山、水詮釋景點主題，營造遠(yuǎn)景景觀?；谕潦狡胶夂怂?，將園博園的廢渣及棄土堆砌、壓實形成面積9萬m2，高14m的“山”體，為林田湖草提供構(gòu)建空間。根據(jù)園區(qū)場地基礎(chǔ)條件選址于水庫南岸，依托周邊的庫區(qū)水面以及景點內(nèi)的“田”、“湖”等景觀單元，共同烘托“半畝方塘一鑒開，天光云影共徘徊”的觀感。泵站將水源提升至山體頂部再依地勢流至底部，“水”為林田湖草提供水源及營養(yǎng)鹽，而林田湖草深度凈化中水中的污染物，彰顯“問渠那得清如許，為有源頭活水來”的內(nèi)涵。

“田”與“湖”的設(shè)計。針對補(bǔ)給水源污染物濃度依然較高的問題，依托山勢構(gòu)建凈化單元，使清渠如許具備水質(zhì)凈化服務(wù)功能：以水平潛流濕地技術(shù)構(gòu)建“梯田”，以塘、水平表流濕地、垂直表流濕地技術(shù)構(gòu)建“湖”。

“林”與“草”的設(shè)計。清渠如許景點范圍內(nèi)，除道路、廣場等硬化地面外的其他區(qū)域均構(gòu)建“林”及“草”。土壤裸露區(qū)域構(gòu)建草地以保育土壤、減少水土流失；在濕塘、水平表流濕地等水面周邊種植喬木，利用樹蔭減少陽光、降低溫度以抑制藻類生長，輔助水質(zhì)凈化。

游覽路徑的設(shè)計。游覽路徑為人提供親近景點的途徑，使人與景點在互動的過程中得到景觀體驗、科研教育等服務(wù)：在清渠如許景點設(shè)置車行道、步行道、休憩平臺、觀景平臺等構(gòu)筑物。

2.2 水資源量平衡

園博園的水資源調(diào)度主要依托于齊村水庫調(diào)節(jié)，該水庫修建于20世紀(jì)50年代，主要功能為防洪及灌溉。水庫面積約125萬m2，總庫容約470萬m3，上游沁河的集水面積約127km2，現(xiàn)狀庫區(qū)水質(zhì)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類限值。

根據(jù)園區(qū)水系規(guī)劃，再生水經(jīng)清渠如許景點深度凈化后排入下游“礦坑花園”及“濱水濕地”兩個景點，最終匯入齊村水庫作為園區(qū)補(bǔ)給水源。根據(jù)清渠如許景點及其周邊水體的水資源量平衡核算(圖2)，為補(bǔ)給蒸發(fā)滲漏損耗補(bǔ)給以及保障適當(dāng)?shù)木坝^環(huán)境用水，水資源需求總量約為50.3萬t/a。根據(jù)多年平均逐月蒸發(fā)、降雨量核算(表2)，補(bǔ)水需求量最高期在6月份，日均需求量平均為2 952t；1月、2月及12月冬季不補(bǔ)水。考慮實際運行中的差異，設(shè)計水量按5 000t/d。

圖2 清渠如許及周邊水體水資源量平衡圖Fig.2 Water balance of the Qingquruxu and surrounding water bodies

表2 逐月水資源需求量Tab.2 Monthly demands for water resources

2.3 水質(zhì)凈化核算

清渠如許及周邊水系主要為開闊水體，富營養(yǎng)化控制是保障景觀效果的先決條件，選擇磷作為目標(biāo)污染物進(jìn)行設(shè)計計算。人工濕地對磷的凈化去除大致遵循污染物一階反應(yīng)動力學(xué)，如下式。式中：Ka為磷的面積去除速率常數(shù)，單位m/d；Q為水量，本項目為5 000 m3/d；A為濕地面積；Cin為設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)，本工程為0.5 mg/L；Cout為設(shè)計出水水質(zhì)，本工程為0.2 mg/L；Ce為磷平衡濃度，取0.02 mg/L。

塘、水平表流、水平潛流及垂直表流濕地的Ka取值根據(jù)已有研究及經(jīng)驗參數(shù)[18]，分別取0.03、0.06、0.16、0.25m/d。經(jīng)計算確定構(gòu)建景觀塘1.4萬m2、水平表流濕地2萬m2、水平潛流濕地0.6萬m2、垂直表流濕地0.9萬m2。凈化單元總面積4.9萬m2，理論凈化能力約5 000t/d，平均水力負(fù)荷為0.1 m/d。

為充分發(fā)揮各凈化單元的水質(zhì)凈化服務(wù)功能，在工藝流程設(shè)計上重點凸顯兩個功能：(1)在塘、水平表流濕地、垂直表流濕地等具有自由水面的凈化單元設(shè)計時，進(jìn)水借助“山”的落差設(shè)置跌水，依托跌水過程大幅增加水體溶解氧含量，從而保障水體內(nèi)的高溶解氧含量，促進(jìn)有機(jī)物凈化；(2)在流程中構(gòu)建多處“水平潛流濕地+跌水”、“垂直表流濕地+跌水”微組合，形成厭氧好氧交替環(huán)境，提高脫氮除磷效果。

2.4 最終設(shè)計效果

清渠如許設(shè)計圖及實景照片如圖3。通過構(gòu)建“山”因地就勢處理現(xiàn)狀污染基底并形成豎向落差；將再生水引入山頂，水系層層跌落過程中發(fā)揮“田”與“湖”的水質(zhì)凈化功能；利用鄉(xiāng)土植物構(gòu)建“林”與“草”，打造具有邯鄲本土特色的植物基底，發(fā)揮土壤保持功能；山水林田湖草相互融合形成全范圍的綠蔭覆蓋和多層次的景觀，形成以大片觀賞花田為基底的特色濕地景觀區(qū)，發(fā)揮景觀服務(wù)、科研教育功能，并與本屆園博園主題“山水邯鄲，綠色復(fù)興”相呼應(yīng)。

2020年10月份進(jìn)行了三次水質(zhì)監(jiān)測，因秋季園區(qū)水量蒸發(fā)損耗較小，清渠如許景點日處理再生水量維持在約2 000 t/d。監(jiān)測期間，雖然“林”、“草”系統(tǒng)的植物長勢一般，但“田”、“湖”系統(tǒng)內(nèi)的濕地植物生長狀況良好，景點總體發(fā)揮出較理想的水質(zhì)凈化服務(wù)功能，出水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計目標(biāo)(表3)。

圖3 清渠如許景點設(shè)計圖及實景圖Fig.3 Design drawing and real picture of the Qinquruxu scenic spot

表3 清渠如許景點水污染物去除效果Tab.3 Removal effect of water pollutants of the Qinquruxu scenic spot (mg/L)

3 結(jié) 語

山水林田湖草生命共同體理念及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論在生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)工作中發(fā)揮著重要指導(dǎo)作用。本文將該理念應(yīng)用于邯鄲市園博園清渠如許景點，針對場地廢渣多、水資源量不足、水污染物濃度較高等問題，引入城市再生水作為園區(qū)補(bǔ)給水源，并在構(gòu)建山、水、林、田、湖、草景觀單元的同時賦予水質(zhì)凈化、土壤保持、景觀服務(wù)、科研教育等服務(wù)功能，使生態(tài)工程在城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用及價值。在后續(xù)運行中，將重點加強(qiáng)山水林田湖草系統(tǒng)的維護(hù)管理以保障生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能持續(xù)發(fā)揮，并定期跟蹤水質(zhì)監(jiān)測和植物生長狀況觀測，從而更好地評估系統(tǒng)效果。本實踐證明了山水林田湖草生命共同體理念應(yīng)用于生態(tài)工程設(shè)計的可行性，為城市再生水回用及深度處理工程的設(shè)計提供新思路及方向。