濱海淡水人工湖設計關鍵技術研究

常廣品，姜 濤

(1.中電建華東勘測設計研究院(鄭州)有限公司，河南 鄭州 450018；2.鄭州市城鄉(xiāng)建設局，河南 鄭州 450018)

人工湖對于改善局部地區(qū)生態(tài)景觀環(huán)境發(fā)揮著重要作用，濱海地區(qū)降雨季節(jié)性差異大、蒸發(fā)量大、土層含砂量高滲透系數(shù)大、河道水體和地下水含鹽量高高，如何選擇合適的水源補給、防滲方式、蓄水方式值得研究和思考。張智[1]等人在重慶大學虎溪校區(qū)人工湖設計時綜合采用降雨、河水、自來水作為人工湖水源；陳宏平[2]等人研究表明校園再生水用于人工湖補水，不僅造價低，同時可以達到景觀用水標準；田玉蘭[3]等人對比研究了人工湖不同的生態(tài)防滲技術，將粘土防滲技術應用到燕雀湖；郭銘[4]研究顯示膨潤土防水毯具有防滲效果好、施工簡單的特點；何瑩[5]等人在太陽島人工湖采用膨潤土防水毯作為防滲材料起到了良好的效果；劉彥汐[6]等人研究表明水生植物根系越發(fā)達水質(zhì)凈化功能越好。為使濱海地區(qū)人工湖建成后可以發(fā)揮預期的生態(tài)景觀效果，本文開展相應的研究工作。

1 項目概況

海南省某高校新校區(qū)位于海口市美蘭區(qū)陶沙村北側(cè)，距離瓊州海峽430m，最近河道160m。該校區(qū)內(nèi)開挖人工湖面積1萬m2，匯水面積5.35萬m2，平均水深2.50m，蓄水量約2.5萬m3，如圖1所示。海口市屬亞熱帶季風氣候，5—10月為雨季，11月至次年4月為旱季，全年降雨量及蒸發(fā)量均出現(xiàn)比較大的月份差異，見表1。6—10月降雨量大于蒸發(fā)量，其余月份降雨量小于蒸發(fā)量。瓊州海峽平均潮位0.70～1.78m，潮差較小，受臺風影響時潮差增大至3～4m。地塊內(nèi)土層以粉砂為主，滲透系數(shù)為1.6×10-3。地下水水位標高1.17～1.57m，高于人工湖湖底1.0m，地下水含鹽量約5‰，高于相關地方標準中挺水植物種植區(qū)水體含鹽量低于2‰的要求。

表1 海口市近30年月平均降雨量及蒸發(fā)量

圖1 校園人工湖

2 水源選擇

本工程可利用水源包括海水、咸淡水、雨水及校園中水，海水及咸淡水不利于微生物和具有水質(zhì)凈化作用的淡水魚類生長、不利于耐鹽量低的水生植物生長，為保證湖區(qū)形成自然生態(tài)系統(tǒng)，具有一定的自凈能力，采用淡水蓄水。以雨水補水為主，在長期干旱等特殊情況下中水應急補充。雨水收集利用符合海綿城市建設理念，同時可減輕市政管網(wǎng)排水壓力。

園區(qū)內(nèi)設計地面高程4.20m，該區(qū)域潮位0.70～1.78m，為防止湖區(qū)水體受潮位影響，采用高水位蓄水，設計水位為3.70m。湖區(qū)設置淺水區(qū)和深水區(qū)，淺水區(qū)水深0.50m，深水區(qū)最深處2.70m。

?？谑?0年的月均降雨量見表1，按照園區(qū)徑流系數(shù)0.50、匯水面積5.35萬m2計算，湖區(qū)匯水范圍1—12月降雨量分別為619、1111、1587、3175、5715、7207、6921、7480、7747、7112、2571、1111m3。年總降雨量5.24萬m3。

湖區(qū)水體損失主要是蒸發(fā)和滲漏。根據(jù)表1中?？谑?0年的月均蒸發(fā)量計算，1—12月蒸發(fā)量分別為850、820、1270、1590、1870、1880、2060、1770、1500、1480、1240、1020m3。年總蒸發(fā)量1.74萬m2。在無防滲措施情況下，湖底滲透系數(shù)取粉砂層1.6×10^-3cm/s，年總滲漏量約497.6萬m3。

因此可見，湖底在無防滲措施情況下年缺水量約494.1萬m3，遠大于年總降雨量5.24萬m3，自然條件下人工湖無法實現(xiàn)蓄水，湖底需考慮防滲措施。

3 湖底防滲

水利工程中常用的防滲措施有混凝土、膨潤土防水毯、土工膜、粘土等，見表2?；炷练罎B因結(jié)構(gòu)本身存在的熱脹冷縮變形大的原因，結(jié)構(gòu)需進行分縫，分縫處止水施工難度較大，損壞后不容易修復。膨潤土防水毯滲透系數(shù)小防滲效果好，但是生態(tài)效果較差，不利于水生植物和微生物生長。土工膜防滲具有滲透系數(shù)小防滲效果好的特點，但是施工過程中發(fā)生刺破防滲效果大打折扣，滲漏點查找及修復比較困難。粘土防滲兼顧防滲與生態(tài)效果，自我修復能力強，造價低，施工方便。綜合比選考慮，湖底采用粘土防滲。

表2 湖底防滲方式對比表

按照湖底80cm厚粘土防滲，滲透系數(shù)取1.2×10-6cm/s，湖區(qū)年總滲漏量約3732.5m3，湖區(qū)每年降雨量扣除蒸發(fā)和滲漏后水體凈流入量約3.13萬m3。即采用粘土防滲情況下，只以雨水為水源，全年可以滿足人工湖蓄水要求。經(jīng)對比各月來水與水體損失發(fā)現(xiàn)，4—11月人工湖來水均大于損失，12月至次年3月水體損失大于補水量。考慮天氣不穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)長期干旱時候人工湖水位過低影響景觀效果，將校園中水作為應急補水水源，如圖2所示。

圖2 人工湖水體流入與損失對比圖

4 蓄水堰壩

為保證人工湖主湖區(qū)水位穩(wěn)定，在湖區(qū)出水口明渠段設置兩級蓄水堰壩，兩處堰壩距離80m，明渠段寬度15m，水深1.50m，形成約1800m3補水池，池內(nèi)設置500m3/h補水泵站向主湖區(qū)補水。兩級堰壩頂高程分別為3.70和3.20m，壩頂寬度均為15m，如圖3所示。

圖3 兩級蓄水堰壩

采用經(jīng)驗公式法計算蓄水堰壩溢流洪峰流量，?？谑械呐艥硺藴拾?0年一遇，人工湖常水位3.70m，高水位4.00m，匯水面積F=0.133km2。

4.1 海口市暴雨強度公式

(1)

式中，T—暴雨重現(xiàn)期；t—降雨歷時，min；i—暴雨強度，mm/min。

經(jīng)計算，?？谑幸荒暌挥鼋涤陱姸葹?2.85mm/h。

4.2 設計流量計算

因匯水面積為0.133km2小于10km2，采用城市設計澇水計算經(jīng)驗公式：

Qp=kqφF

(2)

式中，Qp—規(guī)定頻率為P%的設計流量，m3/s；k—與所用單位有關的系數(shù)；q—1小時降雨量，mm；φ—徑流系數(shù)；F—匯水面積，km2。

經(jīng)計算，人工湖出口處設計洪峰流量Qp=1×62.85×0.45×0.133=3.76m3/s；

4.3 堰壩規(guī)模計算

第一級蓄水堰壩頂高程3.70m，設計高水位4.00m。采用理正水力學計算軟件，根據(jù)排水出口最大洪峰流量計算壩體規(guī)模。經(jīng)計算，堰壩單寬最大過水流量為0.334m3/s，所需堰壩寬度為3.76/0.334=11.25m，15m寬堰壩過水能力可以滿足暴雨期間人工湖排澇需要。

5 結(jié)語

開挖人工湖往往對建成后效果、品質(zhì)及運行成本具有較高的要求。根據(jù)濱海地區(qū)降雨、蒸發(fā)、地質(zhì)、周邊水體等特點，以自然降雨補水為主體，湖底設置80cm厚粘土生態(tài)防滲方式，人工湖出口結(jié)合堰壩設置形成補水池，實現(xiàn)了濱海地區(qū)淡水人工湖蓄水和水質(zhì)的維持，具有較高的參考價值。我國海岸線較長，不同濱海地區(qū)也存在一定的自然地理環(huán)境差異，本文的研究對象位于南方地區(qū)，如何針對北方濱海地區(qū)特點提出更加優(yōu)化的方法，可以作為日后進一步研究的方向。