0 引 言
景观湖属于浅水湖泊，水深和水体容量有限[1]，在海绵城市建设中承担雨水调蓄、水质净化、地下水回补等重要作用。然而近年来受地下水水位下降、城市用水紧张等影响，景观湖多采用防渗，阻断了地表水与地下水的联系，使得地下水补给减少、湖水水质恶化、湖体生态系统遭到破坏，与海绵城市理念不符，因而迫切需要对城市景观湖的生态化防渗方式及其生态效应展开研究。国外学者利用数字模拟软件研究湖体渗漏速率与地下水之间的相互关系以及湖体渗漏与生物影响；也有部分学者针对具体的防渗材料与防渗构筑物创新研发了测量仪器[2-8]。国内学者更多针对防渗材料、防渗方式、防渗效果与实际应用注意事项进行研究[9-13]。
通过对比国内外研究分析可知，湖体防渗工程应结合区域地下水环境进行综合考虑。以圆明园为例，湖水对植被根系分布区土壤水分的最大影响范围由防渗前的118 m缩小为防渗后的14 m，防渗工程虽然减少了湖水渗漏，但也影响了周边地下环境[14]。因此，本文基于地下水三维流动及污染物运移模型(visual modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model)，以河北某景观湖为例，构建了不同防渗方式下的地下水模型，分析防渗对周边潜水水位的影响，并从水资源、水生态和成本3方面对景观湖防渗方式进行评估分析，在此基础上探究不防渗型景观湖的设计水位、湖体面积、区域水文条件对其自身的影响与优化设计，以期为我国海绵城市建设中景观湖的生态设计提供参考。
1 研究方法
1.1 研究区概况
该景观湖位于河北省某市，该地区年均降水量为591.1 mm，年均水面蒸发量为1071.8 mm。根据测量，坑塘底的平均高程为-2.0 m，水体(冰面)高程约为5.0 m，场区南侧有1条河，河底平均高程为6.74 m。研究区内土壤类型主要包括杂填土、粉质黏土、粉土、粉砂等，2次勘察期间地下水高程分别为8.43～8.83 ， 5.41～7.27 m。景观湖东侧地下水自东向西流向景观湖，水力梯度约为0.8%。经分析，场区赋存于粉砂层的层间水通过坑塘侧壁补给，即地下水是坑塘目前的主要水源。
景观湖设计水面约2.2 hm2，常水位为8.5 m(图1)。该地区地下水潜水位较高，开发后会存在大量渗漏，导致水位波动较大、岸坡景观效果和水生态系统难以维持，维护成本较高。如何在减少渗漏、保证景观效果的同时，减轻地块开发对周边区域环境的影响是该景观湖的设计要点，基于上述要求对生态化防渗方式和不防渗型景观湖进行分析研究。
图1 景观湖示意
Fig.1 Schematic diagram of the landscape lake
1.2 景观湖Visual MODFLOW模型构建
Visual MODFLOW 4.1采用有限差分法离散求解地下水渗流场，从而得到离散点上的近似值，在此基础上可计算出地下水三维流线的空间分布状态和水质点的移动方向[15-18]。借助该模型能够科学合理地模拟景观湖防渗前后地下水环境，准确计算景观湖渗漏量和潜水位下降率，从而评估景观湖防渗方式的生态影响。同时通过修改输入参数，可模拟计算景观湖不同水位、不同面积、不同水文条件下的渗流场，以此来探究指导不防渗型景观湖的优化设计。
根据现有景观湖区的土壤地质、水文地质和测绘数据，采用有限差分法的网格中心节点建立研究区域的Visual MODFLOW模型。该研究区范围长641 m，宽407 m，划分为1600个单元，每个单元长16.03 m，宽10.18 m。垂直方向上Z最大值为50 m，根据研究区含水层的埋藏深度及水文地质条件，模型中共划分为3层，即潜水含水层、弱透水层和承压含水层，依据地勘数据在模型中输入各个地层的标点高程。受实际勘测范围影响，并未勘测到地下水边界，模拟过程中为避免由研究区边界的不确定性所导致计算结果的随意性，边界处远离源、汇项，因此研究区潜水含水层定义为定水头边界值，为7.5 m，湖面按定水头处理为5.0 m，景观湖建成后常水位为8.5 m。同时在模型中同一地层内垂直渗透系数和水平渗透系数设置成相同数值[19-20]。
Visual MODFLOW模型的识别与验证过程采用试估—校正法，通过反复调整修改参数和源汇项，可达到较为理想的拟合结果，符合GB/T 14497—1993《地下水资源管理模型工作要求》的规定。该模型共计40个模拟值与对应点位的实测值(在模型中表示为zk+编号)，模型中最大残差为1.015，最小为0.003，绝对误差<0.5 m的点位有30个，占总数75.00%，表明模型可靠，可用于研究区地下水位的预测，通过反演计算调整试验所得渗透系数及其他参数，如表1所示。
1.3 景观湖防渗方式选择
经过文献和市场调查，综合考虑水资源、水生态和成本3方面，初步选择以下4种防渗方式：不防渗、复合土工膜防渗、膨润土防水毯防渗和黏土压实防渗，通过工程经验及材料性能，得到各防渗方式的渗透系数(表2)[21-22]。为减小防渗材料厚度对湖体渗漏量计算结果的影响，Visual MODFLOW模型设定过程中只考虑不同防渗方式之间渗透系数的变化[23]。
表1 渗透系数及模型参数设置
Table 1 Permeability coefficients and parameters′ setup for different aquifer
类型水平渗透系数Kx/(m·s-1)水平渗透系数Ky/(m·s-1)垂向渗透系数Kz/(m·s-1)贮水率Ss/m-1重力给水度Sy有效孔隙度总孔隙度潜水含水层5.8×10-65.8×10-65.8×10-61.0×10-50.150.200.40弱透水层3.0×10-73.0×10-73.0×10-71.0×10-50.150.200.40承压含水层1.2×10-51.2×10-51.2×10-51.0×10-50.150.200.40
表2 景观湖防渗方式
Table 2 Anti-seepage modes for the landscape lake
编号防渗方式渗透系数/(m·s-1)说明1不防渗5.8×10-6维持现状不做防渗2复合土工膜2.7×10-13采用复合土工膜防渗材料,中间为0.5 mm厚的PE膜,上下为复合200 g/m2的无纺土工布3膨润土防水毯(GCL)5.0×10-11全部采用GCL防渗,GCL厚度约为6 mm4黏土压实6.2×10-8采用天然黏土铺底压实防渗,铺盖厚度为1 m
2 景观湖防渗方式模拟与分析
2.1 不同防渗方式模拟结果
在现状景观湖Visual MODFLOW模型的基础上，针对不同防渗方式按照表2数据，依次改变景观湖区的渗透系数，模拟4种防渗方式下景观湖地下水渗流情况。为清楚对比防渗前后景观湖周边潜水位变化情况，距景观湖左侧边缘每隔10 m设置水头观测井(编号为W1、W2，…，W10)，计算不同防渗方式景观湖周边潜水位高程，其中，防渗方式1(不防渗)模拟出的景观湖渗流场如图2所示，其他方式具体模拟值见表3。
——地下水等值线； →水流方向；
潜水位点；
实测点位(zk+编号)； 
水头观测进(w+编号)。 图2 研究区范围内防渗方式1(不防渗)对应的地下水渗流场
Fig.2 Groundwater seepage field of anti-seepage mode 1 (not anti-seepage) in the study scope
表3 不同防渗方式下潜水位高程
Table 3 Phrealic water altitude under different anti-seepage modes
编号防渗方式与景观湖边缘距离/m01020304050607080901001不防渗8.507.897.607.297.036.816.616.466.336.246.222复合土工膜8.506.135.885.855.805.765.715.675.635.605.593膨润土防水毯8.506.175.925.895.845.805.755.715.675.645.634黏土压实8.506.426.176.116.035.965.895.835.775.735.72
2.2 不同防渗方式评估
由模拟结果可知，防渗前后景观湖周边潜水位明显下降，为评估防渗工程对区域潜水位的影响，在研究区选取1个潜水位点(该点距景观湖边缘约50 m，位置如图2所示)，将其他3种防渗方式模拟出的等水位线图及该点潜水位高程与方式1(不防渗)的模拟结果进行比较，并结合景观湖水位与周边地下水水位高程差作比较分析，其中潜水位下降率根据式(1)计算得出，计算结果值见表4。
P=(H1-H2)/H×100
(1)
式中：P为潜水位下降率，%；H1为防渗前潜水位，m；H2为防渗后潜水位，m；H为景观湖水位与地下潜水位水位差，m。
通过Visual MODFLOW模拟结果分析景观湖地下水渗流场水位降深和湖体地质层，可依据式(2)计算湖体渗漏量。在现状景观湖水位高程为8.5 m的情况下，4种防渗方式渗漏量计算参数及每日渗漏量计算结果见表4。其中，渗透系数、水力坡度根据模型模拟结果得出：
Q=KAJ
(2)
表4 不同防渗方式潜水位下降率和渗漏量
Table 4 Phrealic water level decline rate and leakage under different anti-seepage modes
编号防渗方式湖水常水位与地下水平均水位高程差/m图示潜水位点高程/m潜水位下降率/%渗透系数/(m·d-1)横截面积/m2水力坡度渗漏量/(m3·d-1)1不防渗3.006.81—0.5288040.022328.372复合土工膜3.005.7635.002.3×10-8288040.2371.57×10-43膨润土防水毯3.005.8033.674.3×10-6288040.2370.034黏土压实3.005.9628.335.4×10-3288040.20832.35
式中：Q为渗漏量，m3/d；K为渗透系数，m/d；A为横截面积，m2；J为水力坡度。
通过对4种防渗方式的Visual MODFLOW模型模拟以及表3、表4对比分析可知：
1)景观湖采取防渗后，周边10 m范围内潜水位变化最大，表明其受防渗影响最为严重，后续潜水水位也在逐渐下降，但趋于平缓，其中复合土工膜防渗下降最为严重。
2)复合土工膜防渗方式防渗效果最显著，但潜水位下降幅度较大，达到35.00%，对湖体周边生态环境影响最大；黏土压实防渗对区域地下水位影响较小，潜水位下降率为28.33%。
2.3 防渗方式影响因素对比分析
基于上述模拟结果以及不同防渗方式下湖体渗漏量和潜水位下降率计算结果，以该景观湖为例，从水资源、水生态和成本3个方面对4种防渗方式的渗漏量、补水周期、湖内生态、湖外生态、建设成本、补水成本共6个影响因素进行对比分析(表5)。其中，补水周期为湖体在渗漏和蒸发(日均水面蒸发量3.19 mm/d)共同作用下，湖水水位下降到低水位8.0 m时进行人工补水时间。补水成本中补给水量主要为渗漏量和水面蒸发水量，当地园林绿化用水水价为3.00元/m3。
表5 4种防渗方式的影响因素分析
Table 5 Analysis of influencing factors for four anti-seepage modes
编号防渗方式水资源水生态成本渗漏量/(m3·d-1)补水周期/d湖内生态湖外生态建设成本/(元·m-2)补水成本/(元·d-1)1不防渗328.3727水位波动大,年内波动达到3.50 m,驳岸植物生长和景观效果难以得到保证图示潜水位点高程6.81 m,保持地表水与地下水的联系,利于地下水回补—11962复合土工膜防渗1.57×10-4156湖体水质难以保障,需要增设人工湿地处理设施1320 m2防渗层严重阻碍水气交换、地下水回补,图示潜水位点5.76 m,潜水位下降率为35.00%40～602113膨润土防水毯防渗0.03156GCL具有透气性,且利于植物附着生长,需设置24组浮排辅助净化湖水水质GCL对地下水和土壤无污染,图示潜水位点5.80 m,潜水位下降率为33.67%70～902114黏土压实防渗32.35107黏土可以降低湖体富营养化概率,有利于水质净化,增加人工曝气装置辅助湖水流动黏土保证了一定的渗透量,图示潜水位点5.96 m,潜水位下降率为28.33%60～80308
通过对比分析该景观湖4种防渗方式的6个影响因素发现：
1)单从经济成本和防渗效果方面考虑，防渗方式2(复合土工膜)为最佳选择，尽管该方式生态影响较大，但适用于一些特殊土壤和地质区，尤其在湿陷性黄土地区必须采用复合土工膜防渗，以避免景观湖开发导致的次生灾害。
2)膨润土防水毯建设成本最高，但可适用于多种地质状况，以及低温、冰冻、干湿交替等条件，该方式兼顾了防渗效果和湖内生态效益，但对区域地下水环境影响较大，在成本可承受时可选择该防渗方式。
3)黏土压实防渗方式防渗效果较差，但该方式对周边环境影响最小，生态效益最佳。但黏土抗冻融干湿交替能力较差，应避免在地质断裂带和湿陷性黄土地区选用，且由于黏土的获取受到条件限制，因此该方式并不能完全适用于各类景观湖。
2.4 复合防渗方式
研究发现，单一材料的防渗方式目标比较单一，在减小渗漏和保护环境方面无法兼顾，因而探究景观湖复合防渗方式。在复合防渗方式中，渗透系数较低的防渗材料铺设在湖底防渗区，起到更好的防渗效果；渗透系数较大的材料铺设在岸坡防渗区，维持适当的渗透率，以保障景观湖及周边良好的生态环境。
通过分析复合防渗方式下Visual MODFLOW模拟结果，计算不同复合防渗方式下景观湖的渗漏量和潜水位下降率，并与单一防渗方式进行对比(如：复合防渗方式1与湖底、岸坡全部采用膨润土防水毯的防渗方式进行对比分析)，结果见表6。
表6 复合防渗方式对比分析
Table 6 Comparison of composite anti-seepage modes and single mode
编号复合防渗方式渗漏量/(m3·d-1)潜水位下降率/%较之单一岸坡材料渗漏削减率/%较之单一岸坡材料成本节省率/%1湖底复合土工膜+岸坡膨润土防水毯9.22×10-335.0069.2725.772湖底复合土工膜+岸坡黏土压实10.2729.3368.2519.643湖底膨润土防水毯+岸坡黏土压实9.9628.0069.21-9.82
由表6分析可知：
1)复合防渗方式1的潜水位下降率与复合土工膜(35.00%)和膨润土防水毯(33.67%)接近，湖体周边潜水位下降明显。
2)复合防渗方式2较之单一黏土压实防渗减少了建设成本，同时渗漏削减达到68.25%；较之单一复合土工膜防渗，潜水位下降率由35.00%减小为29.33%，潜水位得到了提升。
3)复合防渗方式3最生态环保，6种防渗方式中潜水位下降率最小，为28.00%；防渗效果与复合防渗方式2效果差距不大，但较之单一防渗方式其建设成本较高。
3 景观湖优化设计
3.1 湖体水位变化模拟与分析
通过上文对防渗方式1(不防渗)的模拟和分析可知：目前景观湖渗漏量较大，湖体常水位与区域地下水平均水位相差3.0 m，因而在上述分析基础上，模拟分析不同常水位下湖体周边潜水水位的变化情况以及湖体的渗漏量。模拟及计算结果如表7所示。
表7 不同常水位下的潜水位和渗漏量
Table 7 Phrealic water level and leakage under different normal water levels
编号景观湖常水位/m湖体边缘30,100 m处潜水位高程/m50100渗透系数/(m·d-1)渗漏面积/m2水力坡度渗漏量/(m3·d-1)18.506.816.220.50288040.023328.3728.006.586.070.50284800.019274.8337.506.355.940.50281560.016219.6247.006.135.800.50278320.012166.9956.505.925.670.50275080.008114.1666.005.715.550.50271840.00561.1675.505.505.430.50268600.0019.4085.005.305.310.5026536-0.003-41.13
由表7分析可知：
1)随着景观湖常水位逐渐下降，湖体周边潜水位、水力坡度和渗漏量逐渐下降，并且当湖体常水位下降到5.0 m时，地下水位高于湖体水位。
2)在景观湖不防渗时可通过降低湖体常水位来减小渗漏。通过分析景观湖常水位变化对潜水位、渗漏量的影响可知，该景观湖体水位由8.0 m变为7.5 m时，渗漏量减少幅度最大。
3.2 湖体面积变化模拟与分析
在上述研究的基础上，继续探究景观湖8.5 m常水位条件下，湖体面积与区域地下水潜水位和湖体渗漏量的关系(表8)。为便于Visual MODFLOW模型对不同面积的景观湖进行模拟，湖体面积大小可通过增加或减少定水头单元数表示。
表8 不同面积下的潜水位和渗漏量
Table 8 Phrealic water level and leakage under different areas
编号景观湖面积/m2湖体边缘50,100 m处潜水位高程/m50100渗透系数/(m·d-1)渗漏面积/m2水力坡度渗漏量/(m3·d-1)1220006.816.220.50288040.023328.372167146.826.140.50227660.024268.633122866.956.180.50177060.023205.39497149.946.170.50147690.023172.06557147.046.260.50101990.022114.23634297.166.380.5075880.02180.43711437.216.490.5049770.02050.02
通过对比分析可知：
1)当景观湖面积减小时，其周边区域的地下水潜水位呈上升趋势，距景观湖50 m处的潜水水位由6.81 m提升到7.21 m。
2)景观湖面积减少时，渗漏量也逐渐减少，但当湖体面积为1143 m2时，其渗漏量仍为50.02 m3/d，表明此时湖水常水位对渗漏量影响程度比景观湖面积更大。
3.3 区域水文条件变化模拟与分析
区域水文环境的改变将直接影响景观湖。以该景观湖为例，湖体南侧河流修建橡胶坝后河水水位上升，河水以渗透形式补充到景观湖中。但该方案受区域条件限制较大，在实际应用中应进行区域地下水水力模拟分析与评估，验证其可行性。基于上述思考，模拟研究河水水位对景观湖水位的影响，模型不再设置景观湖为定水头，转而改变河水水位高程，分析河水水位与区域及景观湖地区潜水水位的关系。不同河水水位与观测井W11(图3)处潜水位高程关系如表9所示。
表9 不同河水水位下的潜水位和补水量
Table 9 Phrealic water level and recharge water volume under different river water levels
编号河水水位/mW11处潜水位高程/m水力坡度/%补水量/(m3·d-1)增长速率/%18.08.28-0.14-10.22—28.58.440.302.1924.8239.08.590.2114.9725.5549.58.760.3827.0124.09510.08.950.5338.3322.63610.59.130.6950.0123.36711.09.330.8560.9321.90
以该景观湖为例，通过数据分析可知：当河水水位提升到8.5 m时，河水开始向景观湖区域补水。由分析补水量随河水水位上涨的增长速率可知，当河水水位提升到9.0 m时补水量增长速率最大，此时河水水位最佳，区域渗流场如图3所示。
——地下水等值线； →水流方向； 潜水位点； 实测点位(zk+编号)； 水头观测进(w+编号)。
图3 研究区范围内河水水位与区域潜水位关系
Fig.3 Relationship between river water and regional phreatic water level
3.4 综合应用
基于该景观湖良好的生态本底，综合考虑湖体水位、湖体面积、河水水位三者对湖体渗漏与潜水水位的影响，在不采取防渗工程下维持景观湖效果。通过上文分析可得知，景观湖面积对湖体渗漏影响较小，因而主要讨论湖体水位与河水水位对景观湖的影响。
通过上述分析可知，当湖体水位由8.0 m变为7.5 m时，渗漏量减少幅度最大；当河水水位提升到9.0 m时，对景观湖区域补水量最佳。综上，该景观湖最佳方案为：景观湖常水位设计为7.5 m，河水水位提升到9.0 m，此时可不采取防渗措施，该方案下区域渗流场如图4所示。
——地下水等值线； →水流方向； 潜水位点；实测点位(zk+编号)； 水头观测进(w+编号)。
图4 研究区范围内景观湖优化设计下的渗流场
Fig.4 Seepage field of landscape lake under optimized design
4 结 论
1)基于Visual MODFLOW模型，对不同防渗方式、湖体水位、湖体面积、河水水位的景观湖进行数值模拟，评估景观湖防渗方式的生态环境影响，提高了不防渗型景观湖体设计的合理性，实现生态效益、经济效益和景观效果间的平衡。
2)景观湖生态化防渗方式应综合考虑补水周期、湖内生态环境、湖外生态环境、建设成本、补水成本等因素。从区域水环境角度出发，保证景观湖下渗和地下水回补能力，通过降低设计水位、减小湖体面积、改变区域水文条件等方式减小渗漏，维护区域地下水环境。
3)景观湖作为海绵城市中天然的调蓄水体，应落实海绵城市理念，吸纳接收周边径流雨水作为景观湖的补水来源，实现雨水资源的利用；同时结合景观湖自身水位、面积等设计要素，构建地表水、地下水循环体系，加强区域水环境水资源承载力。这将是海绵城市建设中景观湖设计的努力方向。
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