馬 超， 于 博， 賓零陵,2， 喬雅男

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072； 2.天津師范大學 地理與環(huán)境科學學院， 天津 300387)

1 研究背景

城市河網(wǎng)作為城市重要的資源儲備和環(huán)境載體，能夠滿足防洪排澇、人文景觀等社會需求，對經(jīng)濟和社會發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。城市化進程中為滿足發(fā)展需要，人們對城市河流進行了不同程度的人為改造，直接改變了城市河網(wǎng)的自然連通結(jié)構(gòu)，對其功能產(chǎn)生了很大影響[1-3]。許多城市河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)連通性下降，河道主干化趨勢明顯，河網(wǎng)部分河段水流流速緩滯，水體置換周期增長，自凈能力下降[4-7]。此外，同期水環(huán)境保護措施滯后，且河道外源污染嚴重，水質(zhì)惡化嚴重。相關(guān)部門利用污染控制與集中處理、生態(tài)補水、水體凈化等措施改善城市水環(huán)境，取得了初步成效[8-9]。但生態(tài)補水技術(shù)成本較高，且在部分水源短缺城市難以維持，補水效果受水源水量、水質(zhì)和河網(wǎng)特性等多因素影響[10]；而生態(tài)浮床、生物膜技術(shù)等常見的水體凈化措施改善周期長，且凈化效果受環(huán)境影響明顯[11]。目前多類型技術(shù)組合實現(xiàn)城市河網(wǎng)水質(zhì)改善目標的治理效果良好[12]，但是針對城市水環(huán)境治理，仍缺乏指導性的城市河網(wǎng)水環(huán)境治理的系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)體系。在我國推進建設(shè)“美麗中國”的戰(zhàn)略背景下，如何結(jié)合前人治理成果，創(chuàng)新河網(wǎng)水環(huán)境治理模式，提出將水質(zhì)現(xiàn)狀、河網(wǎng)特征和水質(zhì)目標有機融合的架構(gòu)體系，是亟待解決的現(xiàn)實問題。

本文明確了新時期城市河網(wǎng)連通活水循環(huán)凈化系統(tǒng)的內(nèi)涵與總體需求，提出了涵蓋河網(wǎng)連通整治、水體凈化、水流-水質(zhì)模擬評價以及水質(zhì)在線監(jiān)測等4個方面的連通活水循環(huán)凈化系統(tǒng)總體框架，提出了城市河網(wǎng)動態(tài)連通-定量凈化耦合技術(shù)、動態(tài)監(jiān)測-精細模擬耦合技術(shù)、動態(tài)決策-全局管理耦合技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，以期為城市河網(wǎng)水環(huán)境修復提供參考。

2 城市河網(wǎng)水環(huán)境治理的現(xiàn)狀和問題

2.1 城市河網(wǎng)水環(huán)境治理現(xiàn)狀

從20世紀中后期開始，研究者們以平原河網(wǎng)為對象，先后對臺州市溫黃平原、杭州市江干區(qū)、張家港市中部等地城市河網(wǎng)水環(huán)境改善方式進行了研究，主要圍繞“源頭治理”、“過程控制”、“終端凈化”等方面開展研究工作[13-26]，不同河網(wǎng)改善方式及效果分析如表1所示。源頭治理是通過減少入河污染物從而減少河道污染，過程控制是利用水利設(shè)施等來改變河網(wǎng)連通結(jié)構(gòu)和水力聯(lián)系從而促進污染物的擴散和稀釋，終端凈化是依靠自然界物理-化學-生物反應(yīng)實現(xiàn)污染物的有效降解。

表1 不同河網(wǎng)改善方式及效果分析

續(xù)表1

2.2 城市河網(wǎng)治理過程中存在的問題

2.2.1 河網(wǎng)循環(huán)連通性差，補水利用率低 多類型閘壩工程的建立使城市河網(wǎng)連通特性與自然河道相差較大[27]。河網(wǎng)連通逐步由傳統(tǒng)“自然坡降”驅(qū)動結(jié)構(gòu)演變?yōu)椤叭斯らl控”驅(qū)動結(jié)構(gòu)，河道多發(fā)展形成“水庫型河道”。同時，閘泵調(diào)控下水體流向不定，自然形成的樹狀河網(wǎng)被賦予環(huán)狀河網(wǎng)屬性，水流容易沿最短水力路徑流出河網(wǎng)，可能存在引調(diào)水量大、補水效率低的狀態(tài)[28-29]。

2.2.2 河網(wǎng)水體凈化缺乏定量化整裝成套技術(shù) 目前，河網(wǎng)水環(huán)境治理主要通過物理、化學及生物措施進行修復改善[30]。物理措施常采用曝氣復氧或修建跌水建筑物，改善效果好且成本低，但是需要外接電源供電[31-32]?；诨瘜W和生物原理的生物膜、生態(tài)浮床和微生物強化技術(shù)也是改善河道水質(zhì)的有效方法[33-39]。生物膜法處理效率較高，接觸停留時間長，能有效降低水體污染物濃度，但置于河道內(nèi)的生物膜載體可能會影響到水域的航運和泄洪等功能[40-41]。生態(tài)浮床技術(shù)和微生物強化技術(shù)分別通過植物和微生物來凈化水質(zhì)，屬于近自然修復，但區(qū)域針對性強，存在外來物種入侵風險，且污染物吸收飽和后，需要進行定期采摘和補充更新。鑒于單一水質(zhì)凈化技術(shù)存在著一定的缺陷，研究者針對具體的水質(zhì)污染指標，提出定性組合方案，但缺少實驗?zāi)M凈化效果與實際河道凈化效果比尺的關(guān)系，難以綜合考慮河網(wǎng)結(jié)構(gòu)連通性、水深、流速等其他水力學參數(shù)給出定量的工程規(guī)模和布置策略[42]。因此，研究綜合凈化措施的水動力特性及凈化規(guī)律和標準化的河道凈化技術(shù)，并研發(fā)定量整裝成套模塊化凈化技術(shù)是未來城市河網(wǎng)改善的主要研究方向。

2.2.3 精細化模擬存在盲區(qū)，與治理效果的動態(tài)互饋機制不明確 為了掌握城市河網(wǎng)污染物的濃度變化及遷移轉(zhuǎn)化趨勢，研究者常采取水質(zhì)數(shù)值模擬方法進行分析，但是目前河網(wǎng)中許多凈化措施的參數(shù)化表達難以用數(shù)學方法實現(xiàn)。建模過程中對部分內(nèi)容的概化處理，容易失真；求解時方程的離散與邊界條件的處理，以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的真實性和完整性也會影響模型的精度和預(yù)報的準確性[43]。以上不足造成城市河網(wǎng)水環(huán)境精細化模擬存在盲區(qū)，不能全面科學地支撐城市河網(wǎng)水環(huán)境全局改善調(diào)控決策，與實際治理效果間動態(tài)互饋機制不明確，難以保證水流運動及水質(zhì)演變規(guī)律得到全面的總結(jié)和探索。

2.2.4 信息管理獨立分散，統(tǒng)一決策難度大 城市河網(wǎng)中水環(huán)境改善方案的制定主要參考水質(zhì)信息和相應(yīng)水質(zhì)目標。隨著信息化技術(shù)手段的不斷發(fā)展，近年來建設(shè)了一大批水利信息化系統(tǒng)工程，但是受管理方式、投資力度、技術(shù)水平等原因的限制，目前大多數(shù)城市河網(wǎng)水環(huán)境信息系統(tǒng)存在重復建設(shè)、各自為戰(zhàn)的現(xiàn)象[44-45]。河網(wǎng)水環(huán)境決策主要聚焦管轄片區(qū)內(nèi)局部河道水質(zhì)監(jiān)測信息，水環(huán)境信息由多個職能部門管轄，而各部門之間可能缺乏有效的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機制，數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)有效共享，難以對水體信息進行全局分析處理，缺乏對整個河網(wǎng)連通結(jié)構(gòu)特征及污染物擴散傳輸?shù)目紤]，難以把控全局水質(zhì)演變情況，做出合理決策。最終呈現(xiàn)出水環(huán)境治理決策局部化、片面化的現(xiàn)象。

3 城市河網(wǎng)連通循環(huán)凈化系統(tǒng)的構(gòu)建目標和基本要素

城市河網(wǎng)連通活水循環(huán)凈化系統(tǒng)的構(gòu)建以實現(xiàn)最大限度恢復水體自凈能力為目標，探究河道水系連通循環(huán)與水體凈化的動態(tài)變化規(guī)律；同時，根據(jù)水動力特征與水質(zhì)凈化效果的關(guān)系提出綜合調(diào)控方案，以達到提高補水循環(huán)利用率、改善河網(wǎng)水質(zhì)的效果。城市河網(wǎng)連通循環(huán)凈化系統(tǒng)的構(gòu)建包括以下4個基本要素：

(1)實現(xiàn)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)性與功能性連通，在城市河網(wǎng)發(fā)揮基本功能的基礎(chǔ)上，基于城市河網(wǎng)閘泵調(diào)控特性，變單向排水為雙向輸水；建立動態(tài)溢流堰等水利設(shè)施，實現(xiàn)河網(wǎng)連通，進行水資源科學調(diào)度，提高水體流速。

(2)改善河網(wǎng)水體流動性，結(jié)合河網(wǎng)特征利用閘泵實現(xiàn)水循環(huán)調(diào)控，加速河道水體流動，提高水體復氧能力，改善滯緩河道水體流動置換效率。

(3)強調(diào)城市河網(wǎng)工程治理與生態(tài)凈化手段，針對不同類型河道提出相應(yīng)的改善策略，促進城市河網(wǎng)由工程化向近自然化轉(zhuǎn)變，最終達到修復水環(huán)境、改善水質(zhì)的效果，促進城市與水系融合。

(4)以管理決策為保障，強調(diào)智慧水務(wù)在城市河網(wǎng)治理中的重要地位，利用低空遙感影像、無人機巡查、河道水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備等多種手段實現(xiàn)對河網(wǎng)水質(zhì)的實時監(jiān)控，通過整合河網(wǎng)水利工程來實現(xiàn)水量的精細控制，開發(fā)兼具多元數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫管理、水量精準調(diào)控與水質(zhì)實時監(jiān)測多項功能的智慧水務(wù)管理平臺，最終實現(xiàn)“河網(wǎng)連通-活水循環(huán)-體內(nèi)凈化-動態(tài)決策”。

構(gòu)建需要解決3個關(guān)鍵問題：

(1)需系統(tǒng)地考慮河網(wǎng)特性、河網(wǎng)連通的演變趨勢、水質(zhì)現(xiàn)狀和水質(zhì)目標，綜合把握城市河網(wǎng)水環(huán)境的特征；

(2)需正確把握時空特性下的河網(wǎng)格局與功能變化關(guān)系，滿足城市河網(wǎng)水體的自然凈化、社會服務(wù)與景觀娛樂功能；

(3)需明確水動力條件、凈化措施對水質(zhì)凈化效果的影響以及三者之間的互饋機制。提出服務(wù)城市河網(wǎng)全局水環(huán)境改善的分區(qū)分時分類的循環(huán)凈化預(yù)案，提高河網(wǎng)水體自凈能力。河網(wǎng)水循環(huán)凈化系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 河網(wǎng)水循環(huán)凈化系統(tǒng)示意圖

4 城市河網(wǎng)連通循環(huán)凈化系統(tǒng)構(gòu)建的技術(shù)框架與關(guān)鍵問題

4.1 城市河網(wǎng)連通活水循環(huán)凈化系統(tǒng)總體技術(shù)框架

城市河網(wǎng)連通循環(huán)凈化系統(tǒng)通過連通整治疏通河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，最大限度地利用自然地理條件挖掘自調(diào)節(jié)能力，輔助科學調(diào)度以及整裝成套凈化技術(shù)，為河網(wǎng)水環(huán)境改善制定凈化預(yù)案。同時，綜合運用在線監(jiān)測、軟件模擬、大數(shù)據(jù)和云計算等現(xiàn)代信息工具，構(gòu)建綜合調(diào)控決策系統(tǒng)。城市河網(wǎng)連通活水循環(huán)凈化系統(tǒng)總體技術(shù)框架如圖2所示。

圖2 城市河網(wǎng)連通活水循環(huán)凈化系統(tǒng)總體技術(shù)框架

城市河網(wǎng)連通循環(huán)凈化系統(tǒng)總體技術(shù)框架包括：以調(diào)節(jié)水動力，改善水質(zhì)為主線，進行城市河網(wǎng)連通整治和河網(wǎng)水體凈化。河網(wǎng)連通整治是在滿足區(qū)域基礎(chǔ)條件與連通需求的情況下，正確識別河網(wǎng)的水系結(jié)構(gòu)及其連通格局的演變，明確河網(wǎng)水體連通的保障與連通方式，遵循城市河網(wǎng)水系連通的水循環(huán)機理，綜合水資源綜合調(diào)度理論和技術(shù)，明確河網(wǎng)連通潛在的影響與風險，探尋適宜的河網(wǎng)連通方式。同時，對河網(wǎng)水系連通的潛在影響與風險提出解決方案。河網(wǎng)水體凈化是在河網(wǎng)水質(zhì)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，按照凈化機理，篩選合適的技術(shù)及措施，為河網(wǎng)治理提供合適的凈化方案。

將非工程措施與工程措施結(jié)合，計算機模擬輔以實時動態(tài)監(jiān)測。利用河網(wǎng)水動力-水質(zhì)耦合模擬，將河網(wǎng)連通整治技術(shù)及河網(wǎng)水體凈化方案嵌入水動力-水質(zhì)模擬模型，對現(xiàn)有的河網(wǎng)水質(zhì)進行模擬評價，對未來的河網(wǎng)水質(zhì)進行預(yù)判。同時，結(jié)合河網(wǎng)水質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)，將模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，建立互饋機制，并及時進行方案的調(diào)整，為河網(wǎng)水環(huán)境修復提供精準預(yù)案。

4.2 新時期城市河網(wǎng)連通活水循環(huán)凈化系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 城市河網(wǎng)水體動態(tài)連通調(diào)控-定量整裝成套凈化耦合技術(shù)

(1)河網(wǎng)水體動態(tài)連通調(diào)控技術(shù)：打破傳統(tǒng)的固有河網(wǎng)連通方式，綜合考慮水利工程、河網(wǎng)特征、連通特性、水域規(guī)模、補水來源和補水水量等因素，改善水體連通情況，減少由于水資源不合理分配而導致的影響[46]，重新識別城市河網(wǎng)中潛在的循環(huán)通道，建立閘泵群調(diào)控下的循環(huán)連通快速識別機制，增加區(qū)域調(diào)蓄以及水生態(tài)環(huán)境承載能力[47]。根據(jù)不同循環(huán)通道下的水動力學參數(shù)計算結(jié)果，耦合凈化技術(shù)適用的水動力閾值，合理選擇凈化裝置的類型、規(guī)模和布局。根據(jù)凈化工程實施后污染物濃度的衰減規(guī)律，及時調(diào)整河網(wǎng)連通循環(huán)調(diào)度方案，形成動態(tài)連通調(diào)控技術(shù)[48]。

現(xiàn)狀水環(huán)境治理未充分考慮補水的循環(huán)利用，河網(wǎng)補水主要起到促進水體稀釋和提高置換速度的作用，部分水資源缺乏的城市難以利用補水的方式長期維持城市河網(wǎng)水質(zhì)，河網(wǎng)可能存在引調(diào)水量大、補水利用率低的狀態(tài)。若能考慮河網(wǎng)結(jié)構(gòu)與閘泵性能，依靠閘泵調(diào)控的方式適當調(diào)整河網(wǎng)的水力聯(lián)系，使補水循環(huán)再利用，依此可達到降低補水水量，帶動水體流動，提高水體復氧能力的效果。以天津市中心城區(qū)河網(wǎng)為例，該河網(wǎng)每年消耗大量的環(huán)境用水以改善其水質(zhì)狀況[49-50]，圖3給出了天津中心城區(qū)河網(wǎng)原始流向及改變閘泵調(diào)控下可能的循環(huán)流向。如圖3(b)所示，若能考慮河網(wǎng)水系連通，形成循環(huán)回路，可起到提高補水循環(huán)利用率和節(jié)約環(huán)境補水的作用。

圖3 天津中心城區(qū)河網(wǎng)流向示意圖

(2)河網(wǎng)水體定量整裝成套凈化技術(shù)：集成改善不同水質(zhì)指標分時分類分區(qū)的凈化技術(shù)庫，研發(fā)循環(huán)水動力條件下適用于類似水動力學范圍閾值的整裝成套凈化技術(shù)；開發(fā)適用于河網(wǎng)循環(huán)水流條件下的整裝成套凈化裝置模塊。研究開展適用閾值內(nèi)河網(wǎng)水質(zhì)不同污染程度下的整裝成套凈化技術(shù)凈化效果實驗，定量提出成套凈化裝置與水流運動之間的相互影響關(guān)系以及模塊化凈化對污染物的定量綜合凈化效果等。并針對性地制定可行的布局方案，以保證水質(zhì)改善效果。

4.2.2 城市河網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測-精細化模擬耦合技術(shù) 開展城市河網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測-精細化模擬耦合技術(shù)的研究，能夠?qū)泳W(wǎng)水體流動特征、水量給排、污染物沉降及傳輸?shù)茸兓M行全方位把控，為制定合理的河網(wǎng)水環(huán)境改善方案提供依據(jù)及參考[51-52]。此項研究需要重點突破以下兩個方面:

(1)制定服務(wù)于城市河網(wǎng)水體的動態(tài)監(jiān)測機制，形成監(jiān)測內(nèi)容涵蓋河網(wǎng)基礎(chǔ)信息、河網(wǎng)水動力信息、河網(wǎng)水質(zhì)信息、河網(wǎng)沿線工程信息、城市氣象信息在內(nèi)的河網(wǎng)監(jiān)測體系，實現(xiàn)對河網(wǎng)信息的精確把控和快速識別。

(2)建立城市河網(wǎng)水環(huán)境精細模擬系統(tǒng)，開發(fā)不同河網(wǎng)連通情況下的水動力-水質(zhì)-水生態(tài)模型，基于數(shù)據(jù)庫和河網(wǎng)實時信息，形成不同河網(wǎng)條件下的水量給排和閘泵調(diào)控方案，應(yīng)用并記錄不同活水循環(huán)條件下凈化組合技術(shù)、規(guī)模、布局的整裝成套凈化裝置的設(shè)計方案和水動力-水質(zhì)-水生態(tài)的影響規(guī)律。

4.2.3 城市河網(wǎng)水環(huán)境全局信息管理與全面互聯(lián) 隨著大數(shù)據(jù)時代的推進和國家“一張圖”工作的深入，對水利信息數(shù)字化程度的要求日益提高，水利信息的存儲、分析和綜合管理對制定城市河網(wǎng)水環(huán)境改善綜合調(diào)控方案的作用愈加顯著[53]。發(fā)展城市河網(wǎng)水環(huán)境全局信息管理-動態(tài)決策耦合技術(shù)和實施信息全面互聯(lián)有助于實現(xiàn)河網(wǎng)信息的整合和共享，形成新的數(shù)據(jù)使用格局。此項研究需主要突破以下兩個方面：

(1)開發(fā)具有強兼容性的多源數(shù)據(jù)實時在線儲存、管理、查詢、分析計算的信息管理平臺，建立基于河網(wǎng)尺度的環(huán)境管理機制以及多功能協(xié)同聯(lián)動機制，結(jié)合現(xiàn)有信息處理技術(shù)，實現(xiàn)更準確的河網(wǎng)水情預(yù)警預(yù)報，提出具有針對性的解決方案。

(2)全面加強信息互聯(lián)，開發(fā)河網(wǎng)活水循環(huán)系統(tǒng)下的統(tǒng)一的水利信息資源交換體系。一是提高城市管理部門間的信息交換速率，實現(xiàn)多部門信息共享，以便對水體信息進行全局分析處理；二是豐富移動終端的應(yīng)用場景，結(jié)合“河長制”等政策，為工作人員提供更全面、準確的水情信息和應(yīng)急管理方案，實現(xiàn)全局高效的水環(huán)境管理。

5 結(jié) 論

(1)在總結(jié)城市河網(wǎng)水質(zhì)修復傳統(tǒng)模式及其不足的基礎(chǔ)上，闡述了新形勢下城市河網(wǎng)水環(huán)境治理的理念與發(fā)展模式，即綜合考慮河網(wǎng)特征、水質(zhì)現(xiàn)狀和水質(zhì)目標的城市河網(wǎng)連通活水循環(huán)凈化系統(tǒng)。

(2)提出了新形勢下城市河網(wǎng)連通活水循環(huán)凈化系統(tǒng)的內(nèi)涵與總體需求，提出了城市河網(wǎng)連通活水循環(huán)凈化系統(tǒng)的框架，闡述了城市河網(wǎng)水體動態(tài)連通調(diào)控-定量整裝成套凈化耦合技術(shù)、河網(wǎng)水體動態(tài)監(jiān)測-精細化模擬耦合技術(shù)、河網(wǎng)水環(huán)境全局信息管理-動態(tài)決策耦合技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題。

(3)由于本文主要針對城市已建成區(qū)的平原河網(wǎng)，且未考慮城市河網(wǎng)與城市地下管網(wǎng)的結(jié)合程度、城中村、城鄉(xiāng)結(jié)合部等連接處河網(wǎng)，且只對河網(wǎng)進行了系統(tǒng)構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)討論分析，未深入探索河網(wǎng)水環(huán)境的評價指標體系等。在未來城市河網(wǎng)水環(huán)境修復相關(guān)研究中應(yīng)加以分析，使其在實際工程建設(shè)實踐中得到進一步檢驗與完善。