樊 冰，馬 良，李福林，苑修震，武佳枚，王松岳

(1.山東省水利科學(xué)研究院 山東省水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014；2.濟(jì)南市長清區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 濟(jì)南市長清區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250300)

1 建設(shè)背景

濟(jì)南市因豐沛的泉水資源而聞名于世，歷來被稱為“泉城”。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城區(qū)人口迅速增加，造成城區(qū)水資源供需矛盾日益突出。針對情況，濟(jì)南市采取了建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化等各類海綿城市建設(shè)措施[1]，為了調(diào)節(jié)市區(qū)域明顯的水旱極不均衡的情況，自2011年水網(wǎng)規(guī)劃批復(fù)后，水網(wǎng)建設(shè)以自然水系為依托，以境內(nèi)流域?yàn)閱卧?，以人工輸水渠道、管道為連接載體，以水庫、湖泊、濕地、強(qiáng)滲漏帶及斷裂帶為調(diào)節(jié)中樞，通過完善生態(tài)空間水系連通工程，構(gòu)建生態(tài)立體水網(wǎng)體系，實(shí)現(xiàn)城區(qū)內(nèi)雨水、小區(qū)排放污水、河湖水系水、地下水、以及非常規(guī)水循環(huán)統(tǒng)籌利用，充分發(fā)揮生態(tài)立體水網(wǎng)在防洪、調(diào)蓄、改善生態(tài)方面的綜合功能，以生態(tài)自然循環(huán)為主，人工技術(shù)手段為輔，最大限度地發(fā)揮水資源利用效益。

2 總體框架

城區(qū)生態(tài)立體水網(wǎng)面向國家水網(wǎng)建設(shè)以“旱可調(diào)、澇可排、南水北調(diào)、東西互連、上下互通”為建設(shè)方針，通過將城市排水管網(wǎng)、水利工程、河湖水系連通，構(gòu)建城區(qū)大排水系統(tǒng)，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先，充分發(fā)揮自然生態(tài)凈化、人工污水處理，既可解決城市內(nèi)澇、水體污染，又可充分利用雨洪水，不斷滿足人民日益生長的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要。生態(tài)立體水網(wǎng)建設(shè)總體框架如圖1—2所示。

圖1 生態(tài)立體水網(wǎng)連通示意圖

圖2 生態(tài)立體水網(wǎng)作用

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

3.1 構(gòu)建適宜性連通的“生態(tài)立體水網(wǎng)”

構(gòu)建城市排水管網(wǎng)-地表水系-地下暗河適宜性連通的“生態(tài)立體水網(wǎng)”，突破“地表水-地下水”強(qiáng)滲透連通通道識(shí)別，通過測繪制圖與保護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地表水-地下水的良性循環(huán)與可持續(xù)利用。

本項(xiàng)目研究通過遙感影像特征提取技術(shù)提取出濟(jì)南市城區(qū)所有的河流、水庫、湖泊、人工渠道平面數(shù)據(jù)，利用ArcGIS平臺(tái)和DEM提取流域水系分布圖[2]，將水系系統(tǒng)中的水流通道、湖泊、水庫等用圖模型概化表述，再疊加強(qiáng)滲漏帶和斷裂分布，建立水循環(huán)立體連通矩陣，計(jì)算河湖水系的邊連通度，對生態(tài)水網(wǎng)的連通方式進(jìn)行充分分析，為水資源的合理配置與優(yōu)化調(diào)度提供理論分析基礎(chǔ)[3]。

3.2 構(gòu)建地表水系連通工程

通過地表水系連通工程增加人工水網(wǎng)密度；通過劃定地下水強(qiáng)滲漏帶，構(gòu)建近自然生態(tài)型滲透通道，實(shí)現(xiàn)降水、地表水通過強(qiáng)滲漏帶集中、高強(qiáng)度的入滲補(bǔ)給地下水，形成縱向-橫向-垂向的立體水系網(wǎng)絡(luò)。豐富了自然-人工，二元水循環(huán)理論、水資源配置理論、河湖健康評價(jià)理論。

水網(wǎng)連通是建設(shè)水生態(tài)文明城市的關(guān)鍵[4]，濟(jì)南市陸續(xù)開展了五庫連通、東聯(lián)供水、歷陽湖應(yīng)急補(bǔ)水、田山灌區(qū)與濟(jì)平干渠連通、多水庫調(diào)水、東部四庫連通等工程，實(shí)現(xiàn)城市水資源空間立體綜合調(diào)配，主要建設(shè)內(nèi)容如下：

(1)五庫連通工程

為了加強(qiáng)水源支撐與保障，濟(jì)南市開展了“五庫連通”工程，打通了漿水泉水庫、孟家水庫、臥虎山水庫、錦繡川水庫、興隆水庫之間的通道，可將5座水庫進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度。為確保水庫水源充足，通過連通黃河水系、南水北調(diào)，在水庫干旱時(shí)期可引入黃河水、長江水，并可通過調(diào)水線路沿線的多處強(qiáng)滲漏帶以及水廠，充分進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)了水資源整合共享，水庫聯(lián)調(diào)聯(lián)用，黃河水、長江水、南部山區(qū)水庫水在市區(qū)常年流淌，改善了市區(qū)的生態(tài)環(huán)境。另外隨著興隆泵站和南康泵站的啟動(dòng)，長江水得以引入興隆水庫，距離泉群最近的強(qiáng)滲漏帶(興隆-土屋滲漏帶)也首次參與滲漏補(bǔ)源，大大緩解了地下水位下降趨勢，通過強(qiáng)有力的滲漏補(bǔ)源，保證了近年泉群持續(xù)噴涌。

(2)東聯(lián)供水工程

章丘電廠和濟(jì)南鋼鐵廠是濟(jì)南東部高用水量企業(yè)，往年大量使用地下水，通過建設(shè)輸水管線和提水泵站來實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)水目的，出現(xiàn)旱情時(shí)，可將鵲山水庫存儲(chǔ)的水源送至濟(jì)鋼以及章丘電廠，出現(xiàn)洪澇時(shí)，如杜張水庫和朱各務(wù)水庫蓄滿，則可將多余的雨洪水輸送到章丘電廠并部分供給濟(jì)鋼，由此構(gòu)成互為補(bǔ)充且空間立體相互連通的水循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)城區(qū)水資源的優(yōu)化配置，切實(shí)提高城區(qū)供水保證率，并且置換了兩大企業(yè)使用的地下水，從根本上解決企業(yè)用水難的問題。既降低了生產(chǎn)成本，又置換出優(yōu)質(zhì)的地下水資源，緩解了地下水的過度開采對生態(tài)環(huán)境的影響，對濟(jì)南市的保泉產(chǎn)生積極而長遠(yuǎn)的影響。

(3)歷陽湖應(yīng)急補(bǔ)水工程

舜玉泵站是大明湖北水南調(diào)工程末段的第三級泵站，本次補(bǔ)水工程在泵站側(cè)面增設(shè)旁通管道及增壓設(shè)施，將舜玉泵站的水加壓后輸入至歷陽湖。舜玉泵站同時(shí)雙向連通漿水泉水庫、孟家水庫、臥虎山水庫、錦繡川水庫、興隆水庫，水源可以互為補(bǔ)充。水資源到達(dá)歷陽湖后，可利用歷陽湖的連通工程，打通水源輸送至歷陽河、玉繡河、廣場東溝、南圩子壕、西圩子壕、西濼河、小清河，同時(shí)沿途經(jīng)過各種泉群強(qiáng)滲漏帶和生態(tài)補(bǔ)源點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)城區(qū)的生態(tài)立體水循環(huán)調(diào)度系統(tǒng)，既可保證干旱時(shí)期有水可調(diào)，內(nèi)澇時(shí)期洪水可排，同時(shí)保證了泉城眾多泉群的生態(tài)補(bǔ)源。

(4)田山灌區(qū)與濟(jì)平干渠連通工程

連接田山電灌站引黃沉沙池和濟(jì)平干渠。將黃河水由田山栗站抽入沉沙池，經(jīng)過沉淀后的黃河水，通過連通工程進(jìn)入濟(jì)平干渠，“借道”濟(jì)平干渠，源源不斷地注入濟(jì)南城市水網(wǎng)。通過該黃河水通過項(xiàng)目，可為玉清湖水庫和小清河補(bǔ)水，也可通過玉符河臥虎山調(diào)水工程，為玉符河、臥虎山水庫輸水。

(5)多水庫調(diào)水工程

玉符河上接臥虎山水庫，下聯(lián)濟(jì)平干渠，新建長清、文山、龍門3座泵站，沿北大沙河、濟(jì)菏高速、玉符河鋪設(shè)30km輸水管道。以錦繡川水庫為水源，除與臥虎山、錦繡川、興隆、漿水泉、孟家水庫連通，還與龍泉湖水庫連通，向興濟(jì)河、全福河、洪山溪、大辛河補(bǔ)水。錦繡川水庫至分水嶺水廠的輸水干渠，改造興隆支渠至興隆水庫，下游段新打隧道至漿水泉水庫、龍泉湖，全線可實(shí)現(xiàn)自流供水。狼貓山水庫調(diào)水工程是以狼貓山水庫為水源，向大辛河、小漢峪溝、龍脊河、韓倉河、劉公河、土河、楊家河補(bǔ)充生態(tài)用水。擬利用現(xiàn)有狼貓山水庫供水管線，并沿經(jīng)十東路向西延伸至龍泉湖新鋪管線，長13.4km。杜張水庫調(diào)水工程是以杜張水庫為水源，沿西巨野河、經(jīng)擬建的鳳凰山分洪工程敷設(shè)管道，將水引入楊家河、土河、劉公河、韓倉河，向分洪道北側(cè)的河道補(bǔ)充生態(tài)用水。

(6)東部水源四庫連通調(diào)水

濟(jì)南市于2021年啟動(dòng)了東部水源新“四庫”連通工程，新“四庫”分別為白云水庫、東湖水庫、杜張水庫和狼貓山水庫，通過新建輸水管道將“四庫”進(jìn)行連接，將白云水庫和東湖水庫多余的水資源向狼貓山水庫和杜張水庫輸送。項(xiàng)目還完成了繡江河至杏花河的生態(tài)補(bǔ)水，該工程西起繡江河，東至杏花河鋪設(shè)1.22km管道連通管道，百脈泉水可源源不斷地補(bǔ)給杏花河并匯入芽莊湖，工程運(yùn)行成效顯著。

3.3 突破強(qiáng)滲透性連通通道識(shí)別

突破了“地表水-地下水”強(qiáng)滲透性連通通道識(shí)別、測繪制圖與保護(hù)技術(shù)：基于遙感、LiDAR(無人機(jī)機(jī)載雷達(dá))數(shù)據(jù)重建及水文地質(zhì)物探、鉆探相結(jié)合的GDEs識(shí)別、強(qiáng)滲漏帶識(shí)別(SSZs)技術(shù)；GDEs與強(qiáng)滲漏帶的與近自然生態(tài)恢復(fù)與滲透性能強(qiáng)化技術(shù)；形成了水系連通關(guān)鍵技術(shù)，包括水網(wǎng)的功能識(shí)別技術(shù)、需求服務(wù)分析技術(shù)、連通方案甄選技術(shù)、多水源調(diào)度技術(shù)、“地表水-地下水”強(qiáng)滲透性連通通道識(shí)別、測繪制圖與保護(hù)技術(shù)、水質(zhì)監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)、生態(tài)健康及連通效應(yīng)。

濟(jì)南市堅(jiān)持“滲、蓄、滯、凈、用、排”系統(tǒng)治水，全面提高水資源保障能力、水安全保障能力、水生態(tài)水環(huán)境承載能力、水務(wù)服務(wù)民生能力。生態(tài)立體水網(wǎng)逐步運(yùn)行以來，發(fā)揮了極大的效益。如從水資源戰(zhàn)略配置的角度出發(fā)，利用南水北調(diào)濟(jì)平干渠，將南水北調(diào)的長江水和田山的黃河水，逆勢調(diào)入臥虎山水庫儲(chǔ)存，以備干旱年份供水需求；同時(shí)發(fā)揮其反向調(diào)水功能，將汛期臥虎山水庫多余的洪水，自流到濟(jì)平干渠，通過玉清湖引水工程，輸入玉清湖水庫，供城市用水，實(shí)現(xiàn)洪水資源化；再一方面，工程在玉符河沿岸預(yù)留多個(gè)出水口，直接給玉符河進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，也可與五庫連通工程相互配合，向強(qiáng)滲漏帶補(bǔ)源，保障泉群持續(xù)噴涌通過利用各類信息化技術(shù)進(jìn)行調(diào)查研究，濟(jì)南市泉域補(bǔ)給區(qū)有24個(gè)重點(diǎn)強(qiáng)滲漏帶。其中五庫連通經(jīng)過的8處滲漏帶分別為：泉瀘-錢家莊、大澗溝、小嶺村、店子-二仙、邵而-展村、分水嶺-北康而莊、興隆-土屋村、龍洞滲漏帶。其中小嶺村、興隆-土屋村、龍洞3處滲漏帶的補(bǔ)水除通過五庫連通工程實(shí)現(xiàn)外，還與興隆等3座水庫和興濟(jì)河等4條河道的生態(tài)需水一并考慮。另外5處補(bǔ)水的滲漏帶需水量由大到小分別為：泉瀘-錢家莊、大澗溝、店子-二仙、邵而-展村、分水嶺-北康而莊。此外，因?yàn)槌鞘械缆?、廣場、小區(qū)等硬化工程建設(shè)，導(dǎo)致喪失補(bǔ)給能力的強(qiáng)滲漏帶有5個(gè)，尚具備補(bǔ)給能力但需要補(bǔ)救措施的滲漏帶有5個(gè)，目前正通過海綿城市建設(shè)措施逐漸恢復(fù)其功能?；颈Ａ艚匀粻顟B(tài)的強(qiáng)滲漏帶14個(gè)已納入生態(tài)立體水網(wǎng)建設(shè)，如圖3所示。目前，臥虎山水庫已具備了向玉符河、大澗溝、南北康、邵而-展村等滲漏帶補(bǔ)源條件，根據(jù)滲漏帶分布區(qū)域，臥虎山水庫在生態(tài)補(bǔ)水中仍存在巨大潛力，仍可繼續(xù)開發(fā)。通過滲漏帶回灌水源依次為臥虎山水庫水、黃河水及南水北調(diào)水，回灌期間孔隙水。

圖3 立體水網(wǎng)水系連通概化圖

在水質(zhì)監(jiān)測方面，通過調(diào)查，巖溶水的水質(zhì)變化規(guī)律相似，地下水水質(zhì)可拓指數(shù)依次增大，孔隙水、巖溶水水質(zhì)均呈現(xiàn)出降低趨勢。目前玉符河人工建設(shè)的補(bǔ)源工程有3項(xiàng)，分別為：一是汛期時(shí)南部山丘區(qū)通過建設(shè)的山洪截雨溝工程將雨洪水引流至臥虎山水庫，臥虎山水庫蓄滿后可放水自然補(bǔ)充玉符河；二是通過提水泵站，將玉清湖水庫(濟(jì)西濕地)逐級提升至玉符河上游，然后自流至玉符河進(jìn)行補(bǔ)源，該水源來源主要為黃河水；三是利用南水北調(diào)東線工程，通過建設(shè)提水泵站及輸水管道，輸水至玉符河上游，在嚴(yán)重枯水時(shí)可進(jìn)行放水補(bǔ)源，該水源來源主要為長江水。通過調(diào)查，回灌周期與水量相近的情況下，不同回灌水源對區(qū)域地下水水質(zhì)的負(fù)面影響程度由高到低依次為：①南水北調(diào)水②黃河水③臥虎山水庫水，長期直接利用南水北調(diào)長江水、黃河水和臥虎山水庫水作為回灌水源可能會(huì)對區(qū)域內(nèi)的地下水環(huán)境質(zhì)量造成一定影響，降低地下水水質(zhì)。為有效應(yīng)對補(bǔ)源工程對水質(zhì)的影響，工程還提出了控制回灌水量的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施，利用同位素技術(shù)對水源進(jìn)行追蹤，對不同補(bǔ)水措施對水質(zhì)的影響進(jìn)行定量研究，采用水動(dòng)力模型和地下水模型同時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了達(dá)到最大有效滲漏量的優(yōu)化放水方案和強(qiáng)滲漏帶控制最佳放水量的措施。

3.4 構(gòu)建基于水系連通工程的城市多水源生態(tài)補(bǔ)水體系

生態(tài)水網(wǎng)突破面向生物完整性目標(biāo)維護(hù)的分時(shí)段、分區(qū)段的河道全時(shí)程精準(zhǔn)生態(tài)補(bǔ)水技術(shù)，根據(jù)不同河段、不同時(shí)期的底棲動(dòng)物對河道流速、水深的要求，繪制基于生物完整性的河段生態(tài)需水分區(qū)圖，提出分時(shí)段、分區(qū)段的河道精準(zhǔn)生態(tài)補(bǔ)水方案[5-8]。立體水網(wǎng)中的水動(dòng)物和微生物的研究可以從群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)特征、生態(tài)功能等方面進(jìn)行探究，采用野外調(diào)查、氣相色譜法、形態(tài)解剖學(xué)、分子生物學(xué)技術(shù)、同位素示蹤技術(shù)、熒光顯微鏡技術(shù)、高通量測序、E-DNA等多種技術(shù)研究水循環(huán)過程中動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和多樣性，探究其與補(bǔ)源工程因素之間的相互關(guān)系；各類水動(dòng)物的生態(tài)適應(yīng)性，探究其在立體水循環(huán)環(huán)境中的適應(yīng)性和生態(tài)位；微生物的分布和群落結(jié)構(gòu)，了解地下水和沉積物中微生物的物種組成、群落結(jié)構(gòu)和多樣性，探究其與水環(huán)境因素之間的相互關(guān)系；微生物的代謝作用，探究其在大生態(tài)水循環(huán)系統(tǒng)中的生態(tài)功能和生態(tài)作用，通過研究水動(dòng)物和微生物的生態(tài)功能和生態(tài)作用，探究出關(guān)鍵水生物種的生態(tài)基流及其滿足率。

4 結(jié)論

本文以濟(jì)南市主城區(qū)為例，總結(jié)生態(tài)立體水網(wǎng)連通的規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，分析打通自然水系、人工水系、強(qiáng)滲漏帶、斷裂帶的關(guān)鍵技術(shù)，探討適用于具有空間水系連通條件城市的水資源調(diào)度和科學(xué)配置方式。通過該水網(wǎng)體系建設(shè)，濟(jì)南市城區(qū)水網(wǎng)總長度由1614.95km增加到2316.69km，水網(wǎng)密度由0.30/km2增加到0.43/km2，增幅達(dá)43.3%。下一步，可將生態(tài)立體水網(wǎng)與城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)進(jìn)一步銜接，充分發(fā)揮自然界的生態(tài)凈化能力，輔以人工污水處理手段、海綿城市措施、面源污染及水土流失阻控設(shè)施等，將水環(huán)境綜合治理納入到水網(wǎng)建設(shè)中，進(jìn)一步擴(kuò)展生態(tài)水網(wǎng)多功能的作用，充分發(fā)揮城市級別的水循環(huán)系統(tǒng)的綜合效益。