濟南市城區生態立體水網理論框架與構建方法

樊 冰，馬 良，李福林，苑修震，武佳枚，王松岳

(1.山東省水利科學研究院 山東省水資源與水環境重點實驗室，山東 濟南 250014；2.濟南市長清區農業農村局 濟南市長清區農業農村發展服務中心，山東 濟南 250300)

1 建設背景

濟南市因豐沛的泉水資源而聞名于世，歷來被稱為“泉城”。隨著社會經濟高速發展，城區人口迅速增加，造成城區水資源供需矛盾日益突出。針對情況，濟南市采取了建設自然積存、自然滲透、自然凈化等各類海綿城市建設措施[1]，為了調節市區域明顯的水旱極不均衡的情況，自2011年水網規劃批復后，水網建設以自然水系為依托，以境內流域為單元，以人工輸水渠道、管道為連接載體，以水庫、湖泊、濕地、強滲漏帶及斷裂帶為調節中樞，通過完善生態空間水系連通工程，構建生態立體水網體系，實現城區內雨水、小區排放污水、河湖水系水、地下水、以及非常規水循環統籌利用，充分發揮生態立體水網在防洪、調蓄、改善生態方面的綜合功能，以生態自然循環為主，人工技術手段為輔，最大限度地發揮水資源利用效益。

2 總體框架

城區生態立體水網面向國家水網建設以“旱可調、澇可排、南水北調、東西互連、上下互通”為建設方針，通過將城市排水管網、水利工程、河湖水系連通，構建城區大排水系統，堅持生態優先，充分發揮自然生態凈化、人工污水處理，既可解決城市內澇、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美生態環境需要。生態立體水網建設總體框架如圖1—2所示。

圖1 生態立體水網連通示意圖

圖2 生態立體水網作用

3 關鍵技術及解決方案

3.1 構建適宜性連通的“生態立體水網”

構建城市排水管網-地表水系-地下暗河適宜性連通的“生態立體水網”，突破“地表水-地下水”強滲透連通通道識別，通過測繪制圖與保護技術，實現了地表水-地下水的良性循環與可持續利用。

本項目研究通過遙感影像特征提取技術提取出濟南市城區所有的河流、水庫、湖泊、人工渠道平面數據，利用ArcGIS平臺和DEM提取流域水系分布圖[2]，將水系系統中的水流通道、湖泊、水庫等用圖模型概化表述，再疊加強滲漏帶和斷裂分布，建立水循環立體連通矩陣，計算河湖水系的邊連通度，對生態水網的連通方式進行充分分析，為水資源的合理配置與優化調度提供理論分析基礎[3]。

3.2 構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密度；通過劃定地下水強滲漏帶，構建近自然生態型滲透通道，實現降水、地表水通過強滲漏帶集中、高強度的入滲補給地下水，形成縱向-橫向-垂向的立體水系網絡。豐富了自然-人工，二元水循環理論、水資源配置理論、河湖健康評價理論。

水網連通是建設水生態文明城市的關鍵[4]，濟南市陸續開展了五庫連通、東聯供水、歷陽湖應急補水、田山灌區與濟平干渠連通、多水庫調水、東部四庫連通等工程，實現城市水資源空間立體綜合調配，主要建設內容如下：

(1)五庫連通工程

為了加強水源支撐與保障，濟南市開展了“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座水庫進行聯合調度。為確保水庫水源充足，通過連通黃河水系、南水北調，在水庫干旱時期可引入黃河水、長江水，并可通過調水線路沿線的多處強滲漏帶以及水廠，充分進行生態補水，實現了水資源整合共享，水庫聯調聯用，黃河水、長江水、南部山區水庫水在市區常年流淌，改善了市區的生態環境。另外隨著興隆泵站和南康泵站的啟動，長江水得以引入興隆水庫，距離泉群最近的強滲漏帶(興隆-土屋滲漏帶)也首次參與滲漏補源，大大緩解了地下水位下降趨勢，通過強有力的滲漏補源，保證了近年泉群持續噴涌。

(2)東聯供水工程

章丘電廠和濟南鋼鐵廠是濟南東部高用水量企業，往年大量使用地下水，通過建設輸水管線和提水泵站來實現聯合調水目的，出現旱情時，可將鵲山水庫存儲的水源送至濟鋼以及章丘電廠，出現洪澇時，如杜張水庫和朱各務水庫蓄滿，則可將多余的雨洪水輸送到章丘電廠并部分供給濟鋼，由此構成互為補充且空間立體相互連通的水循環網絡，實現城區水資源的優化配置，切實提高城區供水保證率，并且置換了兩大企業使用的地下水，從根本上解決企業用水難的問題。既降低了生產成本，又置換出優質的地下水資源，緩解了地下水的過度開采對生態環境的影響，對濟南市的保泉產生積極而長遠的影響。

(3)歷陽湖應急補水工程

舜玉泵站是大明湖北水南調工程末段的第三級泵站，本次補水工程在泵站側面增設旁通管道及增壓設施，將舜玉泵站的水加壓后輸入至歷陽湖。舜玉泵站同時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，水源可以互為補充。水資源到達歷陽湖后，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，同時沿途經過各種泉群強滲漏帶和生態補源點，實現城區的生態立體水循環調度系統，既可保證干旱時期有水可調，內澇時期洪水可排，同時保證了泉城眾多泉群的生態補源。

(4)田山灌區與濟平干渠連通工程

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

(5)多水庫調水工程

玉符河上接臥虎山水庫，下聯濟平干渠，新建長清、文山、龍門3座泵站，沿北大沙河、濟菏高速、玉符河鋪設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，向興濟河、全福河、洪山溪、大辛河補水。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，全線可實現自流供水。狼貓山水庫調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、楊家河補充生態用水。擬利用現有狼貓山水庫供水管線，并沿經十東路向西延伸至龍泉湖新鋪管線，長13.4km。杜張水庫調水工程是以杜張水庫為水源，沿西巨野河、經擬建的鳳凰山分洪工程敷設管道，將水引入楊家河、土河、劉公河、韓倉河，向分洪道北側的河道補充生態用水。

(6)東部水源四庫連通調水

濟南市于2021年啟動了東部水源新“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。項目還完成了繡江河至杏花河的生態補水，該工程西起繡江河，東至杏花河鋪設1.22km管道連通管道，百脈泉水可源源不斷地補給杏花河并匯入芽莊湖，工程運行成效顯著。

3.3 突破強滲透性連通通道識別

突破了“地表水-地下水”強滲透性連通通道識別、測繪制圖與保護技術：基于遙感、LiDAR(無人機機載雷達)數據重建及水文地質物探、鉆探相結合的GDEs識別、強滲漏帶識別(SSZs)技術；GDEs與強滲漏帶的與近自然生態恢復與滲透性能強化技術；形成了水系連通關鍵技術，包括水網的功能識別技術、需求服務分析技術、連通方案甄選技術、多水源調度技術、“地表水-地下水”強滲透性連通通道識別、測繪制圖與保護技術、水質監測與風險防控技術、生態健康及連通效應。

濟南市堅持“滲、蓄、滯、凈、用、排”系統治水，全面提高水資源保障能力、水安全保障能力、水生態水環境承載能力、水務服務民生能力。生態立體水網逐步運行以來，發揮了極大的效益。如從水資源戰略配置的角度出發，利用南水北調濟平干渠，將南水北調的長江水和田山的黃河水，逆勢調入臥虎山水庫儲存，以備干旱年份供水需求；同時發揮其反向調水功能，將汛期臥虎山水庫多余的洪水，自流到濟平干渠，通過玉清湖引水工程，輸入玉清湖水庫，供城市用水，實現洪水資源化；再一方面，工程在玉符河沿岸預留多個出水口，直接給玉符河進行生態補水，也可與五庫連通工程相互配合，向強滲漏帶補源，保障泉群持續噴涌通過利用各類信息化技術進行調查研究，濟南市泉域補給區有24個重點強滲漏帶。其中五庫連通經過的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處滲漏帶的補水除通過五庫連通工程實現外，還與興隆等3座水庫和興濟河等4條河道的生態需水一并考慮。另外5處補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，因為城市道路、廣場、小區等硬化工程建設，導致喪失補給能力的強滲漏帶有5個，尚具備補給能力但需要補救措施的滲漏帶有5個，目前正通過海綿城市建設措施逐漸恢復其功能。基本保留近自然狀態的強滲漏帶14個已納入生態立體水網建設，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-展村等滲漏帶補源條件，根據滲漏帶分布區域，臥虎山水庫在生態補水中仍存在巨大潛力，仍可繼續開發。通過滲漏帶回灌水源依次為臥虎山水庫水、黃河水及南水北調水，回灌期間孔隙水。

圖3 立體水網水系連通概化圖

在水質監測方面，通過調查，巖溶水的水質變化規律相似，地下水水質可拓指數依次增大，孔隙水、巖溶水水質均呈現出降低趨勢。目前玉符河人工建設的補源工程有3項，分別為：一是汛期時南部山丘區通過建設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充玉符河；二是通過提水泵站，將玉清湖水庫(濟西濕地)逐級提升至玉符河上游，然后自流至玉符河進行補源，該水源來源主要為黃河水；三是利用南水北調東線工程，通過建設提水泵站及輸水管道，輸水至玉符河上游，在嚴重枯水時可進行放水補源，該水源來源主要為長江水。通過調查，回灌周期與水量相近的情況下，不同回灌水源對區域地下水水質的負面影響程度由高到低依次為：①南水北調水②黃河水③臥虎山水庫水，長期直接利用南水北調長江水、黃河水和臥虎山水庫水作為回灌水源可能會對區域內的地下水環境質量造成一定影響，降低地下水水質。為有效應對補源工程對水質的影響，工程還提出了控制回灌水量的風險應對措施，利用同位素技術對水源進行追蹤，對不同補水措施對水質的影響進行定量研究，采用水動力模型和地下水模型同時進行數值模擬，提出了達到最大有效滲漏量的優化放水方案和強滲漏帶控制最佳放水量的措施。

3.4 構建基于水系連通工程的城市多水源生態補水體系

生態水網突破面向生物完整性目標維護的分時段、分區段的河道全時程精準生態補水技術，根據不同河段、不同時期的底棲動物對河道流速、水深的要求，繪制基于生物完整性的河段生態需水分區圖，提出分時段、分區段的河道精準生態補水方案[5-8]。立體水網中的水動物和微生物的研究可以從群落結構、生態特征、生態功能等方面進行探究，采用野外調查、氣相色譜法、形態解剖學、分子生物學技術、同位素示蹤技術、熒光顯微鏡技術、高通量測序、E-DNA等多種技術研究水循環過程中動物群落結構和多樣性，探究其與補源工程因素之間的相互關系；各類水動物的生態適應性，探究其在立體水循環環境中的適應性和生態位；微生物的分布和群落結構，了解地下水和沉積物中微生物的物種組成、群落結構和多樣性，探究其與水環境因素之間的相互關系；微生物的代謝作用，探究其在大生態水循環系統中的生態功能和生態作用，通過研究水動物和微生物的生態功能和生態作用，探究出關鍵水生物種的生態基流及其滿足率。

4 結論

本文以濟南市主城區為例，總結生態立體水網連通的規劃經驗，分析打通自然水系、人工水系、強滲漏帶、斷裂帶的關鍵技術，探討適用于具有空間水系連通條件城市的水資源調度和科學配置方式。通過該水網體系建設，濟南市城區水網總長度由1614.95km增加到2316.69km，水網密度由0.30/km2增加到0.43/km2，增幅達43.3%。下一步，可將生態立體水網與城鎮污水處理系統進一步銜接，充分發揮自然界的生態凈化能力，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施等，將水環境綜合治理納入到水網建設中，進一步擴展生態水網多功能的作用，充分發揮城市級別的水循環系統的綜合效益。