平原区跨流域城乡联动水资源调控技术研究

李 娜，黎南关，万 伟，尹耀锋

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064)

近年来，我国城镇化进程越来越快，截止2017年我国的城镇化率已达60%，预计到2030年我国城镇化率将达到70%。随着大规模的开发建设，平原区城市面临内涝频发、水环境恶化等越来越多的水问题。本世纪初期相关研究与工程治理多从单一问题出发，通过加大城区外排泵站建设、开展截污控污、生态修复等单项措施研究解决城市河湖水问题[1-3]。2010年以后河湖治理研究开始从解决单一问题逐步向河湖系统治理转变，采用综合措施开展河湖治理[4]。但随着经济社会发展，城市区河湖的承载力已严重不足，依靠自身水资源条件已不能从根本上解决城市河湖面临的各种水问题，相较而言，农村区水资源质、量均要优于城市区。本文从城乡水系优势互补，统筹水资源调配角度出发，研究论述跨流域城乡联动水资源调控技术，并将其应用于工程实例，为平原区城乡河湖治理提供参考与支撑。

1 跨流域城乡联动水资源调控技术

城乡联动水资源调控技术是以实现水资源可持续利用、人水和谐为目标，以提高水资源统筹调配能力、改善水生态环境状况和提升水旱灾害防御能力为重点，通过工程措施跨流域连通城市区和农村区的河湖水系，采取联合调度等非工程措施，跨流域对水资源进行合理调控和分配的技术。

城乡联动水资源调控技术的基础为水系连通[5-7]，技术体系包括水系连通通道建设、可控建筑物构建、湖泊库塘等蓄水调控空间设施管控、水质水量联合模拟调度[8]等几个方面，是工程措施与非工程的完美结合，两者相辅相成缺一不可。

2 跨流域城乡联动水资源调控技术功能分析

城乡联动水资源调控技术的功能体现在可有效利用水资源，跨流域综合解决城乡防洪排涝、供水、水环境、水生态等多方面问题。跨流域水资源调控过程中，城市区与农村区可取长补短，取得最大的综合效益，两者间的相互关系见表1。

表1 跨流域城乡联动水资源调控技术功能与相互关系分析表

2.1 防洪排涝

平原区城市与农村的防洪排涝系统各自特点鲜明。城市区防洪排水标准高，通常为20～50年。城市排水系统汇流速度快，调蓄能力低，洪水历时短，通常利用大规模外排泵站应对短历时强降雨。农村区防洪排水标准较低且排水速度慢，通常为5～10年一遇3 d暴雨5 d排完，排水系统汇流速度慢，洪水历时长，外排能力较小，通常利用河湖调蓄应对暴雨洪水。

城乡联动水资源调控技术可充分利用城市区及农村区排水系统特点，充分发挥各自优势。遭遇超标准降雨时，城市区可向农村区分流，充分利用农村区河湖调蓄能力；短历时暴雨后，农村区调蓄的自身产水量及城市分洪水量通过连通调度均可由城市泵站排出，提高了城市泵站的利用率。

2.2 供水安全

平原区城市通常以外江为主要供水水源，供水结构单一，水污染突发事件可导致部分城市备用水源地不能发挥作用，增加了城市供水风险；农村区通常水系发达，水资源量、质齐优，但用水方式粗犷，节水意识不强。

城乡联动水资源调控技术可通过水系连通工程，将农村区优质水资源输送到城市区，提高城市区供水保证率，降低供水风险。同时可通过节水措施强化农村区节水，降低连通调水对农村区原供水户的影响。

2.3 水环境改善

随着经济社会的快速发展，城市废污水排放量日益增大，加上水体流动性差，导致平原区城市河湖水体污染不断加剧，水生态环境状况严重恶化；农村区较大河湖水体由于周边人类活动较小，入湖污染物较少，尚有纳污能力富余，河湖水环境较好。

城乡联动水资源调控技术可实现农村区水环境质量较好河湖与城市区水系间的连通。在保证防洪排水安全的前提下，农村区排水可优先利用城市区排水通道，将农村区优质水资源输送到城市区，提高雨洪资源利用率，增强平原区河湖水体流动性，增加城市区河湖水环境容量。

2.4 水生态修复

平原区河湖遭遇特枯年份均存在生态水位破坏风险。通过城乡联动水资源调控技术可形成流域间水资源互补，提高生态环境需水保证率，降低水生态破坏风险。同时通过构建区域水网、城市水网，建设自然-人工相结合的水生态廊道，增加水域水生生物多样性，促进水生态系统健康，美化人居环境，形成城市向农村辐射廊道，实现人水和谐。

3 实例研究

3.1 概况介绍

本文以湖北省武汉市汤逊湖与梁子湖跨流域水系连通工程为实例，阐述城乡联动水资源调控技术功能与作用。

汤逊湖位于武汉市长江南岸，为长江中下游典型的平原水网地区，是国内最大的城中湖，横跨江夏、洪山和东湖高新科技开发区3个行政区，水面面积为52.19 km2，调蓄容积为3 285万m3，流域汇水面积为248.80 km2，现有泵站外排能力总计292 m3/s，是武汉市的备用水源地。

汤逊湖流域随着大规模的开发建设逐步发展成为城市建成区，区域内涝、水环境问题逐步凸显。一方面由于围湖造田、建设征地等历史原因导致湖泊水面、调蓄容积逐步缩小，加上外排能力限制，造成洪涝灾害频现，特别是2016年内涝灾害导致中心城区受淹数日，生产生活瘫痪；另一方面由于人口产业集聚，入湖污染负荷逐步增加，导致湖泊水生态环境逐渐恶化，富营养化日趋严重，湖泊生态健康受到严重威胁。2011～2013年汤逊湖整体水质为IV类，2014年以后汤逊湖整体水质已降至V类，至今仍呈现恶化趋势，备用水源地功能消息殆尽。该湖总氮、磷变化趋势见图1。

图1 汤逊湖总氮和总磷变化趋势图

梁子湖是湖北省湖面最大的湖泊，流域面积3 265 km2，湖泊容积6.1亿m3。跨武汉、鄂州、咸宁、黄石四市。牛山湖为梁子湖子湖，位于江夏区五里界镇，周边均为农村区，水面面积46.512 km2，现有泵站外排能力214 m3/s，现状水质为Ⅱ类，河湖水体现状多以养殖功能为主，其他社会服务功能缺乏。

汤逊湖东南角湖汊与牛山湖之间有一条建于上世纪60年代末期港渠——东坝港，全长约3 km，由于历史原因尚未贯通。为综合解决汤逊湖流域、牛山湖流域的防洪排水、供水、水环境、水生态多种问题，规划采用跨流域城乡联动水资源调控技术，连通东坝港，并建设集排水闸、引水泵站、船闸为一体的控制性枢纽工程，实现跨流域灵活调度水资源，技术示意见图2。

图2 汤逊湖、梁子湖跨流域城乡联动水资源调控技术示意图

3.2 功能分析

3.2.1 防洪排水

为研究汤逊湖与梁子湖流域间水资源调控的功能作用，本文以汤逊湖最高控制水位19.3 m，安全水位18.65 m为控制条件，构建城市内涝模型和河湖蓄泄演算模型。拟定跨流域城乡联动水资源调控与不调控两种方案，分析遭遇100年一遇超标准洪水时，汤逊湖与梁子湖的水位变化过程，说明跨流域城乡联动水资源调控的防洪排水功能作用。

模型模拟时间30 d，不同方案汤逊湖与梁子湖水位变化过程见图3。汤逊湖向梁子湖最大分排水流量85 m3/s，总排水量为2 550万m3，水位消落达0.7 m，而梁子湖接纳汤逊湖排水后水位累积上涨0.07 m，分排洪水入梁子湖并不会对梁子湖的防洪产生影响。如不采取跨流域调控，遭遇同等标准降雨汤逊湖水位将在最高控制水位基础上涨0.7 m，沿湖建成区将一片泽国，经济损失约2 500万元。

图3 汤逊湖与梁子湖的水位变化过程

当汤逊湖度过最高水位进入消落期后5～6 d，梁子湖出现最高水位，此时汤逊湖消退到安全水位下，可以全力帮梁子湖排水。汤逊湖外排泵站1 d可以帮梁子湖排水972万m3，3 d即可将分排到梁子湖的洪水反抽出江，汤逊湖流域外排泵站总计可帮梁子湖流域排洪水12 636万m3。因此跨流域城乡联动水资源调控技术对有效减轻两个湖泊流域的防洪压力均有利。

3.2.2 水环境改善与供水

根据汤逊湖入湖污染负荷分析和纳污能力计算成果，汤逊湖需跨流域调入水资源量15 012万m3，增加水体流动性，增加湖泊水环境承载力。本文采用MIKE21水动力水质模块模拟分析了跨流域城乡联动水资源调控与不调控两种方案下汤逊湖水质的变化过程。

1)水动力学模型采用二维水流运动方程，模型基本方程为

(1)

式中：h为实际水深；ζ为平均湖面起算的水位；q为单位面积上进出湖泊的流量；u，v分别为沿x，y方向的流速分量；g为重力加速度；ρ为水密度；f为柯氏力系数；τbx，τby为湖底摩擦力分量；τwx,τwy为湖面风应力分量。

2)水质模型采用水深平均的平面二维数学模型，模型基本方程为

(2)

式中：h为水深，m；C为污染物指标的浓度，mg/L；M为横向单宽流量，m2·s；N为纵向单宽流量，m2·s；Ex为横向扩散系数，m2/s；Ey为纵向扩散系数，m2/s；S为源(汇)项，g/m2·s；F(C)为生化项。

根据汤逊湖近年来水质变化规律，本文共拟定了3月25日～4月24日，7月1日～7月31日，11月1日～11月30日三个引水时段，湖泊水质达标率见表2。

表2 汤逊湖水质指标达标率表

由模拟分析结果可知汤逊湖水质2、3月份较好，4月份水质开始变差，跨流域调控水资源后全湖水质达标率可以提升至TN 76.7%，TP 70.4%，8月份水质情况最差，不引水的情况下全湖水质达标率仅为TN 44%，TP 38.3%，采用跨流域城乡联动水资源调控技术可以大幅度的提升至91.1%，TP 93.2%，湖泊水质可以得到大幅改善，结合截污控污及生态修复工程措施可使汤逊湖水质持续向好，为武昌地区提供备用水源保障。跨流域水资源调控前后TN、TP浓度场变化见图4。

图4 典型年7月22日不调控和调控汤逊湖TN和TP浓度场

4 结 语

跨流域城乡联动水资源调控技术通过适当的水系沟通、引排、调度等措施，可统筹城乡防洪排涝、水环境、水生态等多方面需求，是河湖系统治理理念的体现与提升。该技术应用于平原区将有效缓解重要城市区因水资源承载力、水环境承载力不足给城市发展带来的瓶颈问题，同时可提高城市区外排泵站的利用率，增加农村区排水通道，破解农村区排水标准偏低的问题。