生态立体水网概念探讨与实践应用<br/>——以济南市为例

生态立体水网概念探讨与实践应用
——以济南市为例

2023-02-24黄继文李福林陈华伟

中国水利 2023年3期

黄继文，李福林，陈华伟

（1.山东省水利科学研究院，250013，济南；2.山东省水资源与水环境重点实验室，250013，济南）

一、研究背景

国家水网建设已成为“十四五”时期我国水利工作的重点任务。党的十九届五中全会明确提出实施国家水网重大工程，2021年12月水利部印发《关于实施国家水网重大工程的指导意见》和《“十四五”时期实施国家水网重大工程实施方案》，明确了加快推进国家水网重大工程建设的主要目标和任务。国家水网是以自然河湖为基础，引调排水工程为通道，调蓄工程为节点，智慧调控为手段，集水资源优化配置、流域防洪减灾、水生态系统保护等功能于一体的综合工程体系。可以看出，水网工程体系节点众多，调度复杂，功能多样，是保障供水安全、防洪安全、生态安全的重要基础设施。

山东省早在2002年前后就对现代水网理论进行了探索，并开展了相应建设实践工作。相关学者在2003—2004年，提出了现代水网理论框架，并对山东省现代水网建设与水资源优化配置开展了研究工作。2010年12月，水利部与山东省人民政府在北京签署《共同推进山东现代水利示范省建设合作备忘录》，指出加快形成覆盖全省的现代水网体系。山东省现代水网经多年建设实践，已形成了以南水北调东线工程山东段和胶东输水干线为骨架的骨干水网工程体系。为贯彻党中央和水利部国家水网建设决策部署，加快推进现代水网建设，2022年1月山东省人民政府印发实施《山东现代水网建设规划》，提出了山东省“十四五”水网建设目标，明确了主要任务。济南市政府于2011年批复实施《济南市水网规划》，经多年建设与提升，目前已形成了“六横连八纵、一环绕泉城”地表水系网络布局。

为进一步挖掘水网工程体系综合功能，发挥水网工程体系的综合效益，济南市在地表水系网络布局基础上，对地表水与地下水连通、多水源生态补水、含水层精准回灌等技术问题进行了深入研究，初步提出了生态立体水网的概念，进一步丰富了水网理论体系。

二、生态立体水网的概念与特征

1.生态立体水网的概念

生态立体水网是水网概念的延伸，是以水库（湖泊）、闸坝、泵站、地下水回灌、供水水厂、污水处理、再生水回用、河流多水源生态补水等工程为节点，以自然河流、人工渠道、供排水管道等引调供排水工程和地下径流带为通道，通过构建由地表水系工程体系、地下水补给区、地下水径流带构成的立体水系网络，统一调度多种水源，满足多用户的目标需求，促进地表水与地下水的良性循环，实现季节性河流多水源生态补水调度，是集多水源多用户水资源优化配置、雨洪水生态调度、地下水回灌补源和生态保护、河湖多水源生态补水与水生态环境保护等功能于一体的“自然-人工”耦合的综合工程体系。

2.生态立体水网的特征

在时空维度上，空间维度突破了以往仅横向连通和纵向连通的平面二维水网结构，考虑地表水和地下水的转化关系，为加强地下水回灌补源和生态系统保护，通过地表水网络工程与地下水回灌工程的连接，实现地表水水系网络与地下水径流带的垂向连通，形成横向、纵向、垂向的空间三维连通立体水网结构；时间维度上，需考虑地表水流、地下水回灌和地下水流因速度差异产生的时间差异，以及河流生态补水的季节性和河流水位的动态性变化。

在要素构成上，水网工程体系一般由水源、工程、传输系统、用户、配置方案等要素构成。生态立体水网的要素中，水源上除地下水、地表水、外调水、再生水外，增加了雨洪水的调度利用，同时需考虑地下水回灌补源的水质要求；在工程上，除水库、闸坝泵站、供排水、再生水利用等工程外，增加了地下水回灌工程、河流生态补水工程等关键节点；在传输系统上，除河流、渠道、管道外，增加了地下径流带，实现地表水与地下水的连通；在用户上，在生活、生产、生态用水户的基础上，重点考虑了地下水回灌与生态保护和河流生态补水的需水要求；在配置方案上，除生活、生产、生态用水配置外，需考虑地下水回灌补源和河流生态补水水资源配置的时空要求。

在功能扩展上，在以往水网的供水、防洪和生态功能的基础上，生态立体水网通过地表水和地下水的连通、河流多水源生态补水工程的连通，扩展了水网的地下水回灌补源与生态保护、河流多水源生态补水、雨洪水生态调度等功能，能够更好的发挥水网工程体系的综合效益。生态立体水网多维连通概念性示意见图1。

图1 生态立体水网多维连通概念性示意

三、济南市生态立体水网构建

1.济南市地表水系网络布局

济南市境内河流分属黄河、小清河、海河流域。受地形地势影响，河流呈单侧树枝状，干流为东西向，支流为南北向，支流一般从右侧南岸汇入。黄河流经济南市境长度172.9 km，主要支流有浪溪河、南大沙河、北大沙河、玉符河等；小清河干流起源于槐荫区睦里闸，境内长度70.5 km，主要支流有腊山河、兴济河、大辛河、巨野河、绣江河等；海河流域内有徒骇河、德惠新河2条骨干河道；湖泊主要有大明湖、华山湖、白云湖、芽庄湖等。

依托自然河湖水系，经过多年的水系连通建设与实践，济南市已形成“六横连八纵、一环绕泉城”地表水系网络布局（见图2）。其中，“六横”是指贯穿全市东西的黄河、小清河、徒骇河、德惠新河4条大型河流和南水北调输水干渠、东联供水工程；“八纵”是指北大沙河、玉符河、巨野河、绣江河、大寺河、商中河6条中型河流和田山、邢家渡引黄输水干渠；“一环”是指围绕主城区的卧虎山、锦绣川、狼猫山、杜张4座山区水库和玉清湖、鹊山、东湖3座平原水库。

图2 济南市地表水系网络布局示意

2.济南市生态立体水网架构

济南地势南高北低，南部为泰山余脉，北部为平原，为地下水提供了由南向北汇集运动的地形条件，而其得天独厚的岩溶地貌，为地下水提供了汇集流动的空间。南部山区是济南泉域泉水的补给区，正是由于南部山区对泉域地下水的补给，才成就了济南“泉城”美誉。在济南泉域补给区内分布众多沟谷、河道、洼地等地表水易于汇集和存储的区域，因特殊的地形、地质构造、岩性、含水层特性等因素，形成了地表水向地下水补给能力强、补给速度快的“地表-地下含水层联通”区域，为立体水网构建提供了基础条件。同时济南市地形南北高差大，城区河流比降大，降水量集中，主要河道汛期洪水陡涨陡落，非汛期河道干涸，自然条件下无法满足生态用水需求，需通过水系连通工程提供水源和工程保障。

近年来，济南市先后实施了卧虎山水库连通、五库连通、玉清湖引水、田山灌区与济平干渠连通等水系连通工程。其中卧虎山水库连通工程自济平干渠贾庄分水闸引水，沿北大沙河、济菏高速、玉符河经三级泵站提水至卧虎山水库，铺设30 km输水管道，新建贾庄、罗而庄和寨而头三级泵站，设计输水能力为30万m3/d，调引长江水、黄河水到卧虎山水库；五库连通工程通过改造、新建22 km输水管线和泵站工程，打通卧虎山、锦绣川、浆水泉、兴隆、孟家5座水库中间的山峦屏障，直通分水岭、南郊2座水厂和市区内兴济河、全福河、洪山溪、大辛河4条河道，并同时建设分水口，可向沿途强渗漏带补水进行地下水回灌，输水能力10万m3/d。

通过上述水系连通工程的实施，基本形成了济南市生态立体水网的架构（见图3）。以济平干渠、玉符河、卧虎山水库调水工程、五库连通工程、腊山分洪工程等河渠、水系连通工程为输水载体，联合调度长江水、黄河水、当地水等多种水源；通过玉清湖水库、卧虎山水库、锦绣川水库、兴隆水库、浆水泉水库、孟家水库及连通工程沿线泵闸等关键工程节点，大幅度提高济南市南部城区供水保障程度，有效疏解兴济河洪水，缓解城区防洪压力，同时可向玉符河、兴济河、全福河、大辛河生态补水，并相机向水系网络沿程玉符河、泉泸钱家村、邵而展村、店子二仙、大涧沟、分水岭北康而庄、兴隆土屋、小岭等8处强渗漏带补水，连通地表水对地下水的补给通道，增加济南泉域岩溶水补给量，维护泉群持续喷涌。

图3 济南市生态立体水网概化图

3.济南市生态立体水网功能

（1）实现多水源联合调度

通过田山灌区与济平干渠连通工程、济平干渠、卧虎山水库调水工程，济平干渠可同时引调长江水和黄河水，卧虎山水库可同时调蓄长江水、黄河水、当地地表水及雨洪水，同时可通过向五库连通工程输送长江水、黄河水，通过水系连通，实现了长江水、黄河水、当地地表水、雨洪水、地下水等多种水源的联合调度，有效提高了区域供水保障程度。

（2）分泄济南市南部山区汛期洪水

通过腊山分洪工程连通兴济河和玉符河，分泄南部山区汛期洪水。腊山分洪工程东起兴济河京沪铁路桥、西至北店子入黄河口，全长16.85 km，可拦截兴济河、大涧沟、陡沟3条河，流域面积159.5 km2的汛期洪水通过玉符河入黄河，达到设计防洪标准时分洪流量为604 m3/s，通过该工程可极大疏解济南市城区防洪压力。工程具备双向输水功能，同时可分泄玉符河洪水入小清河。

（3）为城区主要河流实施生态补水

依托五库连通工程，可调度长江水、黄河水和当地地表水等多种水源，向玉符河及城区的兴济河、全福河、大辛河实施生态补水，同时依托腊山分洪工程也可调引玉符河弃水和黄河水，为分洪道和兴济河进行生态补水，保障季节性河流生态需水要求。

（4）有效增加泉域岩溶地下水补给量

依托五库连通工程，可调度多种水源，对岩溶水补给区8处强渗漏带进行补水，实施地下水回灌，增强地表水与地下水的水力联系，对岩溶地下水实施回灌补源，有效增加济南泉域岩溶地下水补给量，保障泉水持续喷涌。

4.解决的关键技术问题

（1）生态立体水网构建技术

通过开展地表水生态环境调查，制作了济南市水域生物图谱，识别水体环境因子与水域生物物种的相关性和针对济南市岩溶发育空间的差异性；综合考虑泉域岩性特征、构造发育、植被覆盖、第四系厚度及渗透性能、地形坡度等多项因素，提出泉域强渗漏带类型及其划分标准，划定泉域强渗漏带保护控制红线，提出不同渗漏带保护区内地下水回灌补源与管控措施；通过开展地表地下水系连通适宜性研究，在“六横连八纵、一环绕泉城”地表水系布局基础上，提出以促进地下水补给和良性水循环为目标的济南市“生态立体水网”理念和技术方案，构建了济南市“地表水—地下水”互联互通立体工程体系。

（2）基于城市水系连通的多水源生态补水技术

考虑济南市城区河道生态补水、景观、生态流量等需求，根据就近水源情况和工程可行性，提出了以黄河水、长江水、当地地表水为水源的城区生态水系补水调度运行方案；分析计算了小清河干流洪园闸上游流域雨洪水可利用潜力，基于MIKE软件和动态规划方法建立了市区水系生态调度模型，以小于20年一遇最大1日所产生的洪水为中小洪水，分析兴济河子流域、洪园闸上游子流域，选择兴济河节制闸、腊山分洪闸、宋庄闸和洪园闸，研究提出了不同情景下市区中小洪水生态调度方案；研究形成了济南市河道与湿地生态修复集成技术体系，并在章丘刁镇境内杏花河末端、玉符河河道、济西湿地进行了工程示范。

（3）基于强渗漏带回灌的含水层精准调控与水质风险防控技术

采用水化学和氢氧稳定同位素方法，对济南市地下水的补径排路径进行了分析，揭示了济南泉域地下水来源、补给方式、水岩作用、径流路径及水动力条件；在玉符河南北两岸建设地表水与“寒武系张夏组灰岩-奥陶系灰岩地下水”的水循环野外试验场、玉符河强渗漏带地下水回灌野外试验场，提出“第四系沉积物-岩溶含水层”系统中以岩溶含水层顶板高程为控制阈值的地下水精准回灌技术以及通过河床砂卵石自然过滤的水质风险防控技术，避免地表水无效回灌和水质污染；构建了“岩溶裂隙-管道流”物理实验模型和基于Modelflow-CFP模块的数值模拟模型，分析了裂隙-管道流交换规律，初步划定以构造裂隙为通道的管道流路径；研发了多目标进化算法（MOEA），创新改进了裂隙水溶质非线性运移的对流弥散方程，建立了泉群喷涌多目标优化管理模型和济南市大范围的多目标地下水流场三维数值模型和管理模型，提出不同水文年地下水生态回灌、地下水优化开发布局及地下水生态维护等技术方案，充分考虑地下水开采现状、供水潜力及需水要求，模拟、预测、分析了市区泉群对地下水的开采情况，提出了维持泉群长年喷涌的地下水开采布局优化调控方案。

5.主要成效

依托生态立体水网理论探讨和相关技术研究，形成的关键技术成果已推广应用于山东省多个城市的海绵城市建设和生态文明建设实践，并取得了显著的经济、社会和生态效益，促进了区域生态保护和高质量发展。通过济南市生态立体水网构建，济南市城区水网总长度由1614.95 km增加到2316.69 km，水网密度由0.30 km/km2增加到0.43 km/km2，增幅43.3%，增加地表水调水补水能力1亿m3，通过调引长江水、黄河水累计为小清河补源和济南保泉补源3.07亿m3，地下水强渗漏带补给能力达到25万m3/d，经济效益、社会效益、生态效益显著。

相关研究成果被山东省各级水行政主管部门和地方人民政府广泛应用，推动了河湖水系连通等一批水资源配置工程和生态修复工程建设。特别是形成的济南泉域强渗漏带划分与保护、泉域强渗漏带多水源含水层精准调控回补与水质风险防控等技术成果，自2015年起应用于济南市泉水保护相关工作，在泉水水系地质勘查、建设项目泉水影响评价、济南市城市轨道交通建设规划泉水环境影响评价等技术咨询项目、玉符河回灌试验研究及《济南市名泉保护总体规划》《泉水环境影响评价技术导则（试行）》《济南泉水直接补给区建设项目雨水收集入渗设计导则（试行）》制定等工作中得到具体应用，取得了显著的经济、社会和生态环境效益。