济南市城区生态立体水网理论框架与构建方法

樊 冰，马 良，李福林，苑修震，武佳枚，王松岳

(1.山东省水利科学研究院 山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南 250014；2.济南市长清区农业农村局 济南市长清区农业农村发展服务中心，山东 济南 250300)

1 建设背景

济南市因丰沛的泉水资源而闻名于世，历来被称为“泉城”。随着社会经济高速发展，城区人口迅速增加，造成城区水资源供需矛盾日益突出。针对情况，济南市采取了建设自然积存、自然渗透、自然净化等各类海绵城市建设措施[1]，为了调节市区域明显的水旱极不均衡的情况，自2011年水网规划批复后，水网建设以自然水系为依托，以境内流域为单元，以人工输水渠道、管道为连接载体，以水库、湖泊、湿地、强渗漏带及断裂带为调节中枢，通过完善生态空间水系连通工程，构建生态立体水网体系，实现城区内雨水、小区排放污水、河湖水系水、地下水、以及非常规水循环统筹利用，充分发挥生态立体水网在防洪、调蓄、改善生态方面的综合功能，以生态自然循环为主，人工技术手段为辅，最大限度地发挥水资源利用效益。

2 总体框架

城区生态立体水网面向国家水网建设以“旱可调、涝可排、南水北调、东西互连、上下互通”为建设方针，通过将城市排水管网、水利工程、河湖水系连通，构建城区大排水系统，坚持生态优先，充分发挥自然生态净化、人工污水处理，既可解决城市内涝、水体污染，又可充分利用雨洪水，不断满足人民日益生长的优美生态环境需要。生态立体水网建设总体框架如图1—2所示。

图1 生态立体水网连通示意图

图2 生态立体水网作用

3 关键技术及解决方案

3.1 构建适宜性连通的“生态立体水网”

构建城市排水管网-地表水系-地下暗河适宜性连通的“生态立体水网”，突破“地表水-地下水”强渗透连通通道识别，通过测绘制图与保护技术，实现了地表水-地下水的良性循环与可持续利用。

本项目研究通过遥感影像特征提取技术提取出济南市城区所有的河流、水库、湖泊、人工渠道平面数据，利用ArcGIS平台和DEM提取流域水系分布图[2]，将水系系统中的水流通道、湖泊、水库等用图模型概化表述，再叠加强渗漏带和断裂分布，建立水循环立体连通矩阵，计算河湖水系的边连通度，对生态水网的连通方式进行充分分析，为水资源的合理配置与优化调度提供理论分析基础[3]。

3.2 构建地表水系连通工程

通过地表水系连通工程增加人工水网密度；通过划定地下水强渗漏带，构建近自然生态型渗透通道，实现降水、地表水通过强渗漏带集中、高强度的入渗补给地下水，形成纵向-横向-垂向的立体水系网络。丰富了自然-人工，二元水循环理论、水资源配置理论、河湖健康评价理论。

水网连通是建设水生态文明城市的关键[4]，济南市陆续开展了五库连通、东联供水、历阳湖应急补水、田山灌区与济平干渠连通、多水库调水、东部四库连通等工程，实现城市水资源空间立体综合调配，主要建设内容如下：

(1)五库连通工程

为了加强水源支撑与保障，济南市开展了“五库连通”工程，打通了浆水泉水库、孟家水库、卧虎山水库、锦绣川水库、兴隆水库之间的通道，可将5座水库进行联合调度。为确保水库水源充足，通过连通黄河水系、南水北调，在水库干旱时期可引入黄河水、长江水，并可通过调水线路沿线的多处强渗漏带以及水厂，充分进行生态补水，实现了水资源整合共享，水库联调联用，黄河水、长江水、南部山区水库水在市区常年流淌，改善了市区的生态环境。另外随着兴隆泵站和南康泵站的启动，长江水得以引入兴隆水库，距离泉群最近的强渗漏带(兴隆-土屋渗漏带)也首次参与渗漏补源，大大缓解了地下水位下降趋势，通过强有力的渗漏补源，保证了近年泉群持续喷涌。

(2)东联供水工程

章丘电厂和济南钢铁厂是济南东部高用水量企业，往年大量使用地下水，通过建设输水管线和提水泵站来实现联合调水目的，出现旱情时，可将鹊山水库存储的水源送至济钢以及章丘电厂，出现洪涝时，如杜张水库和朱各务水库蓄满，则可将多余的雨洪水输送到章丘电厂并部分供给济钢，由此构成互为补充且空间立体相互连通的水循环网络，实现城区水资源的优化配置，切实提高城区供水保证率，并且置换了两大企业使用的地下水，从根本上解决企业用水难的问题。既降低了生产成本，又置换出优质的地下水资源，缓解了地下水的过度开采对生态环境的影响，对济南市的保泉产生积极而长远的影响。

(3)历阳湖应急补水工程

舜玉泵站是大明湖北水南调工程末段的第三级泵站，本次补水工程在泵站侧面增设旁通管道及增压设施，将舜玉泵站的水加压后输入至历阳湖。舜玉泵站同时双向连通浆水泉水库、孟家水库、卧虎山水库、锦绣川水库、兴隆水库，水源可以互为补充。水资源到达历阳湖后，可利用历阳湖的连通工程，打通水源输送至历阳河、玉绣河、广场东沟、南圩子壕、西圩子壕、西泺河、小清河，同时沿途经过各种泉群强渗漏带和生态补源点，实现城区的生态立体水循环调度系统，既可保证干旱时期有水可调，内涝时期洪水可排，同时保证了泉城众多泉群的生态补源。

(4)田山灌区与济平干渠连通工程

连接田山电灌站引黄沉沙池和济平干渠。将黄河水由田山栗站抽入沉沙池，经过沉淀后的黄河水，通过连通工程进入济平干渠，“借道”济平干渠，源源不断地注入济南城市水网。通过该黄河水通过项目，可为玉清湖水库和小清河补水，也可通过玉符河卧虎山调水工程，为玉符河、卧虎山水库输水。

(5)多水库调水工程

玉符河上接卧虎山水库，下联济平干渠，新建长清、文山、龙门3座泵站，沿北大沙河、济菏高速、玉符河铺设30km输水管道。以锦绣川水库为水源，除与卧虎山、锦绣川、兴隆、浆水泉、孟家水库连通，还与龙泉湖水库连通，向兴济河、全福河、洪山溪、大辛河补水。锦绣川水库至分水岭水厂的输水干渠，改造兴隆支渠至兴隆水库，下游段新打隧道至浆水泉水库、龙泉湖，全线可实现自流供水。狼猫山水库调水工程是以狼猫山水库为水源，向大辛河、小汉峪沟、龙脊河、韩仓河、刘公河、土河、杨家河补充生态用水。拟利用现有狼猫山水库供水管线，并沿经十东路向西延伸至龙泉湖新铺管线，长13.4km。杜张水库调水工程是以杜张水库为水源，沿西巨野河、经拟建的凤凰山分洪工程敷设管道，将水引入杨家河、土河、刘公河、韩仓河，向分洪道北侧的河道补充生态用水。

(6)东部水源四库连通调水

济南市于2021年启动了东部水源新“四库”连通工程，新“四库”分别为白云水库、东湖水库、杜张水库和狼猫山水库，通过新建输水管道将“四库”进行连接，将白云水库和东湖水库多余的水资源向狼猫山水库和杜张水库输送。项目还完成了绣江河至杏花河的生态补水，该工程西起绣江河，东至杏花河铺设1.22km管道连通管道，百脉泉水可源源不断地补给杏花河并汇入芽庄湖，工程运行成效显著。

3.3 突破强渗透性连通通道识别

突破了“地表水-地下水”强渗透性连通通道识别、测绘制图与保护技术：基于遥感、LiDAR(无人机机载雷达)数据重建及水文地质物探、钻探相结合的GDEs识别、强渗漏带识别(SSZs)技术；GDEs与强渗漏带的与近自然生态恢复与渗透性能强化技术；形成了水系连通关键技术，包括水网的功能识别技术、需求服务分析技术、连通方案甄选技术、多水源调度技术、“地表水-地下水”强渗透性连通通道识别、测绘制图与保护技术、水质监测与风险防控技术、生态健康及连通效应。

济南市坚持“渗、蓄、滞、净、用、排”系统治水，全面提高水资源保障能力、水安全保障能力、水生态水环境承载能力、水务服务民生能力。生态立体水网逐步运行以来，发挥了极大的效益。如从水资源战略配置的角度出发，利用南水北调济平干渠，将南水北调的长江水和田山的黄河水，逆势调入卧虎山水库储存，以备干旱年份供水需求；同时发挥其反向调水功能，将汛期卧虎山水库多余的洪水，自流到济平干渠，通过玉清湖引水工程，输入玉清湖水库，供城市用水，实现洪水资源化；再一方面，工程在玉符河沿岸预留多个出水口，直接给玉符河进行生态补水，也可与五库连通工程相互配合，向强渗漏带补源，保障泉群持续喷涌通过利用各类信息化技术进行调查研究，济南市泉域补给区有24个重点强渗漏带。其中五库连通经过的8处渗漏带分别为：泉泸-钱家庄、大涧沟、小岭村、店子-二仙、邵而-展村、分水岭-北康而庄、兴隆-土屋村、龙洞渗漏带。其中小岭村、兴隆-土屋村、龙洞3处渗漏带的补水除通过五库连通工程实现外，还与兴隆等3座水库和兴济河等4条河道的生态需水一并考虑。另外5处补水的渗漏带需水量由大到小分别为：泉泸-钱家庄、大涧沟、店子-二仙、邵而-展村、分水岭-北康而庄。此外，因为城市道路、广场、小区等硬化工程建设，导致丧失补给能力的强渗漏带有5个，尚具备补给能力但需要补救措施的渗漏带有5个，目前正通过海绵城市建设措施逐渐恢复其功能。基本保留近自然状态的强渗漏带14个已纳入生态立体水网建设，如图3所示。目前，卧虎山水库已具备了向玉符河、大涧沟、南北康、邵而-展村等渗漏带补源条件，根据渗漏带分布区域，卧虎山水库在生态补水中仍存在巨大潜力，仍可继续开发。通过渗漏带回灌水源依次为卧虎山水库水、黄河水及南水北调水，回灌期间孔隙水。

图3 立体水网水系连通概化图

在水质监测方面，通过调查，岩溶水的水质变化规律相似，地下水水质可拓指数依次增大，孔隙水、岩溶水水质均呈现出降低趋势。目前玉符河人工建设的补源工程有3项，分别为：一是汛期时南部山丘区通过建设的山洪截雨沟工程将雨洪水引流至卧虎山水库，卧虎山水库蓄满后可放水自然补充玉符河；二是通过提水泵站，将玉清湖水库(济西湿地)逐级提升至玉符河上游，然后自流至玉符河进行补源，该水源来源主要为黄河水；三是利用南水北调东线工程，通过建设提水泵站及输水管道，输水至玉符河上游，在严重枯水时可进行放水补源，该水源来源主要为长江水。通过调查，回灌周期与水量相近的情况下，不同回灌水源对区域地下水水质的负面影响程度由高到低依次为：①南水北调水②黄河水③卧虎山水库水，长期直接利用南水北调长江水、黄河水和卧虎山水库水作为回灌水源可能会对区域内的地下水环境质量造成一定影响，降低地下水水质。为有效应对补源工程对水质的影响，工程还提出了控制回灌水量的风险应对措施，利用同位素技术对水源进行追踪，对不同补水措施对水质的影响进行定量研究，采用水动力模型和地下水模型同时进行数值模拟，提出了达到最大有效渗漏量的优化放水方案和强渗漏带控制最佳放水量的措施。

3.4 构建基于水系连通工程的城市多水源生态补水体系

生态水网突破面向生物完整性目标维护的分时段、分区段的河道全时程精准生态补水技术，根据不同河段、不同时期的底栖动物对河道流速、水深的要求，绘制基于生物完整性的河段生态需水分区图，提出分时段、分区段的河道精准生态补水方案[5-8]。立体水网中的水动物和微生物的研究可以从群落结构、生态特征、生态功能等方面进行探究，采用野外调查、气相色谱法、形态解剖学、分子生物学技术、同位素示踪技术、荧光显微镜技术、高通量测序、E-DNA等多种技术研究水循环过程中动物群落结构和多样性，探究其与补源工程因素之间的相互关系；各类水动物的生态适应性，探究其在立体水循环环境中的适应性和生态位；微生物的分布和群落结构，了解地下水和沉积物中微生物的物种组成、群落结构和多样性，探究其与水环境因素之间的相互关系；微生物的代谢作用，探究其在大生态水循环系统中的生态功能和生态作用，通过研究水动物和微生物的生态功能和生态作用，探究出关键水生物种的生态基流及其满足率。

4 结论

本文以济南市主城区为例，总结生态立体水网连通的规划经验，分析打通自然水系、人工水系、强渗漏带、断裂带的关键技术，探讨适用于具有空间水系连通条件城市的水资源调度和科学配置方式。通过该水网体系建设，济南市城区水网总长度由1614.95km增加到2316.69km，水网密度由0.30/km2增加到0.43/km2，增幅达43.3%。下一步，可将生态立体水网与城镇污水处理系统进一步衔接，充分发挥自然界的生态净化能力，辅以人工污水处理手段、海绵城市措施、面源污染及水土流失阻控设施等，将水环境综合治理纳入到水网建设中，进一步扩展生态水网多功能的作用，充分发挥城市级别的水循环系统的综合效益。