平原區(qū)跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)研究

李 娜，黎南關(guān)，萬 偉，尹耀鋒

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430064)

近年來，我國城鎮(zhèn)化進程越來越快，截止2017年我國的城鎮(zhèn)化率已達60%，預(yù)計到2030年我國城鎮(zhèn)化率將達到70%。隨著大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)，平原區(qū)城市面臨內(nèi)澇頻發(fā)、水環(huán)境惡化等越來越多的水問題。本世紀初期相關(guān)研究與工程治理多從單一問題出發(fā)，通過加大城區(qū)外排泵站建設(shè)、開展截污控污、生態(tài)修復(fù)等單項措施研究解決城市河湖水問題[1-3]。2010年以后河湖治理研究開始從解決單一問題逐步向河湖系統(tǒng)治理轉(zhuǎn)變，采用綜合措施開展河湖治理[4]。但隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，城市區(qū)河湖的承載力已嚴重不足，依靠自身水資源條件已不能從根本上解決城市河湖面臨的各種水問題，相較而言，農(nóng)村區(qū)水資源質(zhì)、量均要優(yōu)于城市區(qū)。本文從城鄉(xiāng)水系優(yōu)勢互補，統(tǒng)籌水資源調(diào)配角度出發(fā)，研究論述跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)，并將其應(yīng)用于工程實例，為平原區(qū)城鄉(xiāng)河湖治理提供參考與支撐。

1 跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)

城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)是以實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用、人水和諧為目標，以提高水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、改善水生態(tài)環(huán)境狀況和提升水旱災(zāi)害防御能力為重點，通過工程措施跨流域連通城市區(qū)和農(nóng)村區(qū)的河湖水系，采取聯(lián)合調(diào)度等非工程措施，跨流域?qū)λY源進行合理調(diào)控和分配的技術(shù)。

城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)的基礎(chǔ)為水系連通[5-7]，技術(shù)體系包括水系連通通道建設(shè)、可控建筑物構(gòu)建、湖泊庫塘等蓄水調(diào)控空間設(shè)施管控、水質(zhì)水量聯(lián)合模擬調(diào)度[8]等幾個方面，是工程措施與非工程的完美結(jié)合，兩者相輔相成缺一不可。

2 跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)功能分析

城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)的功能體現(xiàn)在可有效利用水資源，跨流域綜合解決城鄉(xiāng)防洪排澇、供水、水環(huán)境、水生態(tài)等多方面問題。跨流域水資源調(diào)控過程中，城市區(qū)與農(nóng)村區(qū)可取長補短，取得最大的綜合效益，兩者間的相互關(guān)系見表1。

表1 跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)功能與相互關(guān)系分析表

2.1 防洪排澇

平原區(qū)城市與農(nóng)村的防洪排澇系統(tǒng)各自特點鮮明。城市區(qū)防洪排水標準高，通常為20～50年。城市排水系統(tǒng)匯流速度快，調(diào)蓄能力低，洪水歷時短，通常利用大規(guī)模外排泵站應(yīng)對短歷時強降雨。農(nóng)村區(qū)防洪排水標準較低且排水速度慢，通常為5～10年一遇3 d暴雨5 d排完，排水系統(tǒng)匯流速度慢，洪水歷時長，外排能力較小，通常利用河湖調(diào)蓄應(yīng)對暴雨洪水。

城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)可充分利用城市區(qū)及農(nóng)村區(qū)排水系統(tǒng)特點，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢。遭遇超標準降雨時，城市區(qū)可向農(nóng)村區(qū)分流，充分利用農(nóng)村區(qū)河湖調(diào)蓄能力；短歷時暴雨后，農(nóng)村區(qū)調(diào)蓄的自身產(chǎn)水量及城市分洪水量通過連通調(diào)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

平原區(qū)城市通常以外江為主要供水水源，供水結(jié)構(gòu)單一，水污染突發(fā)事件可導(dǎo)致部分城市備用水源地不能發(fā)揮作用，增加了城市供水風險；農(nóng)村區(qū)通常水系發(fā)達，水資源量、質(zhì)齊優(yōu)，但用水方式粗獷，節(jié)水意識不強。

城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)可通過水系連通工程，將農(nóng)村區(qū)優(yōu)質(zhì)水資源輸送到城市區(qū)，提高城市區(qū)供水保證率，降低供水風險。同時可通過節(jié)水措施強化農(nóng)村區(qū)節(jié)水，降低連通調(diào)水對農(nóng)村區(qū)原供水戶的影響。

2.3 水環(huán)境改善

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市廢污水排放量日益增大，加上水體流動性差，導(dǎo)致平原區(qū)城市河湖水體污染不斷加劇，水生態(tài)環(huán)境狀況嚴重惡化；農(nóng)村區(qū)較大河湖水體由于周邊人類活動較小，入湖污染物較少，尚有納污能力富余，河湖水環(huán)境較好。

城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)可實現(xiàn)農(nóng)村區(qū)水環(huán)境質(zhì)量較好河湖與城市區(qū)水系間的連通。在保證防洪排水安全的前提下，農(nóng)村區(qū)排水可優(yōu)先利用城市區(qū)排水通道，將農(nóng)村區(qū)優(yōu)質(zhì)水資源輸送到城市區(qū)，提高雨洪資源利用率，增強平原區(qū)河湖水體流動性，增加城市區(qū)河湖水環(huán)境容量。

2.4 水生態(tài)修復(fù)

平原區(qū)河湖遭遇特枯年份均存在生態(tài)水位破壞風險。通過城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)可形成流域間水資源互補，提高生態(tài)環(huán)境需水保證率，降低水生態(tài)破壞風險。同時通過構(gòu)建區(qū)域水網(wǎng)、城市水網(wǎng)，建設(shè)自然-人工相結(jié)合的水生態(tài)廊道，增加水域水生生物多樣性，促進水生態(tài)系統(tǒng)健康，美化人居環(huán)境，形成城市向農(nóng)村輻射廊道，實現(xiàn)人水和諧。

3 實例研究

3.1 概況介紹

本文以湖北省武漢市湯遜湖與梁子湖跨流域水系連通工程為實例，闡述城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)功能與作用。

湯遜湖位于武漢市長江南岸，為長江中下游典型的平原水網(wǎng)地區(qū)，是國內(nèi)最大的城中湖，橫跨江夏、洪山和東湖高新科技開發(fā)區(qū)3個行政區(qū)，水面面積為52.19 km2，調(diào)蓄容積為3 285萬m3，流域匯水面積為248.80 km2，現(xiàn)有泵站外排能力總計292 m3/s，是武漢市的備用水源地。

湯遜湖流域隨著大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)逐步發(fā)展成為城市建成區(qū)，區(qū)域內(nèi)澇、水環(huán)境問題逐步凸顯。一方面由于圍湖造田、建設(shè)征地等歷史原因?qū)е潞此妗⒄{(diào)蓄容積逐步縮小，加上外排能力限制，造成洪澇災(zāi)害頻現(xiàn)，特別是2016年內(nèi)澇災(zāi)害導(dǎo)致中心城區(qū)受淹數(shù)日，生產(chǎn)生活癱瘓；另一方面由于人口產(chǎn)業(yè)集聚，入湖污染負荷逐步增加，導(dǎo)致湖泊水生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，富營養(yǎng)化日趨嚴重，湖泊生態(tài)健康受到嚴重威脅。2011～2013年湯遜湖整體水質(zhì)為IV類，2014年以后湯遜湖整體水質(zhì)已降至V類，至今仍呈現(xiàn)惡化趨勢，備用水源地功能消息殆盡。該湖總氮、磷變化趨勢見圖1。

圖1 湯遜湖總氮和總磷變化趨勢圖

梁子湖是湖北省湖面最大的湖泊，流域面積3 265 km2，湖泊容積6.1億m3。跨武漢、鄂州、咸寧、黃石四市。牛山湖為梁子湖子湖，位于江夏區(qū)五里界鎮(zhèn)，周邊均為農(nóng)村區(qū)，水面面積46.512 km2，現(xiàn)有泵站外排能力214 m3/s，現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅱ類，河湖水體現(xiàn)狀多以養(yǎng)殖功能為主，其他社會服務(wù)功能缺乏。

湯遜湖東南角湖汊與牛山湖之間有一條建于上世紀60年代末期港渠——東壩港，全長約3 km，由于歷史原因尚未貫通。為綜合解決湯遜湖流域、牛山湖流域的防洪排水、供水、水環(huán)境、水生態(tài)多種問題，規(guī)劃采用跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)，連通東壩港，并建設(shè)集排水閘、引水泵站、船閘為一體的控制性樞紐工程，實現(xiàn)跨流域靈活調(diào)度水資源，技術(shù)示意見圖2。

圖2 湯遜湖、梁子湖跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)示意圖

3.2 功能分析

3.2.1 防洪排水

為研究湯遜湖與梁子湖流域間水資源調(diào)控的功能作用，本文以湯遜湖最高控制水位19.3 m，安全水位18.65 m為控制條件，構(gòu)建城市內(nèi)澇模型和河湖蓄泄演算模型。擬定跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控與不調(diào)控兩種方案，分析遭遇100年一遇超標準洪水時，湯遜湖與梁子湖的水位變化過程，說明跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控的防洪排水功能作用。

模型模擬時間30 d，不同方案湯遜湖與梁子湖水位變化過程見圖3。湯遜湖向梁子湖最大分排水流量85 m3/s，總排水量為2 550萬m3，水位消落達0.7 m，而梁子湖接納湯遜湖排水后水位累積上漲0.07 m，分排洪水入梁子湖并不會對梁子湖的防洪產(chǎn)生影響。如不采取跨流域調(diào)控，遭遇同等標準降雨湯遜湖水位將在最高控制水位基礎(chǔ)上漲0.7 m，沿湖建成區(qū)將一片澤國，經(jīng)濟損失約2 500萬元。

圖3 湯遜湖與梁子湖的水位變化過程

當湯遜湖度過最高水位進入消落期后5～6 d，梁子湖出現(xiàn)最高水位，此時湯遜湖消退到安全水位下，可以全力幫梁子湖排水。湯遜湖外排泵站1 d可以幫梁子湖排水972萬m3，3 d即可將分排到梁子湖的洪水反抽出江，湯遜湖流域外排泵站總計可幫梁子湖流域排洪水12 636萬m3。因此跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)對有效減輕兩個湖泊流域的防洪壓力均有利。

3.2.2 水環(huán)境改善與供水

根據(jù)湯遜湖入湖污染負荷分析和納污能力計算成果，湯遜湖需跨流域調(diào)入水資源量15 012萬m3，增加水體流動性，增加湖泊水環(huán)境承載力。本文采用MIKE21水動力水質(zhì)模塊模擬分析了跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控與不調(diào)控兩種方案下湯遜湖水質(zhì)的變化過程。

1)水動力學模型采用二維水流運動方程，模型基本方程為

(1)

式中：h為實際水深；ζ為平均湖面起算的水位；q為單位面積上進出湖泊的流量；u，v分別為沿x，y方向的流速分量；g為重力加速度；ρ為水密度；f為柯氏力系數(shù)；τbx，τby為湖底摩擦力分量；τwx,τwy為湖面風應(yīng)力分量。

2)水質(zhì)模型采用水深平均的平面二維數(shù)學模型，模型基本方程為

(2)

式中：h為水深，m；C為污染物指標的濃度，mg/L；M為橫向單寬流量，m2·s；N為縱向單寬流量，m2·s；Ex為橫向擴散系數(shù)，m2/s；Ey為縱向擴散系數(shù)，m2/s；S為源(匯)項，g/m2·s；F(C)為生化項。

根據(jù)湯遜湖近年來水質(zhì)變化規(guī)律，本文共擬定了3月25日～4月24日，7月1日～7月31日，11月1日～11月30日三個引水時段，湖泊水質(zhì)達標率見表2。

表2 湯遜湖水質(zhì)指標達標率表

由模擬分析結(jié)果可知湯遜湖水質(zhì)2、3月份較好，4月份水質(zhì)開始變差，跨流域調(diào)控水資源后全湖水質(zhì)達標率可以提升至TN 76.7%，TP 70.4%，8月份水質(zhì)情況最差，不引水的情況下全湖水質(zhì)達標率僅為TN 44%，TP 38.3%，采用跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)可以大幅度的提升至91.1%，TP 93.2%，湖泊水質(zhì)可以得到大幅改善，結(jié)合截污控污及生態(tài)修復(fù)工程措施可使湯遜湖水質(zhì)持續(xù)向好，為武昌地區(qū)提供備用水源保障。跨流域水資源調(diào)控前后TN、TP濃度場變化見圖4。

圖4 典型年7月22日不調(diào)控和調(diào)控湯遜湖TN和TP濃度場

4 結(jié) 語

跨流域城鄉(xiāng)聯(lián)動水資源調(diào)控技術(shù)通過適當?shù)乃禍贤ā⒁拧⒄{(diào)度等措施，可統(tǒng)籌城鄉(xiāng)防洪排澇、水環(huán)境、水生態(tài)等多方面需求，是河湖系統(tǒng)治理理念的體現(xiàn)與提升。該技術(shù)應(yīng)用于平原區(qū)將有效緩解重要城市區(qū)因水資源承載力、水環(huán)境承載力不足給城市發(fā)展帶來的瓶頸問題，同時可提高城市區(qū)外排泵站的利用率，增加農(nóng)村區(qū)排水通道，破解農(nóng)村區(qū)排水標準偏低的問題。