城市小流域綜合治理方法研究與實(shí)踐
——以成都市九道堰河流域?yàn)槔?/h1>

2022-02-13 07:37:06帥建英劉盛君高譽(yù)軒

中國(guó)水利訂閱 2022年1期 收藏

關(guān)鍵詞：交錯(cuò)帶水陸雨水

鄧 粵，帥建英，劉盛君，高譽(yù)軒

（1.四川省成都市沱江流域投資發(fā)展集團(tuán)有限公司，610015，成都；2.四川省成都市水務(wù)局，610015，成都；3.四川省成都市河湖保護(hù)和智慧水務(wù)中心，610015，成都）

目前，對(duì)于破解城市小流域水災(zāi)害頻發(fā)、水環(huán)境污染和水生態(tài)損害等不同類(lèi)型水問(wèn)題已有較為成熟和系統(tǒng)的技術(shù)方案，但仍然存在一些問(wèn)題，集中體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是自然屬性考慮不足，難以從根本上遏制水問(wèn)題。河道治理與雨污消納多采用工程型的灰色措施，生態(tài)修復(fù)多采用“美化”和“綠化”措施，屬于“治標(biāo)不治本”的治理模式，且易誘發(fā)次生的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。二是目前廣泛應(yīng)用的“末端治理”模式難以最大限度減緩水患災(zāi)害。比如，澇水與污水的治理多采用空間上的“末端治理模式”，尚未完全形成“源頭→過(guò)程→末端”的雨水層層調(diào)蓄與污染物全過(guò)程消納的范式；水生態(tài)的治理多采用時(shí)間上的“末端治理模式”，即在已演變成新的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型后再采取人為措施進(jìn)行干擾。此外，在智慧化管理方面，普遍存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、監(jiān)測(cè)要素不全面、調(diào)度模式不智能等問(wèn)題。

針對(duì)城市小流域存在的問(wèn)題，以及當(dāng)前管理的現(xiàn)狀，研發(fā)了適合城市小流域系統(tǒng)治理與智慧管控的系列技術(shù)，并以九道堰河流域水生態(tài)綜合治理項(xiàng)目為示范，開(kāi)展推廣應(yīng)用，取得了較好的效果。

一、城市小流域綜合治理總體思路

按照“問(wèn)題識(shí)別→技術(shù)研究→示范應(yīng)用”的總體思路（見(jiàn)圖1），系統(tǒng)辨識(shí)高強(qiáng)度人為擾動(dòng)影響下城市小流域的水災(zāi)害（洪水和內(nèi)澇）頻發(fā)、水環(huán)境污染、水生態(tài)退化的問(wèn)題，以及當(dāng)前水管理工作中的短板，研究適用于城市小流域的水災(zāi)害防控、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)與智慧管控的成套技術(shù)。對(duì)于河道內(nèi)的洪水防控，提出城市小流域藍(lán)綠融合的河道整治技術(shù)；對(duì)于河道外內(nèi)澇與污水治理問(wèn)題，提出面向雨污消納的城市小流域生態(tài)海綿體系構(gòu)建技術(shù)；對(duì)于河道內(nèi)與河道外生態(tài)環(huán)境修復(fù)，提出城市小流域水域—水陸交錯(cuò)帶—濱水陸域全覆蓋生態(tài)修復(fù)技術(shù)；同時(shí)，為提升城市小流域智慧化管理水平，提出城市小流域智慧管控成套技術(shù)體系。

圖1 小流域綜合治理總體思路

二、城市小流域綜合治理關(guān)鍵技術(shù)

1.藍(lán)綠融合的河道整治技術(shù)

①藍(lán)綠融合的柔性多變水線(xiàn)。針對(duì)傳統(tǒng)城市河道治理中簡(jiǎn)單平直藍(lán)綠線(xiàn)導(dǎo)致生物棲息地少、流速流態(tài)單一等問(wèn)題，通過(guò)打破傳統(tǒng)藍(lán)線(xiàn)綠線(xiàn)邊界壁壘，將消落帶與河道空間疊加融合，順應(yīng)河道自然形態(tài)，遇窄成溪、遇寬成河、遇高差成瀑布，增加河道韌性和多樣性。藍(lán)綠融合方法一方面可以擴(kuò)大河道的行洪斷面，提升防洪排澇能力；另一方面通過(guò)重構(gòu)河道，形成曲化岸線(xiàn)，增加生態(tài)島嶼，同時(shí)結(jié)合生物棲息繁衍特征，在河道灘地和生態(tài)島嶼上因地制宜栽種植物，為鳥(niǎo)類(lèi)、兩棲類(lèi)等動(dòng)物提供多樣生境，增加河道的生物多樣性。

②形態(tài)多樣的生態(tài)駁岸。針對(duì)傳統(tǒng)城市河道治理中垂直、固定坡比硬質(zhì)堤防存在的親水性差、生態(tài)性差等問(wèn)題，一方面充分考慮河道位置、生態(tài)功能、景觀需求等因素，綜合采用拋石、混凝土、卵石、魚(yú)巢磚、格賓石籠等不同護(hù)腳方式，保證河道安全的同時(shí)更加注重生態(tài)性；另一方面通過(guò)擬自然手法，保留河道天然屬性，隨坡就勢(shì)構(gòu)建高低起伏、形式多樣的生態(tài)駁岸，最大程度保護(hù)現(xiàn)有植被、提升親水性并營(yíng)造豐富的水陸交界線(xiàn)，為生物提供多樣的生態(tài)環(huán)境，打造“可進(jìn)入、可參與”的親水空間。

③多變流速、水深的河道生態(tài)水面。針對(duì)傳統(tǒng)城市河道治理中水面和流速單一導(dǎo)致的生境缺失等問(wèn)題，利用氣盾式生態(tài)閘、景觀堰構(gòu)成“堰閘”系統(tǒng)，擴(kuò)大水域面積，增加水深和流速的多樣性，打造深水靜流和淺水快流相結(jié)合的生態(tài)水面，保障枯水期河道生態(tài)基流，提升水環(huán)境容量，恢復(fù)河道生物多樣性。

2.面向雨污消納的生態(tài)海綿體系構(gòu)建技術(shù)

針對(duì)城市雨水與污水治理中的“末端治理”與“過(guò)程分離”的問(wèn)題，從流域統(tǒng)籌的視角，秉承“一片地對(duì)一片天”的理念，構(gòu)建城市小流域生態(tài)海綿體系，形成“源頭分散消納→過(guò)程截流截污→末端收集利用”的雨水調(diào)蓄與污水凈化全鏈條過(guò)程。

①雨水消納及生態(tài)海綿構(gòu)建。對(duì)于雨水的調(diào)蓄，在全域尺度上，處理好城市水系與流域水循環(huán)之間的關(guān)系，提出以“蓄、滲”為主，同時(shí)滿(mǎn)足“凈、用、滯、排”等需求的生態(tài)海綿流域建設(shè)方案。綜合考慮雨水徑流對(duì)河湖流域水岸安全、匯水區(qū)域水體涵養(yǎng)等多個(gè)目標(biāo)，構(gòu)建源頭減排、過(guò)程控制、末端治理全流程管控體系，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)雨水“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿功能。在源頭雨水控制方面，利用雨水花園、綠色屋頂、植草溝、垂直綠化等“灰色+綠色”設(shè)施對(duì)雨水進(jìn)行散流和滯蓄；在過(guò)程控制方面，利用新建的截污干管、雨水管線(xiàn)和截流井等設(shè)施，達(dá)到雨污分流的目標(biāo)，增加水環(huán)境容量，提升流域水質(zhì)；在末端雨水控制方面，采用地埋式初雨調(diào)蓄池將初期雨水進(jìn)行截流收集，減少初雨徑流污染。

②污水全鏈條管控。針對(duì)城市普遍存在污水處理后再生利用率低、雨污分流不徹底、單線(xiàn)治理導(dǎo)致污染物難以根除等方面的問(wèn)題，通過(guò)管線(xiàn)排查、管網(wǎng)整改、雨污混流排口處建設(shè)截流井等措施實(shí)現(xiàn)污水的源頭控制；通過(guò)污水處理廠(chǎng)提標(biāo)擴(kuò)容保證截流的污水和初期雨水完全能夠被消納；通過(guò)建設(shè)中水管網(wǎng)，將污水處理廠(chǎng)的再生水引入生態(tài)濕地和生態(tài)塘庫(kù)系統(tǒng)處理，水質(zhì)達(dá)標(biāo)后補(bǔ)充至河道，保障河道生態(tài)基流，恢復(fù)河流生態(tài)。利用以上多種工程措施的集成，使城市小流域市政污水全鏈條循環(huán)消納，實(shí)現(xiàn)市政污水的零排放、零污染。污水處理全鏈條示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 污水處理全鏈條示意圖

3.水域—水陸交錯(cuò)帶—濱水陸域全覆蓋生態(tài)修復(fù)技術(shù)

水域、水陸交錯(cuò)帶和濱水陸域作為城市小流域的三大要素，傳統(tǒng)修復(fù)手段通常存在治標(biāo)不治本、生態(tài)體系不完整、生態(tài)功能不協(xié)調(diào)等問(wèn)題；此外三大要素的關(guān)系缺乏統(tǒng)籌，區(qū)別治理，也會(huì)導(dǎo)致修復(fù)效果顧此失彼?；诖?，提出了水域—水陸交錯(cuò)帶—濱水陸域全覆蓋生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

①水域生態(tài)修復(fù)及重構(gòu)。針對(duì)水域，充分考慮水生態(tài)系統(tǒng)多層級(jí)、多要素協(xié)同作用關(guān)系，通過(guò)基底翻耕、土壤病原體消殺和補(bǔ)充微量元素等方式為水生生物營(yíng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境；通過(guò)沉水植物、挺水植物、浮葉植物的合理搭配構(gòu)建水生植物群落；通過(guò)魚(yú)類(lèi)、底棲動(dòng)物和浮游動(dòng)物等構(gòu)建水生動(dòng)物群落；利用不同功能微生物的組合凈化水體，維持水環(huán)境穩(wěn)定。通過(guò)以上措施，實(shí)現(xiàn)生態(tài)鏈的斷鏈增級(jí)，構(gòu)建安全、健康的水生生物群落結(jié)構(gòu)，達(dá)到水生生境自修復(fù)和自平衡的目標(biāo)。

②水陸交錯(cuò)帶生態(tài)修復(fù)及重構(gòu)。針對(duì)水陸交錯(cuò)帶，在原河道生境保留的基礎(chǔ)上，結(jié)合天然河灘地和島嶼，通過(guò)基質(zhì)修復(fù)、生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控、生態(tài)綠色型護(hù)腳工程、物種選育和配置等措施，重塑自然化棲息地，提升河道生物多樣性，保障水生生態(tài)和陸生生態(tài)的交融。水陸交錯(cuò)帶生態(tài)修復(fù)及重構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 水陸交錯(cuò)帶生態(tài)修復(fù)及重構(gòu)

③濱水陸域生態(tài)修復(fù)及重構(gòu)。針對(duì)濱水陸域，基于美學(xué)、生態(tài)、功能“三位一體”的生態(tài)景觀理念，科學(xué)合理選用本土植物，打造擬自然生境，為兩棲動(dòng)物、鳥(niǎo)類(lèi)等小型動(dòng)物提供優(yōu)質(zhì)的棲息環(huán)境，提升陸生生物群落的自我調(diào)節(jié)能力，營(yíng)造長(zhǎng)期穩(wěn)定演替的近自然景觀風(fēng)貌。同時(shí)通過(guò)科學(xué)優(yōu)化種植設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)陸地植物群落的長(zhǎng)期自我演替，實(shí)現(xiàn)低成本維護(hù)的目標(biāo)。

4.智慧管控成套技術(shù)體系

針對(duì)小流域信息化管理存在的建設(shè)模式標(biāo)準(zhǔn)不一、信息采集不全和調(diào)度效能偏低等問(wèn)題，提出了城市小流域智慧管控成套技術(shù)體系。

①智慧管控系統(tǒng)建設(shè)模式。針對(duì)城市小流域信息化建設(shè)碎片化、缺乏統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，導(dǎo)致業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、管理不協(xié)同的問(wèn)題，通過(guò)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，指導(dǎo)流域信息化建設(shè)，規(guī)范建設(shè)流程，縮短建設(shè)周期，減少重復(fù)投資。根據(jù)不同小流域的管理需求和實(shí)際情況，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系可選擇涵蓋下列部分或全部標(biāo)準(zhǔn)：數(shù)據(jù)中心、監(jiān)測(cè)布點(diǎn)等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)、空間數(shù)據(jù)建庫(kù)、BIM數(shù)據(jù)等方面的數(shù)據(jù)體系標(biāo)準(zhǔn)，GIS管理系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施控制系統(tǒng)等業(yè)務(wù)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，信息整合共享與互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)，以及用戶(hù)權(quán)限管理、系統(tǒng)運(yùn)維等管理標(biāo)準(zhǔn)。

②水量、水質(zhì)、生態(tài)全面立體感知技術(shù)。針對(duì)城市小流域生態(tài)監(jiān)測(cè)手段缺失的問(wèn)題，在傳統(tǒng)的水質(zhì)、水量監(jiān)測(cè)體系基礎(chǔ)上，基于AI機(jī)器視覺(jué)與多面視頻融合的生物物種監(jiān)測(cè)技術(shù)，構(gòu)建基于BIM+GIS+MR技術(shù)的沉浸式感知場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)城市小流域水量、水質(zhì)、生態(tài)全面立體感知。

③廠(chǎng)網(wǎng)河一體化流域智慧運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)調(diào)度模式對(duì)城市小流域綜合治理措施設(shè)計(jì)效能發(fā)揮不充分的問(wèn)題，通過(guò)多情景驅(qū)動(dòng)的廠(chǎng)、閘、池等全要素的一體化調(diào)度控制，以“機(jī)理模型+AI算法”形成智慧決策的“智慧大腦”，以遠(yuǎn)程自控技術(shù)形成生態(tài)閘遠(yuǎn)控的“智能手”，實(shí)現(xiàn)了城市小流域枯水期補(bǔ)水、景觀需水補(bǔ)水和汛期初雨污水不下河，污水全收集、收集全處理、處理全達(dá)標(biāo)的管理目標(biāo)。圖4為城市小流域智慧管控系統(tǒng)框架圖。

圖4 城市小流域智慧管控系統(tǒng)框架

三、城市小流域綜合治理技術(shù)在成都市九道堰河流域的應(yīng)用

1.九道堰河流域概況

九道堰河為沱江二級(jí)支流，發(fā)源于成都市郫縣團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)府河，由西北向東南注入沱江一級(jí)支流毗河。流域面積為75 km2，流經(jīng)成都市新都、金牛、郫都3個(gè)行政區(qū)，干流長(zhǎng)為31.9 km，河流比降1.2‰。九道堰河流域水系縱橫交錯(cuò)，涵蓋牟珠堰、友誼支渠、明月排洪渠等支流24條，總河長(zhǎng)為140 km。

九道堰河流域是連接岷江和沱江的核心紐帶，具有重要的戰(zhàn)略地位。但九道堰河流域內(nèi)河網(wǎng)為平原水網(wǎng)，河道平緩、水流不暢、污泥淤積，嚴(yán)重影響河道行洪和水環(huán)境改善；此外流域內(nèi)居民生活污水截流不徹底、污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)較低等情況導(dǎo)致九道堰河及其支流的年排入污染物量已超過(guò)納污能力，九道堰河流域內(nèi)占比78%的水體長(zhǎng)期為劣V類(lèi)。

2.九道堰河流域治理效果

（1）河道治理及其效果

在50年一遇防洪規(guī)劃要求基礎(chǔ)上，護(hù)腳采用魚(yú)巢磚、松木樁、柳條、賓格石籠等生態(tài)工法，由規(guī)劃簡(jiǎn)單平直藍(lán)線(xiàn)37 km至曲化水線(xiàn)53 km，水面增加16 000㎡，形成17個(gè)開(kāi)闊水面，新增720㎡灘地、1 210㎡島嶼。為吸引鳥(niǎo)類(lèi)等動(dòng)物提供多樣生境，形成了包含“溪、灘、島、澤、河、林”等多要素的多樣水邊線(xiàn)。

九道堰河流域18.8 km傳統(tǒng)堤防轉(zhuǎn)換為可進(jìn)入、可參與的多變生態(tài)堤防；通過(guò)7種多變生態(tài)駁岸形態(tài)增加20.6萬(wàn)㎡親水空間，營(yíng)造11種水陸生境空間，預(yù)計(jì)增加200余種動(dòng)/植物，在多樣生境穩(wěn)定后可達(dá)到400余種。

九道堰河流域通過(guò)新建12座擬自然的生態(tài)堰和5座氣盾閘，形成適于魚(yú)類(lèi)、底棲類(lèi)、沉水植物類(lèi)的8種流速（0.1~1.1m/s）和13種生物生長(zhǎng)流態(tài)，河道水體停留時(shí)間由0.37天提高到1.03天。

（2）生態(tài)海綿建設(shè)及其效果

經(jīng)過(guò)生態(tài)海綿建設(shè)，九道堰小流域灰色基礎(chǔ)設(shè)施可截流小流域范圍內(nèi)匯水面積2 281.5 hm2，占比22.5%；綠色基礎(chǔ)設(shè)施（綠色屋頂、垂直綠化、透水鋪裝、植草溝、雨水花園、生態(tài)濕地等）可截流4 382 hm2范圍內(nèi)初期雨水，占比43%；污水經(jīng)全鏈條消納后，收集率≥98%，小流域出水?dāng)嗝嫠|(zhì)得到明顯改善。

（3）生態(tài)修復(fù)及其效果

九道堰河流域水域生態(tài)經(jīng)修復(fù)后，水面面積增加99 434 m2，魚(yú)類(lèi)增加5種，底棲動(dòng)物增加2種，浮游動(dòng)物增加2種，沉水植物增加5種，挺水植物增加4種；在水陸交錯(cuò)帶，保留現(xiàn)狀生態(tài)本底，保證行洪安全的情況下，通過(guò)松木樁、魚(yú)巢磚、賓格石籠等生態(tài)工法，形成7種生態(tài)護(hù)腳形式，構(gòu)建7處島嶼、5處河灘地、33處親水平臺(tái)；在濱水陸域，利用生態(tài)草本植物群落設(shè)計(jì)，形成了近5 000㎡的人造自然式生態(tài)草甸，同時(shí)利用坡地的季相變化，在坡面底部設(shè)置近1 000 m的生態(tài)排水溝，科學(xué)合理選用20余種鄉(xiāng)土植物，構(gòu)建22 km的生態(tài)廊道，3個(gè)城市公園。

（4）智慧管控系統(tǒng)建設(shè)及其效果

運(yùn)用上述智慧管控技術(shù)，在九道堰河流域形成“1個(gè)指揮中心+3大核心平臺(tái)+4大基礎(chǔ)支撐+5大配套工程”的智慧管理系統(tǒng)，對(duì)流域范圍的常見(jiàn)生物物種和珍稀物種進(jìn)行監(jiān)測(cè)識(shí)別，準(zhǔn)確度達(dá)到90%以上，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了流域內(nèi)1個(gè)污水處理廠(chǎng)、5個(gè)生態(tài)閘和4個(gè)調(diào)蓄池的遠(yuǎn)程自控與智慧運(yùn)營(yíng)管理，確?？己藬嗝娣€(wěn)定達(dá)標(biāo)。

四、結(jié) 論

本研究圍繞水災(zāi)害、水環(huán)境、水生態(tài)、水管理等多方面的問(wèn)題，針對(duì)河道、水域、水陸交錯(cuò)帶、濱水陸域等多個(gè)子系統(tǒng)和整個(gè)小流域全系統(tǒng)的治理、修復(fù)和管理，依照“師法自然”的理念，充分遵循自然規(guī)律，利用近自然修復(fù)模式構(gòu)建了“體系完整、功能協(xié)調(diào)、各在其位、各司其職”的城市小流域綜合治理與智慧管理成套技術(shù)體系。該套技術(shù)在九道堰河流域綜合治理項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，充分說(shuō)明了其在促進(jìn)韌性城市建設(shè)、提升治水管水能力等方面的作用，為城市小流域水環(huán)境綜合治理提供了可復(fù)制可推廣的經(jīng)驗(yàn)。

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