黃繼文，李福林，陳華偉

（1.山東省水利科學研究院，250013，濟南；2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，250013，濟南）

一、研究背景

國家水網(wǎng)建設已成為“十四五”時期我國水利工作的重點任務。黨的十九屆五中全會明確提出實施國家水網(wǎng)重大工程，2021年12月水利部印發(fā)《關(guān)于實施國家水網(wǎng)重大工程的指導意見》和《“十四五”時期實施國家水網(wǎng)重大工程實施方案》，明確了加快推進國家水網(wǎng)重大工程建設的主要目標和任務。國家水網(wǎng)是以自然河湖為基礎(chǔ)，引調(diào)排水工程為通道，調(diào)蓄工程為節(jié)點，智慧調(diào)控為手段，集水資源優(yōu)化配置、流域防洪減災、水生態(tài)系統(tǒng)保護等功能于一體的綜合工程體系。可以看出，水網(wǎng)工程體系節(jié)點眾多，調(diào)度復雜，功能多樣，是保障供水安全、防洪安全、生態(tài)安全的重要基礎(chǔ)設施。

山東省早在2002年前后就對現(xiàn)代水網(wǎng)理論進行了探索，并開展了相應建設實踐工作。相關(guān)學者在2003—2004年，提出了現(xiàn)代水網(wǎng)理論框架，并對山東省現(xiàn)代水網(wǎng)建設與水資源優(yōu)化配置開展了研究工作。2010年12月，水利部與山東省人民政府在北京簽署《共同推進山東現(xiàn)代水利示范省建設合作備忘錄》，指出加快形成覆蓋全省的現(xiàn)代水網(wǎng)體系。山東省現(xiàn)代水網(wǎng)經(jīng)多年建設實踐，已形成了以南水北調(diào)東線工程山東段和膠東輸水干線為骨架的骨干水網(wǎng)工程體系。為貫徹黨中央和水利部國家水網(wǎng)建設決策部署，加快推進現(xiàn)代水網(wǎng)建設，2022年1月山東省人民政府印發(fā)實施《山東現(xiàn)代水網(wǎng)建設規(guī)劃》，提出了山東省“十四五”水網(wǎng)建設目標，明確了主要任務。濟南市政府于2011年批復實施《濟南市水網(wǎng)規(guī)劃》，經(jīng)多年建設與提升，目前已形成了“六橫連八縱、一環(huán)繞泉城”地表水系網(wǎng)絡布局。

為進一步挖掘水網(wǎng)工程體系綜合功能，發(fā)揮水網(wǎng)工程體系的綜合效益，濟南市在地表水系網(wǎng)絡布局基礎(chǔ)上，對地表水與地下水連通、多水源生態(tài)補水、含水層精準回灌等技術(shù)問題進行了深入研究，初步提出了生態(tài)立體水網(wǎng)的概念，進一步豐富了水網(wǎng)理論體系。

二、生態(tài)立體水網(wǎng)的概念與特征

1.生態(tài)立體水網(wǎng)的概念

生態(tài)立體水網(wǎng)是水網(wǎng)概念的延伸，是以水庫（湖泊）、閘壩、泵站、地下水回灌、供水水廠、污水處理、再生水回用、河流多水源生態(tài)補水等工程為節(jié)點，以自然河流、人工渠道、供排水管道等引調(diào)供排水工程和地下徑流帶為通道，通過構(gòu)建由地表水系工程體系、地下水補給區(qū)、地下水徑流帶構(gòu)成的立體水系網(wǎng)絡，統(tǒng)一調(diào)度多種水源，滿足多用戶的目標需求，促進地表水與地下水的良性循環(huán)，實現(xiàn)季節(jié)性河流多水源生態(tài)補水調(diào)度，是集多水源多用戶水資源優(yōu)化配置、雨洪水生態(tài)調(diào)度、地下水回灌補源和生態(tài)保護、河湖多水源生態(tài)補水與水生態(tài)環(huán)境保護等功能于一體的“自然-人工”耦合的綜合工程體系。

2.生態(tài)立體水網(wǎng)的特征

在時空維度上，空間維度突破了以往僅橫向連通和縱向連通的平面二維水網(wǎng)結(jié)構(gòu)，考慮地表水和地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系，為加強地下水回灌補源和生態(tài)系統(tǒng)保護，通過地表水網(wǎng)絡工程與地下水回灌工程的連接，實現(xiàn)地表水水系網(wǎng)絡與地下水徑流帶的垂向連通，形成橫向、縱向、垂向的空間三維連通立體水網(wǎng)結(jié)構(gòu)；時間維度上，需考慮地表水流、地下水回灌和地下水流因速度差異產(chǎn)生的時間差異，以及河流生態(tài)補水的季節(jié)性和河流水位的動態(tài)性變化。

在要素構(gòu)成上，水網(wǎng)工程體系一般由水源、工程、傳輸系統(tǒng)、用戶、配置方案等要素構(gòu)成。生態(tài)立體水網(wǎng)的要素中，水源上除地下水、地表水、外調(diào)水、再生水外，增加了雨洪水的調(diào)度利用，同時需考慮地下水回灌補源的水質(zhì)要求；在工程上，除水庫、閘壩泵站、供排水、再生水利用等工程外，增加了地下水回灌工程、河流生態(tài)補水工程等關(guān)鍵節(jié)點；在傳輸系統(tǒng)上，除河流、渠道、管道外，增加了地下徑流帶，實現(xiàn)地表水與地下水的連通；在用戶上，在生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水戶的基礎(chǔ)上，重點考慮了地下水回灌與生態(tài)保護和河流生態(tài)補水的需水要求；在配置方案上，除生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水配置外，需考慮地下水回灌補源和河流生態(tài)補水水資源配置的時空要求。

在功能擴展上，在以往水網(wǎng)的供水、防洪和生態(tài)功能的基礎(chǔ)上，生態(tài)立體水網(wǎng)通過地表水和地下水的連通、河流多水源生態(tài)補水工程的連通，擴展了水網(wǎng)的地下水回灌補源與生態(tài)保護、河流多水源生態(tài)補水、雨洪水生態(tài)調(diào)度等功能，能夠更好的發(fā)揮水網(wǎng)工程體系的綜合效益。生態(tài)立體水網(wǎng)多維連通概念性示意見圖1。

圖1 生態(tài)立體水網(wǎng)多維連通概念性示意

三、濟南市生態(tài)立體水網(wǎng)構(gòu)建

1.濟南市地表水系網(wǎng)絡布局

濟南市境內(nèi)河流分屬黃河、小清河、海河流域。受地形地勢影響，河流呈單側(cè)樹枝狀，干流為東西向，支流為南北向，支流一般從右側(cè)南岸匯入。黃河流經(jīng)濟南市境長度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蔭區(qū)睦里閘，境內(nèi)長度70.5 km，主要支流有臘山河、興濟河、大辛河、巨野河、繡江河等；海河流域內(nèi)有徒駭河、德惠新河2條骨干河道；湖泊主要有大明湖、華山湖、白云湖、芽莊湖等。

依托自然河湖水系，經(jīng)過多年的水系連通建設與實踐，濟南市已形成“六橫連八縱、一環(huán)繞泉城”地表水系網(wǎng)絡布局（見圖2）。其中，“六橫”是指貫穿全市東西的黃河、小清河、徒駭河、德惠新河4條大型河流和南水北調(diào)輸水干渠、東聯(lián)供水工程；“八縱”是指北大沙河、玉符河、巨野河、繡江河、大寺河、商中河6條中型河流和田山、邢家渡引黃輸水干渠；“一環(huán)”是指圍繞主城區(qū)的臥虎山、錦繡川、狼貓山、杜張4座山區(qū)水庫和玉清湖、鵲山、東湖3座平原水庫。

圖2 濟南市地表水系網(wǎng)絡布局示意

2.濟南市生態(tài)立體水網(wǎng)架構(gòu)

濟南地勢南高北低，南部為泰山余脈，北部為平原，為地下水提供了由南向北匯集運動的地形條件，而其得天獨厚的巖溶地貌，為地下水提供了匯集流動的空間。南部山區(qū)是濟南泉域泉水的補給區(qū)，正是由于南部山區(qū)對泉域地下水的補給，才成就了濟南“泉城”美譽。在濟南泉域補給區(qū)內(nèi)分布眾多溝谷、河道、洼地等地表水易于匯集和存儲的區(qū)域，因特殊的地形、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、含水層特性等因素，形成了地表水向地下水補給能力強、補給速度快的“地表-地下含水層聯(lián)通”區(qū)域，為立體水網(wǎng)構(gòu)建提供了基礎(chǔ)條件。同時濟南市地形南北高差大，城區(qū)河流比降大，降水量集中，主要河道汛期洪水陡漲陡落，非汛期河道干涸，自然條件下無法滿足生態(tài)用水需求，需通過水系連通工程提供水源和工程保障。

近年來，濟南市先后實施了臥虎山水庫連通、五庫連通、玉清湖引水、田山灌區(qū)與濟平干渠連通等水系連通工程。其中臥虎山水庫連通工程自濟平干渠賈莊分水閘引水，沿北大沙河、濟菏高速、玉符河經(jīng)三級泵站提水至臥虎山水庫，鋪設30 km輸水管道，新建賈莊、羅而莊和寨而頭三級泵站，設計輸水能力為30萬m3/d，調(diào)引長江水、黃河水到臥虎山水庫；五庫連通工程通過改造、新建22 km輸水管線和泵站工程，打通臥虎山、錦繡川、漿水泉、興隆、孟家5座水庫中間的山巒屏障，直通分水嶺、南郊2座水廠和市區(qū)內(nèi)興濟河、全福河、洪山溪、大辛河4條河道，并同時建設分水口，可向沿途強滲漏帶補水進行地下水回灌，輸水能力10萬m3/d。

通過上述水系連通工程的實施，基本形成了濟南市生態(tài)立體水網(wǎng)的架構(gòu)（見圖3）。以濟平干渠、玉符河、臥虎山水庫調(diào)水工程、五庫連通工程、臘山分洪工程等河渠、水系連通工程為輸水載體，聯(lián)合調(diào)度長江水、黃河水、當?shù)厮榷喾N水源；通過玉清湖水庫、臥虎山水庫、錦繡川水庫、興隆水庫、漿水泉水庫、孟家水庫及連通工程沿線泵閘等關(guān)鍵工程節(jié)點，大幅度提高濟南市南部城區(qū)供水保障程度，有效疏解興濟河洪水，緩解城區(qū)防洪壓力，同時可向玉符河、興濟河、全福河、大辛河生態(tài)補水，并相機向水系網(wǎng)絡沿程玉符河、泉瀘錢家村、邵而展村、店子二仙、大澗溝、分水嶺北康而莊、興隆土屋、小嶺等8處強滲漏帶補水，連通地表水對地下水的補給通道，增加濟南泉域巖溶水補給量，維護泉群持續(xù)噴涌。

圖3 濟南市生態(tài)立體水網(wǎng)概化圖

3.濟南市生態(tài)立體水網(wǎng)功能

（1）實現(xiàn)多水源聯(lián)合調(diào)度

通過田山灌區(qū)與濟平干渠連通工程、濟平干渠、臥虎山水庫調(diào)水工程，濟平干渠可同時引調(diào)長江水和黃河水，臥虎山水庫可同時調(diào)蓄長江水、黃河水、當?shù)氐乇硭坝旰樗?，同時可通過向五庫連通工程輸送長江水、黃河水，通過水系連通，實現(xiàn)了長江水、黃河水、當?shù)氐乇硭?、雨洪水、地下水等多種水源的聯(lián)合調(diào)度，有效提高了區(qū)域供水保障程度。

（2）分泄?jié)鲜心喜可絽^(qū)汛期洪水

通過臘山分洪工程連通興濟河和玉符河，分泄南部山區(qū)汛期洪水。臘山分洪工程東起興濟河京滬鐵路橋、西至北店子入黃河口，全長16.85 km，可攔截興濟河、大澗溝、陡溝3條河，流域面積159.5 km2的汛期洪水通過玉符河入黃河，達到設計防洪標準時分洪流量為604 m3/s，通過該工程可極大疏解濟南市城區(qū)防洪壓力。工程具備雙向輸水功能，同時可分泄玉符河洪水入小清河。

（3）為城區(qū)主要河流實施生態(tài)補水

依托五庫連通工程，可調(diào)度長江水、黃河水和當?shù)氐乇硭榷喾N水源，向玉符河及城區(qū)的興濟河、全福河、大辛河實施生態(tài)補水，同時依托臘山分洪工程也可調(diào)引玉符河棄水和黃河水，為分洪道和興濟河進行生態(tài)補水，保障季節(jié)性河流生態(tài)需水要求。

（4）有效增加泉域巖溶地下水補給量

依托五庫連通工程，可調(diào)度多種水源，對巖溶水補給區(qū)8處強滲漏帶進行補水，實施地下水回灌，增強地表水與地下水的水力聯(lián)系，對巖溶地下水實施回灌補源，有效增加濟南泉域巖溶地下水補給量，保障泉水持續(xù)噴涌。

4.解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

（1）生態(tài)立體水網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)

通過開展地表水生態(tài)環(huán)境調(diào)查，制作了濟南市水域生物圖譜，識別水體環(huán)境因子與水域生物物種的相關(guān)性和針對濟南市巖溶發(fā)育空間的差異性；綜合考慮泉域巖性特征、構(gòu)造發(fā)育、植被覆蓋、第四系厚度及滲透性能、地形坡度等多項因素，提出泉域強滲漏帶類型及其劃分標準，劃定泉域強滲漏帶保護控制紅線，提出不同滲漏帶保護區(qū)內(nèi)地下水回灌補源與管控措施；通過開展地表地下水系連通適宜性研究，在“六橫連八縱、一環(huán)繞泉城”地表水系布局基礎(chǔ)上，提出以促進地下水補給和良性水循環(huán)為目標的濟南市“生態(tài)立體水網(wǎng)”理念和技術(shù)方案，構(gòu)建了濟南市“地表水—地下水”互聯(lián)互通立體工程體系。

（2）基于城市水系連通的多水源生態(tài)補水技術(shù)

考慮濟南市城區(qū)河道生態(tài)補水、景觀、生態(tài)流量等需求，根據(jù)就近水源情況和工程可行性，提出了以黃河水、長江水、當?shù)氐乇硭疄樗吹某菂^(qū)生態(tài)水系補水調(diào)度運行方案；分析計算了小清河干流洪園閘上游流域雨洪水可利用潛力，基于MIKE軟件和動態(tài)規(guī)劃方法建立了市區(qū)水系生態(tài)調(diào)度模型，以小于20年一遇最大1日所產(chǎn)生的洪水為中小洪水，分析興濟河子流域、洪園閘上游子流域，選擇興濟河節(jié)制閘、臘山分洪閘、宋莊閘和洪園閘，研究提出了不同情景下市區(qū)中小洪水生態(tài)調(diào)度方案；研究形成了濟南市河道與濕地生態(tài)修復集成技術(shù)體系，并在章丘刁鎮(zhèn)境內(nèi)杏花河末端、玉符河河道、濟西濕地進行了工程示范。

（3）基于強滲漏帶回灌的含水層精準調(diào)控與水質(zhì)風險防控技術(shù)

采用水化學和氫氧穩(wěn)定同位素方法，對濟南市地下水的補徑排路徑進行了分析，揭示了濟南泉域地下水來源、補給方式、水巖作用、徑流路徑及水動力條件；在玉符河南北兩岸建設地表水與“寒武系張夏組灰?guī)r-奧陶系灰?guī)r地下水”的水循環(huán)野外試驗場、玉符河強滲漏帶地下水回灌野外試驗場，提出“第四系沉積物-巖溶含水層”系統(tǒng)中以巖溶含水層頂板高程為控制閾值的地下水精準回灌技術(shù)以及通過河床砂卵石自然過濾的水質(zhì)風險防控技術(shù)，避免地表水無效回灌和水質(zhì)污染；構(gòu)建了“巖溶裂隙-管道流”物理實驗模型和基于Modelflow-CFP模塊的數(shù)值模擬模型，分析了裂隙-管道流交換規(guī)律，初步劃定以構(gòu)造裂隙為通道的管道流路徑；研發(fā)了多目標進化算法（MOEA），創(chuàng)新改進了裂隙水溶質(zhì)非線性運移的對流彌散方程，建立了泉群噴涌多目標優(yōu)化管理模型和濟南市大范圍的多目標地下水流場三維數(shù)值模型和管理模型，提出不同水文年地下水生態(tài)回灌、地下水優(yōu)化開發(fā)布局及地下水生態(tài)維護等技術(shù)方案，充分考慮地下水開采現(xiàn)狀、供水潛力及需水要求，模擬、預測、分析了市區(qū)泉群對地下水的開采情況，提出了維持泉群長年噴涌的地下水開采布局優(yōu)化調(diào)控方案。

5.主要成效

依托生態(tài)立體水網(wǎng)理論探討和相關(guān)技術(shù)研究，形成的關(guān)鍵技術(shù)成果已推廣應用于山東省多個城市的海綿城市建設和生態(tài)文明建設實踐，并取得了顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，促進了區(qū)域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展。通過濟南市生態(tài)立體水網(wǎng)構(gòu)建，濟南市城區(qū)水網(wǎng)總長度由1614.95 km增加到2316.69 km，水網(wǎng)密度由0.30 km/km2增加到0.43 km/km2，增幅43.3%，增加地表水調(diào)水補水能力1億m3，通過調(diào)引長江水、黃河水累計為小清河補源和濟南保泉補源3.07億m3，地下水強滲漏帶補給能力達到25萬m3/d，經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益顯著。

相關(guān)研究成果被山東省各級水行政主管部門和地方人民政府廣泛應用，推動了河湖水系連通等一批水資源配置工程和生態(tài)修復工程建設。特別是形成的濟南泉域強滲漏帶劃分與保護、泉域強滲漏帶多水源含水層精準調(diào)控回補與水質(zhì)風險防控等技術(shù)成果，自2015年起應用于濟南市泉水保護相關(guān)工作，在泉水水系地質(zhì)勘查、建設項目泉水影響評價、濟南市城市軌道交通建設規(guī)劃泉水環(huán)境影響評價等技術(shù)咨詢項目、玉符河回灌試驗研究及《濟南市名泉保護總體規(guī)劃》《泉水環(huán)境影響評價技術(shù)導則（試行）》《濟南泉水直接補給區(qū)建設項目雨水收集入滲設計導則（試行）》制定等工作中得到具體應用，取得了顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境效益。

四、結(jié)論與建議

1.主要結(jié)論

①國家水網(wǎng)集水災害防控、水資源調(diào)配、水生態(tài)保護功能于一體，是解決我國水資源時空分布不均、提升防洪能力、優(yōu)化配置水資源、保障河湖健康、提升國家水安全的水利基礎(chǔ)設施。

②面向國家水網(wǎng)建設需求，在前期研究工作基礎(chǔ)上提出了生態(tài)立體水網(wǎng)概念，以濟南市為例，對生態(tài)立體水網(wǎng)理念進行了實踐性分析，構(gòu)建了集多水源多用戶水資源優(yōu)化配置、雨洪水生態(tài)調(diào)度、地下水回灌補源和生態(tài)保護、河湖多水源生態(tài)補水與水生態(tài)環(huán)境保護等功能于一體的濟南市生態(tài)立體水網(wǎng)。

③生態(tài)立體水網(wǎng)理念是對現(xiàn)有水網(wǎng)概念的延伸，擴展了水網(wǎng)的功能，進一步豐富了水網(wǎng)理論研究，通過在濟南市的建設實踐，效果良好，取得了顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益，促進了區(qū)域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展。

2.幾點建議

①充分認識水網(wǎng)建設的重大意義，加強水網(wǎng)理論研究和技術(shù)攻關(guān)，加大科研投入力度，為國家水網(wǎng)建設提供技術(shù)支撐。

②不斷挖掘水網(wǎng)功能，突出問題導向，加強多水源的聯(lián)合調(diào)配，在地下水生態(tài)脆弱區(qū)強化地下水回灌補源功能，在水生態(tài)脆弱區(qū)強化生態(tài)補水功能，擴展水網(wǎng)功能維度，充分發(fā)揮水網(wǎng)的綜合效益。

③加強水網(wǎng)功能智能化建造和智慧化調(diào)度管理，充分運用新一代信息技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字孿生水網(wǎng)，推動水網(wǎng)工程建設和調(diào)度管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化再上新臺階。