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1.1古城水系概況
研究對(duì)象：荊州古城水系，包括環(huán)繞古城的護(hù)城河，古城內(nèi)北湖、西湖、洗馬池及水塘等自然和人工水系。歷史上，古城水系之間及與周邊水系均相互連通，最終匯入長(zhǎng)江，但隨著周邊建筑的侵占，大部分連通渠已消失，目前古城內(nèi)水系僅有二處與護(hù)城河連通，分別位于北湖及西湖。護(hù)城河是環(huán)繞古城的無(wú)源頭河流，內(nèi)周長(zhǎng)約12.2km左右，護(hù)城河寬10～50m，局部達(dá)到100m，深3～4m。其來(lái)水主要是荊州古城內(nèi)和城南片區(qū)雨水以及西南部港南渠、東北部柳門(mén)泵站的間斷補(bǔ)水；出水通道主要是東南部荊沙河節(jié)制閘，也可通過(guò)東北部荊州泵站及柳門(mén)泵站提升排出。
1.2功能定位
功能定位：不僅要把護(hù)城河及相關(guān)水體建設(shè)成為荊州古城的生態(tài)風(fēng)光帶和黃金旅游帶，更要將其建設(shè)成為古城歷史的展示帶，以體現(xiàn)獨(dú)特的古城魅力，營(yíng)造其“水城”氛圍。研究目標(biāo)：為提高環(huán)境及生態(tài)品質(zhì)，打造一個(gè)形態(tài)多樣、水質(zhì)清潔、風(fēng)景優(yōu)美、與古城歷史文化內(nèi)涵相協(xié)調(diào)，適宜觀光及安居休閑的生態(tài)水系；水域功能為Ⅲ類。技術(shù)路線：將水污染控制、水生態(tài)能力的恢復(fù)作為工程重點(diǎn)，在系統(tǒng)模型及總量目標(biāo)的定量分析基礎(chǔ)上，將污水管網(wǎng)建設(shè)、清淤、生態(tài)環(huán)境構(gòu)建等工程內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)成為整體，建立完整的水環(huán)境整治體系。最終達(dá)到水與城、城與人、人與水、水與自然的和諧相處。
2古城水環(huán)境的現(xiàn)狀與評(píng)估
水體現(xiàn)狀評(píng)估包含水量、水質(zhì)及水系形態(tài)這三方面。
2.1水量分析及評(píng)估
古城水系是相對(duì)封閉的系統(tǒng)，河湖自然補(bǔ)水來(lái)源于降水，其自然換水周期長(zhǎng)，湖水長(zhǎng)時(shí)間得不到更新，加上新的污染源不斷攝入，常有藻類聚集生長(zhǎng)的問(wèn)題發(fā)生。在水量分析環(huán)節(jié)引入生態(tài)需水流量概念為補(bǔ)水工程的實(shí)施提供理論及數(shù)據(jù)支撐（下文將提及），生態(tài)需水流量指為維持湖泊生態(tài)和環(huán)境功能所需要的最小水流量，經(jīng)計(jì)算（來(lái)自郭武等提出的換水周期法），古城水系最小生態(tài)需水流量為0.65m3/s。
2.2水質(zhì)分析及評(píng)估
荊州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心于2013年3月6日～2013年11月7日期間，對(duì)護(hù)城河九龍淵斷面進(jìn)行了5次采樣監(jiān)測(cè)，對(duì)北湖、西湖、洗馬池湖心進(jìn)行了1次采樣監(jiān)測(cè)。護(hù)城河九龍淵段面水質(zhì)受時(shí)間影響波動(dòng)大，這可能受上游來(lái)水及護(hù)城河換水、降雨等因素影響，總體來(lái)說(shuō)其水質(zhì)為Ⅴ類，主要超標(biāo)污染物為COD、BOD5、氨氮、總氮及總磷；北湖、西湖及洗馬池水質(zhì)情況基本相同，為Ⅴ類，主要超標(biāo)污染物為BOD5、總氮及總磷。
2.3水系形態(tài)分析及評(píng)估
河流形態(tài)作為評(píng)估河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因子，是生物多樣性及生態(tài)健康的基礎(chǔ)，研究河流形態(tài)（包含地形、地貌、斷面形狀、護(hù)岸等因子）對(duì)于水生生態(tài)及水生生物有重要意義。護(hù)城河歷年來(lái)實(shí)施過(guò)多次河道整治工程，均是基于防洪排澇因素進(jìn)行的水利工程，現(xiàn)其河流形態(tài)總體上呈順直型，護(hù)岸全面進(jìn)行了混凝土襯砌，形成硬質(zhì)河岸，河道構(gòu)造及結(jié)構(gòu)單一，生物多樣性程度低，河流生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力已完全喪失，護(hù)城河及古城內(nèi)湖泊水體受各種脅迫嚴(yán)重。
2.4污染源解析
荊州古城經(jīng)過(guò)一系列的水利建設(shè)，防洪體系日益完善，但水體面積縮小、水污染嚴(yán)重、水生態(tài)退化等問(wèn)題日益突出，已成為制約古城經(jīng)濟(jì)、旅游發(fā)展的瓶頸，其“水城”特色面臨消亡危機(jī)。關(guān)于古城水系污染源的解析，主要從點(diǎn)源、面源、內(nèi)源及水量四個(gè)方面進(jìn)行。點(diǎn)源污染：荊州古城內(nèi)已建有合流制截污干管，古城內(nèi)污水得到有效的收集處理。但城外城南、城西部分污水未經(jīng)處理直接排入護(hù)城河，是護(hù)城河水質(zhì)差的主要原因；同時(shí)，古城內(nèi)雨天溢流中攜帶了一定量的污染物，也是護(hù)城河及古城內(nèi)湖泊水體水質(zhì)差的原因之一。面源污染：主要是古城外分流制區(qū)域雨水地表徑流污染。此外，護(hù)城河兩岸及古城內(nèi)局部區(qū)域仍然可見(jiàn)裸露的生活垃圾堆，產(chǎn)生的垃圾滲瀝液屬高濃度廢水，雨期隨地表徑流匯入古城水系，加重了水體污染程度。內(nèi)源污染：護(hù)城河除老北門(mén)至關(guān)公文化園段底泥污染程度較小外，其余河段底泥厚度較深，局部河段底泥已裸露于水面以上，形成沿河堤較厚、河床相對(duì)較薄的楔形堆積；城內(nèi)各水體單元中底泥厚度不一，以西湖淤積最為嚴(yán)重。水量問(wèn)題：水面面積減少，水量得不到保證，已無(wú)水環(huán)境容量。
3水質(zhì)水量目標(biāo)
3.1水質(zhì)的控制目標(biāo)
《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類水域功能。
3.2水量的控制目標(biāo)
古城水系最小生態(tài)需水流量為0.65m3/s。
4古城水環(huán)境治理對(duì)策
河湖污染的形成和加劇系由多種因素造成，需采取水環(huán)境綜合治理措施，同時(shí)輔以必要的管理措施，利用城市LID低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)水體的功能性要求。以護(hù)城河及其內(nèi)部湖泊水質(zhì)保持Ⅲ類水體為目標(biāo)，考慮荊州古城發(fā)展?fàn)顩r，從點(diǎn)源、面源、內(nèi)源及河湖生態(tài)構(gòu)建四大方面著手，使古城水環(huán)境自然化、生態(tài)化、人文化、景觀化。各子項(xiàng)的規(guī)模、削減的污染物量及實(shí)施后能達(dá)到的效果均通過(guò)水利水質(zhì)模型來(lái)模擬分析、評(píng)定，以確保投資帶來(lái)高收益。
4.1點(diǎn)源污染控制工程
實(shí)施點(diǎn)源污染控制工程的根本是建設(shè)截污管網(wǎng)系統(tǒng)。由于古城內(nèi)已實(shí)施了截污干管工程，護(hù)城河的現(xiàn)狀點(diǎn)源污染主要為古城外城南區(qū)居民生活污水的排入和古城內(nèi)雨季溢流部分污水帶來(lái)的污染負(fù)荷。該工程包括護(hù)城河外截污干管工程和古城內(nèi)合流管道補(bǔ)充完善工程。關(guān)于古城內(nèi)合流管道改造工程，我們用數(shù)學(xué)模型分析了采用分流制排水體制及合流制排水體制對(duì)護(hù)城河等水體的各自污染貢獻(xiàn)度，同時(shí)針對(duì)古城內(nèi)現(xiàn)狀合流管道的實(shí)情，列舉了兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定不對(duì)古城內(nèi)排水系統(tǒng)做大調(diào)整，通過(guò)完善古城內(nèi)排水管道，對(duì)截流倍數(shù)小于3、重現(xiàn)期小于2的管道進(jìn)行改造來(lái)減小溢流入河的污染物，同時(shí)再經(jīng)過(guò)護(hù)城河點(diǎn)狀人工濕地、河湖生態(tài)系統(tǒng)治理及相應(yīng)的管理措施后，來(lái)實(shí)現(xiàn)水體功能。
4.2面源污染控制工程
雨水調(diào)蓄池：由于雨水徑流主要來(lái)自城南，故在南護(hù)城河外側(cè)新建6座雨水調(diào)蓄池對(duì)雨水進(jìn)行分洪調(diào)蓄，并起到降解污染物的作用，調(diào)蓄池采用生態(tài)工法設(shè)計(jì)，同時(shí)為兼顧景觀功能，與護(hù)城河生態(tài)護(hù)岸結(jié)合布置。LID系統(tǒng)的建立：本工程擬建立的LID系統(tǒng)主要是管理措施，如加強(qiáng)雨季前管道清淤及機(jī)械沖刷、控制流域范圍內(nèi)的徑流系數(shù)、改造滲水路面、生態(tài)停車場(chǎng)等。沿岸陳舊垃圾堆清理：對(duì)古城水系沿岸及古城范圍內(nèi)裸露的陳舊垃圾進(jìn)行清理，運(yùn)輸至附近的垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行衛(wèi)生填埋，并對(duì)垃圾堆體底部污染土壤開(kāi)挖回填。
4.3內(nèi)源污染控制工程
底泥疏浚工程應(yīng)先行，此項(xiàng)工程的實(shí)施能促使水系通暢、水質(zhì)改善。首先應(yīng)通過(guò)明確疏浚范圍及疏浚厚度來(lái)確定疏浚底泥量，而疏浚厚度需根據(jù)底泥監(jiān)測(cè)報(bào)告及水下地形圖來(lái)確定，總疏浚量為14.7萬(wàn)m3。疏挖方式：護(hù)城河及北湖采用機(jī)械疏浚方式，西湖采用機(jī)械及人工方式清淤，也可采用多種設(shè)備的疏挖方式，比如車載式與船載式雙舉清淤設(shè)備，除經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行外，還能夠?qū)⑼诰颉⑤斔汀⑴懦觥⑻幚淼仁杩９ば蜻B續(xù)作業(yè)完成。疏浚時(shí)必須嚴(yán)格控制疏浚厚度，并監(jiān)測(cè)對(duì)護(hù)岸及周邊建(構(gòu))筑物的安全影響。底泥處理：護(hù)城河底泥經(jīng)過(guò)排泥管道輸送至就近水塘?xí)簳r(shí)堆放，北湖及西湖底泥采用機(jī)械運(yùn)輸?shù)姆绞剿椭磷o(hù)城河周邊水塘，由于底泥含水率高，需采用機(jī)械脫水及自然干化的方式對(duì)底泥進(jìn)行脫水。脫水后的污泥經(jīng)檢測(cè)各污染物達(dá)標(biāo)后，一部分作為生態(tài)駁岸綠化建設(shè)用土，一部分用作荊州園林綠化用肥。底泥的處置需做好土方平衡，并征求當(dāng)?shù)刂鞴懿块T(mén)對(duì)棄土場(chǎng)布置的意見(jiàn)。余水處置：是環(huán)境疏浚的又一個(gè)環(huán)節(jié)，余水是否需要處理及如何處理，取決于余水中污染物的組分及含量、接納余水水體的性質(zhì)等。采用以自然沉淀，經(jīng)沉淀后的余水由泄水口集中排入護(hù)城河中，泄水口布置在盡量遠(yuǎn)離排泥管出口的位置，并在泄水口處設(shè)置格柵，阻止污染物在受納水體中擴(kuò)散。
4.4河湖生態(tài)構(gòu)建
經(jīng)計(jì)算，點(diǎn)源、面源及內(nèi)源污染控制措施實(shí)施后，對(duì)污染物總量有較大的控制。經(jīng)水質(zhì)模型及污染源削減量分析，即使污染控制工程實(shí)施后，由于不斷有新的污染源（城內(nèi)雨天溢流、城外徑流）進(jìn)入古城水系，水系流動(dòng)性差，水體封閉，導(dǎo)致達(dá)不到Ⅲ類水體目標(biāo)，古城水系將通過(guò)河湖動(dòng)力系統(tǒng)及人工濕地處理的構(gòu)建來(lái)強(qiáng)化自凈能力，恢復(fù)持續(xù)、健康的水生態(tài)系統(tǒng)，消除持續(xù)增加的污染物的同時(shí)，使水體中既有污染物質(zhì)逐步減量化，達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)要求。
4.4.1設(shè)置動(dòng)力系統(tǒng)
水體自凈能力跟水的流動(dòng)性密切相關(guān)———所謂“流水不腐”就是這個(gè)道理，動(dòng)力系統(tǒng)是必須的。此子項(xiàng)含以下三部分內(nèi)容：
（1）水系連通：
利用護(hù)城河與北湖、西湖現(xiàn)有2處連通渠，將護(hù)城河與古城內(nèi)水系連通，同時(shí)新建渠道（類同氧化溝）將古城內(nèi)北湖、西湖及洗馬池連通。
（2）水體流動(dòng)
推流器通過(guò)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，加強(qiáng)水體橫向、縱向流動(dòng)，破壞靜止水體較為嚴(yán)重的分層現(xiàn)象，增強(qiáng)水體流動(dòng)性及富氧能力，加快污染物質(zhì)的降解速度，是處理水質(zhì)的手段之一。在護(hù)城河設(shè)置潛水推流器若干組，其主體部分位于岸邊，水下部分裝置結(jié)合橋梁及親水景觀平臺(tái)布置。在護(hù)城河與城墻間（西湖處）新增一座提升泵站，將護(hù)城河水通過(guò)現(xiàn)有連通渠引入古城內(nèi)水體，利用水位差自然流動(dòng)經(jīng)過(guò)古城內(nèi)人工濕地系統(tǒng)，并通過(guò)另一渠道回流護(hù)城河。提升泵站規(guī)模根據(jù)人工濕地處理規(guī)模確定。
（3）提升泵站
河道、氧化溝內(nèi)推流器、噴泉可以盡量采用太陽(yáng)能系統(tǒng)供電，或者采用光電互補(bǔ)系統(tǒng)。
4.4.2人工濕地工程
（1）護(hù)城河人工濕地
結(jié)合生態(tài)駁岸整治，在護(hù)城河局部區(qū)域設(shè)置帶狀人工濕地，其主要功能是截污，滯留雨水、減小面源污染，對(duì)護(hù)城河水體起一定凈化功能，形成河流系統(tǒng)生態(tài)多樣性環(huán)境，同時(shí)提升古城景觀層次。
（2）湖塘人工濕地
將古城內(nèi)北湖、西湖及洗馬池整合，構(gòu)建完整人工濕地生態(tài)系統(tǒng)，強(qiáng)化古城水系生態(tài)功能，水系連通渠及動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)建為人工濕地的運(yùn)行提供了保障。采用生態(tài)貯存塘———表面流人工濕地———潛流人工濕地———挺水植物型自然濕地———水生生物塘的5個(gè)處理工藝組合，使古城水系的水環(huán)境容量得到提升。
4.4.3生態(tài)補(bǔ)水工程
在水生態(tài)環(huán)境的構(gòu)建中，水量同水質(zhì)一樣重要，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)水是緩解污染、稀釋污染物質(zhì)、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的必要措施之一，補(bǔ)水量的多少與降雨量密切相關(guān)，經(jīng)過(guò)水量分析與評(píng)價(jià)，古城水系最小生態(tài)需水流量為0.65m3/s，結(jié)合自然補(bǔ)水量，7月補(bǔ)水量最小，12月補(bǔ)水量最大。補(bǔ)水水源來(lái)自港南渠，在進(jìn)入護(hù)城河處（西南角）設(shè)置帶狀人工濕地對(duì)補(bǔ)水水源進(jìn)行凈化，使進(jìn)入護(hù)城河的原水水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水體要求，港南渠補(bǔ)水能力為2m3/s，通過(guò)荊沙河節(jié)制閘引水。通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析，來(lái)進(jìn)一步判斷補(bǔ)水屬連續(xù)補(bǔ)水還是間歇補(bǔ)水，作為水系環(huán)境治理的一個(gè)子項(xiàng)來(lái)全面考慮。
4.5工程目標(biāo)可達(dá)性分析
通過(guò)建立古城水系水力水質(zhì)模型對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)工程的各子項(xiàng)建設(shè)規(guī)模及目標(biāo)可達(dá)性提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)支撐，用數(shù)學(xué)模型驗(yàn)算為達(dá)到污染物目標(biāo)削減量的最優(yōu)子項(xiàng)規(guī)模組合方案。同時(shí)，由于水環(huán)境治理的復(fù)雜性與多變性，擬建立一套數(shù)學(xué)模型對(duì)建成后的整個(gè)水系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，達(dá)到真正意義上的改善水質(zhì)，提升水環(huán)境面貌，營(yíng)造荊州歷史名城的形象。
5小結(jié)
荊州古城水環(huán)境治理是一項(xiàng)綜合整治工程，它把截污、治污工程與河湖生態(tài)構(gòu)建、生態(tài)補(bǔ)水系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，項(xiàng)目的實(shí)施能大大改善荊州古城水系的水質(zhì)和水環(huán)境，亦使荊州的城市環(huán)境得以改善，展現(xiàn)古城的悠久歷史風(fēng)貌。
作者：景袁媛 馬念 陳杰 單位：林同棪國(guó)際工程咨詢有限公司