城市水渠生态修复与市政管网协同设计模式探索

引言

城市水渠作为城市水系的重要组成部分，兼具排水、调蓄、生态和景观功能。然而，长期以来的硬化改造、污染排放及管理缺失导致水渠生态功能丧失，生物多样性锐减。与此同时，传统市政管网设计以单一排水功能为导向，忽视了与自然水系的互动，加剧了城市内涝、水体黑臭等问题。在此背景下，探索水渠生态修复与市政管网协同设计模式，成为实现城市水系统可持续发展的关键路径。

1 协同设计的必要性分析

1.1 生态功能与工程功能的互补性

城市水渠的生态修复需恢复其自净能力、栖息地功能和景观价值，而市政管网的设计需兼顾排水效率与水资源回用。两者协同可实现"工程-生态"双目标：管网系统为水渠提供稳定的水源（如雨水回用），水渠生态修复则通过植被过滤、微生物降解减少管网末端处理压力。

1.2 空间资源的集约化利用

传统设计中，水渠与管网常独立布局，导致地下空间浪费。协同设计通过整合管网走向与水渠形态，可优化土地利用，例如将污水管网嵌入水渠护坡结构，或利用水渠底部空间布置雨水调蓄设施。

1.3 应对气候变化的适应性

全球气候变化加剧极端降雨事件，单一工程措施难以应对。协同设计通过生态修复提升水渠的蓄洪能力，结合管网的智能调度系统，可构建"源头分散-过程传输-末端蓄滞"的韧性排水体系。

2 协同设计模式的关键要素

2.1 目标协同：从单一到复合

传统城市水渠与管网设计常以单一功能为导向，导致生态、工程与社会目标割裂。协同设计通过目标整合实现系统优化：生态目标聚焦恢复水渠生物多样性，通过清淤疏浚、本土植物群落构建等措施，将水体透明度提升至 1 米以上，形成稳定的生态链；工程目标强调管网系统韧性，将排水标准提高至 50 年一遇降雨不内涝，同时通过雨污分流改造使污水收集率达 95% 以上，减少面源污染；社会目标注重公共价值创造，结合生态修复与景观提升打造亲水空间，通过步道、观景平台等设施增强居民参与感，最终实现“水清、岸绿、景美、人欢”的综合效益。

2.2 技术协同：多专业融合

技术协同是突破单一领域局限的关键。生态修复技术以自然解决方案为核心，通过人工湿地净化水质、生态驳岸增强边坡稳定性、微生物强化降解有机物，构建低维护的生态系统；管网优化技术注重工程效能提升，采用雨污分流减少混接污染、透水铺装增加雨水下渗、智能监测系统实时预警管网异常，实现精准管理；耦合技术则强化系统联动，例如利用管网流量数据动态调整水渠生态基流，保障水生生物需水；或通过水渠植被过滤拦截管网沉积物，降低末端处理成本。多技术融合形成“源头减排-过程控制-末端治理”的全链条解决方案。

2.3 管理协同：全周期参与

管理协同需贯穿项目全生命周期。规划阶段建立“水渠-管网”联合规划平台，整合水利、市政、环保部门数据，通过 GIS 技术模拟不同场景下的水力条件，优化空间布局；建设阶段采用 EPC 模式，由总承包方统筹设计、采购与施工，避免因专业分割导致的接口冲突，例如同步实施管网铺设与水渠生态护岸建设；运维阶段构建智慧化管理平台，集成水质传感器、水位计及管网压力监测设备，通过大数据分析预测风险，并建立公众参与机制，如开发移动端应用鼓励居民上报污染问题，形成“政府主导-企业运营-公众监督”的共治格局。

3 协同设计的技术路径

3.1 空间布局协同

（1）线性协同

沿水渠自然走向规划雨水管网布局，充分利用水渠作为地表径流的天然收集与输送通道。通过定向疏浚与断面优化，确保管网排水路径与水渠流向一致，减少管道长度与转折，降低水头损失。例如，在直线段采用明渠-暗管结合形式，既保留水渠生态功能，又提升暴雨期排水效率，实现工程与生态空间的线性整合。

（2）立体协同

在水渠护坡结构中分层嵌入污水管道，底部铺设防渗层，中部设置管道安装槽，

顶部覆盖种植土并铺设透水混凝土铺装。此设计既保护管道免受外力破坏，又通过透水铺装促进雨水下渗，补充地下水。护坡表面种植深根植被增强边坡稳定性，形成“管道-护坡-植被”立体复合结构，实现土地资源的高效利用。

（3）节点协同

在泵站、闸门等关键节点增设生态处理设施，如泵站前池设置人工湿地预处理污水，闸门处布置生态滤床净化面源污染。通过节点功能扩展，将单一工程设施转化为兼具排水调控与水质净化的复合单元。例如，某项目在闸门旁构建表流湿地，使出水COD 浓度降低 30% ，同时为鸟类提供栖息地，提升节点生态价值。

3.2 水力流程协同

（1）源头控制

在建筑小区与道路系统推广屋顶绿化、下沉式绿地及雨水花园，通过植被截留与土壤渗透削减径流总量。例如，透水铺装可使地表径流减少 50%-70% ，显著降低管网输入负荷。结合初期雨水弃流装置，将高污染径流导入调蓄池，避免对水渠生态系统的冲击，实现源头减量与污染控制。

（2）过程调节

在水渠中分段设置跌水堰、生态浮岛及砾石床，通过增加水流阻力延长水力停留时间。跌水堰提升水体溶氧量，促进好氧微生物降解有机物；生态浮岛根系吸附氮磷，抑制藻类繁殖；砾石床过滤悬浮物，降低出水浊度。某工程实践表明，该组合工艺可使水渠 BOD₅ 去除率提升 40% ，透明度增加 0.6 米，显著改善水体自净能力。

（3）末端利用

将污水处理厂尾水与雨水调蓄池出水经人工湿地深度处理后，通过管道回补至水渠生态基流区。结合水位监测系统，动态调控补水量以维持最小生态需水。例如，在干旱季节利用再生水补给，保障水生植物存活；汛期则通过闸门联排联调，避免内涝风险。此模式实现了水资源的循环利用与生态系统的稳定运行。

3.3 智能系统协同

（1）数据共享

构建水渠-管网联合数据库，集成水文站、水质监测站及管网压力传感器的实时数据。通过物联网技术实现设备互联，例如在水渠关键断面部署多参数水质仪，在管网节点安装流量计与液位计。数据平台支持多部门共享，为规划、建设与运维提供统一决策依据，打破信息孤岛，提升管理效率。

（2）模型耦合

将 SWMM 模型与 QUAL2K 水质模型深度耦合，模拟暴雨事件下管网排水与水渠水质的动态响应。通过输入土地利用、管网拓扑及生态参数，优化调蓄池容积与生态设施布局。例如，某项目利用耦合模型预测发现，在管网末端增设 1000m³ 调蓄池可使水渠氨氮峰值浓度降低 25% ，为设计方案提供科学支撑。

（3）智能调控

基于 AI 算法开发动态控制系统，实时分析水文、水质及气象数据，自动调整管网阀门开度与水渠补水流量。例如，在暴雨预警时提前腾空调蓄池，通过闸门控制降低水渠水位；干旱期则根据生态需水计算结果，精准启动再生水补给。系统具备自学习功能，可随运行数据积累持续优化调控策略，提升系统韧性。

结语

城市水渠生态修复与市政管网协同设计是破解城市水系统失衡问题的关键创新，通过生态与工程的深度融合，不仅重塑了水渠的生物多样性与自净能力，更提升了管网系统的排水效率与资源化水平。实践证明，这种协同模式能有效降低内涝风险、改善水体质量，同时创造亲水公共空间，实现生态、工程与社会效益的统一。未来，随着数字化技术（如 BIM+GIS）的深度应用与公众参与机制的完善，协同设计将向更精细化、智慧化方向演进，为全球城市水治理提供可复制的"中国方案"，推动人居环境与自然生态的和谐共生。

参考文献

[1]王建国，李明.城市水系统韧性提升策略研究——基于海绵城市与市政管网协同视角[J].给水排水，2022，48(8):12-18.

[2]张伟，陈静.生态修复技术在城市黑臭水体治理中的应用与挑战[J].环境工程学报，2021，15(5):1567-1575.