1古城水系概况及功能定位
1.1古城水系概况
研究对象：荆州古城水系，包括环绕古城的护城河，古城内北湖、西湖、洗马池及水塘等自然和人工水系。历史上，古城水系之间及与周边水系均相互连通，最终汇入长江，但随着周边建筑的侵占，大部分连通渠已消失，目前古城内水系仅有二处与护城河连通，分别位于北湖及西湖。护城河是环绕古城的无源头河流，内周长约12.2km左右，护城河宽10～50m，局部达到100m，深3～4m。其来水主要是荆州古城内和城南片区雨水以及西南部港南渠、东北部柳门泵站的间断补水；出水通道主要是东南部荆沙河节制闸，也可通过东北部荆州泵站及柳门泵站提升排出。
1.2功能定位
功能定位：不仅要把护城河及相关水体建设成为荆州古城的生态风光带和黄金旅游带，更要将其建设成为古城历史的展示带，以体现独特的古城魅力，营造其“水城”氛围。研究目标：为提高环境及生态品质，打造一个形态多样、水质清洁、风景优美、与古城历史文化内涵相协调，适宜观光及安居休闲的生态水系；水域功能为Ⅲ类。技术路线：将水污染控制、水生态能力的恢复作为工程重点，在系统模型及总量目标的定量分析基础上，将污水管网建设、清淤、生态环境构建等工程内容联系起来成为整体，建立完整的水环境整治体系。最终达到水与城、城与人、人与水、水与自然的和谐相处。
2古城水环境的现状与评估
水体现状评估包含水量、水质及水系形态这三方面。
2.1水量分析及评估
古城水系是相对封闭的系统，河湖自然补水来源于降水，其自然换水周期长，湖水长时间得不到更新，加上新的污染源不断摄入，常有藻类聚集生长的问题发生。在水量分析环节引入生态需水流量概念为补水工程的实施提供理论及数据支撑（下文将提及），生态需水流量指为维持湖泊生态和环境功能所需要的最小水流量，经计算（来自郭武等提出的换水周期法），古城水系最小生态需水流量为0.65m3/s。
2.2水质分析及评估
荆州市环境监测中心于2013年3月6日～2013年11月7日期间，对护城河九龙渊断面进行了5次采样监测，对北湖、西湖、洗马池湖心进行了1次采样监测。护城河九龙渊段面水质受时间影响波动大，这可能受上游来水及护城河换水、降雨等因素影响，总体来说其水质为Ⅴ类，主要超标污染物为COD、BOD5、氨氮、总氮及总磷；北湖、西湖及洗马池水质情况基本相同，为Ⅴ类，主要超标污染物为BOD5、总氮及总磷。
2.3水系形态分析及评估
河流形态作为评估河流生态系统健康的重要因子，是生物多样性及生态健康的基础，研究河流形态（包含地形、地貌、断面形状、护岸等因子）对于水生生态及水生生物有重要意义。护城河历年来实施过多次河道整治工程，均是基于防洪排涝因素进行的水利工程，现其河流形态总体上呈顺直型，护岸全面进行了混凝土衬砌，形成硬质河岸，河道构造及结构单一，生物多样性程度低，河流生态系统的自净能力已完全丧失，护城河及古城内湖泊水体受各种胁迫严重。
2.4污染源解析
荆州古城经过一系列的水利建设，防洪体系日益完善，但水体面积缩小、水污染严重、水生态退化等问题日益突出，已成为制约古城经济、旅游发展的瓶颈，其“水城”特色面临消亡危机。关于古城水系污染源的解析，主要从点源、面源、内源及水量四个方面进行。点源污染：荆州古城内已建有合流制截污干管，古城内污水得到有效的收集处理。但城外城南、城西部分污水未经处理直接排入护城河，是护城河水质差的主要原因；同时，古城内雨天溢流中携带了一定量的污染物，也是护城河及古城内湖泊水体水质差的原因之一。面源污染：主要是古城外分流制区域雨水地表径流污染。此外，护城河两岸及古城内局部区域仍然可见裸露的生活垃圾堆，产生的垃圾渗沥液属高浓度废水，雨期随地表径流汇入古城水系，加重了水体污染程度。内源污染：护城河除老北门至关公文化园段底泥污染程度较小外，其余河段底泥厚度较深，局部河段底泥已裸露于水面以上，形成沿河堤较厚、河床相对较薄的楔形堆积；城内各水体单元中底泥厚度不一，以西湖淤积最为严重。水量问题：水面面积减少，水量得不到保证，已无水环境容量。
3水质水量目标
3.1水质的控制目标
《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水域功能。
3.2水量的控制目标
古城水系最小生态需水流量为0.65m3/s。
4古城水环境治理对策
河湖污染的形成和加剧系由多种因素造成，需采取水环境综合治理措施，同时辅以必要的管理措施，利用城市LID低影响开发技术等来实现水体的功能性要求。以护城河及其内部湖泊水质保持Ⅲ类水体为目标，考虑荆州古城发展状况，从点源、面源、内源及河湖生态构建四大方面着手，使古城水环境自然化、生态化、人文化、景观化。各子项的规模、削减的污染物量及实施后能达到的效果均通过水利水质模型来模拟分析、评定，以确保投资带来高收益。
4.1点源污染控制工程
实施点源污染控制工程的根本是建设截污管网系统。由于古城内已实施了截污干管工程，护城河的现状点源污染主要为古城外城南区居民生活污水的排入和古城内雨季溢流部分污水带来的污染负荷。该工程包括护城河外截污干管工程和古城内合流管道补充完善工程。关于古城内合流管道改造工程，我们用数学模型分析了采用分流制排水体制及合流制排水体制对护城河等水体的各自污染贡献度，同时针对古城内现状合流管道的实情，列举了两种方案的优缺点，最终确定不对古城内排水系统做大调整，通过完善古城内排水管道，对截流倍数小于3、重现期小于2的管道进行改造来减小溢流入河的污染物，同时再经过护城河点状人工湿地、河湖生态系统治理及相应的管理措施后，来实现水体功能。
4.2面源污染控制工程
雨水调蓄池：由于雨水径流主要来自城南，故在南护城河外侧新建6座雨水调蓄池对雨水进行分洪调蓄，并起到降解污染物的作用，调蓄池采用生态工法设计，同时为兼顾景观功能，与护城河生态护岸结合布置。LID系统的建立：本工程拟建立的LID系统主要是管理措施，如加强雨季前管道清淤及机械冲刷、控制流域范围内的径流系数、改造渗水路面、生态停车场等。沿岸陈旧垃圾堆清理：对古城水系沿岸及古城范围内裸露的陈旧垃圾进行清理，运输至附近的垃圾填埋场进行卫生填埋，并对垃圾堆体底部污染土壤开挖回填。
4.3内源污染控制工程
底泥疏浚工程应先行，此项工程的实施能促使水系通畅、水质改善。首先应通过明确疏浚范围及疏浚厚度来确定疏浚底泥量，而疏浚厚度需根据底泥监测报告及水下地形图来确定，总疏浚量为14.7万m3。疏挖方式：护城河及北湖采用机械疏浚方式，西湖采用机械及人工方式清淤，也可采用多种设备的疏挖方式，比如车载式与船载式双举清淤设备，除经济技术可行外，还能够将挖掘、输送、排出、处理等疏浚工序连续作业完成。疏浚时必须严格控制疏浚厚度，并监测对护岸及周边建(构)筑物的安全影响。底泥处理：护城河底泥经过排泥管道输送至就近水塘暂时堆放，北湖及西湖底泥采用机械运输的方式送至护城河周边水塘，由于底泥含水率高，需采用机械脱水及自然干化的方式对底泥进行脱水。脱水后的污泥经检测各污染物达标后，一部分作为生态驳岸绿化建设用土，一部分用作荆州园林绿化用肥。底泥的处置需做好土方平衡，并征求当地主管部门对弃土场布置的意见。余水处置：是环境疏浚的又一个环节，余水是否需要处理及如何处理，取决于余水中污染物的组分及含量、接纳余水水体的性质等。采用以自然沉淀，经沉淀后的余水由泄水口集中排入护城河中，泄水口布置在尽量远离排泥管出口的位置，并在泄水口处设置格栅，阻止污染物在受纳水体中扩散。
4.4河湖生态构建
经计算，点源、面源及内源污染控制措施实施后，对污染物总量有较大的控制。经水质模型及污染源削减量分析，即使污染控制工程实施后，由于不断有新的污染源（城内雨天溢流、城外径流）进入古城水系，水系流动性差，水体封闭，导致达不到Ⅲ类水体目标，古城水系将通过河湖动力系统及人工湿地处理的构建来强化自净能力，恢复持续、健康的水生态系统，消除持续增加的污染物的同时，使水体中既有污染物质逐步减量化，达到目标水质要求。
4.4.1设置动力系统
水体自净能力跟水的流动性密切相关———所谓“流水不腐”就是这个道理，动力系统是必须的。此子项含以下三部分内容：
（1）水系连通：
利用护城河与北湖、西湖现有2处连通渠，将护城河与古城内水系连通，同时新建渠道（类同氧化沟）将古城内北湖、西湖及洗马池连通。
（2）水体流动
推流器通过叶片的转动，加强水体横向、纵向流动，破坏静止水体较为严重的分层现象，增强水体流动性及富氧能力，加快污染物质的降解速度，是处理水质的手段之一。在护城河设置潜水推流器若干组，其主体部分位于岸边，水下部分装置结合桥梁及亲水景观平台布置。在护城河与城墙间（西湖处）新增一座提升泵站，将护城河水通过现有连通渠引入古城内水体，利用水位差自然流动经过古城内人工湿地系统，并通过另一渠道回流护城河。提升泵站规模根据人工湿地处理规模确定。
（3）提升泵站
河道、氧化沟内推流器、喷泉可以尽量采用太阳能系统供电，或者采用光电互补系统。
4.4.2人工湿地工程
（1）护城河人工湿地
结合生态驳岸整治，在护城河局部区域设置带状人工湿地，其主要功能是截污，滞留雨水、减小面源污染，对护城河水体起一定净化功能，形成河流系统生态多样性环境，同时提升古城景观层次。
（2）湖塘人工湿地
将古城内北湖、西湖及洗马池整合，构建完整人工湿地生态系统，强化古城水系生态功能，水系连通渠及动力系统的构建为人工湿地的运行提供了保障。采用生态贮存塘———表面流人工湿地———潜流人工湿地———挺水植物型自然湿地———水生生物塘的5个处理工艺组合，使古城水系的水环境容量得到提升。
4.4.3生态补水工程
在水生态环境的构建中，水量同水质一样重要，适当的补水是缓解污染、稀释污染物质、维持生态系统稳定的必要措施之一，补水量的多少与降雨量密切相关，经过水量分析与评价，古城水系最小生态需水流量为0.65m3/s，结合自然补水量，7月补水量最小，12月补水量最大。补水水源来自港南渠，在进入护城河处（西南角）设置带状人工湿地对补水水源进行净化，使进入护城河的原水水质达到Ⅲ类水体要求，港南渠补水能力为2m3/s，通过荆沙河节制闸引水。通过数学模型分析，来进一步判断补水属连续补水还是间歇补水，作为水系环境治理的一个子项来全面考虑。
4.5工程目标可达性分析
通过建立古城水系水力水质模型对河湖生态系统工程的各子项建设规模及目标可达性提供详细的数据支撑，用数学模型验算为达到污染物目标削减量的最优子项规模组合方案。同时，由于水环境治理的复杂性与多变性，拟建立一套数学模型对建成后的整个水系统运行进行实时监测，以掌握系统的运行状况，达到真正意义上的改善水质，提升水环境面貌，营造荆州历史名城的形象。
5小结
荆州古城水环境治理是一项综合整治工程，它把截污、治污工程与河湖生态构建、生态补水系统有机结合在一起，项目的实施能大大改善荆州古城水系的水质和水环境，亦使荆州的城市环境得以改善，展现古城的悠久历史风貌。
作者：景袁媛 马念 陈杰 单位：林同棪国际工程咨询有限公司