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1.1古城水系概況
研究對象：荊州古城水系，包括環繞古城的護城河，古城內北湖、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，目前古城內水系僅有二處與護城河連通，分別位于北湖及西湖。護城河是環繞古城的無源頭河流，內周長約12.2km左右，護城河寬10～50m，局部達到100m，深3～4m。其來水主要是荊州古城內和城南片區雨水以及西南部港南渠、東北部柳門泵站的間斷補水；出水通道主要是東南部荊沙河節制閘，也可通過東北部荊州泵站及柳門泵站提升排出。
1.2功能定位
功能定位：不僅要把護城河及相關水體建設成為荊州古城的生態風光帶和黃金旅游帶，更要將其建設成為古城歷史的展示帶，以體現獨特的古城魅力，營造其“水城”氛圍。研究目標：為提高環境及生態品質，打造一個形態多樣、水質清潔、風景優美、與古城歷史文化內涵相協調，適宜觀光及安居休閑的生態水系；水域功能為Ⅲ類。技術路線：將水污染控制、水生態能力的恢復作為工程重點，在系統模型及總量目標的定量分析基礎上，將污水管網建設、清淤、生態環境構建等工程內容聯系起來成為整體，建立完整的水環境整治體系。最終達到水與城、城與人、人與水、水與自然的和諧相處。
2古城水環境的現狀與評估
水體現狀評估包含水量、水質及水系形態這三方面。
2.1水量分析及評估
古城水系是相對封閉的系統，河湖自然補水來源于降水，其自然換水周期長，湖水長時間得不到更新，加上新的污染源不斷攝入，常有藻類聚集生長的問題發生。在水量分析環節引入生態需水流量概念為補水工程的實施提供理論及數據支撐（下文將提及），生態需水流量指為維持湖泊生態和環境功能所需要的最小水流量，經計算（來自郭武等提出的換水周期法），古城水系最小生態需水流量為0.65m3/s。
2.2水質分析及評估
荊州市環境監測中心于2013年3月6日～2013年11月7日期間，對護城河九龍淵斷面進行了5次采樣監測，對北湖、西湖、洗馬池湖心進行了1次采樣監測。護城河九龍淵段面水質受時間影響波動大，這可能受上游來水及護城河換水、降雨等因素影響，總體來說其水質為Ⅴ類，主要超標污染物為COD、BOD5、氨氮、總氮及總磷；北湖、西湖及洗馬池水質情況基本相同，為Ⅴ類，主要超標污染物為BOD5、總氮及總磷。
2.3水系形態分析及評估
河流形態作為評估河流生態系統健康的重要因子，是生物多樣性及生態健康的基礎，研究河流形態（包含地形、地貌、斷面形狀、護岸等因子）對于水生生態及水生生物有重要意義。護城河歷年來實施過多次河道整治工程，均是基于防洪排澇因素進行的水利工程，現其河流形態總體上呈順直型，護岸全面進行了混凝土襯砌，形成硬質河岸，河道構造及結構單一，生物多樣性程度低，河流生態系統的自凈能力已完全喪失，護城河及古城內湖泊水體受各種脅迫嚴重。
2.4污染源解析
荊州古城經過一系列的水利建設，防洪體系日益完善，但水體面積縮小、水污染嚴重、水生態退化等問題日益突出，已成為制約古城經濟、旅游發展的瓶頸，其“水城”特色面臨消亡危機。關于古城水系污染源的解析，主要從點源、面源、內源及水量四個方面進行。點源污染：荊州古城內已建有合流制截污干管，古城內污水得到有效的收集處理。但城外城南、城西部分污水未經處理直接排入護城河，是護城河水質差的主要原因；同時，古城內雨天溢流中攜帶了一定量的污染物，也是護城河及古城內湖泊水體水質差的原因之一。面源污染：主要是古城外分流制區域雨水地表徑流污染。此外，護城河兩岸及古城內局部區域仍然可見裸露的生活垃圾堆，產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。內源污染：護城河除老北門至關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、河床相對較薄的楔形堆積；城內各水體單元中底泥厚度不一，以西湖淤積最為嚴重。水量問題：水面面積減少，水量得不到保證，已無水環境容量。
3水質水量目標
3.1水質的控制目標
《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）Ⅲ類水域功能。
3.2水量的控制目標
古城水系最小生態需水流量為0.65m3/s。
4古城水環境治理對策
河湖污染的形成和加劇系由多種因素造成，需采取水環境綜合治理措施，同時輔以必要的管理措施，利用城市LID低影響開發技術等來實現水體的功能性要求。以護城河及其內部湖泊水質保持Ⅲ類水體為目標，考慮荊州古城發展狀況，從點源、面源、內源及河湖生態構建四大方面著手，使古城水環境自然化、生態化、人文化、景觀化。各子項的規模、削減的污染物量及實施后能達到的效果均通過水利水質模型來模擬分析、評定，以確保投資帶來高收益。
4.1點源污染控制工程
實施點源污染控制工程的根本是建設截污管網系統。由于古城內已實施了截污干管工程，護城河的現狀點源污染主要為古城外城南區居民生活污水的排入和古城內雨季溢流部分污水帶來的污染負荷。該工程包括護城河外截污干管工程和古城內合流管道補充完善工程。關于古城內合流管道改造工程，我們用數學模型分析了采用分流制排水體制及合流制排水體制對護城河等水體的各自污染貢獻度，同時針對古城內現狀合流管道的實情，列舉了兩種方案的優缺點，最終確定不對古城內排水系統做大調整，通過完善古城內排水管道，對截流倍數小于3、重現期小于2的管道進行改造來減小溢流入河的污染物，同時再經過護城河點狀人工濕地、河湖生態系統治理及相應的管理措施后，來實現水體功能。
4.2面源污染控制工程
雨水調蓄池：由于雨水徑流主要來自城南，故在南護城河外側新建6座雨水調蓄池對雨水進行分洪調蓄，并起到降解污染物的作用，調蓄池采用生態工法設計，同時為兼顧景觀功能，與護城河生態護岸結合布置。LID系統的建立：本工程擬建立的LID系統主要是管理措施，如加強雨季前管道清淤及機械沖刷、控制流域范圍內的徑流系數、改造滲水路面、生態停車場等。沿岸陳舊垃圾堆清理：對古城水系沿岸及古城范圍內裸露的陳舊垃圾進行清理，運輸至附近的垃圾填埋場進行衛生填埋，并對垃圾堆體底部污染土壤開挖回填。
4.3內源污染控制工程
底泥疏浚工程應先行，此項工程的實施能促使水系通暢、水質改善。首先應通過明確疏浚范圍及疏浚厚度來確定疏浚底泥量，而疏浚厚度需根據底泥監測報告及水下地形圖來確定，總疏浚量為14.7萬m3。疏挖方式：護城河及北湖采用機械疏浚方式，西湖采用機械及人工方式清淤，也可采用多種設備的疏挖方式，比如車載式與船載式雙舉清淤設備，除經濟技術可行外，還能夠將挖掘、輸送、排出、處理等疏浚工序連續作業完成。疏浚時必須嚴格控制疏浚厚度，并監測對護岸及周邊建(構)筑物的安全影響。底泥處理：護城河底泥經過排泥管道輸送至就近水塘暫時堆放，北湖及西湖底泥采用機械運輸的方式送至護城河周邊水塘，由于底泥含水率高，需采用機械脫水及自然干化的方式對底泥進行脫水。脫水后的污泥經檢測各污染物達標后，一部分作為生態駁岸綠化建設用土，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，并征求當地主管部門對棄土場布置的意見。余水處置：是環境疏浚的又一個環節，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等。采用以自然沉淀，經沉淀后的余水由泄水口集中排入護城河中，泄水口布置在盡量遠離排泥管出口的位置，并在泄水口處設置格柵，阻止污染物在受納水體中擴散。
4.4河湖生態構建
經計算，點源、面源及內源污染控制措施實施后，對污染物總量有較大的控制。經水質模型及污染源削減量分析，即使污染控制工程實施后，由于不斷有新的污染源（城內雨天溢流、城外徑流）進入古城水系，水系流動性差，水體封閉，導致達不到Ⅲ類水體目標，古城水系將通過河湖動力系統及人工濕地處理的構建來強化自凈能力，恢復持續、健康的水生態系統，消除持續增加的污染物的同時，使水體中既有污染物質逐步減量化，達到目標水質要求。
4.4.1設置動力系統
水體自凈能力跟水的流動性密切相關———所謂“流水不腐”就是這個道理，動力系統是必須的。此子項含以下三部分內容：
（1）水系連通：
利用護城河與北湖、西湖現有2處連通渠，將護城河與古城內水系連通，同時新建渠道（類同氧化溝）將古城內北湖、西湖及洗馬池連通。
（2）水體流動
推流器通過葉片的轉動，加強水體橫向、縱向流動，破壞靜止水體較為嚴重的分層現象，增強水體流動性及富氧能力，加快污染物質的降解速度，是處理水質的手段之一。在護城河設置潛水推流器若干組，其主體部分位于岸邊，水下部分裝置結合橋梁及親水景觀平臺布置。在護城河與城墻間（西湖處）新增一座提升泵站，將護城河水通過現有連通渠引入古城內水體，利用水位差自然流動經過古城內人工濕地系統，并通過另一渠道回流護城河。提升泵站規模根據人工濕地處理規模確定。
（3）提升泵站
河道、氧化溝內推流器、噴泉可以盡量采用太陽能系統供電，或者采用光電互補系統。
4.4.2人工濕地工程
（1）護城河人工濕地
結合生態駁岸整治，在護城河局部區域設置帶狀人工濕地，其主要功能是截污，滯留雨水、減小面源污染，對護城河水體起一定凈化功能，形成河流系統生態多樣性環境，同時提升古城景觀層次。
（2）湖塘人工濕地
將古城內北湖、西湖及洗馬池整合，構建完整人工濕地生態系統，強化古城水系生態功能，水系連通渠及動力系統的構建為人工濕地的運行提供了保障。采用生態貯存塘———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個處理工藝組合，使古城水系的水環境容量得到提升。
4.4.3生態補水工程
在水生態環境的構建中，水量同水質一樣重要，適當的補水是緩解污染、稀釋污染物質、維持生態系統穩定的必要措施之一，補水量的多少與降雨量密切相關，經過水量分析與評價，古城水系最小生態需水流量為0.65m3/s，結合自然補水量，7月補水量最小，12月補水量最大。補水水源來自港南渠，在進入護城河處（西南角）設置帶狀人工濕地對補水水源進行凈化，使進入護城河的原水水質達到Ⅲ類水體要求，港南渠補水能力為2m3/s，通過荊沙河節制閘引水。通過數學模型分析，來進一步判斷補水屬連續補水還是間歇補水，作為水系環境治理的一個子項來全面考慮。
4.5工程目標可達性分析
通過建立古城水系水力水質模型對河湖生態系統工程的各子項建設規模及目標可達性提供詳細的數據支撐，用數學模型驗算為達到污染物目標削減量的最優子項規模組合方案。同時，由于水環境治理的復雜性與多變性，擬建立一套數學模型對建成后的整個水系統運行進行實時監測，以掌握系統的運行狀況，達到真正意義上的改善水質，提升水環境面貌，營造荊州歷史名城的形象。
5小結
荊州古城水環境治理是一項綜合整治工程，它把截污、治污工程與河湖生態構建、生態補水系統有機結合在一起，項目的實施能大大改善荊州古城水系的水質和水環境，亦使荊州的城市環境得以改善，展現古城的悠久歷史風貌。
作者：景袁媛 馬念 陳杰 單位：林同棪國際工程咨詢有限公司