系統(tǒng)性思維在江夏區(qū)清水入江項目中的應(yīng)用

陳燕波，李 璐，吳學(xué)深，李雙菊，楊 墨,2

(1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

我國城市目前面臨的水系統(tǒng)問題，如水污染治理、黑臭治理、水環(huán)境治理和排水防澇，相互交織，非常復(fù)雜，必須采用基于全流域治理和廠網(wǎng)河湖岸一體化建管模式的系統(tǒng)性思維，才能得到有效解決。鎮(zhèn)江市玉帶河黑臭水體治理采用基于全流域治理理念的系統(tǒng)思路和方案，實現(xiàn)黑臭水體的消除、水環(huán)境改善、水安全保障、水生態(tài)修復(fù)、水文化和水景觀的提升[1]；鎮(zhèn)江海綿城市建設(shè)也較好地應(yīng)用了系統(tǒng)性的設(shè)計方法和思路，提出了技術(shù)經(jīng)濟可行、可落地實施的工程組合[2-3]；也有學(xué)者利用系統(tǒng)工程思維編制流域綜合治理規(guī)劃方案，提出專業(yè)優(yōu)化融合的工程方案，制定全生命周期的最優(yōu)方案[4]。以江夏區(qū)清水入江項目為例，本文介紹了系統(tǒng)性思維在水系統(tǒng)工程中的具體應(yīng)用。

1 現(xiàn)狀及問題的系統(tǒng)性分析

1.1 水系統(tǒng)現(xiàn)狀

江夏區(qū)位于武漢市南部，是全國百強縣市，下轄9個街道和2個鎮(zhèn)，總面積為2 009 km2，常住人口約為83.4萬人。主要建成區(qū)位于北部的紙坊老城區(qū)和經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，南部建成區(qū)面積較小且較為分散。

江夏區(qū)水系豐富，河流有金水河、紙坊港，西北邊界有長江流過；境內(nèi)分布大小湖泊136個，其中大型湖泊包括梁子湖、湯遜湖、魯湖等，境內(nèi)還有眾多水庫以及大量的池塘和生態(tài)濕地。隨著城市快速發(fā)展及人口急劇增加，城市排水系統(tǒng)、水環(huán)境面臨巨大壓力，水體水質(zhì)達(dá)標(biāo)率不足50%。

通過踏勘調(diào)研、普查摸排、分析化驗、資料梳理、數(shù)字模擬等方式，對雨水及污水管渠、排水泵站、污水處理廠建設(shè)及運行情況、河流湖泊等水體污染情況、城區(qū)歷史漬水情況等進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。選取鴻業(yè)SWMM及MIKE兩種軟件，在同樣邊界條件下對排水系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并對計算結(jié)果進(jìn)行擬合分析。通過構(gòu)建現(xiàn)狀排水管網(wǎng)及防洪排澇工程物理管道模型，耦合降雨模型、下墊面模型、地表產(chǎn)匯流模型、水動力模型，進(jìn)行多情景下降雨模型分析，同時將數(shù)學(xué)模型以及歷史數(shù)據(jù)相互率定擬合，得到各情景下較為可靠的排水內(nèi)澇過程。

1.2 存在的問題

1.2.1 污水收集管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題

(1)管網(wǎng)建設(shè)密度不足

除老城區(qū)、開發(fā)區(qū)及新區(qū)有一定的污水收集管網(wǎng)以外，其他區(qū)域嚴(yán)重不足，污水管網(wǎng)覆蓋率低于70%。

(2)管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低

管道破損、堵塞、滲水嚴(yán)重；大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水管網(wǎng)是以蓋板溝為主的散排方式，建設(shè)滯后于城市發(fā)展，隨意性較大。

(3)排水體制混亂，管網(wǎng)效能低下

老城區(qū)排水體制為合流制，污水收集主干管網(wǎng)利用城區(qū)的大型排水暗渠；新建城區(qū)雖采用雨污分流制，但雨污混錯接現(xiàn)象嚴(yán)重，形成了事實上的合流制，混錯接超過600處。

(4)排水管網(wǎng)高水位運行

城區(qū)排水干管系統(tǒng)持續(xù)處于高水位運行，旱季時管渠內(nèi)水流速度慢，大量污染物沉積在管道內(nèi)部，雨季時隨暴雨排入水體，造成水體反復(fù)黑臭。

總體來說，污水收集管網(wǎng)系統(tǒng)不完善，存在嚴(yán)重缺陷和不足，無法實現(xiàn)污水管網(wǎng)全覆蓋和污水全收集，造成部分污水無法收集進(jìn)入污水處理廠，直接排放水體；污水入管總水量增加，污水處理廠進(jìn)水濃度低；雨季溢流污染嚴(yán)重，對下游排放水體造成污染。

1.2.2 污水處理能力方面存在的問題

江夏區(qū)現(xiàn)有污水廠6座：紙坊、金口、五里界、法泗、湖泗及土地堂。現(xiàn)有污水處理能力約7萬m3/d，現(xiàn)狀污水量約10萬m3/d，預(yù)測污水量約15萬m3/d，污水處理廠處理能力不足，無法實現(xiàn)收集污水全處理，造成部分進(jìn)廠污水溢流排放，進(jìn)一步加劇了水體污染。

1.2.3 排水防澇系統(tǒng)存在的問題

城市排水防澇系統(tǒng)能力不足，雨季城區(qū)漬水現(xiàn)象頻發(fā)。

(1)外圍山體雨水進(jìn)入城區(qū)，增加城區(qū)排水系統(tǒng)負(fù)荷

紙坊城區(qū)三面環(huán)山，一面臨湖，地勢南高北低。雨季三面山體洪水迅速匯到城區(qū)，通過城區(qū)雨水管渠收集后，經(jīng)自然港形成的暗渠排入湖泊。周邊三面山體雨水快速匯入城區(qū)排水系統(tǒng)，加大了現(xiàn)有排水系統(tǒng)的排水負(fù)荷，造成城區(qū)大面積漬水。

(2)湖泊高水位頂托

超標(biāo)暴雨時湖泊水位超過最高控制水位，對城區(qū)排水造成頂托，造成上游地區(qū)漬水。

(3)排水管網(wǎng)及內(nèi)澇設(shè)施建設(shè)滯后

排水防澇設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低(大部分雨水管道重現(xiàn)期不足1年)，設(shè)計斷面小，設(shè)施老化，超期限使用；作為城區(qū)排澇主通道的港渠局部斷面狹窄，淤積嚴(yán)重。

(4)局部地點豎向高程控制不合理

老城區(qū)局部地段建設(shè)較早，道路坡度較小或坡向不合理，道路標(biāo)高控制不合理，造成低洼點在降雨時成為漬水點。

(5)排水設(shè)施維護管理缺位

排水設(shè)施管理存在缺陷，清淤周期過長，排水管渠和配套收集系統(tǒng)淤堵嚴(yán)重。道路清掃垃圾進(jìn)入排水系統(tǒng)或污水沉積污泥不能及時疏撈，導(dǎo)致雨水口和排水管堵塞，降低排水設(shè)施排水能力。

1.2.4 水體污染問題

水體黑臭污染嚴(yán)重，水環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，江夏區(qū)北部區(qū)域的11個湖泊中只有5個湖泊水質(zhì)達(dá)到規(guī)劃的Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其他均為劣Ⅴ類水體。

以上問題總結(jié)歸納如圖1所示。

因此，污水管網(wǎng)系統(tǒng)、污水處理廠、排水防澇系統(tǒng)的問題都可能導(dǎo)致城市水體污染，需要采取系統(tǒng)性的治理措施。

圖1 江夏區(qū)排水系統(tǒng)存在的問題Fig.1 Existing Problems of Drainage System in Jiangxia District

2 治水原則的系統(tǒng)性理念

治水原則的系統(tǒng)性理念包含全流域治理理念、水循環(huán)全環(huán)節(jié)管控理念、水岸同治理念及人水和諧理念等，其核心歸納總結(jié)如圖2所示。

圖2 治水原則的系統(tǒng)性理念Fig.2 Systematic Concept of Water Control Principle

清水入江項目以治水原則的系統(tǒng)性理念為最高指導(dǎo)原則，將排水防澇、黑臭治理、水環(huán)境綜合治理和水污染治理等工程全部納入系統(tǒng)性理念的框架內(nèi)。

3 建設(shè)內(nèi)容的系統(tǒng)性策劃

為系統(tǒng)性解決江夏區(qū)水系統(tǒng)存在的水污染問題、排水防澇問題、水體黑臭問題，保護區(qū)域內(nèi)湖泊及河流港渠水質(zhì)，實現(xiàn)水清岸綠，環(huán)境優(yōu)美的目標(biāo)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，江夏區(qū)決定基于系統(tǒng)性思維和廠網(wǎng)河湖岸一體化建管模式實施清水入江項目。

3.1 建設(shè)內(nèi)容

建設(shè)內(nèi)容包括污水收集及處理工程、雨水防洪排澇工程、給水工程、湖泊生態(tài)治理工程、水資源管理工程等5大類。

3.2 建設(shè)子項

涵蓋了污水收集管網(wǎng)新建工程、污水管網(wǎng)提質(zhì)增效工程、污水處理廠建設(shè)工程、初雨及溢流污水調(diào)蓄及處理工程、再生水回用工程、雨水管網(wǎng)等小排水系統(tǒng)新建和漬水點改造工程、山洪外排通道和排水主通道等大排水系統(tǒng)建設(shè)工程、海綿化改造工程、河道及湖泊水環(huán)境綜合治理工程、人工濕地工程、智慧水務(wù)建設(shè)工程等35個子項。

3.3 項目總投資

估算總投資額約為51.1億元，其中污水收集及處理工程為35.7億元，雨水防洪排澇工程為3.6億元，給水工程為1.4億元，湖泊生態(tài)治理工程為8.8億元，水資源管理工程為1.6億元。

4 建設(shè)方案的系統(tǒng)性制定

清水入江項目采用“整體策劃、分期建設(shè)”模式，通過化整為零降低項目難度，同時保證子系統(tǒng)的完整性，擬分五期建設(shè)。一期工程以污水處理系統(tǒng)建設(shè)為主，二期工程以防洪排澇系統(tǒng)建設(shè)為主，三期工程以水環(huán)境綜合治理為主，后續(xù)工程著重在綠色化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[5]和精細(xì)化管理方面。

4.1 污水處理系統(tǒng)方案

4.1.1 方案概況

根據(jù)規(guī)劃及地形地勢特點，將污水系統(tǒng)分為南北兩大系統(tǒng)，采用集中與分散相結(jié)合的布置形式，全區(qū)共規(guī)劃布置8座污水處理廠。江夏區(qū)污水處理系統(tǒng)建設(shè)方案如圖3所示。

圖3 江夏區(qū)污水處理系統(tǒng)建設(shè)方案Fig.3 Construction Scheme of Sewage Treatment System in Jiangxia District

4.1.2 建設(shè)目標(biāo)

完善城市污水收集處理系統(tǒng)，大幅提升污水處理廠處理能力，著重解決污水處理能力不足的問題，實現(xiàn)區(qū)域污水全收集、全處理的目標(biāo)。

4.1.3 建設(shè)內(nèi)容

污水處理系統(tǒng)建設(shè)以污水輸送、處理及尾水排放工程為主，主要包含以下幾個部分。

(1)江夏污水處理廠工程：一期建設(shè)規(guī)模為15萬m3/d，遠(yuǎn)期總規(guī)模為45萬m3/d。

(2)紙坊泵站至江夏污水處理廠污水轉(zhuǎn)輸工程：新建污水提升泵站1座，近期規(guī)模為10.5萬m3/d、遠(yuǎn)期規(guī)模為21萬m3/d；建設(shè)雙排DN1200污水壓力轉(zhuǎn)輸管線，單根長度約為8.8 km。

(3)江夏污水處理廠尾水排江工程：建設(shè)管徑DN1800的尾水排江管1根，全長為9.8 km，輸水規(guī)模為22.5萬m3/d。遠(yuǎn)期增加1根，總輸水規(guī)模達(dá)到45萬m3/d。

4.2 排水防澇系統(tǒng)方案

4.2.1 方案概況

結(jié)合城區(qū)的地形特點，采用系統(tǒng)性設(shè)計思路構(gòu)建大排水系統(tǒng)和小排水系統(tǒng)，并加強維護管理。山洪外引工程實施后，進(jìn)入紙坊城區(qū)的排水量可減少30%～40%。紙坊城區(qū)排水防澇系統(tǒng)建設(shè)方案如圖4所示。

圖4 紙坊城區(qū)排水防澇系統(tǒng)建設(shè)方案Fig.4 Construction Scheme of Drainage and Water Logging Control System in Zhifang Urban Area

4.2.2 建設(shè)目標(biāo)

徹底解決紙坊城區(qū)內(nèi)澇漬水頻發(fā)的問題。

4.2.3 建設(shè)內(nèi)容

排水防澇系統(tǒng)建設(shè)主要包含如下幾個部分。

(1)山洪外引工程：建設(shè)排水管涵總長約為10.0 km，斷面尺寸為B×H=1.2 m×0.8 m～6.0 m×3.0 m。

(2)大東港第二通道工程：建設(shè)大型管涵總長約為3.06 km，斷面尺寸為B×H=6.0×3.0 m，形成一條新的排水大通道；另外建設(shè)一批雨水管網(wǎng)，進(jìn)行漬水點改造，共消除漬水點19處。

(3)紙坊港清淤疏浚工程：清淤長度為2.58 km，清淤量約為6.4萬m3，生活、建筑垃圾清除量約為0.5萬m3。

4.3 水環(huán)境治理系統(tǒng)方案

4.3.1 方案概況

目前，江夏區(qū)污水管網(wǎng)覆蓋率和污水收集率均低于70%，外湯遜湖為劣Ⅴ類水體。根據(jù)住建部《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案(2019—2021年)》和武漢市相關(guān)要求，到2021年，區(qū)域內(nèi)污水管網(wǎng)覆蓋率需達(dá)到90%以上，污水收集率、處理率等指標(biāo)均需達(dá)到100%，湯遜湖湖泊水環(huán)境惡化趨勢得到控制，主要指標(biāo)接近Ⅳ類水質(zhì)。

為此，擬新建和改造污水收集管網(wǎng)，實現(xiàn)管網(wǎng)全覆蓋，消除管網(wǎng)空白區(qū)和污水直排口，進(jìn)一步提高污水收集率；新建初雨和溢流污水收集和調(diào)蓄設(shè)施；擴建江夏污水處理廠，進(jìn)一步提高污水處理能力的彈性和安全余量，從而應(yīng)對城市發(fā)展新需求和雨季超量污水處理要求；對城區(qū)河流、湖泊等進(jìn)行水環(huán)境綜合治理。

水環(huán)境治理系統(tǒng)建設(shè)方案如圖5所示。

圖5 水環(huán)境治理系統(tǒng)建設(shè)方案Fig.5 Construction Scheme of Water Environment Control System

4.3.2 建設(shè)目標(biāo)

著力補短板，實現(xiàn)管網(wǎng)提質(zhì)增效和污水高效處理，有效解決區(qū)域水環(huán)境問題，達(dá)到相應(yīng)水體功能目標(biāo)。

4.3.3 建設(shè)內(nèi)容

水環(huán)境綜合治理工程主要建設(shè)內(nèi)容如下。

(1)對現(xiàn)狀分流制區(qū)域的雨污管網(wǎng)進(jìn)行錯混接改造；對部分合流制區(qū)域進(jìn)行雨污分流改造；對破損管道進(jìn)行修復(fù)；清污分流，減少污水管網(wǎng)外水，提升入廠污水濃度；新建污水管網(wǎng)解決部分偏遠(yuǎn)片區(qū)的污水收集處理問題。

(2)建設(shè)江夏污水處理廠二期工程。

(3)建設(shè)溢流污水提升泵站、CSO調(diào)蓄池、人工濕地、環(huán)湖綠道、景觀橋梁、沿湖截污管道、退垸還湖等。

4.4 后續(xù)工程構(gòu)想

統(tǒng)籌山水林田湖，進(jìn)行全區(qū)域的海綿化改造，固本強基，充分發(fā)揮自然凈化作用，全面恢復(fù)區(qū)域內(nèi)水體的自然生態(tài)；進(jìn)行更精細(xì)的一體化水務(wù)控制管理；根據(jù)城市發(fā)展需要擴建污水處理廠及配套污水管網(wǎng)；建設(shè)區(qū)域內(nèi)集中式污泥處置中心，實現(xiàn)污泥處理提質(zhì)增效和資源化利用；擴大再生水資源化回用。最終實現(xiàn)水的良性循環(huán)，達(dá)到人水和諧的終極目標(biāo)。

5 建管一體化的系統(tǒng)性模式

5.1 建設(shè)方式

清水入江項目在全國首次嘗試由社會資本在一個縣級行政區(qū)域內(nèi)策劃并實施排水領(lǐng)域的系統(tǒng)性綜合解決方案，改變了傳統(tǒng)由政府通過分區(qū)域、分類別、分階段實施項目的單項建設(shè)模式。

本項目在投融資方面采用PPP建設(shè)模式，其中污水處理廠工程采用BOT模式建設(shè)；其他工程采用BLMT模式建設(shè)。

本項目在建設(shè)管理方面采用以設(shè)計為龍頭的EPC模式，確保系統(tǒng)性的設(shè)計理念得到充分實現(xiàn)。

5.2 運行管理方式

本項目采用建管一體化模式，由PPP投資方負(fù)責(zé)運行管理。這一模式符合住建部提倡的廠網(wǎng)一體化模式，是系統(tǒng)性思維在管理方式上的具體體現(xiàn)。

6 工程效益

清水入江項目一期和二期工程已基本建設(shè)完成，正在進(jìn)行三期工程的前期工作，受益總?cè)丝谶_(dá)到78.96萬人，具有顯著的工程效益。

(1)江夏污水處理廠一期工程投產(chǎn)后最大日處理量基本達(dá)到設(shè)計能力，對應(yīng)的出水水質(zhì)優(yōu)于《城

鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn)，每年減少污染物排放量：COD 量為24 637.5 t，BOD量為9 307.5 t，SS量為14 782.5 t，TN(以N計)量為16 42.5 t，氨氮(以N計)量為 1 642.5 t，TP(以P計)量為 191.625 t。一期工程實施后實現(xiàn)服務(wù)區(qū)域污水管網(wǎng)全覆蓋、污水全收集、全處理的目標(biāo)，徹底改變超量污水直排以及污水處理廠尾水入湖的現(xiàn)狀，有效保護了區(qū)域內(nèi)湖泊、河流生態(tài)環(huán)境，為長江大保護做貢獻(xiàn)。

(2)結(jié)合實際降雨數(shù)據(jù)，利用建立的數(shù)學(xué)模型驗證排水內(nèi)澇過程。二期工程實施后徹底解決服務(wù)區(qū)域內(nèi)澇漬水頻發(fā)的問題，城區(qū)告別水患，老百姓不再“出門行舟、推窗看海”。防洪排澇工程已經(jīng)受2017年、2018年及2019年汛期的考驗，暴雨情況下江夏主城區(qū)基本無漬水現(xiàn)象發(fā)生。

(3)區(qū)域內(nèi)水體環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善，基本消除了中心城區(qū)水體黑臭問題，預(yù)計全部工程建成后成效更為明顯。

7 結(jié)論

清水入江項目作為一個系統(tǒng)工程，從現(xiàn)狀及問題的系統(tǒng)性分析、治水原則的系統(tǒng)性理念、建設(shè)內(nèi)容的系統(tǒng)性策劃、建設(shè)方案的系統(tǒng)性制定到項目建管一體化的系統(tǒng)性模式等各個方面，都較好地運用了系統(tǒng)性思維方式，并取得了顯著的工程效益，具有一定的借鑒意義。清水入江項目按照系統(tǒng)性思維方式提出系統(tǒng)化的整體解決方案，但在實施過程中面臨很多不可控因素，工程整體建設(shè)效果有所折減；而對于廠網(wǎng)河湖岸一體化運行管理模式，實施難度更大。這些仍是今后需要努力解決的問題。