系統性思維在江夏區清水入江項目中的應用

陳燕波，李 璐，吳學深，李雙菊，楊 墨,2

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.哈爾濱工業大學環境學院，黑龍江哈爾濱 150001)

我國城市目前面臨的水系統問題，如水污染治理、黑臭治理、水環境治理和排水防澇，相互交織，非常復雜，必須采用基于全流域治理和廠網河湖岸一體化建管模式的系統性思維，才能得到有效解決。鎮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思路和方案，實現黑臭水體的消除、水環境改善、水安全保障、水生態修復、水文化和水景觀的提升[1]；鎮江海綿城市建設也較好地應用了系統性的設計方法和思路，提出了技術經濟可行、可落地實施的工程組合[2-3]；也有學者利用系統工程思維編制流域綜合治理規劃方案，提出專業優化融合的工程方案，制定全生命周期的最優方案[4]。以江夏區清水入江項目為例，本文介紹了系統性思維在水系統工程中的具體應用。

1 現狀及問題的系統性分析

1.1 水系統現狀

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

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

通過踏勘調研、普查摸排、分析化驗、資料梳理、數字模擬等方式，對雨水及污水管渠、排水泵站、污水處理廠建設及運行情況、河流湖泊等水體污染情況、城區歷史漬水情況等進行了系統性分析。選取鴻業SWMM及MIKE兩種軟件，在同樣邊界條件下對排水系統進行模擬，并對計算結果進行擬合分析。通過構建現狀排水管網及防洪排澇工程物理管道模型，耦合降雨模型、下墊面模型、地表產匯流模型、水動力模型，進行多情景下降雨模型分析，同時將數學模型以及歷史數據相互率定擬合，得到各情景下較為可靠的排水內澇過程。

1.2 存在的問題

1.2.1 污水收集管網系統存在的問題

(1)管網建設密度不足

除老城區、開發區及新區有一定的污水收集管網以外，其他區域嚴重不足，污水管網覆蓋率低于70%。

(2)管網建設標準低

管道破損、堵塞、滲水嚴重；大部分鄉鎮污水管網是以蓋板溝為主的散排方式，建設滯后于城市發展，隨意性較大。

(3)排水體制混亂，管網效能低下

老城區排水體制為合流制，污水收集主干管網利用城區的大型排水暗渠；新建城區雖采用雨污分流制，但雨污混錯接現象嚴重，形成了事實上的合流制，混錯接超過600處。

(4)排水管網高水位運行

城區排水干管系統持續處于高水位運行，旱季時管渠內水流速度慢，大量污染物沉積在管道內部，雨季時隨暴雨排入水體，造成水體反復黑臭。

總體來說，污水收集管網系統不完善，存在嚴重缺陷和不足，無法實現污水管網全覆蓋和污水全收集，造成部分污水無法收集進入污水處理廠，直接排放水體；污水入管總水量增加，污水處理廠進水濃度低；雨季溢流污染嚴重，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

江夏區現有污水廠6座：紙坊、金口、五里界、法泗、湖泗及土地堂。現有污水處理能力約7萬m3/d，現狀污水量約10萬m3/d，預測污水量約15萬m3/d，污水處理廠處理能力不足，無法實現收集污水全處理，造成部分進廠污水溢流排放，進一步加劇了水體污染。

1.2.3 排水防澇系統存在的問題

城市排水防澇系統能力不足，雨季城區漬水現象頻發。

(1)外圍山體雨水進入城區，增加城區排水系統負荷

紙坊城區三面環山，一面臨湖，地勢南高北低。雨季三面山體洪水迅速匯到城區，通過城區雨水管渠收集后，經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排水系統，加大了現有排水系統的排水負荷，造成城區大面積漬水。

(2)湖泊高水位頂托

超標暴雨時湖泊水位超過最高控制水位，對城區排水造成頂托，造成上游地區漬水。

(3)排水管網及內澇設施建設滯后

排水防澇設施建設標準低(大部分雨水管道重現期不足1年)，設計斷面小，設施老化，超期限使用；作為城區排澇主通道的港渠局部斷面狹窄，淤積嚴重。

(4)局部地點豎向高程控制不合理

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

(5)排水設施維護管理缺位

排水設施管理存在缺陷，清淤周期過長，排水管渠和配套收集系統淤堵嚴重。道路清掃垃圾進入排水系統或污水沉積污泥不能及時疏撈，導致雨水口和排水管堵塞，降低排水設施排水能力。

1.2.4 水體污染問題

水體黑臭污染嚴重，水環境遭到嚴重破壞，江夏區北部區域的11個湖泊中只有5個湖泊水質達到規劃的Ⅳ類水質標準，其他均為劣Ⅴ類水體。

以上問題總結歸納如圖1所示。

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

圖1 江夏區排水系統存在的問題Fig.1 Existing Problems of Drainage System in Jiangxia District

2 治水原則的系統性理念

治水原則的系統性理念包含全流域治理理念、水循環全環節管控理念、水岸同治理念及人水和諧理念等，其核心歸納總結如圖2所示。

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

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

3 建設內容的系統性策劃

為系統性解決江夏區水系統存在的水污染問題、排水防澇問題、水體黑臭問題，保護區域內湖泊及河流港渠水質，實現水清岸綠，環境優美的目標，促進區域經濟社會可持續發展，江夏區決定基于系統性思維和廠網河湖岸一體化建管模式實施清水入江項目。

3.1 建設內容

建設內容包括污水收集及處理工程、雨水防洪排澇工程、給水工程、湖泊生態治理工程、水資源管理工程等5大類。

3.2 建設子項

涵蓋了污水收集管網新建工程、污水管網提質增效工程、污水處理廠建設工程、初雨及溢流污水調蓄及處理工程、再生水回用工程、雨水管網等小排水系統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建設工程、海綿化改造工程、河道及湖泊水環境綜合治理工程、人工濕地工程、智慧水務建設工程等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，湖泊生態治理工程為8.8億元，水資源管理工程為1.6億元。

4 建設方案的系統性制定

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

4.1 污水處理系統方案

4.1.1 方案概況

根據規劃及地形地勢特點，將污水系統分為南北兩大系統，采用集中與分散相結合的布置形式，全區共規劃布置8座污水處理廠。江夏區污水處理系統建設方案如圖3所示。

圖3 江夏區污水處理系統建設方案Fig.3 Construction Scheme of Sewage Treatment System in Jiangxia District

4.1.2 建設目標

完善城市污水收集處理系統，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，實現區域污水全收集、全處理的目標。

4.1.3 建設內容

污水處理系統建設以污水輸送、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：一期建設規模為15萬m3/d，遠期總規模為45萬m3/d。

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

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

4.2 排水防澇系統方案

4.2.1 方案概況

結合城區的地形特點，采用系統性設計思路構建大排水系統和小排水系統，并加強維護管理。山洪外引工程實施后，進入紙坊城區的排水量可減少30%～40%。紙坊城區排水防澇系統建設方案如圖4所示。

圖4 紙坊城區排水防澇系統建設方案Fig.4 Construction Scheme of Drainage and Water Logging Control System in Zhifang Urban Area

4.2.2 建設目標

徹底解決紙坊城區內澇漬水頻發的問題。

4.2.3 建設內容

排水防澇系統建設主要包含如下幾個部分。

(1)山洪外引工程：建設排水管涵總長約為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；另外建設一批雨水管網，進行漬水點改造，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 水環境治理系統方案

4.3.1 方案概況

目前，江夏區污水管網覆蓋率和污水收集率均低于70%，外湯遜湖為劣Ⅴ類水體。根據住建部《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019—2021年)》和武漢市相關要求，到2021年，區域內污水管網覆蓋率需達到90%以上，污水收集率、處理率等指標均需達到100%，湯遜湖湖泊水環境惡化趨勢得到控制，主要指標接近Ⅳ類水質。

為此，擬新建和改造污水收集管網，實現管網全覆蓋，消除管網空白區和污水直排口，進一步提高污水收集率；新建初雨和溢流污水收集和調蓄設施；擴建江夏污水處理廠，進一步提高污水處理能力的彈性和安全余量，從而應對城市發展新需求和雨季超量污水處理要求；對城區河流、湖泊等進行水環境綜合治理。

水環境治理系統建設方案如圖5所示。

圖5 水環境治理系統建設方案Fig.5 Construction Scheme of Water Environment Control System

4.3.2 建設目標

著力補短板，實現管網提質增效和污水高效處理，有效解決區域水環境問題，達到相應水體功能目標。

4.3.3 建設內容

水環境綜合治理工程主要建設內容如下。

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

(2)建設江夏污水處理廠二期工程。

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

4.4 后續工程構想

統籌山水林田湖，進行全區域的海綿化改造，固本強基，充分發揮自然凈化作用，全面恢復區域內水體的自然生態；進行更精細的一體化水務控制管理；根據城市發展需要擴建污水處理廠及配套污水管網；建設區域內集中式污泥處置中心，實現污泥處理提質增效和資源化利用；擴大再生水資源化回用。最終實現水的良性循環，達到人水和諧的終極目標。

5 建管一體化的系統性模式

5.1 建設方式

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域內策劃并實施排水領域的系統性綜合解決方案，改變了傳統由政府通過分區域、分類別、分階段實施項目的單項建設模式。

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

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

5.2 運行管理方式

本項目采用建管一體化模式，由PPP投資方負責運行管理。這一模式符合住建部提倡的廠網一體化模式，是系統性思維在管理方式上的具體體現。

6 工程效益

清水入江項目一期和二期工程已基本建設完成，正在進行三期工程的前期工作，受益總人口達到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后最大日處理量基本達到設計能力，對應的出水水質優于《城

鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級標準的A標準，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服務區域污水管網全覆蓋、污水全收集、全處理的目標，徹底改變超量污水直排以及污水處理廠尾水入湖的現狀，有效保護了區域內湖泊、河流生態環境，為長江大保護做貢獻。

(2)結合實際降雨數據，利用建立的數學模型驗證排水內澇過程。二期工程實施后徹底解決服務區域內澇漬水頻發的問題，城區告別水患，老百姓不再“出門行舟、推窗看海”。防洪排澇工程已經受2017年、2018年及2019年汛期的考驗，暴雨情況下江夏主城區基本無漬水現象發生。

(3)區域內水體環境質量得到明顯改善，基本消除了中心城區水體黑臭問題，預計全部工程建成后成效更為明顯。

7 結論

清水入江項目作為一個系統工程，從現狀及問題的系統性分析、治水原則的系統性理念、建設內容的系統性策劃、建設方案的系統性制定到項目建管一體化的系統性模式等各個方面，都較好地運用了系統性思維方式，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性思維方式提出系統化的整體解決方案，但在實施過程中面臨很多不可控因素，工程整體建設效果有所折減；而對于廠網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。