系统性思维在江夏区清水入江项目中的应用

陈燕波，李 璐，吴学深，李双菊，杨 墨,2

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010；2.哈尔滨工业大学环境学院，黑龙江哈尔滨 150001)

我国城市目前面临的水系统问题，如水污染治理、黑臭治理、水环境治理和排水防涝，相互交织，非常复杂，必须采用基于全流域治理和厂网河湖岸一体化建管模式的系统性思维，才能得到有效解决。镇江市玉带河黑臭水体治理采用基于全流域治理理念的系统思路和方案，实现黑臭水体的消除、水环境改善、水安全保障、水生态修复、水文化和水景观的提升[1]；镇江海绵城市建设也较好地应用了系统性的设计方法和思路，提出了技术经济可行、可落地实施的工程组合[2-3]；也有学者利用系统工程思维编制流域综合治理规划方案，提出专业优化融合的工程方案，制定全生命周期的最优方案[4]。以江夏区清水入江项目为例，本文介绍了系统性思维在水系统工程中的具体应用。

1 现状及问题的系统性分析

1.1 水系统现状

江夏区位于武汉市南部，是全国百强县市，下辖9个街道和2个镇，总面积为2 009 km2，常住人口约为83.4万人。主要建成区位于北部的纸坊老城区和经济开发区，南部建成区面积较小且较为分散。

江夏区水系丰富，河流有金水河、纸坊港，西北边界有长江流过；境内分布大小湖泊136个，其中大型湖泊包括梁子湖、汤逊湖、鲁湖等，境内还有众多水库以及大量的池塘和生态湿地。随着城市快速发展及人口急剧增加，城市排水系统、水环境面临巨大压力，水体水质达标率不足50%。

通过踏勘调研、普查摸排、分析化验、资料梳理、数字模拟等方式，对雨水及污水管渠、排水泵站、污水处理厂建设及运行情况、河流湖泊等水体污染情况、城区历史渍水情况等进行了系统性分析。选取鸿业SWMM及MIKE两种软件，在同样边界条件下对排水系统进行模拟，并对计算结果进行拟合分析。通过构建现状排水管网及防洪排涝工程物理管道模型，耦合降雨模型、下垫面模型、地表产汇流模型、水动力模型，进行多情景下降雨模型分析，同时将数学模型以及历史数据相互率定拟合，得到各情景下较为可靠的排水内涝过程。

1.2 存在的问题

1.2.1 污水收集管网系统存在的问题

(1)管网建设密度不足

除老城区、开发区及新区有一定的污水收集管网以外，其他区域严重不足，污水管网覆盖率低于70%。

(2)管网建设标准低

管道破损、堵塞、渗水严重；大部分乡镇污水管网是以盖板沟为主的散排方式，建设滞后于城市发展，随意性较大。

(3)排水体制混乱，管网效能低下

老城区排水体制为合流制，污水收集主干管网利用城区的大型排水暗渠；新建城区虽采用雨污分流制，但雨污混错接现象严重，形成了事实上的合流制，混错接超过600处。

(4)排水管网高水位运行

城区排水干管系统持续处于高水位运行，旱季时管渠内水流速度慢，大量污染物沉积在管道内部，雨季时随暴雨排入水体，造成水体反复黑臭。

总体来说，污水收集管网系统不完善，存在严重缺陷和不足，无法实现污水管网全覆盖和污水全收集，造成部分污水无法收集进入污水处理厂，直接排放水体；污水入管总水量增加，污水处理厂进水浓度低；雨季溢流污染严重，对下游排放水体造成污染。

1.2.2 污水处理能力方面存在的问题

江夏区现有污水厂6座：纸坊、金口、五里界、法泗、湖泗及土地堂。现有污水处理能力约7万m3/d，现状污水量约10万m3/d，预测污水量约15万m3/d，污水处理厂处理能力不足，无法实现收集污水全处理，造成部分进厂污水溢流排放，进一步加剧了水体污染。

1.2.3 排水防涝系统存在的问题

城市排水防涝系统能力不足，雨季城区渍水现象频发。

(1)外围山体雨水进入城区，增加城区排水系统负荷

纸坊城区三面环山，一面临湖，地势南高北低。雨季三面山体洪水迅速汇到城区，通过城区雨水管渠收集后，经自然港形成的暗渠排入湖泊。周边三面山体雨水快速汇入城区排水系统，加大了现有排水系统的排水负荷，造成城区大面积渍水。

(2)湖泊高水位顶托

超标暴雨时湖泊水位超过最高控制水位，对城区排水造成顶托，造成上游地区渍水。

(3)排水管网及内涝设施建设滞后

排水防涝设施建设标准低(大部分雨水管道重现期不足1年)，设计断面小，设施老化，超期限使用；作为城区排涝主通道的港渠局部断面狭窄，淤积严重。

(4)局部地点竖向高程控制不合理

老城区局部地段建设较早，道路坡度较小或坡向不合理，道路标高控制不合理，造成低洼点在降雨时成为渍水点。

(5)排水设施维护管理缺位

排水设施管理存在缺陷，清淤周期过长，排水管渠和配套收集系统淤堵严重。道路清扫垃圾进入排水系统或污水沉积污泥不能及时疏捞，导致雨水口和排水管堵塞，降低排水设施排水能力。

1.2.4 水体污染问题

水体黑臭污染严重，水环境遭到严重破坏，江夏区北部区域的11个湖泊中只有5个湖泊水质达到规划的Ⅳ类水质标准，其他均为劣Ⅴ类水体。

以上问题总结归纳如图1所示。

因此，污水管网系统、污水处理厂、排水防涝系统的问题都可能导致城市水体污染，需要采取系统性的治理措施。

图1 江夏区排水系统存在的问题Fig.1 Existing Problems of Drainage System in Jiangxia District

2 治水原则的系统性理念

治水原则的系统性理念包含全流域治理理念、水循环全环节管控理念、水岸同治理念及人水和谐理念等，其核心归纳总结如图2所示。

图2 治水原则的系统性理念Fig.2 Systematic Concept of Water Control Principle

清水入江项目以治水原则的系统性理念为最高指导原则，将排水防涝、黑臭治理、水环境综合治理和水污染治理等工程全部纳入系统性理念的框架内。

3 建设内容的系统性策划

为系统性解决江夏区水系统存在的水污染问题、排水防涝问题、水体黑臭问题，保护区域内湖泊及河流港渠水质，实现水清岸绿，环境优美的目标，促进区域经济社会可持续发展，江夏区决定基于系统性思维和厂网河湖岸一体化建管模式实施清水入江项目。

3.1 建设内容

建设内容包括污水收集及处理工程、雨水防洪排涝工程、给水工程、湖泊生态治理工程、水资源管理工程等5大类。

3.2 建设子项

涵盖了污水收集管网新建工程、污水管网提质增效工程、污水处理厂建设工程、初雨及溢流污水调蓄及处理工程、再生水回用工程、雨水管网等小排水系统新建和渍水点改造工程、山洪外排通道和排水主通道等大排水系统建设工程、海绵化改造工程、河道及湖泊水环境综合治理工程、人工湿地工程、智慧水务建设工程等35个子项。

3.3 项目总投资

估算总投资额约为51.1亿元，其中污水收集及处理工程为35.7亿元，雨水防洪排涝工程为3.6亿元，给水工程为1.4亿元，湖泊生态治理工程为8.8亿元，水资源管理工程为1.6亿元。

4 建设方案的系统性制定

清水入江项目采用“整体策划、分期建设”模式，通过化整为零降低项目难度，同时保证子系统的完整性，拟分五期建设。一期工程以污水处理系统建设为主，二期工程以防洪排涝系统建设为主，三期工程以水环境综合治理为主，后续工程着重在绿色化基础设施建设[5]和精细化管理方面。

4.1 污水处理系统方案

4.1.1 方案概况

根据规划及地形地势特点，将污水系统分为南北两大系统，采用集中与分散相结合的布置形式，全区共规划布置8座污水处理厂。江夏区污水处理系统建设方案如图3所示。

图3 江夏区污水处理系统建设方案Fig.3 Construction Scheme of Sewage Treatment System in Jiangxia District

4.1.2 建设目标

完善城市污水收集处理系统，大幅提升污水处理厂处理能力，着重解决污水处理能力不足的问题，实现区域污水全收集、全处理的目标。

4.1.3 建设内容

污水处理系统建设以污水输送、处理及尾水排放工程为主，主要包含以下几个部分。

(1)江夏污水处理厂工程：一期建设规模为15万m3/d，远期总规模为45万m3/d。

(2)纸坊泵站至江夏污水处理厂污水转输工程：新建污水提升泵站1座，近期规模为10.5万m3/d、远期规模为21万m3/d；建设双排DN1200污水压力转输管线，单根长度约为8.8 km。

(3)江夏污水处理厂尾水排江工程：建设管径DN1800的尾水排江管1根，全长为9.8 km，输水规模为22.5万m3/d。远期增加1根，总输水规模达到45万m3/d。

4.2 排水防涝系统方案

4.2.1 方案概况

结合城区的地形特点，采用系统性设计思路构建大排水系统和小排水系统，并加强维护管理。山洪外引工程实施后，进入纸坊城区的排水量可减少30%～40%。纸坊城区排水防涝系统建设方案如图4所示。

图4 纸坊城区排水防涝系统建设方案Fig.4 Construction Scheme of Drainage and Water Logging Control System in Zhifang Urban Area

4.2.2 建设目标

彻底解决纸坊城区内涝渍水频发的问题。

4.2.3 建设内容

排水防涝系统建设主要包含如下几个部分。

(1)山洪外引工程：建设排水管涵总长约为10.0 km，断面尺寸为B×H=1.2 m×0.8 m～6.0 m×3.0 m。

(2)大东港第二通道工程：建设大型管涵总长约为3.06 km，断面尺寸为B×H=6.0×3.0 m，形成一条新的排水大通道；另外建设一批雨水管网，进行渍水点改造，共消除渍水点19处。

(3)纸坊港清淤疏浚工程：清淤长度为2.58 km，清淤量约为6.4万m3，生活、建筑垃圾清除量约为0.5万m3。

4.3 水环境治理系统方案

4.3.1 方案概况

目前，江夏区污水管网覆盖率和污水收集率均低于70%，外汤逊湖为劣Ⅴ类水体。根据住建部《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》和武汉市相关要求，到2021年，区域内污水管网覆盖率需达到90%以上，污水收集率、处理率等指标均需达到100%，汤逊湖湖泊水环境恶化趋势得到控制，主要指标接近Ⅳ类水质。

为此，拟新建和改造污水收集管网，实现管网全覆盖，消除管网空白区和污水直排口，进一步提高污水收集率；新建初雨和溢流污水收集和调蓄设施；扩建江夏污水处理厂，进一步提高污水处理能力的弹性和安全余量，从而应对城市发展新需求和雨季超量污水处理要求；对城区河流、湖泊等进行水环境综合治理。

水环境治理系统建设方案如图5所示。

图5 水环境治理系统建设方案Fig.5 Construction Scheme of Water Environment Control System

4.3.2 建设目标

着力补短板，实现管网提质增效和污水高效处理，有效解决区域水环境问题，达到相应水体功能目标。

4.3.3 建设内容

水环境综合治理工程主要建设内容如下。

(1)对现状分流制区域的雨污管网进行错混接改造；对部分合流制区域进行雨污分流改造；对破损管道进行修复；清污分流，减少污水管网外水，提升入厂污水浓度；新建污水管网解决部分偏远片区的污水收集处理问题。

(2)建设江夏污水处理厂二期工程。

(3)建设溢流污水提升泵站、CSO调蓄池、人工湿地、环湖绿道、景观桥梁、沿湖截污管道、退垸还湖等。

4.4 后续工程构想

统筹山水林田湖，进行全区域的海绵化改造，固本强基，充分发挥自然净化作用，全面恢复区域内水体的自然生态；进行更精细的一体化水务控制管理；根据城市发展需要扩建污水处理厂及配套污水管网；建设区域内集中式污泥处置中心，实现污泥处理提质增效和资源化利用；扩大再生水资源化回用。最终实现水的良性循环，达到人水和谐的终极目标。

5 建管一体化的系统性模式

5.1 建设方式

清水入江项目在全国首次尝试由社会资本在一个县级行政区域内策划并实施排水领域的系统性综合解决方案，改变了传统由政府通过分区域、分类别、分阶段实施项目的单项建设模式。

本项目在投融资方面采用PPP建设模式，其中污水处理厂工程采用BOT模式建设；其他工程采用BLMT模式建设。

本项目在建设管理方面采用以设计为龙头的EPC模式，确保系统性的设计理念得到充分实现。

5.2 运行管理方式

本项目采用建管一体化模式，由PPP投资方负责运行管理。这一模式符合住建部提倡的厂网一体化模式，是系统性思维在管理方式上的具体体现。

6 工程效益

清水入江项目一期和二期工程已基本建设完成，正在进行三期工程的前期工作，受益总人口达到78.96万人，具有显著的工程效益。

(1)江夏污水处理厂一期工程投产后最大日处理量基本达到设计能力，对应的出水水质优于《城

镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级标准的A标准，每年减少污染物排放量：COD 量为24 637.5 t，BOD量为9 307.5 t，SS量为14 782.5 t，TN(以N计)量为16 42.5 t，氨氮(以N计)量为 1 642.5 t，TP(以P计)量为 191.625 t。一期工程实施后实现服务区域污水管网全覆盖、污水全收集、全处理的目标，彻底改变超量污水直排以及污水处理厂尾水入湖的现状，有效保护了区域内湖泊、河流生态环境，为长江大保护做贡献。

(2)结合实际降雨数据，利用建立的数学模型验证排水内涝过程。二期工程实施后彻底解决服务区域内涝渍水频发的问题，城区告别水患，老百姓不再“出门行舟、推窗看海”。防洪排涝工程已经受2017年、2018年及2019年汛期的考验，暴雨情况下江夏主城区基本无渍水现象发生。

(3)区域内水体环境质量得到明显改善，基本消除了中心城区水体黑臭问题，预计全部工程建成后成效更为明显。

7 结论

清水入江项目作为一个系统工程，从现状及问题的系统性分析、治水原则的系统性理念、建设内容的系统性策划、建设方案的系统性制定到项目建管一体化的系统性模式等各个方面，都较好地运用了系统性思维方式，并取得了显著的工程效益，具有一定的借鉴意义。清水入江项目按照系统性思维方式提出系统化的整体解决方案，但在实施过程中面临很多不可控因素，工程整体建设效果有所折减；而对于厂网河湖岸一体化运行管理模式，实施难度更大。这些仍是今后需要努力解决的问题。