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给水排水 |任南琪:海绵城市总体思路及技术措施

如何建设海绵城市?


理念转变为先导

以系统工程思路抓城市水——国家行动和重大需求:

我国海绵城市建设的发展历程——城市水循环:

“海绵城市”内涵理解:本人对“海绵城市”建设内涵与理念的理解,“海绵城市”应该能够像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”,重点解决城市涝灾与城市水环境恶化等问题,实现地表水资源、污水资源、生态用水、自然降水、地下水等统筹管理、保护与利用,充分考虑水资源、水环境、水生态、水安全、水文化,缓解热岛效应,确保社会水循环能够与自然水循环相互贯通。“海绵城市建设”的实质属于城市水资源与水环境综合整治的范畴。由于前期理念不先进,很多城市建设与规划没有一步到位,如先期开展的生态城市建设、城市内河治理、街区改造、道路建设等。


创建中国特色的海绵城市,吸收国外先进经验 ──结合发达国家近60年的经验积累、我国当前重大需求。

科学规划为引领 

海绵城市总体规划—城市水系统综合规划与整治

  • 海绵城市建设(黑臭水体治理)至少以流域、汇水区域为单元综合考虑


  • 统筹发挥自然生态功能和人工强化功能,实施源头减排、过程控制、系统治理。示范工程中避免以下问题:

规划与建设碎片化——未按流域、区域为单元综合考虑。特别是LID工程中,严重缺乏城市水系统统筹规划,只追求碎片化的工程施工


工程设计队伍严重匮乏——海面城市建设理念及内涵不清,技术不足


设计教条化——不理解因地制宜,一城一策、一地一策


海绵城市总体规划—因地制宜

  • 总体规划应针对城市自然地理地貌、气象条件及存在的城市发展瓶颈问题,因地制宜地制定海绵城市建设目标,解决城市重大需求

  • 充分考虑老城区和新建城区海绵城市建设对策

  • 应明确“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”


工程技术为关键

海绵城市建设关键单元:

暴雨径流管理― 美国分类与设计标准:

  • 小排水系统(minor drainage system)

  • 管网和道路排水

  • 重现期:管道设计标准为2-10年;城市道路设计标准2-50年分为

  • 大排水系统  (major drainage system)

  • 洪水隧道、大型排水管渠 、滞水池、蓄水池

  • 重现期:100年

暴雨径流管理― 源头减排:渗、滞、蓄:

暴雨径流管理― 合流制排水系统:

雨污合流制排水系统对应的污水处理厂措施

  • 暴雨期间雨污通过超越管进入雨水溢流沉淀池,针对初雨污染采取一级处理措施

  • 欧洲合流制污水处理厂对当量降雨强度的截流倍数可达3-7倍,仅可解决初雨污染

暴雨径流管理― 源头减排:净

“质”的控制

  • 初雨污染控制:大多数城市需考虑初雨污染对黑臭水题影响,初雨滞留、过滤、净化,减少有机和无机污染

  • 发挥功能净化,源头解决初雨污染──质


暴雨径流管理― 需考虑的问题:

海绵城市建设是一项长期任务

新城区建设:

关键是制定建设与开发标准与规范,严把审批关


执行雨污分流排水系统


建议业主将LID建设与运营纳入投资和运行成本,政府加强监督

老城区建设:

结合城市道路、园林等设施维护和升级,逐步按LID理念进行改造

重点解决逢雨必涝点或区域,采取强排措施和系统

构建大排水系统


暴雨径流管理― 大排水系统 (major drainage system)

我国大多依赖小排水系统,只能解决低重现期(小暴雨)的雨水排放


绝大多数城市排水管网为雨污合流制,雨水排入污水管渠、河道(黑臭水体)


个别城市局部区域可能设置分流制雨水管渠,但最终并入城市合流制管网系统


真正实现大暴雨排涝,必须设置专门的雨水分流制管道大排水系统


武汉大东湖深隧工程案例:

  • 充分考虑到雨水深隧和污水深隧功能及定位不同,该工程将先启动污水单根管建设,预留雨水接口

  • “四厂合一”,未来可为300万人口服务。新建的北湖污水处理厂,未来能达到150万吨/日规模,近期实现80万吨/日,标准排放一级A

  • 项目总投资30多亿元


广州深邃工程(首个项目):

  • 包括“一主七副”86.4公里,调蓄容积165.2万立方米,排水标准由现在的0.5年-1年一遇提高到5年-10年一遇

  • 对初期雨水进行处理,消减70%的污染,缓解广州市城区内涝问题


成都深邃工程:

  • 规划的直径达10多米,长度达180公里,在地下30米


苏州河深隧工程:

  • 工程服务范围:25个排水系统共57.92km2

  • 建设目标:

  • 苏州河沿线排水系统设计标准达到5年一遇(1h)

  • 应对100年一遇降雨(1h,不发生区域性城市运行瘫痪,路中积水深度不超过15cm)


大排水系统初雨控制十分必要,设置原则

初雨应暂存,雨后进入污水处理厂或自然处理系统

初雨后较清洁的雨水直接进入水体

考虑到初雨径流汇水时间和面积,建议初雨调蓄池采取分布式设置

暴雨径流管理― 排水系统分布式截污与调蓄技术:

  • 中雨大雨时截污技术

  • 前30分钟之内截流井内的液位不会超过警戒水位,液动下开式堰门始终处于全关状态,最大流量控制闸门始终处于全开状态,初雨截流至污水处理厂或调蓄池

  • 30分钟后最大流量控制闸关闭,液动下开式堰门开启,后期雨水溢流入自然水体


城市黑臭水体整治:

重要性是环境生态改善和暴雨蓄存

问题:

  • 许多城市水体是污水沟,水体黑臭

  • 个别城市污水全部截流后无生态补水,无水动力

  • 自然生态净化功能缺失


通过环保部对广东、浙江、江苏、河南等地统计的城市黑臭水体比例综合分析,全国地级及以上城市建成区黑臭水体数量约5100个,约占39.4%


城市黑臭水体整治— 系统治理方案:

城市黑臭水体整治— 自然生态系统:

城市黑臭水体整治— 蜂巢约束系统技术:

坚固的、生态型坡面保护

  • 最大限度保留岸堤生态属性

  • 可有效抗击河水、雨水冲刷

  • 巢堤结构:初期雨水滞留、净化


提供可透水、高负载的支撑结构

  • 城市载重道路透水基础

  • 广场、人行道轻负载透水基础

  • 绿色生态停车场

  • 无硬化路面透水道路


构成立体生物电化学修复系统

  • 底泥原位修复

  • 污水资源化利用

  • 长期无能耗运行


城市黑臭水体整治— 自然生态系统:

河道改造成功经验:清溪川之前是个“三面光”臭水沟,2003年7月1日首尔市长李明博根据河道穿过市区的特点、河道的地理和水力特性、改善生态环境的要求,创建了人与自然和谐的休闲亲水环境。


利用人工湿地、生态塘(氧化塘)等强化自然净化功能,持续经济有效地解决点源、面源污染,确保城市水生态安全,充分利用河道原有生态系统,构建净化与景观并存系统、形成自然充氧系统,北方寒冷地区冬储塘(夏季生态塘),重点湖库防护措施,建议建立针对农村面源污染的生态净化防护带。


城市黑臭水体整治— 硅砂蜂巢技术:

城市黑臭水体整治— 系统治理:

功能:构建具有污染物净化功能的生态系统,承担部分N、P去除,科学制定以受纳水体反推污水处理厂排放标准,避免污水厂过度处理,实现节能降耗,开发与利用能发挥净化功能的本土水生植物,创建城市景观,提高人居环境质量,实现城市排洪排涝功能。


建议:城市黑臭水体治理同时,必须实现净化功能,同时考虑受纳水体国控断面标准反推污水处理厂排放标准和氮、磷控制,避免污水厂过度处理,实现节能降耗!


污水处理厂— 国内外排放标准差异分析:

污水处理厂— 过度处理的“环境代价”:

  • 无限度提高污水处理厂排放标准的代价

  • 环境风险转嫁——大气污染、气候变化

  • 节能减排——难以实现

  • 环境容量有限,即使污水全部“达标排放”,环境也无法承载

污水处理厂— 转变系统管理理念:

低耗、资源化和能源化污水处理厂(概念污水厂),污水处理厂排放标准应适应“多目标与功能需求”(Fit for Purpose)

  • 直接排放水:进入流域污控断面,满足流域地表水标准要求

  • 生态补水:经水体与湿地等生态系统,考虑生态处理能力反推污水厂排放标准

  • 回用水:满足用户对水质标准要求

  • 营养物归田水:满足农田灌溉、喷洒绿地等需求


常见问题:

  • 规模:满足污水回用与生态补水需求,建议采取分布式建设

  • 选址:污水处理厂应布置在城市水体中、上游,即可用于城市水体生态补水,又可利用自然生态净化功能处理N、P

  • 对于有条件地区和经济落后地区,建议发展稳定塘、生态塘、生态湿地等“先进的”自然生态处理技术

智慧水务为目标 

智慧城市概念:智慧城市就是运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息,从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应──百度百科


智慧城市建设领跑者(《中国智慧城市发展水平评估报告》)

  • 北京、上海、广州、深圳、天津、武汉、宁波、南京、佛山、扬州、浦东新区、宁波杭州湾新区

  • 主要工作是基础设施建设(信息和通信技术手段提升、三网融合等),以及在智能交通、远程医疗、智能家庭、电子商务等方面应用

创建智慧水务─ 互联网 城市水系统:

  • 城市水数值模拟与仿真

  • 基于水资源与安全(水量和水压),针对饮用水源、自来水厂、污水处理厂、河道断面、湿地、地下水以及分流制雨水管道初雨等,建立水资源自然循环和社会循环的系统仿真与优化

  • 基于水环境与生态(水质),研究污水能源流与物质流规律、污染物迁移转化规律等净化系统仿真与时空优化

  • 结合互联网 城市水系统功能,指导运营控制与故障诊断,实现监控点诊断、控制、应急决策,并发挥物联网作用保障公众知情权和监督权


基于城市水循环系统4.0的智慧水务系统:

  • 海绵城市智慧水务系统的服务对象

实现不同实体服务对象的功能需求──政府、企业、老百姓三满意

政府:全周期参与角色,各阶段需求不同

社资与居民:提供这两个主体的客观需求

本文根据哈尔滨工业大学副校长、中国工程院院士任南琪在“2017中国城市水环境(池州)论坛”上题为《海绵城市总体思路及技术措施》的演讲整理而成,未经本人审阅。

编辑:北方

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