韧性城市背景下构建区域韧性污水系统的探索与实践

陈锦全，汤 钟

(深圳市城市规划设计研究院有限公司，广东深圳 518000)

城市韧性是近期规划学术讨论的热点，城市韧性所针对的问题，来源于外部“扰动”带来的危机，这些“扰动”具有不确定性高、随机性强、破坏性大等特点，现代城市需具备应对不确定性程度更高、潜在影响更大更广危机的能力[1]。《北京韧性城市规划纲要研究》、《广州市国土空间总体规划(2018—2035年)》等均把安全韧性城市作为城市未来发展的重要发展方向。市政基础设施是现代城市正常生产生活的重要支撑条件之一，也是在自然灾害等特殊情况下，城市保持稳定运行及迅速恢复的生命线工程，承担着城市的动脉、静脉、神经、免疫等功能。因此，打造在各种情况下均能安全、稳定、可靠、持续运转的韧性市政系统是支撑城市运转的重要环节[2]。

城市污水系统发挥着污水的收集、处理与排放的作用，与此同时，也存在传播病毒的风险。在席卷全球的新冠肺炎疫情中，研究人员在患者的粪便中检测出了病毒核酸，带有病毒的排泄物随生活污水进入排水管网和污水处理厂，如污水系统运行不畅，可能造成传染病暴发等重大公共卫生安全问题。韧性污水系统旨在构建高质量、高标准的污水处理及收集系统，使其超前于城市规划建设，预留城市及系统发展的弹性空间，并制定合理的运行调配机制与方案，提升污水系统的综合服务及应急能力，从规划顶层设计的高度构建住户-管网-设施-机制的一体化韧性污水系统，适应与保障城市的可持续发展。

本文以深圳市南山区污水完善和提升规划为例，探索提高市政系统韧性的研究思路和规划视角，加强污水系统规划的科学性、前瞻性和可操作性，适度超前且高标准地推动城市基础设施的有序建设。

1 污水系统概况

1.1 污水场站

深圳市南山区现有污水处理设施包括南山水质净化厂、蛇口水质净化厂和西丽再生水厂，总处理规模可达66万m3/d。区外东南侧有福田水质净化厂，规模为40万m3/d。区内水质净化厂分布及其服务范围如图1所示。

1.2 污水管网

近几年来，随着南山区治水提质、提质增效等水务工作的开展，对存在问题的排水系统进行了大规模的查缺补漏。南山区改造小区管网近500 km，1 046个小区完成了正本清源改造，实现雨污分流，改善了区域水环境。后海河等4段黑臭水体已全面消除黑臭，顺利通过国家部委联合督查，基本实现“水清·岸绿·景美”的目标。南山区近年来逐厂梳理干管运行工况，对长期高水位运行、进水条件不佳、与设计工况严重不符的干管进行排查，切实降低不明来水(河水、地下水、海水、基流)的影响。有条件的箱涵采取剥离基流、增设拍门、修复干管、整改沿河截污系统、污水管网系统的交叉串联等举措，减少外来水量，提升污水浓度并改善运行工况。区内已布置的污水处理设施，其配套的污水、截污干管也已实施完成或正在施工，污水系统建设基本满足区内污水收集、处理和排放的需求。另外，结合全市小区雨污分流工程和城市黑臭水体治理要求，区内同步开展了污水支干管网系统的升级和改造，新建及完善了大量的市政污水管网。污水干管系统现状如图1所示。

图1 南山区污水系统现状Fig.1 Existing Sewage Pipelines System in Nanshan District

2 问题及需求分析

2.1 城市发展问题

南山区新增开发建设量具有较大发展空间，市政支撑系统面临城市更新和重点片区建设带来的双重压力。根据目前南山区已批城市规划、存量城市更新项目的梳理与统计，区内规划的开发量比现状多约90%，比法定图则多约25%。如果考虑正在开展及潜在的城市更新项目，未来开发建设总量将增长106%，远高于福田、罗湖的增长量，城市发展空间巨大。南山区是中心城区增量土地最大的行政区，土地的二次高强度开发直接导致污水量的快速增长，压力均转到各个城市更新片区外的污水系统[3]，前海、后海、深圳湾、留仙洞4个总部基地的高强度集中开发对污水系统的影响巨大，导致设施和管网无法满足增长需求的不断累积。

2.2 污水系统问题

(1)区内污水增长过快，设施超负荷运行，预留用地空间不足

南山区城市更新大量铺开，4个总部基地与自贸区等重点片区启动开发建设导致污水水量增长迅速，管网容量及建设任务等方面压力也随之增大[4]。现有的3座水质净化厂中，南山水质净化厂由于服务范围较大，服务范围内重点片区、城市更新单元规划新增污水量较大。此外，近期新建成的临时截污系统将污水截流进入南山水质净化厂，使南山水质净化厂长期处于超负荷运行状态。区内其他2座水质净化厂处理规模较小，虽有一定的污水处理余量，但缺乏水质净化厂间污水调配系统与机制，造成区内水质净化设施规模严重不足。

后海总部基地和深圳湾超级总部基地两个重点片区的快速发展使片区内创业路泵站和白石洲泵站服务区域污水快速增长，两泵站现有用地已无法支撑远期片区污水增长的需求，西丽再生水厂及蛇口水质净化厂同样存在着扩建用地不足的情况。因此，设施用地的研究与预留成为了本次规划亟待解决的问题之一。

(2)管网老旧，标准低；管网容量不足，管网系统正常运行受影响

南山区蛇口片区作为深圳市最先发展的区域，部分污水管道建成时间久远，尤其是蛇口旧工业区，其污水管网按工业区标准配套建设，管道容量、建设质量等已不能满足南山区城市发展的需求，应结合道路改造和片区更新等计划逐步改善管道问题。

目前，南山区北部大勘片区及麻磡片区污水管网覆盖率偏低，部分区域污水通过雨水管渠截流至西丽再生水厂，对污水处理设施的水质稳定造成严重影响。此外，区内局部地区发展速度过快，例如龙珠、白石洲、后海、华侨城、南头、南油和蛇口旧区等片区均存在污水管道容量不足的问题，影响污水管网正常运行。

3 韧性污水系统建设思路及方案

3.1 系统建设思路

(1)思路1：打造能力充足、面向未来的污水系统

南山区有诸如前海、后海、留仙洞、深圳湾等诸多重点发展区域，规划应统筹与衔接区内每一个重点发展片区的建设需求，按照高质量、高标准原则，完善污水处理设施和管网，全面提升污水处理设施的服务能力，促进污水系统更好地满足南山区未来的发展需求。

(2)思路2：构建连通污水设施的区域污水管道及运行机制

在有效利用现有污水处理设施及主干管道的基础上，结合城市发展需求，充分利用工程措施和建设方式加强管道的集中布置与连通，促进市政通道之间的集约建设，分区域分情况提出管网布置策略。老城区应重在改造和提升，新建区规划综合管廊建设，形成以综合管廊为主要载体的地下管线系统。另外，通过非工程措施的制定，构建污水处理设施间的连通与运行机制，保证设施的安全及应急运行。

3.2 系统建设方案

3.2.1 设施韧性

南山区污水分区及系统如图2所示。南山区污水量包括两部分，一部分是系统旱流污水量，另一部分是区内已建大型截污系统收集的混流污水量，包含截污系统上游的雨季污水量。规划中为了提高系统的韧性，预留系统发展的弹性空间，污水设施及管网与设施用地采用不同的规模进行控制，污水处理设施用地按其设计规模的1.2倍进行复核与规划管控。

图2 南山区污水分区及系统Fig.2 Wastewater Zoning and System in Nanshan

据预测，南山区远景产生的雨季污水总量最大可达127万m3/d，其中，划入南山水质净化厂、蛇口水质净化厂及西丽再生水厂的污水量为101.5万m3/d和118.0万m3/d。经复核，现有的及原规划的污水净化设施处理能力均无法满足该需求。因此，需在区内另择新址建设净化设施，为远景污水净化预留能力与空间。

(1)用地选址

在众多市政设施中，污水处理厂具有占地面积大、异味强、影响城市景观等特点，在城市建成区密度日益提高的情况下，新建污水厂难度仅次于垃圾焚烧厂。深圳市龙岗区布吉污水厂的改造案例可为此次规划提供参考，布吉污水厂为全国首个地下式污水厂(地上作为城市公园)，尽管建设成本增加，但该项目的实施与建成拓宽了市政设施的建设方式，也为其他敏感型设施建设提供了较好的案例。本次规划拟在现大沙河公园用地范围内新增一座污水处理设施，该设施建议采取地下式建设，地面维持城市公园的功能不变，后期需加大对异味的处理力度，减少敏感设施对周边环境的影响。

规划通过设施选址的研究与比选，确定在大沙河公园内新建沙河水质净化厂，水质净化厂规模按14万m3/d控制，用地规模按20万m3/d控制。沙河水质净化厂规划用地如图3～图4所示。用地图中西北角用地为水质净化厂一期建设用地，用地面积约4×104m2，可满足14万m3/d的污水处理量和5万m3/d的深度处理设施的建设。

注：高程单位为m 图3 沙河水质净化厂用地方案Fig.3 Land-Use Plan of Shahe Water Purification Plant

图4 土地利用规划Fig.4 Land-Use Planning

(2)用地预留

结合现有用地空间布局方案，在上述选址用地东侧规划预留3×104m2用地作为该设施预留控制用地。在其他的规划编制项目中，可考虑在沿河、地势低洼及污水干管沿线区域设置公园绿地或预留市政设施发展备用地，作为污水系统韧性发展的空间，以解决污水系统设施扩建难、污水干管负荷大等问题。

(3)充分利用现状市政设施用地

通过现状污水设施用地内部空间的挖潜，扩大污水设施处理规模或提升污水厂出水水质标准。区内南水水质净化厂、蛇口水质净化厂以及西丽再生水厂均通过厂内用地空间整合、处理工艺升级以及半地下式的建设方式等，解决设施扩建、水质提质等空间不足的问题。

(4)污水资源化利用

目前，污水系统的资源化利用成为发展的重要方向，例如，新加坡的“Tuas Nexus”系统将水处理设施与固废处理的设施设立在同一地点，充分利用水务、能源和废物处理3者间的协同关系，使厂区实现完全的能源自供，减少能源的浪费。“Tuas Nexus”系统使从废水中回收的能源增加1倍，并向电网输出更多电力(预计总电量可为多达300 000套4室公寓供电)，同时，使这两个设施的能源自给自足。目前，我国污水厂的污泥以外运填埋为主，浪费土地且有污染风险，在未来的污水厂升级改造中，可按照功能融合、用地集约、设施共享的规划理念，把不同市政基础设施与公共服务设施、交通设施等融合设置，全面提升市政基础设施服务水平。

3.2.2 管网韧性

南山区未来有4个重点发展片区及众多的城市更新单元规划改造，区内新增污水量较大且分配不均，对已建及规划污水管网影响和冲击较大。因此，规划针对现状管网存在的问题、新增污水量的分布情况以及管网实施方式，结合污水量增长分布、累积效应等方面提出本次管网规划的思路。

(1)问题管道修复及改造，完善污水管网

对于区内目前存在的问题管道、破损管道进行修复及改造，作为区内近期急需解决的重点工程，纳入区年度实施工程项目库。

(2)设置弹性系数，扩大管网设计容量，对重要干管进行复核

为了承接未预见污水量，污水管管径应留有余地，考虑到南山区作为高度建成区，污水管网系统已较完善，系数不宜取太大。主要原因如下：规划中考虑很多潜在的新增污水量需求，实施时间具有一定的不确定性，可能会导致污水量在相当长时间内无法达到设计规模，管道流速偏小，易形成沉积等问题，不利于管网正常运行；会影响现状管网排水能力评估的结果，导致不满足规划要求的管道越多，需改造的工程量太大。从近期工程可实施性及远景污水管网系统安全性考虑，本次规划确定管网弹性系数为1.2较合适，按管网上游规划污水总量乘以1.2的弹性系数进行区域污水管网复核，复核分布如图5所示。对重要干管进行复核时，重点考虑重点发展片区、大型城市更新片区下游的污水管网排水能力校核，对容量不满足要求的管道进行升级扩容或新增污水管道。对于按上述条件复核不满足弹性标准要求但能满足规划基本要求的现状污水干管，考虑现状管道改造、新建难度较大，规划予以保留现状管道不予升级改造。

图5 污水管网复核分布Fig.5 Recheck Distribution of Wastewater Pipelines Network

①对于新建道路或新建区域，通过新建污水管道、加大规划污水管管径或开展污水规划布局、调整污水分区等措施，解决污水管道容量不足问题。

②对上述复核管径容量不足的管道，在改造道路管位充足时，可采取平行敷设新管道的方式进行管道扩容；在管位紧张或不足时，为不影响现状污水管网的正常运行，结合临时措施进行原管位扩建，适用于小管径污水管道的扩建工程。

3.2.3 管理韧性

(1)水质净化厂间污水调配的联动(应急)方案

根据南山区地形条件、现状水质净化厂的分布情况，创新性地提出南山区水质净化厂间联动机制，实现水质净化厂间污水调配的联动(应急)方案，保证水质净化厂正常维修养护期间以及出现突发性事故时污水处理系统的运行安全[5]。以南山-福田污水调配方案为例，建立南山厂和福田厂的污水转移方案，提高系统韧性，如图6所示。

图6 污水应急调配管网规划Fig.6 Planning of Emergency Wastewater Pipelines Network Control

南山厂-福田厂污水调配方案：规划通过现状白石洲泵站调整红树湾片区污水至福田污水厂，属于永久调整，调整污水量约7.1万m3/d。另外，需扩建白石洲泵站至15万m3/d，应急时考虑利用泵站备用泵，可实现20万m3/d的处理规模。增加白石洲泵站至福田污水厂DN1400的污水压力管，结合白石路综合管廊建设工程实施。

福田厂-南山厂污水调配方案：规划保留原白石洲泵站提升至排海干渠的管道，利用白石洲泵站可调配污水7.0万m3/d，保留原凤塘泵站提升至排海干渠的2条DN1400污水压力管道，均可作为远期福田厂向南山厂应急调配污水的连接管。

(2)管道“体检”定期化

“埋在地下看不见”的市政管道(特别是排水管道)不可避免会被垃圾、杂质、污垢等沉淀物堵塞，或因土壤塌陷等外部因素影响导致管道错位，这些疑难杂症在现代高科技手段面前正逐步被攻克。目前,排水管道电视摄像检查和声纳检测技术已得到普遍使用，易形成排水管道的周期性检查制度，定期利用“地下机器人”开展排水管道巡检工作，对排水管道进行体检，3～5年为一个周期，可实行长效维护机制，排查清楚地下排水管网状况，把整治需求和工作量弄清楚[6]。从2009年开始，德国花费了近10亿欧元对54万km的排水管道进行可视体检，近85%排水管道已完成电视成像普查[7]。

(3)维护管养经常化

采取上述方式能有效实时发现排水管道存在的问题，准确判定管道破损、缺陷及其严重程度，对症下药，有针对性地制定管道养护与修理方案，开展管道清淤、定向维修破损和缺陷管段主动管养等举措，将事故消灭在萌芽状态，避免造成更大的人员和财产损失。

4 思考及展望

南山区城市建设标准高、发展速度快，其市政设施发展模式与建设经验对全国其他地方具有示范及指导意义。南山区污水系统面临的问题将是全国其他城市今后将要面对的系统问题。近年，按照规划已指导规划区内蛇口赤湾片区、白石路、沙河西路、沙河五村污水管网建设，新增污水管网长度达30 km。另外，规划提出新建的沙河地下水质净化厂正开展相关前期研究，下一步将适时推进建设。本文结合南山区污水系统布局规划的相关经验，提出污水设施在选址、预留，污水管网规划与设施以及运行机制等方面的韧性提升方案，以期为其他城市污水系统的规划、建设以及管理提供借鉴。在保证南山区韧性污水系统工作中将在以下领域开展工作。

(1)充分挖掘流域内水务设施潜能

从防洪与治污相协调的层面出发，科学制定调度规程，做到“两水平衡”。不断总结和积累调度经验，并根据南山区箱涵内水量、水质的变化不断更新、优化调度规程。对存在基流的实施“基流、初小雨、雨水”三水分离；无基流的实施“初小雨、雨水”分离，并优化排口入河方式，做到雨后不积水。

(2)全面推行排水管理进小区

小区、城中村排水管理工作移交水务集团，进行相关检测、测绘、清疏、修复改造等工作，从源头对排水户进行管控，切实提升南山区排水管网质量与成效。

(3)开展“污水零直排”创建行动

在排口溯源整治的基础上，推进“污水零直排”创建行动，推进水污染治理精细化、排水设施管理精细化，切实巩固提升南山区水环境治理成效。