劉智曉劉龍志|“雙碳”戰(zhàn)略下構(gòu)建面向未來氣候適應(yīng)型城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)

原創(chuàng) 劉智曉劉龍志中國給水排水 2024-04-13 06:58

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摘要：城市水安全是城市安全的基石和生命健康維系的基礎(chǔ)，排水系統(tǒng)是鏈接人類生命健康與水環(huán)境、清潔供水和生活排泄物最終去向的紐帶。在梳理排水系統(tǒng)發(fā)展歷史基礎(chǔ)上，分析了古代（基于水利用）、近代（衛(wèi)生驅(qū)動型）、現(xiàn)代（水質(zhì)與水量驅(qū)動型）三個不同歷史時期排水系統(tǒng)的特點，總結(jié)了污水生物處理階段性總體技術(shù)特征；針對全球氣候變暖導(dǎo)致的極端降雨日趨增多、“雙碳”戰(zhàn)略等外部環(huán)境的約束，分析了傳統(tǒng)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)，在此基礎(chǔ)上提出了構(gòu)建面向未來氣候適應(yīng)型可持續(xù)城市排水系統(tǒng)，以實現(xiàn)現(xiàn)代排水系統(tǒng)從水質(zhì)與水量型向氣候適應(yīng)型的轉(zhuǎn)變。同時分析了流域視角下氣候適應(yīng)型排水系統(tǒng)的“Safe & SuRe”準(zhǔn)則，介紹了以氣候變化模型模擬及預(yù)測為基礎(chǔ)的“降尺度”總體技術(shù)路線及理念，以及實現(xiàn)流域不同尺度上的技術(shù)及管控協(xié)同、資源源頭轉(zhuǎn)向能源化和資源化、智慧流域視角下實時控制系統(tǒng)等應(yīng)對策略及路徑。

劉智曉，工學(xué)博士，教授級高工，總工程師，研究方向為可持續(xù)排水系統(tǒng)構(gòu)建、高效低耗污水處理工藝技術(shù)開發(fā)與工程化應(yīng)用等。

城市水系統(tǒng)作為水的自然循環(huán)和社會循環(huán)在城市尺度耦合的重要載體，對其進(jìn)行優(yōu)化重構(gòu)是統(tǒng)籌水資源、水環(huán)境、水生態(tài)治理的核心抓手。近百年來，隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速，溫室氣體排放導(dǎo)致的全球變暖趨勢日趨明顯，并帶來顯著的氣候變化，尤其是進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，極端降雨事件頻發(fā)，給城市管理及排水系統(tǒng)安全帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和嚴(yán)重威脅。在“雙碳”戰(zhàn)略下，現(xiàn)階段和未來相當(dāng)長的時期，須從全生命周期角度統(tǒng)籌考慮極端降雨情境脅迫下城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)整體運行的可靠性、韌性與可持續(xù)性。因此，在規(guī)劃與設(shè)計理念方面，應(yīng)采用氣候適應(yīng)型排水系統(tǒng)，實現(xiàn)排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性優(yōu)化布局；在運行階段，采取實時調(diào)度及智慧運行管控，有效調(diào)控及處理處置雨季峰值流量，同時實現(xiàn)全過程綠色低碳，減少溫室氣體排放量，以確定性的工程技術(shù)措施來適應(yīng)和一定程度上“對沖”未來的不確定性。與此同時，在城鎮(zhèn)快速發(fā)展過程中流域內(nèi)水面率的縮減、河湖連通性的喪失以及城鎮(zhèn)污染物的大量集中排放，對水環(huán)境、水生態(tài)及生物多樣性造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響，城市水系統(tǒng)作為流域水循環(huán)的一個分支，近些年來研究者開始對流域管理以及傳統(tǒng)城市水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計與管理策略的系統(tǒng)性進(jìn)行反思。

為此，梳理不同歷史時期排水系統(tǒng)的發(fā)展歷程及特點，從不同尺度預(yù)測和評估當(dāng)今全球氣候環(huán)境、流域的變化特征，進(jìn)而識別、改進(jìn)和修正現(xiàn)狀排水系統(tǒng)，采取主動適應(yīng)型策略來應(yīng)對未來的不確定性，將具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。

城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)發(fā)展階段性技術(shù)特征

1. 1 古代排水系統(tǒng)：始于對水利用的初步認(rèn)知

取用健康、清潔的飲用水是人類衛(wèi)生和健康的基石，根據(jù)考古學(xué)的發(fā)現(xiàn)，在公元前4000 年—前2500年，位于今天伊拉克境內(nèi)美索不達(dá)米亞地區(qū)的一些城市街道上就已經(jīng)有了很多排水溝。在公元前3000 年左右希臘克里特島的米諾斯文明遺址和印度河流域的哈拉帕文明遺址中，都有完整的排水系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)。古代希臘第一個復(fù)雜的排水系統(tǒng)是由克里特島的米諾斯人在公元前 2500 年—前1650年建造的，如浴室和沖洗廁所從米諾斯時代就已開始使用。以目前的視角看，當(dāng)時的雨水和污水系統(tǒng)已經(jīng)具有了當(dāng)今合流制系統(tǒng)的技術(shù)特征。在蘇格蘭的一些村莊，考古學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了與米諾斯文明同時期完整的排水系統(tǒng)。

在我國，已發(fā)現(xiàn)的早期排水系統(tǒng)可以上溯到9000 年前。在河南南水北調(diào)干渠新鄭鄌遺址中發(fā)現(xiàn)了9000年前的排水系統(tǒng)，河南平糧臺遺址也發(fā)現(xiàn)了距今4000年左右的陶質(zhì)排水管道，這些排水管的管徑為20～30cm，主要用于排除雨水而非污水，這顯然與世界上其他新石器時代的排水系統(tǒng)不同。2000 多年前，《管子·度地》首先提出明渠水流和有壓管流運動規(guī)律及水躍現(xiàn)象。該文章根據(jù)當(dāng)時渠道引水的經(jīng)驗提出明渠的坡降理念，可滿足水流流動。

總結(jié)古代排水系統(tǒng)得到如下啟示：①古人已經(jīng)掌握對自然界潔凈水的取用及污水的有組織、有序排放；②古人具備了豎向規(guī)劃意識，通過利用自然地形實現(xiàn)雨水的快速排放。

1. 2 近代排水系統(tǒng)：衛(wèi)生學(xué)驅(qū)動

人類對排水系統(tǒng)的深刻認(rèn)知其實是始于19世紀(jì)全球肆虐的霍亂，倫敦先后發(fā)生 4 次霍亂疫情并造成約4萬人的死亡，1858年發(fā)生泰晤士河“大惡臭”（Great Stink或Big Stink）事件。為解決惡臭和衛(wèi)生學(xué)問題，倫敦市政府決定建設(shè)污水處理系統(tǒng)，由約瑟夫·巴扎爾蓋特（Joseph Bazalgette）爵士指導(dǎo)并設(shè)計了一個分布廣泛的下水道系統(tǒng)，通過截流干管將現(xiàn)有的市政排水系統(tǒng)相連接，并將排放口置于泰晤士河倫敦段南北岸的下游。1875年，倫敦主下水道全部竣工后，霍亂基本上消失。160年后的今天，倫敦依然在使用維多利亞時代的下水道系統(tǒng)。因此，人類對下水道系統(tǒng)帶來的衛(wèi)生學(xué)問題及生命健康的認(rèn)知催生了現(xiàn)代排水系統(tǒng)雛形的初步形成，排出人類的代謝產(chǎn)物一直以來是排水系統(tǒng)的重要功能。

1. 3 現(xiàn)代排水系統(tǒng)：水質(zhì)與水量驅(qū)動

隨著人類社會的快速發(fā)展、人口的快速聚集及城鎮(zhèn)化影響，污染物輸出總量及強度都是早期人類社會聚集體無法比擬的，這顯然帶來了愈發(fā)嚴(yán)重和持久的水環(huán)境污染問題，如水體黑臭、富營養(yǎng)化等。各種污水處理工藝技術(shù)得到開發(fā)和快速推廣應(yīng)用，以追求對排放污水中有機物和營養(yǎng)鹽（氮和磷）的高效或極限去除。雨水收集與排放在一些發(fā)達(dá)地區(qū)得到了快速發(fā)展，一些新的雨洪管理理念、技術(shù)手段及工程措施被提出并得到較為快速的開發(fā)與應(yīng)用。20世紀(jì)40年代—80年代，美國先后頒布和修訂了《聯(lián)邦水污染控制法案》《清潔水法案》《水質(zhì)法案》，提出了最佳雨洪管理措施（BMPs）；20世紀(jì)90年代，美國、英國和澳大利亞分別提出低影響開發(fā)理念（LID）、可持續(xù)水系統(tǒng)理念（SUDS）、水敏感城市設(shè)計（WSUD）等；新西蘭、德國在總結(jié)上述國家雨洪管理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，于21世紀(jì)初分別提出了低影響城市設(shè)計和開發(fā)（LIUDD）等。分析當(dāng)今排水系統(tǒng)的特點，可將其歸結(jié)為水環(huán)境驅(qū)動型，本質(zhì)上是水質(zhì)、水量的“雙驅(qū)動”模式。這種模式往往追求的是單元最優(yōu)而不是系統(tǒng)最優(yōu)，尤其是對于污水系統(tǒng)，因此現(xiàn)代城市排水系統(tǒng)面臨的主要問題是對生物多樣性保護、韌性設(shè)計及全過程碳排放等環(huán)節(jié)的考慮或重視不夠。近半個世紀(jì)以來，世界各國建設(shè)了大量污水處理廠，期望藉此來改善受納水體水環(huán)境與水生態(tài)，但是最近一些大尺度上的跟蹤性研究發(fā)現(xiàn)，基于水質(zhì)改善驅(qū)動的現(xiàn)代排水系統(tǒng)并未獲得符合理想預(yù)期的生態(tài)效應(yīng)，就是說這些大量投資建設(shè)的污水處理設(shè)施似乎并沒有起到預(yù)期的效果，Buttner 等對歐洲全域26500座污水廠進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)只有24%的污水廠其尾水水質(zhì)滿足生態(tài)閾值，42%的河流保了良好的生態(tài)狀態(tài)，研究建議改進(jìn)傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計及管理策略。在《歐盟水資源框架指令》約束下，歐洲大部分國家自 20世紀(jì) 80年代起逐步采取了包括強化污水處理等環(huán)保措施，但是最近發(fā)表在 Nature的論文研究結(jié)果卻與初衷相悖：Haase 等于1968年—2020年采集了歐洲近27000個河流樣本，對淡水生物多樣性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)包括無脊椎動物數(shù)量、無脊椎物種多樣性等關(guān)鍵指標(biāo)的增長速率在21世紀(jì)尤其是2010年后呈現(xiàn)了下滑跡象，其中在某些特定年份甚至還出現(xiàn)了負(fù)增長，這表明歐洲近些年來在改善淡水生態(tài)方面所采取的一系列生態(tài)環(huán)保措施的邊際效益正在減少。

污水處理技術(shù)發(fā)展階段性技術(shù)特征

污染物的收集與處理永遠(yuǎn)是不同歷史時期排水系統(tǒng)的基本功能，兩者既“密不可分”又“矛盾不斷”�；仡櫸鬯幚砑夹g(shù)發(fā)展歷程，與收集系統(tǒng)的發(fā)展相比，污水處理工藝技術(shù)發(fā)展階段性技術(shù)特征更明顯、構(gòu)型更加豐富、工藝更多元化，技術(shù)迭代也更快。排水系統(tǒng)不同歷史時期的發(fā)展，也是衛(wèi)生系統(tǒng)及污水管網(wǎng)技術(shù)與處理工藝的發(fā)展史，同步呈現(xiàn)了科學(xué)家們對污水處理過程新現(xiàn)象發(fā)掘和背后技術(shù)規(guī)律的不斷揭示與探索史。回顧污水處理工藝技術(shù)的百余年發(fā)展歷史，污水處理技術(shù)大致可劃分為四個階段，即活性污泥工藝誕生之前采用土壤過濾或滴濾池工藝階段、活性污泥發(fā)展初期以耗氧有機物為去除目標(biāo)的階段、延續(xù)至今的污水生物脫氮除磷技術(shù)快速發(fā)展階段，以及近10年來以經(jīng)濟、高效與可持續(xù)為基本特征的革新性污水生化處理工藝持續(xù)開發(fā)與應(yīng)用階段，不同階段標(biāo)志性處理工藝的發(fā)明或提出及國內(nèi)外污水處理一些重要里程碑式事件按時間軸展示于圖1。

圖1 污水生物處理技術(shù)發(fā)展歷程

總結(jié)污水處理基本發(fā)展歷程，不難看出，污水處理技術(shù)發(fā)展的本質(zhì)驅(qū)動力是源于人類對當(dāng)時環(huán)境衛(wèi)生條件及水環(huán)境改善的方向性需求，任何一種污水處理技術(shù)的改進(jìn)和突破無一不是對污水處理過程中偶然發(fā)現(xiàn)的特殊現(xiàn)象背后技術(shù)原理的不斷揭示和技術(shù)持續(xù)迭代過程，不同構(gòu)型工藝的開發(fā)與迭代則是契合于當(dāng)時的水質(zhì)改善需求及具體水質(zhì)目標(biāo)，尤其是近 50 年來，污水處理工藝主要從最初的BOD去除向營養(yǎng)鹽強化和深度去除方向發(fā)展，即：有機污染物降解→BNR→EBNR→LOT 標(biāo)準(zhǔn)（N、P 的極限去除）→新污染物，其間反應(yīng)器動力學(xué)發(fā)展、分子衛(wèi)生學(xué)對微生物種群結(jié)構(gòu)的解析技術(shù)進(jìn)一步促進(jìn)了不同類型生化工藝的快速發(fā)展，技術(shù)發(fā)展過程伴隨工藝集約、綠色低碳等維度上的探索和追求。

全球升溫脅迫下排水系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

3. 1 極端降雨事件增多對排水系統(tǒng)安全構(gòu)成威脅

全球變暖將會加劇水的自然循環(huán)過程，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告（AR6）指出全球平均表面氣溫上升在未來20年內(nèi)將達(dá)到或超過1. 5℃，全球變暖趨勢顯著，這意味著全球極端干旱或者極端降雨事件都會相應(yīng)增加，海平面也會上升；在未來人類社會溫室氣體排放持續(xù)增加情景（SSP585情景）下，到21世紀(jì)末，全球范圍內(nèi)百年一遇的日極端降雨強度可能增加 13.5%~38.3%。研究顯示，當(dāng)前百年一遇的洪水位到21世紀(jì)中葉（2030年—2050年）將變?yōu)?/span>9年洪水位，到21世紀(jì)后期（2080年—2100年）將變?yōu)?/span>1年洪水位。

基于IPCC和一些權(quán)威機構(gòu)的研究結(jié)論，過去對極端降水事件的認(rèn)識需要更新和調(diào)整，百年一遇洪水將成為新常態(tài)，這顯然對當(dāng)下及未來城鎮(zhèn)水系統(tǒng)及城市安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，主要表現(xiàn)在：①極端降雨事件頻發(fā)及降雨強度增加造成的流域性洪澇災(zāi)害會愈加頻發(fā)，對社會和生態(tài)環(huán)境的破壞力持續(xù)增強；②由于既有排水系統(tǒng)按照多年前的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及降雨條件設(shè)計，能力上也無法應(yīng)對“超標(biāo)”降雨；洪澇疊加，“因洪致澇”和“因澇致洪”兩種情況都可能成為新常態(tài)，不確定性的極端降雨事件將成為城市排水系統(tǒng)安全的最大威脅。為此，亟需大幅提升傳統(tǒng)排水系統(tǒng)能力并采取綜合、適應(yīng)型對策，甚至整個城市水系統(tǒng)的規(guī)劃、工程技術(shù)基礎(chǔ)，如暴雨強度公式、設(shè)計重現(xiàn)期、設(shè)計降雨強度、設(shè)計洪水位等邊界條件都需要“重置”和加快更新、修訂頻率。

3. 2 城市代謝產(chǎn)物收集與處理的不可持續(xù)性

以沖水馬桶、城市下水道和末端污水處理廠組成的集中式排水系統(tǒng)經(jīng)歷一個半世紀(jì)的沿襲和發(fā)展，已成為當(dāng)今世界各國應(yīng)對城市居民代謝產(chǎn)物的主導(dǎo)和主流模式。從食物鏈的物質(zhì)流動軌跡看，沖水馬桶是自然界營養(yǎng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化鏈條“土壤→食物→人體→馬桶→排水系統(tǒng)→水環(huán)境”中轉(zhuǎn)移釋放的關(guān)鍵一環(huán)，是營養(yǎng)元素實現(xiàn)從固相向水相跨越的關(guān)鍵節(jié)點。在全球氣溫升高、“雙碳”戰(zhàn)略及水體富營養(yǎng)化大背景下，這種傳統(tǒng)的污染物收集處理路徑凸顯了環(huán)境負(fù)效應(yīng)，主要原因：①該物質(zhì)流動鏈條加速了最初源于土壤的各類元素及營養(yǎng)物質(zhì)向自然水體及海洋的單向流動及釋放，物質(zhì)回歸農(nóng)田的循環(huán)路徑被人為截斷；②營養(yǎng)物質(zhì)在化糞池、管網(wǎng)等收集環(huán)節(jié)通過厭氧或缺氧過程產(chǎn)生并排放了大量溫室氣體，同時由于收集系統(tǒng)的欠缺及管網(wǎng)過程泄漏加劇了污染物質(zhì)向水體的釋放過程，并導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化等一系列水質(zhì)和水環(huán)境問題；③為了改善環(huán)境不得不通過“以能消能”方式在末端通過污水處理對這些營養(yǎng)物進(jìn)行氧化和降解及處置，其代價是大量能源和藥劑的消耗。

總體上看，污染物“源頭收集、排放→過程收集轉(zhuǎn)輸→末端處理→排放→受納水體”長鏈條造成了高能耗、高物耗、高碳排，環(huán)境代價與社會成本高昂，不可持續(xù)的弊端日益凸顯，且目前總體趨勢還在加劇。研究顯示，2021年，我國排水環(huán)節(jié)的碳排放平均強度比2009年上升了78.6%，這期間恰恰是我國各地污水廠大面積實施高排放標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行提標(biāo)改造的鼎盛時期，高排放標(biāo)準(zhǔn)的實施與高碳排呈現(xiàn)了正相關(guān)。因此，從城市代謝產(chǎn)物價值資源及元素綠色循環(huán)、全鏈條碳排放（GHG）控制這兩個層面上來說，傳統(tǒng)排水系統(tǒng)亟需系統(tǒng)性改造甚至重構(gòu)。

3. 3 排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性、匹配性及峰值流量管理

經(jīng)過30年的快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程，我國城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)也得到了快速發(fā)展，尤其是近20年以來，在城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的升級和各地高排放標(biāo)準(zhǔn)（地表水“準(zhǔn)Ⅳ”“準(zhǔn)Ⅲ”）陸續(xù)出臺的引導(dǎo)下，各地經(jīng)過多期、多輪污水廠的提標(biāo)改造，城鎮(zhèn)污水處理能力已基本滿足當(dāng)?shù)厣罴吧a(chǎn)過程污染物排放負(fù)荷的承接、處理及相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)需求，繼續(xù)提高污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)對水環(huán)境改善的邊際收益已明顯降低。同時，大量的社會資源沉淀于末端污水廠的建設(shè)和提標(biāo)改造，不可避免地造成了排水管網(wǎng)的歷史欠賬，其系統(tǒng)性、結(jié)構(gòu)性問題成為影響我國城鎮(zhèn)水環(huán)境質(zhì)量改善的主要制約因素。前述分析表明，過往污水處理工藝技術(shù)的發(fā)展主要是基于污染物的高效去除，無論是工藝設(shè)計還是運行環(huán)節(jié)，可以說是基于水量穩(wěn)定狀態(tài)下的一種穩(wěn)態(tài)運行模式。但是面對未來暴雨及極端性降雨天氣顯著增多的情況，只針對實現(xiàn)污染物高效去除這單一維度，顯然不能適應(yīng)未來新場景及新挑戰(zhàn)。雨季尤其是極端降雨事件對污水處理單元的影響體現(xiàn)在進(jìn)水水質(zhì)特性的顯著變化及峰值流量對活性污泥生化工藝的沖擊，即水質(zhì)與水量兩個維度，其次是廠區(qū)設(shè)施設(shè)備的安全性。在規(guī)劃設(shè)計階段，傳統(tǒng)污水處理工藝難以靈活應(yīng)對氣候變化尤其在大雨或暴雨情境下，處理單元在峰值流量承接、調(diào)控和處理方面缺乏系統(tǒng)性、整體性考慮。污水處理廠作為排水系統(tǒng)末端“兜底”環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)活性污泥工藝受二沉池MLSS固體通量的影響，雨季提升水力負(fù)荷容易導(dǎo)致二沉池污泥溢出的問題，因此傳統(tǒng)活性污泥工藝設(shè)計方法無法應(yīng)對峰值流量的處理，這會導(dǎo)致污水廠處理能力與排水管網(wǎng)收集能力不匹配，尤其是對于一些采用較大截流倍數(shù)的合流制系統(tǒng)，雨季污水廠可承接的水力負(fù)荷無法與管網(wǎng)截流能力相匹配，這是雨季排水管網(wǎng)CSO問題、城市水體和受納水體黑臭以及雨后快速“返臭”的關(guān)鍵原因之一。歐美發(fā)達(dá)國家往往在政策和標(biāo)準(zhǔn)制定上鼓勵污水廠雨季多處理峰值流量在最大程度發(fā)揮二級生化處理能力的同時，多余流量采用旁路處理（見圖2）。因此，處理單元的韌性設(shè)計尤其是整個排水系統(tǒng)的峰值流量管控，是未來應(yīng)對氣候變化條件下應(yīng)該重點要考慮的問題。

圖2 城鎮(zhèn)污水系統(tǒng)流量匹配性原理及峰值流量限制因素

構(gòu)建氣候適應(yīng)型城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)的新思考

4. 1 排水系統(tǒng)“Safe & SuRe”準(zhǔn)則

從現(xiàn)階段和未來相當(dāng)長的歷時周期來看，城鎮(zhèn) 排水系統(tǒng)首要功能是確保汛期城鎮(zhèn)水系統(tǒng)尤其是排水系統(tǒng)安全與可靠，這是排水系統(tǒng)實現(xiàn)其他功能目標(biāo)的基礎(chǔ)和前提，即排水系統(tǒng)的基本特征要滿足 “安全&可靠與可持續(xù)”（Safe & SuRe）準(zhǔn)則（見圖3）；其次，實現(xiàn)從過去對水質(zhì)、水量為主要目標(biāo)的雙要素約束向全要素、全流程提升排水系統(tǒng)安全性、韌性與可持續(xù)性方向的轉(zhuǎn)變，從多個維度系統(tǒng)構(gòu)建氣候適應(yīng)型面向未來的可持續(xù)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)，實現(xiàn) 從傳統(tǒng)被動承受與被動承接向主動調(diào)整與主動應(yīng) 對策略的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)變（見圖4）。

圖3 城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)安全、可靠、韌性與可持續(xù)基本規(guī)則

圖4 傳統(tǒng)排水系統(tǒng)與氣候適應(yīng)型排水系統(tǒng)的功能定位和基本特征

4. 2 “降尺度”理念與方法的實施

基于前述分析，未來不確定性及極端降雨事件（強度和歷時）頻發(fā)正在成為新常態(tài)，氣候變化因素已經(jīng)成為威脅城鎮(zhèn)水系統(tǒng)安全的首要因素。近些年來，極端降雨頻發(fā)給一些城鎮(zhèn)造成了嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，原因主要在于：城市防洪排澇工程體系不健全，且城市治澇與城市所在區(qū)域防洪體系統(tǒng)籌協(xié)同不足，過度依賴管網(wǎng)排放，在源頭減排、過程蓄存、超標(biāo)應(yīng)急方面能力薄弱，管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低；城市發(fā)展進(jìn)程中對自然生態(tài)系統(tǒng)保護不足，大量河湖、坑塘、濕地等藍(lán)綠空間被侵占，水面率大幅縮減，城市下墊面過度硬化，造成城市自然蓄排能力嚴(yán)重下降。以上諸多因素本質(zhì)上是傳統(tǒng)排水系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)情景或靜態(tài)設(shè)定條件規(guī)劃與設(shè)計而產(chǎn)生的，缺乏“氣候變化→流域→城市→排水系統(tǒng)→排水分區(qū)”總體技術(shù)路線的系統(tǒng)性思維、方案比選與論證，沒有充分考慮氣候變化影響下流域尺度水文條件的變化對排水系統(tǒng)的影響。

因此，應(yīng)構(gòu)建面向未來的氣候適應(yīng)型可持續(xù)排水系統(tǒng)，使得氣候變化尤其是暴雨和極端降雨成為未來城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計及運行調(diào)控的重要驅(qū)動因素。充分認(rèn)識城市水系統(tǒng)只是大自然水循環(huán)系統(tǒng)的一個分支和旁路，基于流域尺度統(tǒng)籌，實現(xiàn)城市間防洪除險與排水排澇的流域協(xié)同，是未來城鎮(zhèn)豎向規(guī)劃、排水系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計及存量排水設(shè)施提升與改造的基礎(chǔ)和邊界條件。同時，該系統(tǒng)構(gòu)建過程中應(yīng)遵循“降尺度”方法及相應(yīng)的總體技術(shù)路線，旨在實現(xiàn)從全球氣候變化模型→區(qū)域氣候模型→流域水文模型與預(yù)測→城市降雨及水文變化預(yù)測→排水系統(tǒng)防洪排澇模型的逐級降尺度模型預(yù)測，構(gòu)建從氣候變化壓力傳導(dǎo)到城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)快速響應(yīng)以及后續(xù)適應(yīng)型策略和機制的建立（見圖5），新排水基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃和設(shè)計應(yīng)考慮未來可能發(fā)生的氣候變化，尤其是系統(tǒng)考慮極端降雨對整個排水系統(tǒng)的影響，以確保在整個資產(chǎn)設(shè)計壽命期內(nèi)提供所需的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。“降尺度”方法有助于不同專業(yè)之間實現(xiàn)主動和高效協(xié)同，以及城市規(guī)劃、城市防洪與排水防澇系統(tǒng)設(shè)計及運行人員確立共同的氣候及水文基礎(chǔ)條件，這也是韌性城市理念下韌性水系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。

圖5 氣候驅(qū)動型排水系統(tǒng)的理念與技術(shù)路線

（“降尺度”方法）

4. 3 排水系統(tǒng)綠色低碳理念下的技術(shù)變革

4.3.1 探索營養(yǎng)物質(zhì)源頭分離及資源化轉(zhuǎn)向

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)凸顯了在可持續(xù)性方面的先天不足，而這一不足在我國尤為突出。我國城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)從源頭小區(qū)到城區(qū)，普遍總體效能較差，管道病害多，外水比例過高，很多城市污水廠實際進(jìn)水“清污比”（外來入侵清水量/管網(wǎng)收集污水量）超過 100%。主要原因可能是小區(qū)內(nèi)管網(wǎng)流速過低導(dǎo)致污染物沉積，調(diào)研的很多小區(qū)內(nèi)排水管網(wǎng)流速甚至低于0.1m/s，從建筑物排水立管至小區(qū)總出水COD濃度已衰減1/2~3/4，即小區(qū)內(nèi)部管網(wǎng)已經(jīng)形成了“沉淀池效應(yīng)”；其次，城區(qū)管網(wǎng)高水位運行導(dǎo)致流速較低（0.1~0.3m/s），引發(fā)污染物二次沉積。上述“兩次沉積”過程導(dǎo)致城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活過程實際排放的污染物收集率較低，排出的越多，沉積、過程漏失或在線降解貢獻(xiàn)率也越高。據(jù)研究，國內(nèi)很多城市生產(chǎn)生活過程中產(chǎn)生的COD 實際上只有20%～40% 被輸送到污水廠進(jìn)行末端處理，其余大量污染物中途泄漏、沉積或以CSO/SSO形式溢流至受納水體導(dǎo)致水體黑臭，這些污染物最終去向大部分以GHG 釋放。近年來，隨著政府相關(guān)政策文件的出臺，各個城市開展了以破損管網(wǎng)修復(fù)、“管網(wǎng)擠外水”、消除管網(wǎng)空白區(qū)為主的排水系統(tǒng)提質(zhì)增效工作。然而，大量城市實踐表明，要實現(xiàn)排水系統(tǒng)效能的大幅提升絕非易事，周期長且投資巨大，與污水廠提標(biāo)改造類似，在解決完空白區(qū)的管網(wǎng)建設(shè)和存量管網(wǎng)雨污混接、地表水倒灌等主要問題后，繼續(xù)對管網(wǎng)系統(tǒng)開展改造也存在邊際效益遞減的問題。

在國家“雙碳”戰(zhàn)略及城市高質(zhì)量、韌性、低碳、綠色發(fā)展理念引領(lǐng)下，應(yīng)盡快改善現(xiàn)有排水系統(tǒng)“高碳排、高能耗、高藥耗”局面，一方面針對既有排水系統(tǒng)的提質(zhì)增效和低碳改造工作需要持續(xù)不懈的推進(jìn)，同時有必要針對傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的“先天不足”提出新的改進(jìn)或革新思路。基于此，提出“雙碳”視角下城鎮(zhèn)代謝物質(zhì)流重構(gòu)理念與技術(shù)路線，具備條件的地區(qū)或新建城區(qū)可探索污水系統(tǒng)“污染物”源頭分離，實現(xiàn)碳、氮、磷等價值元素的源頭資源轉(zhuǎn)向（見圖6），城鎮(zhèn)代謝過程中產(chǎn)生的有機質(zhì)，包括黑水、廚余垃圾和灰水在用戶內(nèi)部實現(xiàn)分離，黑水和粉碎后的廚余垃圾通過負(fù)壓收集或壓力管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)輸，可與其他有機廢物等城市代謝物一同進(jìn)入有機質(zhì)協(xié)同資源化中心進(jìn)行資源化和能源化，對這些本應(yīng)進(jìn)入城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)系統(tǒng)的價值元素或物質(zhì)在用戶源頭實現(xiàn)了路徑切換，進(jìn)入城市代謝產(chǎn)物價值元素資源化鏈條，這樣可有效解決傳統(tǒng)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)高能耗、高碳排的先天不足，這條技術(shù)路徑也可以為未來綠色低碳城市的構(gòu)建提供可靠和穩(wěn)定的資源和能量基礎(chǔ)，并賦予未來城市發(fā)展更廣的維度和更豐富的想象力。

圖6 城市代謝資源源頭轉(zhuǎn)向示意

4.3.2 污水生物處理高效低碳工藝的選擇

在氣候變化驅(qū)動下，作為排水系統(tǒng)末端關(guān)鍵“兜底”單元——污水處理工藝技術(shù)路線的選擇與確定直接決定了其工程造價、運行成本及碳排放水平。近 20～30 年來，污水生化處理工藝快速發(fā)展，新現(xiàn)象、新機理、新的微生物及生化代謝途徑被不斷揭示和發(fā)現(xiàn)，新的微生物附著方式和反應(yīng)器形式及構(gòu)型被開發(fā)和示范。從技術(shù)成熟度及工程應(yīng)用案例等方面對不同技術(shù)發(fā)展階段的污水生化處理工藝進(jìn)行“S”曲線定位，見圖7。

圖7 污水生化處理技術(shù)發(fā)展成熟度及代際劃分“S”曲線

需要進(jìn)一步指出的是，近10年來，新工藝、新技術(shù)如好氧顆粒污泥（AGS）、短程反硝化耦合厭氧氨氧化（PdNA）、致密活性污泥（DAS）、MABR、S2EBPR、強化內(nèi)碳源反硝化等快速發(fā)展，工程應(yīng)用近幾年也在加速，尤其是國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的集約、高效及低碳源依賴型生化工藝得到快速應(yīng)用，如 SSH/ARP 工藝、RPIR、硫自養(yǎng)反硝化濾池、AOA等工藝，上述創(chuàng)新性技術(shù)實踐為“雙碳”背景下行業(yè)構(gòu)建氣候適應(yīng)型排水系統(tǒng)提供了更加適應(yīng)我國獨特水質(zhì)特征多元化選擇。

革新性處理工藝無疑在高效低耗、集約化方面具有技術(shù)優(yōu)勢，但是個別新工藝是否低碳目前尚存爭議。一些自養(yǎng)脫氮技術(shù)的確能節(jié)約部分外加碳源，但是生化代謝過程的中間代謝產(chǎn)物（如 N₂O 等）導(dǎo)致的GHG 排放可能會抵消其在節(jié)省碳源方面的優(yōu)勢，這值得關(guān)注和未來進(jìn)一步深入研究。對于現(xiàn)有存量設(shè)施，成熟工藝具有豐富案例與設(shè)計及運營經(jīng)驗，但是存在高能耗、高物耗、占地面積大等缺陷。為了克服這些不足并減少改造投資，基于傳統(tǒng)工藝的“微改造”，尤其是對于存量設(shè)施的“提質(zhì)增效”，通過一些革新性工藝的植入，可實現(xiàn)低能耗、低藥耗下的強化脫氮除磷。例如，DAS工藝可有效改善污泥沉淀性能并加速污泥顆�；瘧�(yīng)用進(jìn)而提升生化單元的峰值流量處理能力；S2EBPR 可利用活性污泥水解深度厭氧環(huán)境培養(yǎng)富集發(fā)酵類 PAOs進(jìn)而實現(xiàn)對低 C/N 比污水的強化脫氮除磷。此外，ARP/S2EBPR工藝結(jié)合吸附-再生、分點進(jìn)水與側(cè)流活性污泥發(fā)酵等技術(shù)優(yōu)勢，通過旱季與雨季兩種運行模式的切換，一方面雨季通過轉(zhuǎn)移一部分生化池污泥至旁路側(cè)流池存儲并完成通過EPS吸附和胞內(nèi)吸收污染物的降解，另一方面通過降低主生化池的MLSS 濃度進(jìn)而有效提升生化單元的峰值流量；旱季按污泥發(fā)酵模式運行以強化除磷脫氮。上述技術(shù)可實現(xiàn)對存量設(shè)施低擾動情況下系統(tǒng)總體性能的提升。此外，隨著污水處理過程儀表、控制及自動化（ICA）技術(shù)的快速發(fā)展，ICA技術(shù)尤其是生化過程智能控制技術(shù)如 ABAC（Ammonia‑Based AerationControl）、AvN®（Ammonia vs. NOx）等曝氣控制與不同污水處理技術(shù)的組合，形成了未來氣候驅(qū)動背景下“靈活韌性、綠色低碳、高效集約、生態(tài)智慧”理念的選擇。

4. 4 城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)從灰色到綠色、智慧流域的躍遷

4.4.1 從灰色設(shè)施至綠色流域

基于前述分析，現(xiàn)代排水系統(tǒng)經(jīng)過百余年的發(fā)展，目前傳統(tǒng)模式帶來的邊際環(huán)境及生態(tài)效益可能已經(jīng)達(dá)到了“生態(tài)臨界閾值”，未來未必能如期待的那樣繼續(xù)改善和提升受納水體水質(zhì)、水生態(tài)及生物多樣性，甚至可能事倍功半。換言之，即便污水經(jīng)過了較為完善的處理過程，“高排放標(biāo)準(zhǔn)出水”也未必是“生態(tài)水”。當(dāng)然，這并不是在否定傳統(tǒng)排水系統(tǒng)在城市衛(wèi)生系統(tǒng)、消除和控制病原微生物的傳播、改善水環(huán)境方面所起的重要作用。但是，在未來低碳及可持續(xù)發(fā)展成為必然需求的情況下，加之近年來極端性天氣的增多，辯證、理性分析傳統(tǒng)污水系統(tǒng)“用戶→收集→處理→排放”及雨水系統(tǒng)“源頭-中途-末端”的總體技術(shù)路線，系統(tǒng)識別當(dāng)今排水系統(tǒng)的脆弱環(huán)節(jié)及面臨的系統(tǒng)性挑戰(zhàn)，進(jìn)而提出適應(yīng)型的解決策略和總體改進(jìn)與提升甚至是重構(gòu)性方案，這在未來氣候適應(yīng)型城市構(gòu)建中顯得尤為迫切。灰色基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)注的是水量、水質(zhì)滿足城市尺度上的需求，而綠色流域是基于流域視角下的生態(tài)服務(wù)、營養(yǎng)物結(jié)構(gòu)、物質(zhì)循環(huán)、生物多樣性及能量和信息的流動。目前，最為急迫的是，從流域統(tǒng)籌角度科學(xué)規(guī)劃和系統(tǒng)管控市政點源污染排放，農(nóng)業(yè)點源及面源污染的合理、有序排放，這是在尺度和空間上如何從傳統(tǒng)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)到綠色流域?qū)崿F(xiàn)躍遷、尚未打通的灰色通道。

4. 4. 2 從智慧排水到智慧流域

前已述及，全球范圍內(nèi)不確定性天氣未來已經(jīng)成為確定性的常態(tài)，極端降雨頻發(fā)，在降雨“強度歷時-頻率”各個維度上都將超過人類歷史上任何一個時期，過去按低標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的排水系統(tǒng)已經(jīng)無法應(yīng)對超標(biāo)降雨；另一方面，國內(nèi)大部分城市前期對排水系統(tǒng)缺乏多目標(biāo)統(tǒng)籌的系統(tǒng)性規(guī)劃，對“源網(wǎng)-站（池）-廠-河”各要素、各設(shè)施間的匹配性和協(xié)同性考慮不足，導(dǎo)致大量已建工程設(shè)施功能離散和碎片化問題突出，且普遍缺乏有效的區(qū)域級、城市級實時控制系統(tǒng)（RTC），各設(shè)施間不能實現(xiàn)高效、快速地聯(lián)動，整個系統(tǒng)不能有效發(fā)揮預(yù)期作用和實現(xiàn)預(yù)定功能。在未來極端降雨事件增多且水環(huán)境質(zhì)量改善日益提升的雙重約束下，依靠單個設(shè)施的規(guī)則控制和經(jīng)驗的人工調(diào)度顯然已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)多目標(biāo)協(xié)同和高效運行的基本需求。

極端天氣脅迫下的城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)基礎(chǔ)功能和首要需求是確保城市排水系統(tǒng)的可靠性與韌性。在流域超標(biāo)降雨脅迫下，城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)往往面臨“洪”與“澇”的雙重威脅，尤其是極端降雨下過境洪水對城區(qū)的直接威脅和排水系統(tǒng)外排的“頂托”作用，單一城市尺度上往往不能快速響應(yīng)來自“洪”與“澇”的雙重壓力。近些年來，雖然各地依托海綿城市建設(shè)了為數(shù)不少的綠色基礎(chǔ)設(shè)施（GSI），對削減城市徑流總量和峰值流量起到了重要作用，但是有研究表明，在應(yīng)對不同氣候變化情景（RCP4. 5 和RCP8. 5）條件下，相比 GSI，RTC 在控制洪澇方面更有優(yōu)勢和韌性；在應(yīng)對10年重現(xiàn)期暴雨方面，GSI在提升排水系統(tǒng)性能和恢復(fù)能力方面不如RTC。為此，在流域尺度上應(yīng)對未來極端降雨采取的適應(yīng)型策略方面，需要流域內(nèi)不同城市之間的高效協(xié)同與系統(tǒng)調(diào)度，以實現(xiàn)流域內(nèi)水系湖泊河流、蓄滯空間、行洪通道和市政灰色基礎(chǔ)設(shè)施在時間和空間的利用和分配上的能力匹配及高度協(xié)同。因此，需要基于流域尺度，對前述不同尺度上的設(shè)施進(jìn)行智慧雨洪管控，城區(qū)排水系統(tǒng)采用RTC實現(xiàn)功能上的聯(lián)調(diào)聯(lián)控，也就是城市排水防澇要著眼于流域尺度上構(gòu)建實時控制調(diào)度系統(tǒng)，做到流域尺度上洪峰協(xié)同調(diào)度管控、城區(qū)末端外排水有序、內(nèi)澇治理及管網(wǎng)溢流控制精確可控，按“降尺度”方法分級、分層、分步規(guī)劃建設(shè)模型模擬與綜合實時控制平臺，實現(xiàn)流域級RTC、城市級排水系統(tǒng)RTC、廠級分布式的DRTC及單元級RTC的實時預(yù)測、系統(tǒng)調(diào)度，最終實現(xiàn)智慧流域（Smart Watershed），見圖8。

圖8 氣候適應(yīng)性策略下智慧流域?qū)崟r控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能

結(jié)語

城市水安全是城市安全的基石和生命健康維系的基礎(chǔ)，在全球氣候變暖導(dǎo)致的極端降雨日趨增多、“雙碳”戰(zhàn)略等外部環(huán)境約束下，傳統(tǒng)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)總體脆弱特征及全過程高耗能、高碳排模式已經(jīng)不可持續(xù)，構(gòu)建面向未來氣候適應(yīng)型可持續(xù)城市排水系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)代排水系統(tǒng)從水質(zhì)水量驅(qū)動型向氣候適應(yīng)型系統(tǒng)的功能轉(zhuǎn)變已經(jīng)成為未來實現(xiàn)全社會可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，也是未來韌性城市構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與此同時，調(diào)整與切換傳統(tǒng)市政排水專業(yè)單一維度視角，從流域尺度視角統(tǒng)籌實現(xiàn)城市生態(tài)水文與傳統(tǒng)市政排水系統(tǒng)的協(xié)同構(gòu)建，氣候適應(yīng)型排水系統(tǒng)“降尺度”總體技術(shù)路線及理念將成為未來城鎮(zhèn)可持續(xù)排水系統(tǒng)規(guī)劃的基本方法，同時探索和實現(xiàn)流域不同尺度上的技術(shù)及管控協(xié)同、資源源頭轉(zhuǎn)向能源化和資源化、智慧流域視角下RTC 實時控制系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)對策略及氣候適應(yīng)性路徑。

本文的完整版刊登在《中國給水排水》2024年第8期，作者及單位如下：

“雙碳”戰(zhàn)略下構(gòu)建面向未來氣候適應(yīng)型城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)

劉智曉¹，劉龍志^2,3

（1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300381；2.清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100084；3. 長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司，湖北武漢 430014）

參考文獻(xiàn)引用的標(biāo)準(zhǔn)著錄格式：

劉智曉，劉龍志. “雙碳”戰(zhàn)略下構(gòu)建面向未來氣候適應(yīng)型城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)[J].中國給水排水，2024,40（8）:1-10.

LIU Zhixiao，LIU Longzhi.Construction of future climate adaptable urban drainage system under the “dual carbon” strategy [J].China water & wastewater，2024,40（8）:1-10（in Chinese）.

編輯：丁彩娟

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