给水排水雄安模式：新型城市水系统构建研究

随着城市化进程的发展，城市人口和经济不断集聚，同时水资源短缺、水环境污染、内涝及水生态恶化等问题越来越严峻，在应对日益复杂水问题的实践中，人们对城市水系统的认识不断深入，不断取得阶段性的新进展。基于认识的深入和理念的变革，不同的城市水系统构建模式被提出，也将带来解决问题的整体思路、总体目标以及规划建设方案策略的变革。

为应对城市面临的复杂水问题，许多城市、特别是新城新区结合各自特点开展了新型城市水系统构建的建设实践，如天津生态城，主要针对水资源紧缺和水环境亟待改善的问题，重点提出了再生水回用、雨水源头利用与调蓄以及保持原有湿地、开发建设过程中湿地零损失等对策措施，基于涉水设施全统筹提出了城市水系统构建的天津生态城模式（见图1）。

图1 天津生态城的城市水系统构建模式示意

雄安新区城市水系统的建设面临着多重水约束：水资源短缺、城市供水主要依赖外调水；地势低洼、洪涝风险突出；入淀河流水质长期处于劣Ⅴ类，下游白洋淀生态系统退化严重；同时随着人类活动对自然影响日益深刻，新区未来发展还面临着气候变化、急性冲击等诸多不确定影响因素，这些都对城市水系统的构建提出了更高的要求和新的挑战。

基于城市水系统最新理念和国内外案例借鉴，在充分认识城市供排水系统性及维持自然水循环重要意义的基础上，课题打破了传统供水与排水专业分割、工程主导的模式（见图2），深化和拓展了自然循环与社会循环耦合形成城市水系统的理念雏形（见图3和图4），构建了双循环结构的新型城市水系统模式，即城市水系统是自然水循环和社会水循环耦合的复杂系统（见图5和图6），前者以“降水-入渗-产汇流（径流）-蒸发（运移）”为基本过程，后者以“取水-供水-用水-排水”为主要过程；城市水系统是由多要素组成的、有序排列的有机整体。

图2 传统的供排水工程体系组成示意

图3 自然与社会循环耦合的城市水系统模式示意

图4 城市水系统组成结构

图5 新型城市水系统模式示意

图6 新型城市水系统的组成结构

结构稳定是系统实现多样化功能的基础，在实现健康自然水循环的基础上，系统才能充分发挥出水资源供给、水环境治理、洪涝安全排除、生态产品服务、景观文化等多样化功能。

对比不同城市水系统的模式图，雄安新区新型城市水系统模式具有以下特点：

• 系统具有双循环结构。充分认识自然水循环对城市水系统健康循环、可持续发展具有重要意义。结合自然本底条件，建设自然积存、自然渗透和自然净化的海绵城市；

• 自然水循环过程涉及流域范围，社会水循环涉及城市范围，两个水循环过程在不同空间尺度上通过各种要素各种过程相互联系和衔接，既体现在流域、城市层面，也包括片区和地块层面；

• 组成要素既包括灰色设施，也包括绿色设施，并由两层级结构（见图4）拓展到三个层级（见图6）；

• 除水资源、水环境两个维度外，还增加了水安全和水生态维度的考量。
  

2.1 系统的总体目标

结合雄安新区城市发展的定位和总体目标，从城市水系统双循环模式的视角梳理新区城市水系统的总体目标：雄安新区是维持白洋淀流域水生态系统的关键节点，新区城市水系统的建设应对流域生态环境质量改善和生态保护修复起到示范和带动作用。

城市水系统具有自然属性，其总体目标是实现健康、良性的流域自然水循环；在此基础上，城市水系统具有社会自然属性，其总体目标是实现高品质饮用水供应、高质量水环境维系、高标准水设施建设、高韧性弹性的水系统构建。

2.2 优化调控路径

基于系统新模式，通过对系统全要素、全过程的调控来实现城市水系统的总体目标，调控对象为灰绿相结合的基础设施体系，既包括传统的工程设施，也包括具有一定复合功能的蓝绿空间。优化调控的思路与途径主要包括（见图5）。

（1）落实节水优先的理念，通过各类城市用户进行需求控制，降低社会水循环的通量；（2）通过强化污水再生利用和雨水资源化利用等子过程，优化系统的循环模式，促进资源的多级利用；（3）对各要素各过程的控制，控制方式主要包括污染控制、入渗控制、生态保护与修复、漏损控制、开发建设模式优化等，如通过生态保护与修复涵养水源，建设净化设施和人工湿地控制污染，建设源头海绵设施以加强降雨入渗，增加透水铺装优化城市开发建设模式等，从而提高系统的整体运行效率，降低资源能源消耗。

一旦认识到城市水系统是自然-社会水循环耦合系统，各组成在城市-组团-片区-地块不同空间尺度上相互联系、相互作用，就会引发对于灰绿设施布局模式的重新思考。基于水资源、水环境、水安全、水生态多维度目标，同时兼顾到规模效应对技术经济性、运行管理及可操作性等的影响，结合起步区地势平坦、组团式的城市空间布局，对起步区采用分散或分布式的、多层次循环的、功能复合的空间布局模式进行了深入的探讨。

3.1 模式评估的技术流程及方法

城市水系统新模式、多空间尺度联系的引入，使得系统内各类设施的个数增多、每个设施的服务范围选择多样设施间存在动态关联，大大增加了系统在时间和空间上的复杂性，超出了现有成熟的设计规范或规划者的经验，课题建立了模式评估的技术流程及综合评估方法以实现对不同模式方案的优选。

首先，基于国内外城市水系统的实践探索，结合起步区的现有条件和布局特点，针对性提出了系统及子系统推荐的多种布局模式（情景）方案（见图7）；其次，城市水系统的不同模式将带来水和其他特征物质的不同分布特征及循环状态，划分子系统边界，并应用各专业模型对供水、雨水、污水、水系湿地子系统分别建模并相互关联，对各过程进行水量水质等特征参数的模拟；第三，为满足城市水系统自身复杂性及可持续性的要求，亟需在传统技术经济性评估的基础上，建立包括资源-环境-安全-社会/管理-经济-技术等六维度定量与定性相结合的评估指标体系（见表1），通过综合评估选出最优方案。系统模式优化是下一步确定目标、耦合过程、系统优化形成雄安方案的基础。

图7 城市水系统不同布局模式方案的设置

表1 城市水系统模式综合评估指标体系

3.2 子系统布局模式

3.2.1 供水子系统

起步区供水子系统采用区块化的环网布局模式（见图8），将整个区域逐级分区，各区相对独立供水；将主干管或干管与支管的功能分离，主干管连接水源水厂和各区，保持各区之间的联络；支管承担配水功能。分区供水有利于优化供水压力控制，降低整体能耗和爆管率；降低管网平均水龄，改善管网水质；提高系统的安全性和灵活性，并便于供水企业提高运行管理效率。

图8 供水子系统区块化环网布局模式示意

设置两个水厂+若干水池的多个组合布局方式（见图9），对供水管网的运行模拟及综合评估（见表1），通过对48个情景方案的模拟，得出以下主要结论：即便建筑层高分布有所差异，管网末梢水头28m时总能耗达到低点；相同条件下，二次供水采用叠压供水比水箱+变频泵的供水方式总能耗可降低20%左右，但叠压供水会影响整体管网的压力均衡，建议限制应用；推荐方案为设置2座中间水池的方案（见图9b），能进一步改善供水的压力和水龄分布，并有助于增加系统的调蓄能力和弹性。

图9 不同系统模式下供水水压分布

3.2.2 污水处理及再生回用子系统

起步区污水及再生回用子系统的目标是实现城市污水的全收集全处理全回用，并采用完全的雨污分流制。考虑到污水及再生水厂的合理分区和分散布局，有利于再生水的回用，提高系统整体的灵活性和弹性，更好地适应新区的人口增长，推荐采用分区循环式的空间布局模式，以下讨论分区的布局和合理规模。

起步区污水及再生水厂设计污水量23万m3/d。结合起步区用地布局，选择地块为最小用户单元以反映规划区空间的细部特征，由此得到26处水厂备选位置和1 040个用户单元。由大规模抽样和智能优化算法生成近50万种待评方案（技术流程如图10所示），对其进行动态模拟，模拟物质包括水量及C、N、P等。

图10 污水及再生回用子系统模式方案生成的技术流程

通过综合评估（见表1）得出，起步区宜布局3～7座污水处理及再生水厂，推荐北城均匀布设7座污水处理及再生水厂（见图11），每个水厂的设计处理能力宜控制在1万～5万m3/d，再生水就近供给公共建筑和市政杂用等用户，余量作为生态补水供给起步区景观水体。

图11 污水及再生回用设施布局模式推荐方案

为进一步回收污水中的氮、磷资源，减少水体、尤其是下游白洋淀的富营养化压力，讨论了灰黑分离——灰水集中收集处理、黑水就地处理的模式。在上述传统混合收集优化方案的基础上，对源分离模式进行约300万情景方案设计和模拟评估；最终得到环境污染物排放少、水资源回用量大、经济成本低廉的推荐方案集（见图12），与传统的混合收集模式相比，源分离的模式污染物排放少、但成本高，为此建议新区适时试点应用源分离的污水收集处理模式，优选中苑区域。

图12 污水及再生回用子系统模式优化方案的环境-经济性能目标值分布

3.2.3 雨水子系统

雨水子系统综合管理的目标是，在基本维持开发前后水文条件不变的基础上，同步实现雨水集蓄利用、径流污染控制与峰值削减等目标。

子系统由源头减排系统、雨水管渠系统、排涝除险系统及超标应急系统等组成，包括源头低影响开发设施（LID设施）、雨水管渠、城市道路、排涝泵站、河湖水系、河湖滨岸湿地、南部蓝绿空间等，以实现对不同重现期降雨有组织地控制和安全排除；建设雨洪应急管理平台，实现雨情预警、在线监控及应急调度等功能（见图13）。

图13 起步区雨水子系统组成及空间布局示意

3.2.3.1 源头LID设施的布局模式

依据片区/地块和道路的雨水收集处理、利用方式的不同，提出6种布局模式，分别是：

• 地块与道路均分散收集处理后就地利用；

• 地块分散收集处理后就地利用，道路分散收集、集中处理后利用；

• 地块分散收集利用，道路集中收集处理后利用；

• 按片区分散收集、处理后利用；

• 按片区分散收集，集中处理后利用；

• 按片区集中收集、处理后利用。

  
  

模式①、模式②均为分散控制的类型，相较于对雨水集中收集、集中处理的模式，减少了雨水在管网中的汇流时间；在相同的年径流总量控制率、径流污染等控制目标下，源头体积控制相较于末端调蓄设施有着占地面积小、工程量小、与景观结合紧密的诸多优点。进一步通过模拟和综合评估（见表1），推荐模式①及模式②（见图14）。不同建设区域在选取雨水LID设施时，应因地制宜，根据地块和道路的现实条件进行选取，并灵活应用渗透和集蓄措施，宜渗则渗，宜用则用。

图14 雨水源头设施的推荐布局模式

3.2.3.2 雨水管渠及水系排涝空间的布局模式

起步区地势北高南低、地形平坦，南北向坡度略大于东西向。河道水系以北南向水系为主、东西向水系为辅。竖向设计对于平原地区的城市排水至关重要。中国历史上曾有约40座各种形态的“龟城”，这种中间高四周低的“龟背式”地形以及适当的坡度十分利于排水。规划借鉴中国古代排水的智慧，结合组团式用地布局设置5个排水分区，采用“中间高、两边低”的龟背式竖向设计；雨水主干管沿东西方向布局，就近排入北南方向河道水系，形成“鱼骨式”布局。设置一定的调蓄空间及南部蓝绿空间（利用原有的大溵古淀）有效降低城市整体洪涝风险，并调蓄利用雨水资源。

起步区设计防涝标准为100年一遇，排涝空间的计算需统筹考虑本地涝水和上游汇流范围排涝的需要，以及大清河北支、南支洪水的威胁。通过内涝模拟分析，多方案比选确定起步区河道水系的排涝断面空间、调蓄空间、南部蓝绿空间、排涝泵站等的规模需求。构建起步区纵横交织、主次分级的水系通道实现雨水调蓄、景观补水及安全排放等功能，其空间布局模式如图15所示，并按其功能定位分为三大类：

• 流域排涝通道，快排上游过境涝水为主，与上游水系相衔接；

• 城市排涝通道，包括排涝主通道（位于城市组团之间）、排涝次通道和超标降雨行泄通道，以排涝功能为主，兼顾景观功能；

• 景观配水通道，东西向水系，以连接南北向水系、配水功能为主，兼顾景观功能。
  

图15 不同类型水系/径流通道布局模式示意

统筹水系与用地竖向、排水管网、调蓄空间等共同构建灰绿结合的起步区排水防涝体系；在线实时监测白洋淀水位，适时抽排城市内部涝水，最终形成“北截、中疏、南蓄、适排”的排水防涝格局。

3.2.4 水系湿地生态空间

大清河流域的生态安全是新区建设的重要保障。基于流域生态格局结构与功能完整性的目标，进行水生态敏感性评价；基于城市化对流域水生态系统的影响，进行水生态安全性评价；以山水林田湖草为生命共同体，在水生态安全评价和水生态敏感区识别的基础上，构建“一屏、一淀、三区、多廊、多点”的流域水生态安全格局，并提出空间管控措施及水生态修复策略（见图16）。

图16 流域水生态安全格局

延续流域水生态安全格局，统筹考虑水资源的补给、水环境的维系和排水防涝安全，确定起步区水系湿地生态空间的布局、规模以及型式。

• 断面优化：通过对晴天及不同降雨情景的模拟分析，河道断面由矩形调整为复式/梯形断面、增加底宽等有利于提高水面率、同时会降低水深和连通性；

• 水量补给：以本地雨水资源化利用、再生水为主，上游汇水为辅。通过优化补水点位和水量，改善水动力条件；

• 水质维持：利用北部入城湿地、河道滨岸湿地、雨水湿地、南部大型湿地以及在补水点位设置的水质净化设施，净化再生水、雨水径流和上游来水，提高起步区水环境品质和保证入淀水质目标要求；

• 水文化景观格局：梳理自然肌理，保留具有乡愁的大溵古淀、灌溉河渠、沙坑洼地等，融入城市空间方案，塑造城水相伴、城水共融的魅力水景。

  
  

由此，塑造“水、溪、河、湖、泽、淀”各具特色的起步区水生态空间，构建集调蓄、净化、回用、景观功能为一体、分级智能调控水质-水位-水量的城市循环水系。

在新时代高质量发展战略和治水思路的指导下，结合雄安新区多重水约束条件和发展目标定位，课题沿着理念-模式-目标-技术方案-机制政策的逻辑路径，借鉴国内外研究和实践，首先探索提出了“节水优先、灰绿结合”的双循环新型城市水系统模式，以及系统优化调控的路径，为下一步起步区城市水系统技术方案及管理策略的制订奠定基础。

其次，提出了子系统或过程模式优化的技术流程，构建了资源-环境-安全-经济-社会管理-技术六维度的综合评估指标体系；进而结合起步区空间布局和用地竖向，对供水、污水及再生回用、雨水综合管理、水系湿地等子系统的空间布局模式进行了模型模拟和综合评估，提出了分区分散/分布式的空间布局模式优化方案。

微信对原文有修改。原文标题：新型城市水系统构建的雄安模式研究；作者：龚道孝、莫罹、高均海、李婧、张大臻、李俊奇、张质明、段梦；作者单位：中国城市规划设计研究院城镇水务与工程研究分院、清华大学、北京建筑大学，、中国市政工程华北设计研究总院有限公司。刊登在《给水排水》2020年第11期“十三五”水专项“雄安新区城市水系统构建与安全保障技术研究”专栏。