科技创新引领水系统工程设计

■ 江苏龙腾工程设计股份有限公司给排水总工程师 刘清泉

在“碳达峰、碳中和”战略背景下，水系统领域面临新挑战与新需求。如何推进“双碳”目标驱动下我国水系统绿色升级的创新与实践，提升行业“面向世界科技前沿、面向国家重大需求”的能力，科技创新是关键。为进一步推动我国城市可持续健康发展，有效推动水行业早日实现“双碳”的目标与愿景，本文总结江苏龙腾工程设计股份有限公司（以下简称“龙腾设计”）多年设计经验和自主研发的先进技术，重点阐述当今“双碳”目标背景下建筑、市政、水环境三方面的水系统工程设计，强调科技创新在水系统工程设计中的引领作用，为构建绿色水系统、助力实现“双碳”目标提供技术支撑。

水系统工程设计现状

建筑水系统

建筑水系统既是城镇供水系统的终端，也是城市排水系统的始端，是生活用水从“供”转向“排”的转折点，构成了水资源在城市水系统循环的重要节点。随着建筑给排水技术的不断创新和发展，高精尖和平面化的技术应运而生，热水系统、节水节能设备逐步改善，建筑水系统呈现多元化发展趋势。可是在实际设计中，许多设计人员对多元化设计理念和创新技术应用理解认识不足，甚至严重脱节，导致设计过程中出现诸多问题，如给排水管材料选择不当、配件运用不合理、热水供给系统不完备、中水系统很难正常运转、雨水资源仍无法合理使用等。另外，建筑年碳排放量占全球年碳排放量的38%，其中28%来自供暖、制冷和电力的运营排放，10%来自材料和建筑。建筑水系统与材料、供暖制冷设备、电力消耗等诸多方面息息相关，伴随着城镇化的进程和多功能建筑的出现，打造低碳节能型建筑水系统是必然发展趋势。

市政水系统

随着城镇化步伐的不断加快，以保障城市用水为目标的给水系统水资源消耗量逐渐提升，国内城市大型排水设备使用量不断增加，污水处理量日益增长，使得城市水系统运行面临更加严峻的挑战，诸多问题也随之出现，如城市供水水质存在问题、污水整治的时效性较长、设计的水量不合理、忽视排水系统的污水排放以及防涝功能、没有对二次利用处理技术进行充分应用等。这些问题严重影响了城市居民的生活质量和日常需求，同时也暴露出我国城市给排水系统建设和管理中所存在的深层次问题，如市政给排水工程规划设计滞后、规划的科学依据不足、应对突发事件能力差、排水体制规划混乱、传统的给排水专业不能满足市场的需要等。因此，对于城市给排水管网优化布局和改造、排污功能和应急处理能力提高的要求已日益迫切。新时代背景下的市政水系统碳排问题，也引起了设计界的广泛探讨。

水环境系统

随着现代工业的发展，我国城市污水处理工程的短板早已不复存在，但较为粗放式的工业发展也为新时期的水环境治理工作埋下了新的隐患，流域生态问题日趋严重，加强新时期水环境治理工作已刻不容缓。“十二五”期间，我国为改善水环境质量，开展了一系列水污染治理和水生态修复工作。自2015年“水十条”发布以来，我国水环境治理行业进入了政策密集发布期，标志着水环境治理从政策层面全面进入面源治理、综合治理的新时期，河道水环境质量得到有效改善。但河道水体现状与国家“十三五”以及2030年目标要求仍有较大差距，治理技术总体水平呈现能耗高、效率低，相关低碳节能集成技术尤其匮乏，标准化、规范化及产业化水平有待提升等特点。水体污染治理与生态修复技术的研发，符合我国污染防治攻坚战的需求，是我国水资源生态安全的重要保障，也是实现“双碳”目标的重要技术支撑。

龙腾设计应对措施

低碳节能建筑微循环水系统

为了响应国家“推进资源循环利用”“碳中和建筑”的号召，龙腾设计开展了一系列科研探索和工程实践，提出建筑水系统“低碳节能微循环”的理念，将BIM技术与装配式设计深度融合；选用低碳环保建材，利用可再生能源持续供电，提高设备能源利用效率和节能运行管理水平，构建户内环状供水、户内废水回用和场地雨水处理回用的建筑水系统内水微循环；通过户内废水和雨水回用，融入海绵城市理念，提升建筑水系统的水资源利用效率；通过户内环状供水方式，消除建筑户内“死水”区，保障供水水质安全。

绿色低碳市政给排水系统

城市不仅要发展，更应注重绿色发展，要在已有的设计基础上以绿色低碳发展为方向，增加能源节约和碳减排目标，以更好地应对碳减排压力，为城市绿色发展提供源源不断的动力。在实际设计过程中，龙腾设计坚持可持续发展、因地制宜和节约资源三大原则，以碳中和理念为基础，融入多项自主研发的专利技术，优化改进市政给排水系统，提升市政用水的综合利用率，重视排涝功能设计，形成了具有龙腾特色的绿色低碳市政水系统设计方案，为优化城市水系统规划、提高水系统运营的生态效益以及有效推进低碳城市的建设与实现碳中和目标提供了重要参考。

四位一体综合治理水环境系统

针对水体水文条件特征、生态环境问题及其成因，龙腾设计研发了水陆生态拦截、绿色生态清淤及资源化利用、强化生态净化、深度脱氮除磷等关键技术与成套装置，首创了“河岸、河底、水体、入河尾水”四位一体的高效水体综合治理技术体系及成套装备，形成了4大方面18项关键技术支撑的水环境生态治理技术，解决了河道水体黑臭及富营养化难题，实现了河湖淤泥、水厂污泥等废弃物的资源化利用，为推进污染物减排、协同推动能耗强度和碳排放强度下降提供了技术支持，助力水环境治理的绿色低碳高质量发展。

南京市鼓楼区河西北部龙江片区大循环引补水工程

太阳能集中热水系统

翠园浜水环境提升综合整治工程实景图

龙腾设计创新案例

建筑水系统创新案例

青龙地铁小镇一期居住组团小学、初中建设工程项目，位于南京市江宁区麒麟街道，总建筑面积约78932.4m2，其中，地上建筑面积63021.3m2、地下建筑面积15911.1m2。该项目给水为一路进水，结合消防从市政路给水管引入一条DN150进水管，经过水表井后，在红线内沿建筑成环；设室内、室外消火栓系统和自动喷水灭火系统，室内消火栓水量15L/s，室外消火栓水量40L/s；建筑物内采用粪便污水与废水合流管道系统，室外采用污水、雨水分流管道系统。

该项目融入节能减排理念，采用专门的节能设备和材料，如自主研发的给排水穿墙管，实现用水量的控制和优化，提高用水效率；采用太阳能集中热水系统，空气源为辅助热源，有效降低能耗和运行成本；融入海绵城市设计理念，采用多功能装配式雨水口，自由调节过滤装置尺寸大小和海绵设施蓄水位，不仅减少了人工管理、时间和维护成本，还提高了雨水资源利用率，节约水资源；设置智能PP模块化雨水收集池，降低运行能耗，处理后的雨水用于道路冲洗、绿化浇灌，每年可节省成本支出12万元以上；将BIM技术充分运用到工程设计之中，将建筑、结构、机电、给排水各专业串联进行BIM—体化设计，强化各专业协同，减少因“错、漏、碰、缺”导致的设计变更，提升设计效率和设计质量，降低成本。该项目荣获江苏省勘察设计行业协会“2021年度江苏省优秀工程勘察设计行业奖水系统专业二等奖”。

市政水系统创新案例

为提高南京市龙江片区水体流动性，提升水环境质量，南京市政府提出实施“鼓楼区河西北部龙江片区大循环引补水工程”。该项目运用“先净后用”的整治理念，提出常态化引水、高效化就地净水以及全面水系盘活等系统性工程设计，将能源站热交换后的退水（5万m3/天）经过活化、净化等处理后，对河西北部五河四沟进行生态补水，出水浊度≤10NTU。

该项目遵循节约资源原则，利用能源站热交换后的退水作为河道补水水源。一方面省去水资源使用费和取水提升费用；另一方面退水水质比长江水质好。水资源使用费每年可节省365万元，长江取水提升费每年可节省182.5万元。

该项目遵循因地制宜原则，利用下圩河上游河道作为絮凝沉淀的容器，就地将水处理构筑物建在河道上方，缩短工期，节约投资，同时兼顾河道泄洪功能；采用食品级改良型絮凝剂，安全环保，江水通过絮凝沉淀后用于河道的补水。

该项目遵循可持续发展原则，将授权专利“引水活化系统”应用其中，有效解决了“由于热交换后能源站退水夏天水温升高约5℃、冬天水温下降约5℃对受纳水体的影响”这一技术难题。

截至目前，该项目是江苏省唯一利用长江水源能源站退水对内河补水的示范工程，荣获江苏省勘察设计行业协会“2021年度江苏省优秀工程勘察设计行业奖水系统专业一等奖”。

水环境系统创新案例

翠园浜是无锡市梁溪区金星街道内的一条6级河道，长度约530m，现有河道宽度为6m—10m，是一条东西走向的断头浜。目前，翠园浜水环境及沿河景观整体品质不高，现状水质为地表Ⅴ类水。翠园浜水环境提升综合整治工程基于“以人为本、水质改善、生态修复、低碳节能、智慧管理”的总体思路，从“河岸、河底、河道水体”全方位出发，通过控源截污、内源治理、引水活化、生态修复、景观营造和长效管理等工程措施，构建“水清、河畅、岸绿、景美”的翠园浜新景观。在治污的同时，控制“增量”，做好“减排”，助力实现“双碳”目标。

控源截污。融入龙腾设计研发的专利技术“一种高效的初期雨水处理方法”，在截污的同时也起到拦截外源污染的作用。针对翠园浜初期雨水污染问题，设计采用自主研发的雨水花园专利技术，构建多级阶梯型生物滞留池，跌水曝气的同时，强化对雨水水量和水质的控制，有效缓解滞留池堵塞情况。

内源治理。采用自主研发的低碳节能淤泥制砖资源化利用技术，以深度干化后的淤泥为主要原料（淤泥掺量可达到80%），添加硅铝类改性剂和复合矿料，挤压成型后采用自然堆场、阳光房和煅烧窑尾气三阶段组合干燥技术进行干燥，在950℃—1050℃高温煅烧后制得劈开砖，综合能耗降低16%以上，实现减污降碳协同治理。

引水活化。由于翠园浜为断头浜，水体流动性差、水动力不足，采用自主研发的专利技术“引水活化系统”，一体化提升泵站—跌水假山—溢流堰系统，形成“水循环廊道”，使水体活化、流动起来，提升河道自净能力。该技术可减少15%左右的曝气设备数量，节约能耗15%以上。

生态修复。针对翠园浜河道水体生态系统严重破坏的现状，该工程采用自主研发的盆景式曝气生物膜阵装置，其兼具挺水植物种植、曝气、微生物修复和景观功能，能够有效恢复水体自净能力和自身对污染的免疫力，修复缺失的水生态系统，不仅生态而且“负碳”。

智慧管理。翠园浜河道治理和生态修复离不开有效的管理手段，除水域日常保洁、定期开展河道清淤、水处理设施日常维护等常态化管理外，在河道两岸定点设立水质水量监测站进行实时监控，实现对河道的全局把控，提高效率，降低维护成本。

该项目荣获江苏省勘察设计行业协会“2021年度江苏省优秀工程勘察设计行业奖水系统专业二等奖”。

结语

科技创新是推动绿色建筑建设、低碳城市发展、智慧城市形成的关键，是新时代特色背景下现代绿色新技术发展的助推器。龙腾设计积极响应国家和地方政策号召，结合国家“十四五”规划方案中关于规划、建筑、市政、生态环境等核心战略目标，秉承“绿色低碳、生态环保”的设计理念，致力于系统解决城市水系统问题，注重科技创新和示范引领，打造低碳科技产品，以项目实践贯彻绿色设计，在绿色建筑、绿色市政、海绵城市、智慧河道方面取得了一系列成功经验。未来，龙腾设计水系统设计将积极发挥科技创新引领作用，在绿色低碳、高效节能方面寻求突破，提升高质量绿色产品服务供给能力，加速低碳科技产品推广应用，为实现“双碳”目标贡献力量。