大型水廠改造的集約化設計理念與應用

胡 翔

(深圳市水務<集團>有限公司，廣東深圳 518033)

隨著城市經濟的高速發展以及人民生活水平的快速提高，城市供水系統面臨更多的壓力和更高的要求：水質達標和提升、節能降耗和減排、運行安全與可靠等[1]。根據2019年住房和城鄉建設部水質專項調查統計結果，全國城市和縣鎮共有公共供水廠4 457個，其中，在2 714個地表水廠中，具有深度處理工藝的僅為2%[2]。一方面水廠工藝流程日益復雜，已擴展出預處理、強化常規處理、深度處理、膜處理和回收水及污泥處理，相應構筑物的種類和數量也不斷增加，用地需求持續攀升[3]。另一方面，城市化快速推進和生態紅線控制，使得大中城市的城區用地日趨緊張，且城市發展的歷史原因，許多擬改擴建的水廠往往位于城區甚至中心城區，導致普遍存在建設用地不足、周邊可征土地少，甚至無地可征的現象。因此，在現有常規處理工藝的基礎上，為全面提升水質及滿足減排要求，集約化設計是突破這種局面的必要手段。

基于南方城區某水廠改擴建工程的實踐和設計經驗，總結水廠集約化改造的設計理念和相關集約布置技術，為諸多類似水廠改擴建提供一定借鑒。

1 工程背景

某水廠始建于1961年，是當地第一座自來水廠。隨著城市快速發展，水廠歷經了多次改擴建，供水能力由最初的0.25萬m3/d增加到現在的35萬m3/d。主要采用“網格反應池+斜管沉淀池+砂濾池”的工藝流程，其中，砂濾池分為“雙閥濾池”(22萬m3/d)和“V型濾池”(13萬m3/d)2種池型。水廠主要生產設施位于廠區中部和中北部，現狀平面布置見如圖1所示。目前，水廠制水能力已基本達到現有生產設施的極限，所在行政區長期存在供水缺口，主要依靠相鄰行政區水廠的轉供，且水廠現有的常規工藝流程，在城市對水質越來越高要求的今天，已面臨越來越多的壓力，應用新工藝和更有水質保障的流程是必然選擇。

水廠現狀占地約51 000 m3，本次改擴建規模為60萬m3/d，制水采用“預氧化+高效沉淀+臭氧接觸+上向流活性炭過濾+砂濾”的工藝流程，生產廢水處理采用“分質回收+濃縮/預濃縮”方式，污泥處理采用“離心脫水+低溫干化(預留)”方式。水廠所處位置空間受限較大，東側毗鄰水庫，西側大門出口即為市政道路，南側緊靠公園的高邊坡區域，北側則和一賓館相鄰，可見周邊可供利用土地資源十分緊張，基本難以通過向外大規模擴張用地方式完成改擴建(僅通過積極爭取在水廠北邊新征了約5 600 m3的土地)。因此，向現有土地挖潛、往內改造擴能是水廠唯一的出路。

水廠是所在行政區唯一的主力水廠，最高日供水量在33萬m3/d左右。即使考慮到通過管網互聯互通盡量增加轉供水量，水廠在改造期間的供水量也不能低于30萬m3/d，否則就會影響水廠服務區域內的正常用水。

圖1 水廠現狀平面布置示意圖Fig.1 Existing Layout of Water Plant

2 用地現狀與改造思路

在水廠現狀用地中，生產相關用地約44 500 m2，南部一塊非生產性用地約6 500 m2，即改擴建前，35萬m3/d規模水廠的噸水用地指標為0.127(m2·d)/m3。而本市中心城區其他主力水廠的噸水用地指標一般在0.22～0.45 (m2·d)/m3，表明該水廠現狀用地及布局也是較為緊張和集約的?？紤]到水廠現有設施普遍較老舊，廠區平面布局幾經改造較凌亂，地下管線也難以厘清，本著土地利用最大化和建設標桿水廠的原則，經研究決定，采用將水廠現狀設施全部拆除再重建的方式。

本次新征的560 m2用地，加上廠內的非生產性用地6 500 m2，實際僅有12 000 m2用地能用于改擴建。以本次改擴建的規模來說，這些用地是遠遠不夠的，即改擴建完成后，60萬m3/d規模水廠噸水用地指標僅為0.094 (m2·d)/m3。不但遠遠低于現狀的用地指標，而且一般傳統的工藝形式也無法實現如此低的用地指標，加上還要保證水廠在施工期間必須有30萬m3/d的制水能力，因此，必須另尋他徑。

經過多次深入現場分析、討論，以及不同方案的比較，最終形成了較為一致的總體改造思路，歸納起來為以下幾點：

(1)多采用集約、高效的工藝形式；

(2)借鑒地下空間開發經驗，突破平面向空間要規模；

(3)以高效集約化布置為基礎，結合水廠主要生產設施位于廠區中部和中北部的現狀布局，以及30萬m3/d保供規模的硬性要求，分階段通過“拆工藝單體、建工藝流程”的“拆、建、拆、建”模式[4]來實現既定的保供目標。

3 集約化布置設施及設計特點

3.1 節地池型選擇

(1)沉淀池選用處理效率高、占地面積小的高密度沉淀池，與同規模的平流沉淀池相比，可以節省60%～70%的用地面積。

(2)活性炭濾池選用上向流炭濾池，與下向流炭濾池相比，上向流濾速大，池體占地面積相對較小。同時，上向流炭濾池僅需氣沖洗，還可節約反沖洗泵房所需面積，總的來說，上向流炭濾池可以節地30%以上。

3.2 單體組合設計

將部分功能相近或體量較小的單體組合在一起，各單體緊湊布置，單體間利用過水連渠及孔洞或者盡可能短的明敷管道連通[5]，可以大大縮短構筑物之間的距離，提高土地利用率。例如炭砂雙側濾池即是一種組合式布置，中間管廊共用，既節約用地，也方便管理。

(1)結合水廠南部區域地形，將V型濾池的反沖洗泵房、鼓風機房和加藥間進行組合布置，同時，與新建的高效沉淀池貼臨(圖2)。在滿足相關規范要求，且不影響進、出通道及管線布置的前提下，盡量組合布置，既整齊美觀，又節約用地。

(2)考慮到污泥處理構筑物數量多、關系密切，且單座體量小，設計將濃縮池、平衡池、進料泵房、回收水池組合為污泥處理單元，即污泥處理單元成為一系列相關構筑物組合成的大構筑物，不僅節省占地，也降低了整體單元的施工量。

圖2 部分設施組合集約化布置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Integrated Layout of Some Facilities Combination

3.3 構筑物疊建設計

(1)清水池占地面積較大，設計將其部分疊建于活性炭濾池和V型濾池下(圖3)。在保證水力流程銜接順暢的條件下，可以節約用地，并通過合理設置人孔以方便人員進出、出水閥門井設置排水泵以方便放空等措施，將疊建構筑物對水廠運營管理的影響降至最低。

圖3 某疊建構筑物(V型濾池下疊清水池)豎向示意圖Fig.3 Vertical Schematic Diagram of a Overlayed Structure(Containing V-Filter and Clear Water Tank)

(2)在高效沉淀池下建設單獨管道層，將主要生產管線納入，可以減少管線在總平面上的占地。

(3)對于輔助生產的單元構筑物，設計采用加藥間下疊排水池(圖4)、平衡池上疊配電間、脫水機房上下層分置離心機和低溫干化設備等方式，充分利用豎向空間。

圖4 某疊建構筑物(綜合加藥間、反沖洗泵房下疊排水池)豎向示意圖Fig.4 Vertical Schematic Diagram of a Overlayed Structure(Containing Comprehensive Dosing Room, Backwash Pump House and Drainage Basin)

構筑物疊建設計增加了結構的復雜性，也對結構的相關設計提出了較高要求，一般疊建在結構上會采取如下措施來加強工程質量：

(1)采用抗裂纖維混凝土，改善混凝土抗滲透性，提高其早期抗裂性能和抗變形能力，減少滲漏風險；

(2)加強變形縫處的防滲漏構造設計，選用高強耐久、質量可靠的變形縫止水材料；

(3)加強止水帶周圍混凝土澆注的質量控制。

3.4 V型濾池設計

(1)將砂濾池中每格進水溢流堰進行歸并，統一設于濾池進水渠末端，并在溢流堰后設1根排水總管直通下部排水渠道(圖5)。該設計既能避免進水渠末端死水，又便于下部渠道的施工及運行檢修。

圖5 V型砂濾池進水及溢流集約化布置示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Integrated Layout of Inlet and Overflow of V-Shaped Sand-Filter

(2)簡化每格砂濾池進水布置，因溢流堰歸并布置，每格濾池進水閘門后的布置由傳統的堰前堰后2條分渠優化為1條通渠，進水堰兩側翻水后分別進入兩側的V型槽(圖5)。在保證過濾面積的前提下，通過有效縮短進水渠寬度來節省占地。

(3)優化管廊布置，管廊與池體在結構上“一體化”處理，每格濾池清水井與濾池共壁。同時，優化管線排布，初濾水管及放空管在清水井內埋設穿越。排水溝遇出水井時，通過在井內埋設排水管形式穿越(圖6)。

圖6 濾池管廊集約化布置示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Integrated Layout of Pipe Gallery of Filter

4 供水保障與分階段、分區施工

供水保障是本改擴建工程在實施過程中必須要滿足的硬約束條件，因此，在設計策劃階段，需基本明確施工方案并確?？蓪嵤┬?，同時，即可明確整體的平面布局。

基于“拆工藝、建流程”的原則，本例通過“拆建-拆建”方式形成“兩階段”的分步施工方案：第一階段，拆除南區對供水生產影響不大的設施，建造30萬m3/d規模的常規處理，以及在北側新增用地上建造配水提升井及新設的原水管，建成后給予調試穩定并投產運行，形成一條新的供水保障生產線；第二階段，拆除北區現狀所有生產設施，建造30萬m3/d規模的常規處理、60萬m3/d規模的深度處理以及60萬m3/d規模的污泥處理，最終完成整個水廠的拆除重建。

由圖7可知，“兩階段”有較清晰的施工界面。第一階段，施工聚焦在南側和新增用地區域，待施工完畢、相關設施投產運行后，南側和新增用地區域新建生產設施交由水廠運維，從而新增30萬m3/d規模的常規制水能力；第二階段，施工區域轉移至廠區的中北部，在相關區域進行施工直至完成改擴建。

圖7 兩階段施工界面及改造后平面布置示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Two Stage Construction Interface and Layout after Reconstruction

這個方案對施工區和運行區進行了較為徹底的隔離，新、舊構筑物之間基本無相互交叉。工程臨時接管工作量小且無須過多保護措施，施工期間水廠的生產管控也較為方便，大大提高了供水生產的安全性，從整體上降低了30萬m3/d供水保障要求的實施難度。

5 經濟分析

水廠通過高度集約化設計，實現了預定的改擴建目標，也在一定程度上增加了投資和運營成本，但分析表明，投資是可接受的。

5.1 噸水投資指標

水廠改擴建第一部分工程費用約為119 500萬元，其噸水投資指標為1 991.67元/t。目前，國內采用全流程、同類型工藝大型水廠的噸水投資指標一般在1 500～1 700元/t，工程投資略有偏高，但剔除有關保護性及不可比的措施費用(合計約18 500萬元)后的實際噸水投資指標為1 683.33元/t，結合不同年代建設費用稍有升高的規律，基本屬于正常水平。

5.2 財務評價

以供水行業工程財務評價的通用原則及2.90元/t的分析水價為基礎，可得出：本項目的財務內部收益率為7.55%、財務凈現值為21 211.83萬元(定稅前財務基準收益率=6%)、投資回收期(所得稅前)為12.56 年，均達到了行業標準，因此，在財務上是可行的。盈虧平衡分析顯示，在供水規模達到38.58 m3/d時就可以達到盈虧平衡，說明本項目也具有相當的抗風險能力。

6 結語

(1)針對水廠原址改擴建的用地難題，通過“拆、建、拆、建”的方式，合理劃分、分步實施，最大限度減少對現有生產的影響，并分階段進行生產和施工的銜接，在維持水廠一定制水規模的同時，可實現規模擴能、水質提升、節能減排和安全可靠等多重建設目標。

(2)基于高效、集約的設計理念，“混凝沉淀”和“深度處理”單元使用了高效池型，并通過優化V型濾池設計、清水池疊建于活性炭濾池和V型濾池下部、排水池疊建于反沖洗泵房及加藥間下部、部分生產輔助設施和污泥處理設施組合布置等措施，盡量減少占地，加之合理的平面布局，集約化布置將每一寸土地的潛力開發到極致。

(3)經濟分析表明，水廠高度集約化設計雖然在一定程度上會增加投資和運營成本，但在投資及財務上也是可接受的。