节约用地64% 老旧水厂不断水集约化改扩建
导 读：许多老旧水厂的净水设施老化，面临更新换代和水质提升的需求。某大型水厂位于中心城区，用地紧张，但需要在原址不断水改扩建。该案例对水处理构筑物进行了集约化创新设计。由于城市土地资源紧张，价格高昂，在提升水厂出水水质的同时，如何使得水处理设施更加节地，更加高效是非常有益的。通过水处理构筑物的集约化创新设计，“先拆后建、分步开展”的施工方案，全过程BIM的应用，很好地解决了这一问题。该工程可以节约用地高达64%，为水厂不断水高度集约化改扩建提供了良好的示范作用。
引用本文：宁运芳，刘柱，陈学水，等. 大型老旧水厂不断水集约化重建技术与实践［J］. 给水排水，2022，48（9）：1-6.
01、工程概况
某水厂占地5.6万 m²，始建于1961年，是该城市建设最早的水厂，最初供水能力0.25万 m³/d，经多次改扩建之后，形成现状35万 m³/d供水规模。
水厂改造前处理构筑物主要包含格栅井、预臭氧接触池、沉淀池、滤池、清水池、送水泵房等，平面布置如图1所示。改造前水厂工艺为混凝沉淀-过滤-消毒的常规处理工艺，即深圳水库原水→格栅间→反应沉淀池→滤池→清水池→泵房→供水。
图1 水厂改造前平面布置（红线范围，占地5.6万 m²）
存在问题：
水质问题，原水存在藻类、嗅味的问题，现状采用混凝沉淀过滤的常规处理工艺，无深度处理设施，出厂水质无法达到直饮水的标准；
水厂布局问题，水厂是深圳最早的水厂，在数次改扩建过程中，受不间断供水和用地限制，水厂布局较为凌乱，净水流程多次折返，管线复杂，不利节能和管理。5座清水池，池底标高不统一，且分散布置，因此清水池工作负荷不一致，存在消毒效果不稳定的水质风险；
生产设施老化问题，水厂建成运行时间较久，在生产设施方面普遍存在设施和设备老化等问题；
无排泥水处理和污泥处理系统，不符合当地环保部门要求。
02工程项目目标
2.1 水量目标
水厂现状常规处理规模35万 m³/d（经核定合理产水能力为33万 m³/d），采用常规处理工艺。本次水厂扩能改造工程规模60万 m³/d，包括新建60万 m³/d取水口及取水管、常规处理及深度处理工艺，同步建设同规模的污泥处理设施。水厂改扩建过程中需保证30万 m³/d水量的不间断供应。
2.2 水质目标
本工程出水水质在符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006，以下简称国标）的基础上，同时需满足深圳市《生活饮用水水质标准》(DB 4403/T60-2020,以下简称深圳地标)的水质要求。深圳地标与国标相比，增加了10项指标，提升了52项指标（含消毒剂）；附录由原来的28项增加到45项；考核方法上提升了出厂水和管网水合格率要求，增加了嗅味物质和消毒副产物的检测，重点关注龙头水水质（见表1）。
表1 深圳地标在国标基础上的优化指标
2.3 排泥水处理目标
（1）排泥水经浓缩脱水处理后，上清液SS≤70mg/L，达到《广东省水污染物排放限值》（DB 44/26-2001）中第二时段一级标准要求，达标排放。
（2）近期浓缩污泥经脱水后泥饼含固率≥25％，预留低温干化设施，远期经污泥干化处理后泥饼含固率≥50％，泥饼外运填埋。
03不断水重建过程难点分析
3.1 项目占地
小水厂总用地面积5.6万 m²，对于60万 m³/d“常规-深度-污泥处理”的水厂而言，单位用地面积仅为0.094 m²/(m³·d)，用地仅为国家给水工程建设用地指标的36%［用地指标参考国家标准《城市给水工程项目建设标准》(建标［2009］64号）］，是国内高度集约大型深度处理水厂。
3.2 对老水厂原拆原建、边运行边拆除和建设
水厂是区域主力给水水厂，承担着供水安全的重任，在施工用地极其受限情况下，需要将原厂址35万 m³/d规模的常规处理工艺的构筑物拆除并新建60万 m³/d深度处理设施，且项目拆建全过程需满足30万 m³/d的连续供水规模，过程水量、水质安全保障和施工组织难度高。
3.3 管线保护和切换难
始建于1961年的水厂经过多次改造后地下管线错综复杂，许多管线和基础设施老化。本次施工改造期间如何保障运营管道不受损坏，在施工过程中确保现状30万 m³/d连续安全供水是难点。
04重建方案及措施
4.1 针对项目占地小——多重集约化创新
针对建设用地面积过小，采用多重集约化创新，通过“高效处理型节地”“池体叠合型节地”“构筑物组合型节地”等方式实现供水集约化，采用预臭氧配水池、深度处理综合池、污泥处理综合池等组合池型，节约利用土地，保障工程顺利实施。
“高效处理型节地”为采用高负荷、高效率的水处理工艺，如采用高效沉淀池、上向流活性炭吸附池。
“池体叠合型节地”为V型滤池下叠清水池、综合净水车间下叠清水池、高效沉淀池下叠管廊、综合楼下叠清水池。
“构筑物组合型节地”为综合净水车间组合了砂滤池、上向流活性炭吸附池、臭氧接触池、臭氧发生器间、清水池，污泥处理综合池组合了预浓缩池、浓缩池、平衡池、污泥进料泵房、回收池。
4.2 针对老水厂原拆原建、不断水重建——拆建结合
作为区域主力给水厂，承担着供水安全的重任，水厂在扩能改造过程需保证30万 m³/d供水规模。本工程创新的提出了“拆单体建流程”的改造思路及“先拆后建、分步开展”的施工步骤：在一阶段拆除对水厂生产无影响的设施，集中建设30万 m³/d常规处理制水流程。一阶段通水后完成老水厂与一阶段建成后的供水切换。切换完成进行二阶段建设，将现状剩余设施拆除并新建30万 m³/d常规处理、60万 m³/d深度处理及60万 m³/d污泥处理设施，在保障施工全过程30万 m³/d供水的前提下最终完成改造工程。
（1）一阶段。第一阶段的平面布置如图2所示，主要工程内容包括：在拆除厂区南侧凤凰山庄、清水池、综合楼、回收水池、臭氧接触池等设施后，新建1#高效沉淀池、V型滤池、1#综合加药间及反冲洗泵房，在厂区西南侧新建配电间及控制室，新建二级泵房及吸水井，最后新建2#综合加药间。在厂区北侧新建预臭氧配水池，在东北侧深圳水库新建60万 m³/d取水口及2根DN2 200原水管线采用顶管方式进入预臭氧配水池。
备注：—□—□—：一、二阶段分界线
图2 一阶段平面布置
一阶段施工期间，使用老厂的水处理设施，保障30万 m³/d的供水能力。即：深圳水库原水→格栅间→网格反应沉淀池→滤池→清水池→泵房→供水。一阶段建成后，通过开关不同管道阀门和连接管道，完成新旧水厂出水管道切换。
一阶段建成后的工艺流程为水库原水→预臭氧配水池→1#高效沉淀池→独立V型滤池→下叠清水池，再通过二级泵房输送至市政供水管网。
（2）二阶段。二阶段施工期间使用一阶段新建的30万 m³/d规模的水处理构筑物保障供水。
第二阶段重建后平面布置如图3所示，主要工程内容包括：拆除原厂格栅间、沉淀池、滤池、清水池、送水泵房及其他附属构筑物，新建清水池上叠综合楼，新建综合净水车间，新建污泥浓缩组合池，新建2#高效沉淀池，最后新建1座脱水机房及机修仓库。
备注：浅灰色背景为一阶段构筑物及附属，浅蓝色背景为二阶段构筑物及附属
图3 二阶段重建后平面布置
二阶段建成后调整管网连接，1#高效沉淀池出水切换进入臭氧接触池，随后进入活性炭吸附池，再进入1#V型滤池，进入清水池，通过二级泵房接入市政供水管网，将一阶段处理设施接入二阶段深度水处理系统，完成一阶段30万 m³/d常规处理向60万 m³/d深度处理转换。水厂重建完成后的工艺流程如图4所示。重建全部完成后的工艺流程为原水→预臭氧配水池→1#、2#高效沉淀池→臭氧接触池→向上流活性炭吸附池→1#、2#V型滤池→下叠清水池并通过二级泵房输送至市政供水管网。
图4 二阶段重建后工艺流程
4.3 针对不断水重建及管线保护和切换难题——BIM全过程应用，智能建造
采用BIM和数字孪生技术，将其贯穿工程设计、施工、运维全生命周期。对占地如此小，施工场地如此局限，不影响现状生产设施的正常运行等诸多限制条件下，有效的使用BIM进行解决，在本项目中主要的BIM应用如表2所示。
表2 BIM全过程应用
在设计阶段，开展多专业三维数字协同设计，有效解决跨专业交叉设计协同难题。运用BIM技术可视化数据集成的特点，进行多专业模型整合、模拟应用阶段BIM应用点关键点设计方案比选、模型构建、水力模拟、结构计算、冲突检测等高质量的设计成果、准确高效的造价控制施工施工方案模拟、施工进度模拟、复杂节点施工工序模拟、可视化交底等高质量的施工组织、高效科学的进度管理参建各方平台协同应用基于BIM的协同管理、信息化平台设计、采购和施工等各环节之间实现高效准确的信息传递和共享运维后期BIM模型接入智慧水务平台三维VR与视频融合：全局视角观察厂区的实时动态分析、三维技术交底、可视化项目管理等。提升项目建设过程的管控效率和水平，为整体工程的综合效益带来增值，实现基于BIM技术的数字化交付。通过BIM多模型耦合，实现设施设备空间分析与碰撞问题自动识别，解决作业面衔接误差问题。
各构筑物单体各专业单独建模，完成后进行单体合模及总图合模（图5为预臭氧配水池三维数字信息模型）。通过掌上模型二维码，让各项目参与人员能通过手机快速访问模型，便于人员对单体进行快速了解。
图5 预臭氧配水池三维数字信息模型
在施工阶段，通过结构、设备、管路等三维模型对施工进度、设备安装顺序和滤料摊铺方案等进行模拟，合理分布工区与进度安排，有效解决整个施工组织复杂难题。搭建项目部及施工临时设施三维模型，验证道路、堆场、生产用房等布局的合理性（如图6所示）。
图6 三维数字施工场地布置
通过模型与动画相结合的方式，将施工方案的施工过程表达出来，模拟现场施工作业中的实际工序，提前发现工序排布的不合理位置，各工序的衔接问题，提前预见，提前规划，提前解决，避免返工。将进度计划与轻量化模型进行挂接，基于手机APP采集到现场数据，实际进度与计划进度做对比，直观的查看进度偏差，并及时采取相应措施。基于BIM模型打造精细化数字孪生水厂，为实现运营期三维可视化运维奠定基础。
05实施过程中的问题和相应措施
5.1 应对施工场地紧凑，施工组织难的措施
应用BIM三维模拟现场施工，根据不同施工阶段和需求动态调整施工场地布置和组织方案，对设备、材料、作业面合理进行空间转换。科学组织基坑支护及土石方、桩基工程、主体结构、装饰装修、水处理设备安装及调试，优化施工流程，尽量利用一切工作面，实行平面流水交叉作业，使各项工作有序地交叉进行，在空间上不同作业层可以有效穿插施工，最终实现计划目标。
5.2 深基坑毗邻水坝和高边坡，地下水位高
基坑施工采用双排钻孔灌注桩+高压旋喷桩的方式加强支护，通过高压旋喷桩形成止水帷幕隔断外部水源，同时采用自动监测系统全天候监测基坑、高边坡及坝体，确保安全。采用双排钻孔灌注桩+高压旋喷桩有以下几个优点：
具有刚度较大，基坑稳定性高；
对周边环境影响较小；
基坑平面布置灵活，降低施工难度，缩短工期；
增大场地作业空间，较好地解决材料堆放难、交通运输难的问题；
增大基坑内工作空间，保障施工安全。
5.3 施工期间供水安全保障措施
应用BIM三维模拟现状水厂的管线，并根据施工基坑与周边管线、构筑物的关系，梳理出基坑施工过程中的所有风险点，并针对性的提供相关措施。对于需要水厂运营单位协助的风险点解决方案，加强与其的沟通协调，实施方案的确定和施工过程全程参与。对于每项涉及供水安全保障的施工方案均需提前做试验和施工演练，并根据试验和演练结果优化实施方案。
06结 语
项目通过水处理构筑物的集约化创新设计（即通过“高效处理型节地”“池体叠合型节地”“构筑物组合型节地”等方式实现供水集约化），通过“拆单体建流程”的改造思路及“先拆后建、分步开展”的施工方案实现水厂原址重建过程中对区域居民的连续供水保障，通过智能建造，BIM全过程应用有效解决整体施工组织复杂难题。该工程可以节约用地高达64%，为同类老旧水厂高度集约化改扩建提供了良好的示范作用。
