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孙跃平:东京城市排水管网的再建规划和技术措施

信拉倒 2023-06-02 10:13:46 阅读:10 评论(0) 收藏 转发 举报/纠错
《东京城市排水管网的再建规划和技术措施》(本文章发表在《非开挖技术》杂志,2023年第二期)

摘要:

日本东京早在上世纪九十年代就完成了排水设施的全面普及,面对逐渐老化的污水处理设施和排水管网,东京都下水道局制定了相应的修复再建规划并采取了一系列技术措施。通过对排水管网设施的检测和状况分析,提出经济耐用年数的概念,并导入设施总量资产管理的方法,实现了资金投入的均衡化,确保老化设施再建工作的有序实施。他山之石可以攻玉,借鉴日本东京在排水设施养护管理和修复再建方面的经验,了解并学习他们的再建规划和技术措施,使我们的排水设施运行管理更上一层楼。

关键词:

管道修复,再建,经济使用寿命,修复工法,资产管理方法

Abstract: 

 In Tokyo, Japan, the construction of drainage facilities was fully completed in the 1990s, faced with the aging sewage treatment facilities and drainage network, Bureau of sewerage, Tokyo Metropolitan government has formulated the corresponding repair and reconstruction plan and taken a series of technical measures. After the inspection and condition analysis of pipe network facilities, the concept of Economic life is suggested, as well as the method of total asset management of facilities is introduced, to realize the equilibrium of capital investment and ensure the orderly implementation of the reconstruction of aging facilities. Stones from other hills may serve to polish the jade of this one, draw on the experience of Tokyo in the maintenance, management, repair and reconstruction of drainage facilities, understand and learn their reconstruction planning and technical measures, to make the operation and management of our drainage facilities to a higher level.

Key words:

Pipe repair, Reconstruction, Economic life, Rehabilitation method, Asset management method

要旨:

日本の東京は1990年代に排水施設の全面的な普及を完了した。老朽化しつつある汚水処理施設と下水道管きょに対して、東京都下水道局は再構築の計画を策定し、一連の技術的な措置を講じた。下水道管きょ施設の調査とその損傷状況の分析を通じて、ライフサイクルコストを分析することによって経済的耐用年数の概念を提案し、アセットマネジメント手法を導入した。これによって、資金投入の均衡化を実現し、老朽化した施設再構築作業の秩序ある実施を確保した。他山の石は玉を取ることができる。日本東京の下水道施設の維持管理と再構築の経験を参考にして、再構築の計画と技術措置を理解して学び、私たちの排水施設の維持管理をさらに向上させる。

キーワード:

パイプ更生、再構築、ライフサイクルコスト、更生工法、アセットマネジメント

前言

日本的污水处理普及率在2020年为92.1%,排水管道的总长度约为45.5万公里,城市建成区排水管道密度在20-30Km/Km²,为我国城市排水管道密度11.1Km/Km²的二倍以上。日本首都东京由位于东京湾旁的主城区和西部的多摩地区等组成,总面积为1069㎞²。其中主城区面积约578.4㎞²,排水管道长度约1.614 万㎞,排水管道密度为27.9Km/Km²,共有13座污水处理中心,平均每天的污水处理量为467万m³/日。东京的排水设施建设始于明治时代,市区的污水处理普及率在1994年达到了100%[1]。东京都下水道局根据排水设施运行中出现的问题以及社会经济的不断发展对排水事业的新要求,每五年一次制定《东京下水道事业经营规划》,以进行总结并制定排水工作的新目标。

在《2021东京下水道事业经营规划》中,对下一个五年(2021-2025)的主要工作要求和技术措施分为九个部分:(1)老旧设施和管网的修复改建,(2)推进城市内涝对策,(3)地震灾害对策,(4)污泥处理的可靠性和效率化,(5)充实管道和污水厂的维护管理,(6)改善合流制排水系统,(7)提高污水处理的出水水质,(8)推进节能和地球温暖化对策,(9)节约开支强化经营基础。本文对东京都下水道局放在首位的“老旧设施和管网的修复改建”中有关管网设施的修复再建规划和技术措施进行解读和展开[1]

东京城市排水管网现状和修复再建方针

2.1 排水管网设施的现状

始建于明治时代的东京都主城区排水管网设施,是以防止传染病和解决城市内涝为目开始实施,早期建设的排水管网以合流制排水系统为主。进入上世纪八十年代,对位于东京北部的足立区和东部的世田谷区的一部分区域,以及位于东京湾海域新填埋陆地的一部分区域,导入了分流制排水系统,目前整个东京的合流制系统占比为82%。伴随着使用年数的不断增加,管网设施逐渐进入老龄化。

在2020年东京市区全长1.614万 km的排水管道中,超过了法定使用年数(50年)的管道约占总数的16%,长度达到1800km。而且,在上世纪六十年代和七十年代的经济高速成长期所建设的大量排水设施都将逐步达到法定使用年数。根据统计自2021年开始的五年内达到法定使用年数的比例将增加到29%,如果考虑到今后20年的话,其比例将会猛增至总长度的65%,达到1.049万km[1]。为此,自1994年实现污水处理设施完全普及之后,东京都下水道局在不断建设地下深隧设施等以增强防洪排涝能力和提高对抗地震灾害能力的同时,开始了对排水设施的修复再建工作。

2.2 管网设施修复再建的方针
《2021东京下水道事业经营规划》中确定的排水管网设施修复再建方针为:(1)进行排水管网设施的检测和调查,把握其健全程度。在实施老化对策的同时,强化抗洪排涝能力并提高防震性能,有计划地推进再建和修复工作。(2)通过有计划地进行维护管理,使管网设施的使用寿命比法定使用年限延长30年左右,同时灵活应用实现中长期事业投资均衡化的“资产管理方法”,按照“经济使用寿命”(约80年)的思路有效推进修复再建工作。

为了实现排水管网修复再建的中长期规划投资的均衡化,计划将东京都主城区按照建设年代划分为三期进行实施。对第一期的区域,即建设年代最早的四个排水处理系统(芝浦处理区,三河岛处理区,砂町处理区,小台处理区)进行优先实施,要求在2029年基本完成。并对第二期和第三期的范围,面积和管道长度和平均的使用年数进行了统计和规划,如图-1所示[1]

图-1修复再建的范围和平均使用年数图

Fig.1 Repair and reconstruction area and average service years

从图-1中可以得知,建设年代最早的东京中心部四个排水系统163Km²定为最需要实施修复再建的第一期,约4500km排水管网的平均使用年数已经达到64年。处于中心部西侧的第二期区域为277Km²,约7300km排水管网的平均使用年数为42年。处于中心部东侧的第三期区域122Km²为后期开发区域,约4300km排水管网的平均使用年数相对较短,平均年数为33年。自1995年开始对第一期区域的排水管网有计划地实施修复再建工作,经过多年努力至2020年已完成了规划面积的60%,管网的平均使用年数也变为较短的36年。从效果来看,1995年时该区域每年发生的道路塌方事故有809件,而目前5年平均值已经降低到了每年道路塌方事故少于10件,下降幅度超过了80%,取得非常好的效果,具体统计如图-2所示。在进行排水管网修复再建的同时,也不断推进解决城市内涝和改善合流制系统等工作。

图-2 道路坍塌事故件数变化图

Fig.2 Variation of road collapse accidents number

为确保在2029年之前完成第一期范围内的管网修复再建工作,根据计算平均每年还需完成约7.0Km²面积内的排水管道。最近几年在东京都每年都有约50个用于管道修复再建的工程项目,今后也将会按照这个状态继续进行下去,如图-3所示[2]

图-3 管道修复再建项目数量统计图

Fig.3 Statistics of repair and reconstruction projects

东京城市排水管网现修复再建的技术措施

3.1 导入经济耐用年数和资产管理方法

日本《地方公营企业法》实施规则中规定,排水管网设施的折旧基准年数,即法定使用年数为50年。但通过有计划地实施维护管理,管网设施的使用寿命在不断延长,如何确定实际使用寿命,东京都下水道局做了如下分析和定义。

把用于管网设施建设的总投资加上在使用过程中的维护管理费用的总和,称为排水管网设施的生命周期成本。把该生命周期成本除以使用年数后发现,排水管网设施生命周期成本的年平均费用在约80年时为最小。为此,把建设费用和养护管理费用的总和(生命周期成本)除以使用年数后的年平均费用最小的年数(即80年)定义为经济耐用年数。即排水管网设施在使用年数为约80年时实施修复和再建的成本可以达到最低,具体说明如图-4所示[2]

图-4 经济耐用年数说明图

Fig.4 Description of Economic life

3.2 采用资产管理法实现年度投资均衡化 

东京在经济高度成长期的1965年-1994年的约30年期间,每年建设了大量排水管网设施,实现了污水收集和处理全域普及的目标。伴随着人口少子老龄化和经济不景气等原因,如果按照管网设施建设后的实际使用年数进行再建修复,将无法承受投资的压力。为此,东京都下水道局对目前的排水管网设施进行分析,对即将进入修复再建期的管网设施量进行均衡化,导入了排水设施“库存资产管理方法”(Stock management techniques)的概念。其定义是:评估排水管网和污水处理设施的现有状态,实施恰当的维护管理的同时,考虑到生命周期成本和中长期的设施修复再建事业投资的均衡化等,有计划且高效率地实施管理资产的方法。图-5为排水设施库存资产管理模式图[3]

目前,第一期范围内排水管网的修复再建已完成60%,计划在2029年全部完成。第二期范围将在2030年开始实施,通过“库存资产管理方法”均衡化以后,第三期的年度修复再建设施量将是当年建设量最多年份的一半。通过这样的做法,把短时间内同时达到经济耐用年数的管网设施有计划地进行调整,确保规划期间每年需完成工作量的均衡性,使每年的投资保持平稳并降到合理最低。在实施过程中,对管道损坏情况引进健全度的概念,根据对管道设施的检测调查结果将老化程度分成等级便于先择修复技术。在修复技术选择上,为了最大限度的控制施工对道路交通和生活的影响,采用不开挖道路对老化的排水管道从内侧进行更新的更生工法实施管道修复[1]

图-5 排水设施资产管理模式图

Fig.5 Asset management mode of drainage facilities

3.3 修复和再建并行实施

在修复再建工作实施过程中,受排水主管、干线管道和泵站等设施的整体状况以及现有管道的排水能力(余量和水位)等各种不同条件的制约,规划和再建的方法和时期也不一致。为此,东京都下水道局把各种因素综合以后分成“常规再建”,“老化对策先行的再建”,“老化对策先行的再建(阶段方式)”等三种类型来推进修复再建工作。

其具体做法为,“常规再建”是以确保管道排放能力有20%余量为原则,当该区域的再建排水标准(降雨强度50mm/h,径流系数80%)所对应的干线管道等主要设施已经建成达标时所采用的再建方法。“老化对策先行的再建”和“老化对策先行的再建(阶段方式)”是指鉴于现有排水主管的破损已导致道路发生坍塌而需要再建,先以不低于再建排水标准(降雨强度50mm/h,径流系数80%)为条件,在干线管道和泵站等设施尚未达成再建排水标准前,阶段性地推进排水主管的再建工作。这是以在干线管道和泵站等设施再建完成后,可确保目前再建完成的管道具有20%余量为目的的再建方法[2]

伴随着人口老龄化,具有经验和技术的老职员逐渐退休,支撑排水事业的人才不足成为一个新的课题。为了应对这样的问题,东京都下水道局除了编写“排水管网修复再建设计技术规范”的同时,还编写了“管道修复再建施工设计的推进方法”等技术资料,在培养内部员工的同时,还对设计单位中缺乏施工设计经验的技术人员进行培训,以提高设计技术水准,确保再建工作顺利展开。

同时,把上述所说的再建类型用图表形式进行整理总结,可以消除中标设计单位和施工单位的错误认识,在进行目前的修复再建时需要考虑到将来所有设施完成全面改造时,管网的排水能力明确达到再建排水标准(降雨强度50mm/h,径流系数80%)时管道排放能力有20%余量的效果。具体见图-6所示[2]

图-6 修复再建的种类比较图

Fig.6 Comparison of repair and reconstruction types

结语

东京是开展深层排水隧道建设较早的城市之一,目前已建成四条深隧系统,基本都以控制内涝为目的。其中有壮观的号称地下神殿的“东京首都圈外郭防水路”,直径10.6米,全长6.3公里,在2006年建成使用。但到目前东京还没有彻底解决城市内涝问题,《2021东京下水道事业经营规划》中把解决城市内涝问题排在主要对策的第二位。建设了深隧并不意味着暴雨天气时城市不再发生内涝问题。深隧设施不仅需要巨大的建设投资,投入使用后的积水排放,沉积淤泥的清除、提升和处置等都不是常规技术所能够解决。为此,在国内今后进行深隧建设时,期待能够从东京的做法中得到启发。

改革开放四十余年,通过对城市排水设施的大规模投资和建设,我国的城乡水环境有了明显的改善。但伴随着使用年数的增加,部分设施逐渐进入老龄化,出现各种结构性和功能性问题,轻者影响城市排水,重者造成城市内涝或者引起路面塌方,严重危害城市的安全。借鉴日本东京在排水设施养护管理方面的经验,了解和学习他们在排水管网全面再建方面的规划和技术措施,让我们在排水设施运行管理上更上一层楼。

参考文献

1.東京都下水道局:東京都下水道事業経営計画2021,2021年3月

Bureau of Sewerage, Tokyo Metropolitan Government: Tokyo sewage works management plan 2021, March 2021

2.梅崎龍典:受託者向け[管きょ再構築実施設計の進め方]作成について,日本下水道協会誌,2020/Vol.57

Tatsunori Umezaki, Compilation of detailed design method for reconstruction of pipe network for the successful bidder,Journal of Japan sewage works association,2020/vol.57

3.東京都下水道局:東京都下水道事業経営レポート2021,2021年10月

Bureau of Sewerage, Tokyo Metropolitan Government: Tokyo sewage works management report 2021, October 2021

作者简介

孙跃平,上海管丽建设工程有限公司董事长,天津科技大学客座教授。东京都立大学工学硕士,日本注册技术士(P.E.Jp),亚太地区注册工程师(APEC Engineer),正高级工程师,上海市领军人才(2010年)。研究方向为污水处理系统运行管理与升级改造、排水管网系统检测评估与非开挖修复。

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