城市更新背景下雨污分流系统性创新技术与实践教学设计-基于“厂网河”一体化视角的研究生课程

城市更新背景下雨污分流系统性创新技术与实践教学设计——基于“厂网河”一体化视角的研究生课程一、课程基本信息与设计理念【学科类别】市政工程/环境工程/城市规划（跨学科）【授课对象】硕士研究生一年级、二年级（兼及高年级本科生及行业培训学员）【课程名称】城市水系统规划与设计/高等给水排水工程【课时安排】4学时（含理论讲授2学时，案例研讨与沙盘推演2学时）【基础等级】本课程属于专业学位课及行业前沿讲座，要求学生已修读《水力学》、《水质工程学》、《城市基础设施规划》等前置课程，具备基本的流体力学知识与水处理工艺常识。【设计理念】本教学设计深度融入“新工科”建设理念与工程教育专业认证（OBE）成果导向原则。针对研究生层次的教学，摒弃单纯的科普式讲解，转而聚焦于城市建成区环境下面临的“雨污混流排查难、管网提质增效难、内涝风险控制难、合流制溢流（CSO）污染治理难”等四大痛点。通过引入“厂—网—河（湖）”一体化治理思维和数字孪生技术，旨在培养具备系统性思维、跨学科视野和解决复杂工程问题能力的高层次创新型人才。课程以“理论重构—技术创新—案例解剖—实战推演”为逻辑主线，将行业最新的“一厂一策”、“污涝同治”、“海绵城市与管网改造耦合”等理念贯穿始终。二、教学目标的层次化设定（一）知识与理解目标（基础/重要）1.深刻辨析合流制、截流式合流制与完全分流制三种体制的适用边界及其在水量、水质方面的本质差异【重要】。掌握雨污分流改造不应是简单的“物理断开”，而应是从“源头—过程—末端”进行系统重构的核心理念。2.系统掌握城市排水管网物探技术（CCTV、QV）、非开挖修复技术（UVCIPP、喷涂）及数字管网构建的核心原理【基础】。3.深入理解“一厂一策”的系统治理方案内涵，掌握污水处理厂进水浓度（BOD5/COD）、浓度削减率与管网外水渗入/入流入渗（I/I）之间的量化关系。（二）能力与实践目标（核心/高频考点）1.【高频考点】能够利用水量平衡图和GIS空间分析技术，诊断片区雨污混接、外水入侵的程度与具体点位。2.具备对典型老旧小区或城市道路进行雨污分流改造方案的初步设计能力，并能权衡“开挖重建”与“保留利用/新建地表径流通道”的技术经济比选（参考扬州职大案例的经济分析思路）【热点】。3.掌握在极端暴雨条件下，利用模型（如SWMM）模拟合流制溢流（CSO）频率与污染负荷，并提出基于“灰绿结合”的调控策略（如调蓄池、深层隧道、智慧闸门）【难点】。（三）情感、态度与价值观目标（素养）1.建立正确的工程伦理观，深刻认知排水设施作为“城市良心”和民生工程的重要性，在方案设计中充分考虑施工期间对居民生活的干扰最小化（如绍兴柯桥的“四方联动”机制所体现的人文关怀）【重要】。2.强化生态文明意识，理解雨污分流是恢复城市水生态系统健康、实现水资源循环利用的关键前置条件，将“绿色基础设施”与“灰色基础设施”协同优化的理念内化于心。三、教学内容的重构与深层解构（一）教学重点的系统性阐述【重要】1.“源—网—厂—河”系统的耦合机理：重点剖析降雨径流产生（源）、管网汇流与传输（网）、污水处理厂进水负荷响应（厂）以及受纳水体水质（河）之间的动态响应关系。强调“管网是核心，水厂是终点，河流是镜子”的系统逻辑。2.提质增效背景下的管网诊断技术：重点讲解如何通过流量与水质（如氨氮、电导率）在线监测数据，反演管网的外水入渗量。例如，通过夜间最小流量法评估地下水渗入的严重程度。3.低影响开发（LID）与雨污分流改造的融合设计：重点阐述在空间受限的建成区，如何利用下沉式绿地、透水铺装、雨水花园等海绵设施，替代或补充传统灰色雨水管网的功能，实现源头减排（如广州番职院与扬州职大的海绵化改造经验）。（二）教学难点的突破策略【难点】1.【难点1】合流制溢流（CSO）污染的精准控制：学生往往难以理解“即使分流了，为什么下雨时河道还会黑臭？”——这是因为初期雨水冲刷效应和截流倍数不足。突破方法：引入长春串湖污水处理厂“颗粒污泥”技术提升雨季处理能力的案例，讲解如何在有限空间内通过工艺强化（而非扩建）应对雨季峰值流量，以及对深层调蓄隧道（CSO隧道）原理的动画演示。2.【难点2】存量管网的非开挖修复与价值判断：学生易陷入“唯新建论”的思维定势。突破方法：通过对比“开膛破肚”式重建与UV内衬修复等非开挖技术的经济、社会、环境成本，结合具体数据（如扬州职大节省800万元案例），建立“先诊断、后修复、再新建”的科学决策流程。四、教学准备与前置资源（一）数字化教学资源库1.多媒体课件：包含动态演示的排水管网水流模拟视频、3D管网切片模型、国内外典型城市排水系统治理纪录片片段。2.虚拟仿真实验平台：对接某典型小区的SWMM水文水力模型或简易的数字孪生平台（如“流域轻舟”教学基地模式），供学生进行参数调整和效果模拟。（二）实体教具与案例包1.管材与修复样品：准备PVCU实壁管、HDPE双壁波纹管、UV内衬修复后的软管样品、检查井防坠网等实物。2.典型案例库：深度整合搜索到的优质案例，形成教学案例集：【扬州职业大学案例】：老旧校区“地表排水沟+管网修复”的省钱创新法。【广州番禺职院案例】：大面积透水铺装与生态停车场对径流峰值削减的实际效果。【长春市伊通河案例】：特大城市系统治理的“一厂一策”与颗粒污泥技术应用。【宜宾三江口案例】：基于数字孪生的流域级“监测模拟预警处置”全链条防灾体系。（三）预习任务单要求学生课前复习“暴雨强度公式”、“恒定流与非恒定流”、“生化处理工艺”等基础知识，并思考一个问题：“为什么中央环保督察反复指出‘管网老旧、雨污混流’是黑臭水体的‘症结’所在？”五、教学实施过程全解构（4学时）第一环节：情境导入与认知重构——从“末端排放”到“系统治理”（约20分钟）【教师活动】1.展示一组对比强烈的图片：一张是某城市雨后街道积水成河的“看海”景象，另一张是污水处理厂在雨后因大量地下水/雨水渗入导致进水浓度过低、生化系统瘫痪的工艺曲线截图。2.抛出核心问题：“这两张图，一张在地面，一张在地下；一张关乎城市安全，一张关乎设施效能。它们之间有什么内在的、必然的联系？”引导学生打破“排水”与“治污”割裂的传统思维。3.引出本课的核心概念——“厂网河一体化”与“污涝同治”。指出传统的雨污分流只是手段，而非目的，其终极目标是实现城市水系统的健康循环。介绍发达国家从合流制到分流制再到合流制溢流控制的曲折历程，帮助学生建立历史唯物主义的技术演进观。【学生活动】分组讨论23分钟，每组派代表提出自己的初步看法。研究生通常会提到“雨水进了污水管”、“地下水渗漏”等表层原因，教师需引导其向“系统耦合”层面思考。【设计意图】通过强烈的视觉冲击和认知冲突，迅速将学生从单一的工程思维拉升至复杂的系统思维层面，明确本课程的高阶性。第二环节：理论基石——分流体制的技术经济学辨析（约30分钟）【基础】【教师活动】1.系统梳理三种排水体制的流体力学与水质特征：直排式合流制：理论模型——所有汇水面积内的雨水与污水混合直排。弊端：严重污染水体。截流式合流制：引入截流倍数（n0）概念。重点推导截流干管设计流量公式：Q=(n0+1)Q_dry（Q_dry为旱流污水量）。讲解截流倍数过小（<1）则CSO频发，截流倍数过大（>35）则截流干管管径过大、污水处理厂受冲击的“两难”困境。这是理解老旧城区改造难点的钥匙【高频考点】。完全分流制：强调其理想状态——雨水不入污水管，污水不混雨水管。但在实际中，因私接、混接、错接，分流制往往演变为“合流制”，即所谓的“分流制地区雨污混流”现象。2.引入“外水入侵”定量分析：讲解如何利用水量平衡公式Q_wwtp=Q_sanitary+Q_infiltration+Q_illicit，其中Q_wwtp为污水处理厂进水总量，Q_sanitary为实际居民产生的生活污水量，Q_infiltration为地下水位高时的入渗量，Q_illicit为雨污混接量。给出一个简化例题，让学生计算如果某片区理论污水量为1万吨/日，而污水处理厂旱天进水为1.8万吨/日，那么外水（地下水+混接）占比高达44%，这直接导致进水浓度偏低，能耗浪费惊人。【学生活动】动手计算例题，深刻理解“清水进厂”造成的资源浪费（处理了本不该处理的洁净地下水/雨水）。【教学标记】此处标注【高频考点】【基础理论】第三环节：技术创新——诊断、修复与智慧化（约40分钟）【核心/热点】（一）看不见的“侦察兵”——管网精准诊断技术【教师活动】1.物探技术：结合视频和图片，讲解CCTV（管道闭路电视检测）如何识别管道的破裂、变形、堵塞；QV（管道潜望镜）如何快速查看检查井及短距离管道状况。2.流量与水质监测：讲解如何通过在关键节点（如片区出口、主干管交汇处）布设在线水质监测仪（COD、氨氮、电导率）。重点讲解“特征因子法”：例如，地下水中往往氯离子、硬度较高，生活污水中氨氮、BOD5较高。通过监测雨季和旱季的水质特征变化，可以精准锁定外水入侵和雨污混接的区域。3.示踪试验：介绍在怀疑混接的上游倒入荧光示踪剂，在下游通过检测是否出现荧光来判断连通性的方法。（二）微创手术——非开挖修复与更新技术【教师活动】1.讲解UVCIPP（紫外光固化内衬修复）技术的原理：将浸渍树脂的玻璃纤维软管拉入旧管，充气膨胀后紫外光固化，形成“管中管”。播放一段动画演示视频，展示其无需大规模开挖、施工快、强度高的优势。2.介绍机械制螺旋缠绕法和不锈钢双胀环法等其他修复技术，对比其适用场景。3.强调“检查井修复”同样重要，介绍离心喷涂法修复检查井渗漏的技术。4.引入扬州职大创新案例【热点】：详细拆解其技术路线——“保留90%现有合流管网作为污水管，新建地表排水沟替代雨水管”。组织学生讨论：这种“化整为零、灰绿结合”的方案为什么能节省800万元？其适用前提是什么？（提示：地形有坡度、有绿地空间、原有管网基础较好）。引导学生思考技术创新不仅仅是新材料的应用，更是工程思维的创新（功能重构）。（三）智慧大脑——数字孪生与动态管控【教师活动】1.展示“流域轻舟”科技服务教学基地或类似智慧水务平台的界面截图【重要】。讲解如何通过布设在管网、泵站、水厂、河道的水位、流量、水质传感器，构建城市排水系统的“数字孪生体”。2.讲解在暴雨来临前，如何利用模型进行预报调度：预降河道水位、开启调蓄池、根据雨情动态调整泵站启停，实现“厂—网—河”一体化联合调度，最大化削减CSO污染和内涝风险。第四环节：案例深度解剖——长春“一厂一策”与系统性治理（约30分钟）【难点/热点】【教师活动】1.背景介绍：介绍长春市伊通河综合治理这一投资数百亿的标志性工程。引出核心问题：面对中央环保督察指出的污水溢流问题，如何系统解决？2.核心策略——“一厂一策”深度解读：诊断：对五大污水处理系统服务范围内的554平方公里进行“体检”，发现主要问题是管网混接、外水入渗、管网高水位运行导致没有“腾挪空间”。药方：针对串湖污水处理厂，不是简单地扩建，而是引入“颗粒污泥”技术【难点/创新】。详细讲解该技术如何通过培养沉降性能极佳的颗粒污泥，大幅提高生化池的生物量，从而在不增加池容的情况下，将雨季处理能力从20万吨/日提升至30万吨/日。这是解决老旧污水厂提标扩容空间受限的“神来之笔”。协同：同时配套进行管网清淤修复、增加调蓄设施，实现“厂网联动”。3.理念升华——线性排水沟的启示：结合长春对“光复路看海”的治理，介绍“线性排水沟”相较于传统点式雨水口的收水效率优势【重要】。引导学生思考：微观层面的技术创新（如雨水口形式）同样能对宏观排水效果产生巨大影响。【学生活动】分组研讨：假设你是某老城区污水厂厂长，雨季溢流污染严重，但厂区周边已被高楼大厦包围，无法征地扩建。请结合长春“颗粒污泥”案例，提出至少两种可能的技术解决路径。各小组进行头脑风暴，并派代表陈述观点。教师进行点评，重点引导技术的可行性与局限性。第五环节：实战推演——老旧小区雨污分流改造方案设计（约40分钟）【核心能力】【情景设定】提供一张典型的老旧小区平面图（约5公顷，建于1990年代，合流制管网，道路狭窄，绿地率较低，存在内涝和水体黑臭投诉）。给出基础资料：人口密度、年降雨量、地下水位等。【任务要求】以45人项目组为单位，在40分钟内完成一份初步改造方案的技术备忘录（模拟汇报PPT草稿），需包含：1.现状诊断：指出该小区可能存在的排水问题（至少3点）。2.目标设定：明确改造要达到的量化目标（如：实现雨污分流率>95%，年径流总量控制率≥75%，解决小区内涝积水点等）。3.技术路线比选：方案A（传统大开挖）：全部挖掉重建新管网。方案B（扬州模式）：评估是否可利用原有管道作为污水管，新建地表生态排水沟。方案C（海绵融合）：结合透水铺装、雨水花园、下沉式绿地等，减少雨水管网负荷。要求从成本、工期、对居民影响、长期效果四个维度进行简单对比分析。4.关键节点设计：绘制简要的某一路段或某栋楼的雨污分流改造示意图（手绘或简单图示），标注管径、坡度、接户方式、检查井位置。5.运维管理机制：参考绍兴柯桥的“四方联动”机制【热点】，提出改造后的长效管理建议（如物业责任、定期清掏、居民公约等）。【教师巡回指导】在各组讨论过程中，教师深入到学生中间，引导他们思考一些“陷阱”问题：比如，阳台洗衣废水是否已接入污水管网？沿街餐饮的隔油池如何设置？化粪池的位置是否与新建管网冲突？施工期间如何保障居民出行？这些都是实际工程中极易“踩坑”的地方。【小组汇报与互评】随机抽取12个小组进行3分钟限时汇报。其他小组和教师扮演“业主单位”或“评审专家”进行提问和打分。【教师总评】对各组方案中的亮点进行表扬，对共性问题（如往往忽视施工期交通组织、对地下水渗入考虑不足）进行总结和纠正。特别强调“达标验收不是终点，长效合规才是目标”的运维理念【重要】。第六环节：总结升华与前沿展望（约10分钟）【教师活动】1.知识图谱重构：带领学生回顾从体制辨析、精准诊断、技术创新、系统治理到方案设计的完整闭环，强化“系统性、精细化、智慧化”是未来雨污分流技术发展的三大关键词。2.前沿展望：应对气候变化：随着极端降雨频发，未来的排水系统设计标准将面临动态调整，我们需要研究基于风险的城市韧性排水系统。资源与能源回收：污水不再是负担，而是资源和能源的载体。未来雨污分流改造如何更好地服务于污水的资源化（如磷回收、再生水利用）？AI与大数据：如何利用机器学习算法预测管网淤积和破损风险，实现“预防性维护”而非“被动抢修”？3.价值引领：再次强调排水工程作为“良心工程”的属性，鼓励学生未来在职业生涯中，不仅要懂技术、会算账，更要有情怀、敢担当，用手中的图纸绘制出城市的“里子”和民生的“面子”。六、教学评价与考核设计（一）形成性评价（占40%）1.课堂研讨参与度（10%）：在案例讨论、问题回答中的表现，考察是否进行了深度思考。2.实战推演方案（30%）：以小组为单位提交的老旧小区改造方案备忘录，重点考察方案的逻辑性、技术创新性、系统完整性以及对现实问题的考量。评价量表涵盖：问题诊断准确性（5%）、目标设定合理性（5%）、技术方案创新性与可行性（10%）、图纸表达规范性（5%）、团队协作与汇报表现（5%）。（二）终结性评价（占60%）1.期末项目报告：给定一个具体的、稍复杂的城市建成区（如某大学校园、某工业区、某历史风貌街区）的详细基础资料，要求学生独立完成一份不少于3000字的《雨污分流系统治理规划研究报告》。2.【难点考察】报告必须包含对现状管网问题的定量诊断（如利用给定数据估算外水入侵量）、对CSO污染的控制方案、至少一种创新技术的应用