國內外深隧排水系統建設狀況及其啟示

門 絢，李 冬，張 杰，2

（1.北京工業大學水質科學與水環境恢復工程北京市重點實驗室，北京 100124；2.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點試驗室，黑龍江哈爾濱 150090）

2014－05－11深圳市暴雨襲城，再次上演城市遭水淹癱瘓的一幕。不止深圳市，城市內澇近5年來一直是困擾中國大城市的難題，且不說看得見的交通癱瘓等問題，其還能引發下游水體溢流污染等次生災害［1－2］。頻繁的內澇已經給城市敲響了警鐘。近年來，相關政策文件相繼出臺［3］，國外先進理念和措施得到普遍認同，其中深層隧道（簡稱深隧）排水技術引起了廣泛關注。隨著廣州市開始開展深層隧道方面研究［4］，編制《廣州市中心城區深層隧道排水系統對策研究》，以及“東濠涌試驗段工程”即將開始施工，“深層隧道排水”技術作為緩解中國內澇問題的一種手段開始逐漸被大眾熟知［5］。在國外，深層隧道排水技術已經應用多年，且有更為廣泛的用途，本文對其進行了分析介紹，給出能為中國所用的建議。

1 引流排放，避免城市內澇

城市排水規劃要具有前瞻性，為未來變化留有余地，但現實往往不盡如人意。由于全球氣候變暖導致的海平面上升和氣候異常，暴雨和洪水的侵襲更加頻繁，加上中國的城市排水標準較低，引發城市內澇在所難免［6］。這時深層排水系統可以作為淺層排水系統的補充，提高城市防洪排澇標準［7］。典型城市有東京、墨西哥城和香港。

1.1 東京深層排水工程

東京作為日本的首都，是世界上較大的城市之一。面積為2 187km2，人口達1 332萬。屬溫帶海洋性氣候，年平均氣溫為15.6 ℃，年平均降雨量為1 800mm。由于特定的地理環境，除了地震以外，臺風和暴雨帶來的洪水是最大的威脅。特別是近幾十年，全球變暖造成海平面上升和氣候異常，給日本這個島國帶來的影響尤為明顯。當短歷時超常降雨出現時，帶來的洪水超出河道正常排澇能力，引起積水倒灌，城市內澇［8］。但分析表明，東京范圍內大大小小的河流中，最大的江戶川河道寬闊，具有足夠的泄洪能力。因此，如何提高其他河道的洪水容納能力，并及時通過江戶川排入東京灣，是解決東京洪水問題的關鍵，也是深層隧道工程建設的初衷［9］。該工程全長6.3km，下水道直徑約10m，埋設深度為地下60～100 m，由地下隧道、5座巨型豎井、調壓水槽、排水泵房和中控室組成，將東京都十八號水路、中川、倉松川、幸松川、大落古利根川與江戶川串聯在一起，用于超標準暴雨情況下流域內洪水的調蓄和引流排放，調蓄量約為67萬m3，最大排洪量可達200m3／s。在正常狀態和普通降雨時，該隧道不必啟動，污水及雨水經常規、淺埋的下水道和河道系統排入東京灣，而當諸如臺風，超標準暴雨等異常情況出現，并超過上述串聯河流的過流能力時，豎井的閘門便會開啟，將洪水引入深層下水道系統存儲起來，當超過調蓄規模時，排洪泵站自行啟動，經江戶川將洪水抽排入東京灣［10］。

中國的防洪規劃還主要針對流域，防洪和排澇之間難以銜接，這也與中國水利和市政兩專業一直嚴于區分有關［11］。東京的深層排水工程將淺層排水系統與外圍河道有效連接，值得中國借鑒。

1.2 墨西哥城深層隧道排水系統

墨西哥城是墨西哥合眾國的首都，位于墨西哥中南部高原的山谷中，海拔為2 240 m。墨西哥城面積為1 500km2，人口達1 800多萬，平均降雨量為748mm。墨西哥城始建于公元前500年，是美洲較古老的城市之一，由于地處中央高原墨西哥谷地，四面環山，特別容易遭受“水患”。

該城市最早的排水系統是按雨污合流制形式建成于20世紀初，管道總長度達1.4萬km。由于收集的雨水、污水最終通過Gran Canal（大排水渠）利用重力流將城市雨水和污水收集排出城外，為早期城市防洪排澇發揮了重要作用。但由于墨西哥城大量抽取地下水而造成嚴重地表沉降（年平均沉降0～300mm），使得修建于地表淺層的Gran Canal嚴重錯位，無法維持建設時的坡降，到1950年，其中有20km 長的管道已經完全失去了原有的坡度，使得Gran Canal的過流能力由原來的90 m3／s銳減至12m3／s。當局不得不對Gran Canal系統進行改造，通過增設抽水系統來改變因不均勻沉降形成的逆坡現狀［12］。隨著對當地的地表沉降問題作進一步的深入分析，認為墨西哥城要徹底解決這個問題，必須要重新建立一套免受地表沉降影響的“深層排水系統”。

1967年啟動了名為“深層隧道排水系統”的總體規劃，一期于1975年建成并投入運行。“深層隧道排水系統”由中央隧道和截水隧道2部分組成，全部敷設在地表30m 以下，采用泥水盾構施工方法。中央隧道直徑為6.5m，長為50km，設計過流能力為220m3／s，是將墨西哥城雨水和污水排出城外的主要通道，承擔了整個城市排洪納污功能。截水隧道由呈支狀分布的9 條總長約154km，直徑為3.1～5.0m的隧道組成，主要負責及時將區域內的雨洪及污水收集并排入中央隧道。但由于人口增長（由1960年的512.5萬增長到2000年的1 794.6萬）和服務范圍的擴展（由1970年的683km2擴大到1990年的1 295km2），1975年建成的“深層隧道排水系統”已滿足不了需求，特別是雨季過流能力不足，導致城市內澇頻發，為此提出了“東部隧道”工程。該工程由長63km，直徑7 m，埋設深度超過200m 的“東部隧道（East Tunnel）”和埋設深度在150～200m 的24 條進水道組成，排水能力為150 m3／s，是目前全球在建的最大城市深層隧道排水系統，將與中央隧道互為備用，進一步提高城市排水能力。

中國有些城市地面沉降也很嚴重，地下管網錯位不可避免，只不過情況難以檢測。一些建筑密集、地下管線復雜的老城區，淺層排水難以有大的改善。針對這些情況，深層排水系統可作為有利補充，加大排水效力［13］。

1.3 香港荔枝角雨水排放工程

香港經濟發達，地理位置優越，總面積達到1 104km2，2005年人口密度為6 420人／km2，年平均降雨量為2 214.3mm。數十年前修建的排水系統已不能滿足當前防洪排澇的要求，為減少頻繁的內澇，香港渠務署采取了一系列措施，最主要一項工程就是荔枝角雨水排放工程［14］，如圖1所示。

圖1 香港荔枝角雨水排放隧道示意圖Fig.1 Drainage tunnel diagram of Litchi Angle，Hong Kong

香港地勢高低分明，故隧道工程因地制宜，將西九龍腹地集水區的雨水經過多個積水口收集后再經過直徑4.9m、長2.5km 的分支隧道，最后利用一條直徑相同，長1.2km 的倒虹吸管隧道將雨水排放出維多利亞港。該工程有效緩解了荔枝角、長沙灣及深水埗地區的內澇風險，將防洪標準提高到50年一遇的水平。

香港的深層隧道排水工程有很強的針對性，非普遍適用，只對地形相似的城市有指導意義。

2 減少溢流污染，改善河湖水質

城市都是緊靠水源地發展起來的，上游取水下游排水，無一例外。但是隨著城市人口膨脹，城市污染負荷加大，雨季合流制排水管網極易發生溢流，污染附近水源，當水體已經無法利用自凈能力消化排放的污水，水質就會急劇惡化，這點在老工業城市尤為明顯［15］。例如倫敦和芝加哥，利用深層隧道的儲水能力減少溢流污染，挽救了當地水環境。

1）倫敦深層隧道工程

英國首都倫敦屬溫帶海洋性氣候，年平均降水量為1 100mm，人口密度為5 285人／km2。倫敦的排水系統自150多年前建造開始，隨城市發展一直在進行管道擴容和污水處理工藝的升級，維多利亞時代的下水道只占目前灌渠的不到1%，主干管總長接近81 000km。即使是這樣，隨著城市擴張，服務人口和面積的增加，按6.5mm 降雨強度設計的合流制系統在2007年時只能承受2mm 的雨強，導致泰晤士河溢流頻繁，水質污染嚴重，對于城市景觀面貌十分不利，故2007年倫敦政府通過“雨污分流”、“可持續性城市排水系統”和“泰晤士隧道”3種方案論證，最終確定了深層隧道工程，如圖2所示。

圖2 泰晤士深層隧道功能示意圖Fig.2 Times of deep tunnel function diagram

該隧道總長35km，直徑為6.5～7.2 m，埋深為35～75m。建成后溢流次數將由原來的60次／年減少到4 次／年，有效地提高泰晤士河流域的水環境。

2）芝加哥隧道和水庫方案

芝加哥是美國人口排第3位的大都市，屬于濕潤的大陸性氣候，四季分明，年平均降雨量為910 mm，大部分降雨以強烈夏季暴雨形式發生［16］，每年暴雨約有100次，合流制污水最終溢流至密歇根湖，導致作為芝加哥地區水源地的密歇根湖受到污染，污水還會倒灌至住宅和商業區的地下室內［17］。因此，1972年芝加哥市采取隧道和水庫方案（TARP），將51 個社區共971.5km2劃入服務范圍［18］。TARP由4個獨立隧道和隧道下游3 座大型水庫組成。第1階段是4條隧道的修建，主要目標是控污［19］，能夠把數百個排污口排放的870 萬m3合流制溢流污水收集起來。此工程于1975年開始施工，2006年4條隧道完工并運行。第2階段的主要目的是控制內澇，1998年已完成奧哈拉水庫的修建。據統計，水庫已經為其服務的3個社區減少洪澇損失2億5千萬美元［18］。另外2 座水庫正在建設中。3座水庫完工后，TARP 的儲水量將高達6 600萬m3［20］。雖然還沒有完全竣工，TARP 已經顯著改善了芝加哥河等水道的水質，河岸可供垂釣的魚種回到之前水平，并帶動了旅游業的發展［21］。

以上2個城市均是因為將水體作為水源或是城市景觀進行規劃，故對水體環境提出了更高要求［18］。以中國目前的發展水平，從發展的眼光看，目前的規劃建設深隧系統可以結合防澇與排污、蓄水等功能，部分工程可以分期建設。

3 污水輸送，集中處理

如果對城整個城市水系的管控和利用提出更高的要求，又不破壞水系統的平衡，也只有“花園城市”新加坡能達到此水平。在新加坡對其水資源的利用和改造過程中，深層隧道充當的角色是將整個城市收集的污水輸送至處理廠集中處理排放。

新加坡地處馬六甲海峽，總面積僅為714.3 km2，年平均降水量為2 400mm 左右。新加坡是全球少數幾個采用雨污分流系統的國家之一，這是由于其城市環境清潔，雨水污染程度小，同時新加坡淡水資源缺乏，故雨水是其主要淡水資源。雨水通過街道旁方便管理的明渠逐級匯集到17個大型蓄水池，經處理后進入配水系統。原來新加坡的污水處理 系統由2 450km 管 渠、134 座 泵 站、大 型 污 水 處理廠和一些小型處理廠組成［13］。隨著城市發展，為節約城市用地，滿足未來需求，新加坡前瞻性地設計了以污水輸送為目的的深層隧道系統，即通過2個交錯的深層隧道，將覆蓋99%人口范圍的污水集中輸送至郊區2個大型污水廠，最后將處理過的水排入遠離新加坡的深海。據稱此系統將解決新加坡未來100年的廢水回收、處理和排放需求。

新加坡在水資源管理上的投入十分可觀［22］，但這也是由其水資源現狀和以服務業為經濟主導決定的，中國尚且沒有城市能與其相提并論，故其作法可以作為長遠目標考慮。

4 結 語

本文介紹了發達國家或地區是如何利用深層隧道解決城市排水系統的不足，或是使本地區排水系統達到更高標準。國外深邃建設投資巨大，與此相比，中國投資較為分散，缺乏長期全局性大型工程，修補式工程無法從根本上解決問題。對此，本文提出未來中國深層隧道建設的相關建議，具體如下。

1）有針對性地建設深層隧道排水系統

中國城市現在主要存在的是內澇問題，但深層隧道絕不是唯一的解決方案，因為淺層排水管道尚且還有因為雨水口管理不善導致的管道堵塞等問題。且有研究表明，現在城市地面硬化率高，發生暴雨時雨水由地面到排水口也需要一段時間，如不能及時歸管引流，發生暴雨時也有可能發生積水［23］。深隧系統主要是解決排水能力不足與蓄水的問題，也就是說哪怕修了深隧，也不一定能完全解決內澇問題。國外通常的做法是利用低影響開發（LID）幫助減緩水力峰值，在2套系統相互配合下，雨水可以盡量平緩地流入隧道暫存。因此，要想利用深層隧道取得良好效果，必須有與之配套的“綠色基礎設施”，計劃建設深層隧道排水的城市要經過充分調研，判斷是否能通過深邃解決問題。

2）有前瞻性地建設深層隧道排水系統

用水量能反映城市居民生活水平。研究表明，城市越發達，用水量越大。故城市的排水管網建設必須有極敏銳的前瞻性——巴黎市100多年前建造的下水道就創造性的使用了1.5～6m 的大尺寸的管道斷面設計，因此目前仍能滿足排水的需要，旱季污水和雨季洪水均能順利排放。此外，其還在管道上方預留了安裝電力、供水等其他管道的空間，大大提高了地下空間的利用率。中國地下管網建設已經落后甚多，現在才開始推行地下綜合管廊試點工程，故在規劃建設深層隧道時更應注重前瞻性，多專業、多角度的考量，至少為未來30～50年發展預留空間。

近年來中國無論東西南北的城市，一方面缺水嚴重，另一方面時常發生損失重大甚至造成人身傷亡的內澇事件，充分說明了目前中國管網系統排水能力應對暴雨徑流能力的不足。在不影響地上建筑的前提下，深層隧道是運輸、存儲污水的有力手段，只要應用得當，可成為解決內澇問題或其他水資源調度問題的好方法。

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