國外深隧排水系統調度運行方案的啟示

湯 舒， 吳學偉, 孫志民， 周午陽

(1. 廣州大學土木工程學院, 廣東 廣州 510006； 2. 廣州市水務投資集團有限公司, 廣東 廣州 510655； 3. 廣州市市政工程設計研究總院, 廣東 廣州 510060)

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國外深隧排水系統調度運行方案的啟示

湯 舒1， 吳學偉2, 孫志民3， 周午陽3

(1. 廣州大學土木工程學院, 廣東 廣州 510006； 2. 廣州市水務投資集團有限公司, 廣東 廣州 510655； 3. 廣州市市政工程設計研究總院, 廣東 廣州 510060)

深隧排水系統構成復雜，管理難度大，我國大陸又無此類工程可參考，需要探索高效的、合理的深隧排水系統的調度運行模式。通過分析國外典型的深隧排水系統調度運行方式，結合我國城市排水和深隧建設情況進一步研究，在淺層排水系統和深隧排水系統的整體調度、深隧調度運行與降雨信息相結合、降低深隧運行和維護成本及對深隧進行精確調度4方面得到了啟示，以期為我國的深隧排水系統完善和優化其調度運行方式提出進一步的研究方向和參考。

深隧排水系統； 調度運行； 內澇； 溢流污染

0 引言

近年來，全球氣候變暖，極端天氣頻發，由此引發的城市內澇和溢流污染問題備受關注。我國一些城市排水管網運行標準偏低，排水系統建設滯后是重要原因[1]。許多城市老城區因建筑密集，加上地鐵和綜合體開發，淺層地下空間利用難度和成本都越來越大[2]。深隧排水系統(簡稱深隧)可避免大量征地和拆遷，并適當利用城市30～60 m的深層地下空間，成為改善城市排水能力的重要手段之一。

國外在深隧排水系統的設計、建設和運行等方面都有較為成熟的經驗。國內對深隧排水系統研究和實踐處于起步階段，但國內學者也進行了不少的研究。王剛等[3]通過分析國內外典型深隧工程的功能及結構特征，討論深基坑技術、結構形式等問題；唐磊等[4]研究國外深隧排水系統的建設目的、投資效益、規劃設計要點、隧道方案比選等問題，結合我國的實際進行分析并提出建議；魯朝陽等[5]分析國外典型深隧排水系統工程案例的建設背景、方案特點、規模效果等，針對我國雨洪控制隧道的決策、規劃和應用提出建議；丁留謙等[6]分析芝加哥隧道和水庫工程計劃(TARP)修建歷史背景、工程建設及投資、效益分析、運行管理及維護等問題，并結合我國海綿城市試點建設工作，探討灰色與綠色雨洪基礎設施相結合問題。在上述研究中，主要關注深隧的結構、施工、規劃等方面，均未對深隧排水系統的調度運行及運行方式優化進行深入探討。

由于造成區域水浸與河涌污染的影響因素較多，受降雨、江水潮位、排污情況等多因素影響，使得深隧的調度運行復雜。此外，深隧排水系統位通常位于地下30～60 m處，通風、去除淤積物、跌水效能、高揚程抽水、分段蓄水、地下水庫儲水、水體凈化等系統構成復雜，管理難度大，運行與維護成本很高,并且此類工程我國大陸無可參考的工程經驗。在此背景下，研究國外深隧成功的排水方案，借鑒其成熟的運行調度模

式，再結合我國深隧建設實際情況來借鑒、創新和發展，具有重大的意義。

1 國外深隧調度運行方式現狀

早在20世紀70年代，城市洪澇和合流制溢流污染對城鎮的排水安全及水環境質量的影響就已經引起了國外發達國家的高度重視，開始建設深隧來收集、調蓄淺層排水管網無法應對的大量雨水和溢流污水。根據深隧建設的目的和作用的不同，可以分成3類，即以控制城市洪澇為目的的洪澇控制隧道，以調蓄儲存合流制溢流污染為目的的污染控制隧道以及同時實現內澇、污染等多功能的隧道，其中有一些具有代表性的深隧工程，如表1所示。

表1 代表性深隧工程簡介

1.1 洪澇控制隧道的調度運行方式

在洪澇控制隧道中，日本東京江戶川深層排水隧道是當前全世界最先進的排水系統。東京設有降雨信息系統，預測和統計各種降雨數據，用以進行排水調度[7]。由于東京已實行雨污分流的排水方式，在一般降雨的情況下，雨水就近排入河道，利用目黑川、澀谷川等小型河流進行排澇，充分利用河道的防洪排澇功能，此時無需開啟深隧。當超過河流的蓄洪能力或遭遇強降雨的極端天氣時，修建在中小河流旁的豎井便打開閘門，通過串聯豎井的管道把雨水輸送到東京最大河流江戶川旁邊的地下水庫[8]。水庫容積約數十萬立方米，可對雨水進行有效的調蓄。當水庫在雨水儲蓄量達到一定程度時，通過排水裝置把雨水排入江戶川中[9]。江戶川深層排水隧道結合降雨情況運行，并優先利用河道水系進行排洪調蓄，每年僅需開啟4—6次，便能有效地調節洪水，使得東京減少80%以上的洪澇災區。東京江戶川深隧如圖1所示。

1.2 污染控制隧道調度運行方式

因悉尼早期的排水系統出現排水管道錯接、漏損等情況，降雨時經常發生污水溢流，對悉尼灣造成嚴重的污染。為此，修建悉尼北部污水儲存隧道，通過主隧道把4個最大的污水溢流口和污水處理廠連接起來，截留80%～90%的溢流污水并輸送到污水廠進行處理，再排入海灣[10]。

圖1 東京江戶川深隧

該隧道的運行模式可分為備用、雨天運行、隧道維護和污水廠旁路跨越4種模式。旱天時隧道處于備用模式，即使隧道保持空置。發生降雨時則進入雨天運行模式，溢流污水不斷地進入隧道，同時泵站啟動并持續運行，隧道儲存的污水直接排出或轉移至污水廠處理后排放，直至隧道恢復到空置狀態。隧道維護模式即對隧道地下設施及溢流口的地表設施進行日常檢查和維護，并對隧道沉積物及時沖洗、轉移。當污水處理廠設備發生故障或定期維護時，則進入旁路跨越模式，將污水轉移至隧道進行儲存，防止污水直接排入受納水體。

1.3 多功能隧道調度運行方式

1.3.1 芝加哥隧道和水庫工程計劃(TARP)

為了防止密歇根湖受到合流制溢流污水的污染，改善河流水質，保護飲用水源；并為了減少暴雨天氣中洪澇對街區和地下室的影響，芝加哥于1972年提出了隧道和水庫計劃(TARP)。芝加哥隧道和水庫工程計劃(TARP)見圖2。

圖2 芝加哥隧道和水庫工程計劃(TARP)

1)第1階段是建設4條深層隧道，主要目的是控制合流制溢流污染。通過深隧將超過400個溢流污染口連接起來，通過閘門控制雨污水的入流，超過隧道負荷的雨污水將直接排放。由于深層隧道的調蓄容量僅有8.7萬m3，故在運行調度方面提出對雨水和溢流污水的入流控制優化。在深隧的豎井上安裝液位計等傳感器，實時采集數據并傳輸至中控室，結合深隧的液位高度以及降雨條件，通過一套自動化儀表系統來控制深隧閘門的開啟和關閉，從而實現合理地利用深隧。例如，當深隧充滿度達到60%時，進水閘門可能被關小或關閉，限制雨污合流管網和地面溢流的入流量，以保證不受閘門控制的污水能排入深隧。

2)第2階段是修建3座大型水庫，將比第1階段增加530萬m3調蓄容量，可兼顧洪澇和溢流污染的控制。此時整個深隧排水系統將雨污水收集并轉輸到水庫進行調蓄，待降雨結束且洪澇退去后，再轉輸到污水廠處理。芝加哥深隧排水系統在排水階段，當深隧的蓄水容量較多并結合降雨情況，將會避開城市用電高峰，選擇在0：00—8：00將深隧中的水通過排水泵站，排入污水處理廠，從而減少耗電費用。

1.3.2 密爾沃基深層隧道儲存系統

密爾沃基城市排水區(MMSD)是由城市污水攔截系統(MIS系統)、深層隧道儲存系統和中央控制系統3部分組成。密爾沃基深層排水隧道是組成密爾沃基排水系統的一部分，而不是獨立的單元。自從1994年深隧系統正式運行之后，合流制區域的污水溢流次數從平均每年50次降至2—3次。

旱天時，MIS系統將1 087 km2服務區域內的生活污水收集并轉輸到污水處理廠。雨天或者極端降雨天氣時，已實現雨污分流的區域，雨水會直接排放到附近河道；而在合流制區域，超出排水管網和河道負荷的雨水和污水會進入到深隧儲存系統進行調蓄[11]。圖3為密爾沃基深層隧道儲存系統的調度運行方式。

深隧系統利用超過300個流量在線監測設備，通過無線網絡或電話線把數據傳輸到中央控制系統，利用監測數據，根據深隧的運輸能力和調度的目標，采取最佳的運行方案[11]。

2 我國深隧建設現狀

隨著城市化的發展以及人口密度的不斷增大，我國城市的排水基礎設施已經受不住洪澇的考驗，城市水環境也日益惡化。為提高城市排澇能力以及改善水體環境，我國廣州、深圳及上海等城市已開展深隧工程相關研究工作，并進入項目實施階段。目前我國正在推進的深隧工程情況見表2。

相較于國外有較為完善的淺層排水系統，我國的城市排水系統普遍是合流制，且排水標準較低，如廣州、上海等城市舊城區多為1年一遇標準，局部地區甚至為0.5年一遇，故我國的深隧主要作用都是以解決城市內澇為主同時兼顧對溢流污染的削減。此外，我國的深隧建設處于起步階段，深隧的工程規模及其調蓄容量相對較小。因此，若要充分發揮深隧排水系統的功能，我們不能直接模仿國外的相關深隧排水系統，要因地制宜地借鑒國外深隧排水系統的調度運行經驗。

3 對我國深隧調度運行的啟示

3.1 淺層排水系統和深隧排水系統的整體調度

深隧排水系統是對淺層排水系統的補充和提升，能提高排水區域的防澇等級。然而,我國目前在建的深隧排水系統的儲存容量有限，在滿足緩解內澇的同時，還需盡可能地儲存合流污水，故需考慮與淺層排水系統配合調度運行，從而充分發揮深隧排水系統緩解內澇和削減溢流污染的能力。東京江戶川深層排水隧道則利用分流制的排水方式，優先使雨水歸流到河道或海域，充分利用河道的排澇能力。超出河道和淺層管網的負荷時，再通過深隧排水系統對洪峰進行調蓄。

(a) 一般降雨的情況

(b) 極端降雨的情況

表2 我國深隧建設情況

Table 2 Deep tunnels in China

所在城市深隧名稱實施進度工程規模擬解決的主要問題廣州 東濠涌深隧排水工程試驗段施工建設 工程主隧長1.77km,外徑6.0m,支隧長約1.39km,外徑3m,隧道埋深30～40m,服務面積12.4km2,可提供6.3萬m3的調蓄庫容 控制污染,削減東濠涌和新河浦涌流域雨季合流污水和初期雨水70%以上的污染;緩解內澇,提高流域內合流干渠的排水標準到10年一遇深圳 南山排水深隧系統工程 計劃啟動建設 隧道工程全長約4.1km,隧道直徑約6.2m(外徑約6.9m),設計規模約110m3/s,隧道埋深地下30～40m,服務面積11.21km2 污染控制,保障灣區水質,解決流域上游的初雨污染問題;防洪排澇,提高片區排澇標準,解決流域上游排澇問題上海 虹口港—走馬塘段深層排水調蓄隧道系統工程可行性研究 一級調蓄隧道全長31.5km,管徑8m,埋深30～60m;二級輸送管道全長28.5km,管徑4m,埋深15～25m;三級收集管道全長23.9km,管徑3m,埋深10～15m。調蓄規模為98萬m3,服務面積83.25km2 解決片區的內澇積水問題;削減初期雨水污染武漢 大東湖核心區污水傳輸系統工程 計劃啟動建設 污水主隧直徑3～3.4m、總長約17.6km,2根直徑1.5m支隧、長約1.7km,污水隧道埋深將達到29.93～42m,服務面積130.35km2 近期為傳輸和處理污水,保護東湖生態環境;遠期提高武漢排漬能力

以廣州東濠涌深隧排水系統為例，目前的調度運行方式主要是通過控制入流豎井的閘門，從而實現對內澇和溢流污染的控制?？赏ㄟ^把東濠涌區域的淺層排水系統現有2條河道(東濠涌和新河浦涌)、2個人工湖(麓湖和東山湖)、3個雨污水泵站和約11個閘門的使用與深隧排水系統的調度相融合，進而實現淺層排水系統的泵、閘與深隧的聯動，充分利用河道的排澇能力。當超出河道和淺層管網的負荷時，再通過深隧排水系統對洪峰進行調蓄，形成整體調度運行。

廣州、上海和深圳等城市處于三角洲地區，河網較密集，深隧調度運行需研究怎樣融合現有的淺層調度，優化并集成河道的閘門和淺層排水管網的截污閘、轉輸泵站、排澇泵站等執行機構的控制，尤其應對如臺風等極端天氣情況，最大限度發揮淺層排水管網調度雨污水及河道水系的排澇泄洪作用，與深隧排水系統的調度運行形成最佳的配合。

3.2 對深隧進行精確調度

美國的密爾沃基深層隧道儲存系統和芝加哥的深隧排水系統，通過在豎井設置液位計、流量計等傳感器，利用實時監測獲得的數據，可實現對深隧的入流和排水的精確調度。由于我國城市建設長期重地上輕地下，排水管網建設落后，錯節、混接等問題嚴重，僅通過在入流豎井閘前設置在線監測點，從而對深隧進行精確調度，是遠遠不夠的。

以上海虹口港—走馬塘段深層排水調蓄隧道系統工程為例，服務區域較大，總面積約83.25 km2，涉及合流制排水系統和分流制排水系統共46個，排水系統構成復雜且風險等級各不相同，多為1年一遇標準，局部地區為3年一遇甚至為0.5年一遇[12]。此外，廣州東濠涌流域自2010至2014年統計發生過內澇的地點約30處，重現期處于0.5～5年，而東濠涌深隧排水系統主要在入流豎井前進行流量、液位等在線監測。因此，還需研究在深隧上游的淺層管網，合理地選取及設置在線監測點，采集更廣泛的數據作為調度控制依據，可使調度控制方案更加精確，提高深隧對內澇和溢流污染的調控能力。

3.3 降低深隧運行和維護成本

深隧排水系統的運行需要耗損較多電費，如閘門的啟閉、水泵的啟停、除臭通風裝置等均需要耗費較多電力，尤其是從地下幾十米至地下一百多米處，通過泵組把雨水提升到地面，電耗較大。深隧排水系統的閘門、泵站、預處理設施以及監測設備等需要進行維護檢修，以及深隧的清污工作也需要耗費一定的維護費用。

合理的調度運行模式，則能降低深隧運行和維護的成本。東京江戶川深層排水隧道每年僅需開啟4—6次，較少地開啟深隧，能降低運行和維護成本。芝加哥的深隧排水系統則通過避開城市用電高峰，節省電耗費用。

我國深隧的調度運行，也應在滿足控制內澇和溢流污染要求的同時，研究如何實現降低運行和維護成本。例如,充分利用監測信息建立可靠的數學模型，分析建立最優化的調度方案，在確保防止水浸與污染的前提下，降低深隧的使用頻率，從而降低成本；優先利用淺層排水管網和河涌水系的泵閘進行調度控制，減少深隧泵、閘的使用，節省運營成本，延長泵、閘使用壽命；結合降雨的具體情況，采取錯峰用電的方式，進行深隧排水。

3.4 深隧調度運行與降雨信息相結合

內澇和溢流污染與降雨關系密切，深隧排水系統應結合降雨信息進行調度。東京、芝加哥的深隧排水系統均根據降雨強度來進行調度。在東京設有專門的降雨信息系統，統計分析降雨數據，東京江戶川深層排水隧道則根據降雨情況，采取相應的調度運行策略。

我國地域遼闊，廣州、上海和深圳等不同城市之間，年降雨總量、降雨量分布、降雨強度、雨型等降雨特征相差較大，針對不同降雨特征和不同雨洪問題時，可以結合降雨情況，根據監測獲得的液位、水質等數據，識別在不同降雨條件下，深隧服務區域內澇和溢流污染的變化規律，因地制宜地采取深隧排水系統的調度運行策略。例如研究區域內澇點積水情況和降雨強度的關系，建立內澇點水位與降雨量方程[13]，則可根據實測降雨量以及深隧的運行能力，采取最適合的調度運行方式，對內澇進行控制。

日本、美國等一些國家，早在20世紀90年代初就開始利用“低影響開發技術”、“水敏性城市設計”、“綠色基礎設施建設”等理念和技術進行雨水管理，從源頭上削減了面源污染[14]。然而，我國的海綿城市建設處于起步階段，城市的面源污染尤其是初雨污染較為嚴重，控制初雨污染是我國深隧的重要任務之一。其中，廣州東濠涌深隧排水系統的目標，是削減東濠涌流域雨季合流污水和初期雨水平均不低于70%的溢流污染[15]。如何充分發揮深隧調蓄溢流污染的作用，需在不同降雨強度下，識別溢流污染時以初雨污染為主，還是以管道初期沖刷為主[16]，科學地制定深隧對溢流污染的控制策略。

4 結論與建議

由于深隧排水系統在規劃設計、施工、運行調度方面技術難度較大，故國內學者更為關注并且進行了不少的研究。本文對國外深隧排水系統的調度運行及運行方式優化等問題進行深入探討，并結合我國城市排水建設和深隧建設實際情況，在淺層排水系統和深隧排水系統的整體調度、深隧調度運行與降雨信息相結合、降低深隧運行和維護成本和對深隧進行精確調度4方面得到了啟示，以期為我國廣州、深圳等城市深隧排水系統進一步完善和優化其調度運行方式。

然而，優化深隧排水系統調度運行模式，是一個復雜的工程，仍存在一系列的難題并值得進一步深入研究。例如獲取精確和實時的監測數據是深隧調度運行的基礎，如何在上游淺層排水管網選取合理的監測點，可以較好地反饋深隧控制區域的內澇和溢流污染情況，同時應如何選擇合適的監測設備需進一步研究。另外，如何利用監測到的液位、流量、cod等數據，分析評估深隧緩解內澇和削減污染的作用，從而進行調度運行的優化。

若要充分發揮深隧對洪澇或溢流污染的調蓄能力，合理、高效的調度運行方式顯得尤為重要。我們應充分借鑒世界上先進的深隧排水系統調度運行經驗，因地制宜，制定科學的、高效的、合理的深隧排水系統調度運行方式，充分發揮深隧排水系統控制水浸與河涌污染的作用，最大限度發揮工程的環境效益和社會效益。

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Inspirations from Management and Operation of Deep Tunnel Drainage Systems Abroad

TANG Shu1, WU Xuewei2, SUN Zhimin3, ZHOU Wuyang3
(1.SchoolofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,Guangdong，China; 2.GuangzhouWaterInvestmentGroupLimitedCompany，Guangzhou510655,Guangdong,China; 3.GuangzhouMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Guangzhou510060,Guangdong,China)

The drainage system of deep tunnel is complex and the management of it is difficult. There is no experience in China. As a result, it is very important to find a high-efficient and rational mode for management and operation of drainage system of deep tunnel. The management and operation modes for drainage system of deep tunnel abroad are analyzed and the state-of-the-art of construction of urban drainage and deep tunnel are studied. Inspirations are gained from shallow drainage system, overall management of drainage system of deep tunnel, connection between management and operation of drainage system of deep tunnel and rainfall and reduction of management and operation cost of deep tunnel. The results can provide reference for management and operation of deep tunnel drainage systems in China in the future.

drainage system of deep tunnel; management and operation; waterlogging; overflow pollution

2016-11-23;

2017-01-05

湯舒(1989—)，男，廣東廣州人，廣州大學市政工程專業在讀碩士，主要研究方向為城市排水防澇。E-mail： 348569346@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.010

U 45

A

1672-741X(2017)04-0449-06