深層排水隧道研究進展

何巍偉 王夢華 武今巾

(1.合肥中科國禹智能工程有限公司 安徽合肥 230000;2.瀘州市園林綠化服務中心 四川瀘州 646000)

2021 年7 月河南鄭州特大暴雨事件，使得城市洪澇災害問題再次成為人們關注的焦點。此次事件造成社會經濟損失以及人員傷亡巨大，同時還暴露出了各種管理問題和排水基礎設施建設短板，如何有效應對潛在巨大暴雨災害風險也成為人們討論研究的熱點。中國在快速城市化發展的同時，也給城市排水系統基礎設施帶來了巨大的壓力。中國城市過去排水標準普遍較低，一些大城市的排水規劃也前瞻性不足，尤其是面對當前日益頻發的極端天氣往往無法有效應對，導致城市洪澇災害影響范圍廣、社會經濟損失巨大。

深層排水隧道（簡稱深隧）是一種能有效解決城市排水問題的途徑，可顯著地提升城市排水能力，有效控制城市局部內澇及合流制溢流污染問題。隨著我國部分城市日益突出的排水問題，以及廣州等地相繼開展深隧工程建設，深隧也受到越來越多的關注。

1 深層排水隧道

1.1 深隧類型

深隧根據排水體制及其功能可劃分為雨洪排放隧道、污水輸送隧道、合流調蓄隧道和復合功能隧道。

（1）雨洪排放隧道，主要用于收集和調蓄城市強降雨條件下產生的雨水或上游洪水。一般沿主干街道、河道或具有山洪風險的城市外圍進行布置，緩解城市內澇和河道排洪能力不足的問題，還可用于截流上游山洪或河道洪水，避免下游城市發生洪澇災害。

（2）污水輸送隧道，主要用于收集和輸送城市污水，一般是由于城市開發密度較大、土地資源緊缺、污水處理設施無法提標等問題而設計。通過在城市外圍建設大型污水廠，利用深隧將城市生活污水輸送至大型污水廠進行集中處理。一方面可解決城區污水處理能力不足的問題，另一方面還可置換城區分散的污水廠、泵站等污水設施，提升土地資源開發價值，優化城區人居環境。

（3）合流調蓄隧道，主要用于收集合流制地區超量的合流污水進行調蓄，并與污水廠連接進行轉運和處理排放，是目前應用最廣泛的隧道。一般沿溢流口設置，平行于截流干管和河道，在暴雨時收集大量雨污合流水進行調蓄，避免溢流或直排河道造成污染，提高城市排洪排澇能力，并最終將其運送至污水廠進行處理達標排放。

（4）復合功能隧道，是指除具有排水功能外，還兼具其他如交通、人防等功能的隧道。例如：馬來西亞吉隆坡SMART隧道，將高速公路隧道與排洪隧道進行組合設計，實現洪澇控制與交通功能的結合。

1.2 深隧組成

深隧系統主要由淺層銜接設施、預處理設施、豎井、深層隧道、排水泵站及附屬設施構成，其主要功能如表1所示。

表1 深隧主要組成及功能

續表2

1.3 典型案例

深隧在國外已有很長的研究歷史，近年來我國部分城市也在積極探索利用深隧解決城市水污染、內澇等排水問題。美國及日本已規劃建設多項深隧工程，其中日本由于其島國的特殊地理位置，深隧大多以雨洪排放隧道為主，用于預防臺風、山洪、強降雨等帶來的洪澇災害，保障城市洪澇安全。美國則大多為合流調蓄隧道，實現洪澇和水污染雙重控制，包括我國在內的其他國家，也均以合流調蓄隧道規劃建設為主。國內外深隧工程案例總結見表2[1-8]。

表2 國內外深隧工程清單

1.4 運行模式

深隧的運行調度模式受到諸多因素影響，如降雨情況、江河水位、泵站及污水廠運行負荷等，不同的深隧類型其運行調度模式也存在差異。雨洪排放隊道、合流調蓄隧道一般僅在雨天時開啟，側重于超量雨污水的調蓄和排放，其運行模式與降雨情況密切相關。污水輸送隧道則側重于整個系統內污水的穩定運行及合理調配。因此，針對不同功能深隧設計科學合理的運行調度模式，是充分發揮深隧排洪控污功能和安全穩定運行的重要保障。

1.4.1 雨洪排放隊道典型運行模式

以日本東京江戶川深隧為例，在降雨量較小時，雨水就近排入中小型河流，無須開啟深隧。當降雨較大超過河道蓄洪能力時，開啟中小河流旁的豎井閘門，收集超量雨水并利用隧道輸送至東京最大河流江戶川旁邊的大型地下水庫進行存儲。當水庫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。

1.4.2 污水輸送隧道典型運行模式

以武漢污水深隧為例[9]，主要包括常規調度、淤積沖刷調度、應急調度等。常規調度模式，日常情況下通過調控不同的進水量，來保證深隧的平穩運行。淤積沖刷調度模式，主要通過提高區域管段污水流速，實現淤積沖刷避免堵塞。應急調度模式主要應用于某些特殊場景，例如：當下游污水廠部分停水檢修時，上游預處理站進水相應調小，避免進水量超出污水廠處理能力；當上游部分區域夜間水量過小時，會關閉該區域預處理站進水保持該站水位穩定，并通過調整其他預處理站水量來彌補該區水量的缺失，保障下游污水廠進水穩定；當上游區域降雨時，部分管網進水量激增存在溢流風險時，增大該區預處理站進水量，并相應減小其他區域預處理站進水量，以保持深隧系統水量穩定。

1.4.3 合流調蓄隧道典型運行模式

當晴天或降雨不超過淺層排水能力時，深隧處于關閉狀態，依托現有淺層合流制排水系統進行合流污水排放，并通過截流設施按設計標準將初雨廢水輸送至污水廠進行處理。當降雨超過淺層排水能力時，開啟深隧，將超量合流污水引流至深隧進行存儲，雨停后將隧道內合流污水輸送至污水廠進行處理后排放。當降雨超過深隧調蓄容量時，開啟排水泵站，直接將超量雨水排放至河道等受納水體。雨停后，再將隧道內合流污水輸送至污水廠進行處理后排放。

1.4.4 復合功能隧道典型運行模式

以吉隆坡SMART隧道為例，運行模式根據降雨大小分為3 種方式，具體如圖1 所示。在晴天或小雨時，上、中兩層正常通車，下層閑置。在中、大雨時，下層用作排水通道，上、中兩層正常通車。在大暴雨時，上、中兩層停止通車共同排洪，雨停后上、中恢復通車。

圖1 SMART隧道運行模式

2 我國深隧建設進展

我國大陸目前已有廣州[10]、武漢[11]、上海[12]、深圳[13]等城市開展了深隧的建設實踐，杭州[14]、成都[15]、貴陽[16]、北京[17]等地也進行了相關的規劃研究。

2.1 廣州東濠涌深隧

廣州規劃建設“一主七副”深隧系統，其總長86.42 km，埋深40 m，解決中心城區合流污水溢流污染及城市內澇問題，并于2012年選擇東濠涌分支隧道開展我國大陸首條深隧的建設與研究。東濠涌深隧沿東濠涌河道建設，收集和調蓄流域內的初雨及合流污水進行集中處理，實現溢流污染控制和緩解城市內澇，增強東濠涌排洪能力。經評估，深隧建設后流域內CSO溢流次數減少率≥80%，合流污水截取率提升19.2%，污染物削減率提高20%，排水管網標準由1 年提升至5年，東濠涌防洪標準由15 年提升至50 年，可顯著提升流域防洪排澇能力和改善雨天河道水質污染的情況。

2.2 武漢大東湖污水深隧

通過對武漢中心城區3 座污水廠（沙湖、二郎廟、落步咀）進行改造，并利用深隧將其收集的污水轉運至新建的北湖污水廠進行集中處理。武漢深隧于2020年建成，每天輸送近80 萬t 城區污水，關閉的3 座污水廠也騰出大片土地資源，有效解決了所面臨的土地資源矛盾及水環境問題。

2.3 上海蘇州河深隧

上海為解決中心城區雨天溢流污染及內澇問題，規劃在蘇州河流域沿河建設深隧工程，提高沿線區域雨天排澇能力，調蓄合流污水消除溢流污染。上海于2017年開展試驗段（位于深隧工程西端，西起苗圃，東至云嶺西，全長約1.67 km）建設。深隧建成后區域內溢流污染物可減少近90%，基本消除蘇州河初期雨水污染，同時也能有效應對百年一遇的降雨。

2.4 深圳前海—南山深隧

深圳于2019 年開工建設前海—南山深隧，建成后，一方面，通過收集和截留上游南山片區漏失污水和初期雨水污染，經預處理后運輸至南山水廠處理進行集中處理，控制下游前海水環境污染問題；另一方面，利用深隧進行調蓄（調蓄容積10.8×104m3），實現雨水排澇控制，解決南山片區多年積澇問題。

2.5 杭州城西南排通道工程

杭州為解決城西因地勢低洼、受杭嘉湖平原高水位頂托、骨干河道規模小、河道局部存在卡口等引起的洪澇問題，規劃在城西南建設深隧（城西南排通道工程），可就近向錢塘江進行洪澇排放，提高防洪減災能力。深隧總長13 km，直徑11 m，埋深約53 m，建成后不僅解決城西核心區域的洪澇問題，同時還可進一步緩解杭嘉湖平原和太湖流域的洪澇壓力。

2.6 成都深隧規劃

成都規劃在中心城區沿河、沿環路建設“兩環四射”深隧系統，實現中心城區污水輸送、初雨污染治理、防洪防澇等功能。經模擬評估，方案實施后區域內初雨污染治理率達到100%，易淹區治理率為100%（104個），污水帶壓區域減少率為94.2%（321.3 km2）。

2.7 貴陽深隧規劃

貴陽在中心城區規劃研究了“一主六副一廠”的深隧方案，以南明河為主線，以6 條支流為副線，沿河建設深隧，將南明河排水分區內的雨污水統一收集輸送至下游末端污水廠進行集中處理，實現中心城區污水輸送、初雨調蓄、溢流污染控制等目標。深隧建成后預計可控制南明河核心區7 mm初雨污染，并利用末端超大規模污水廠取代區域內分散的32座污水廠，提升城區土地開發價值和人居環境。

2.8 北京深隧規劃

北京規劃在城西城東分別建設兩條深隧，西部深隧通過連通水系進行分流消峰，解決南部涼水河水系區域的內澇問題；東部深隧通過連通水系進行雨洪滯蓄，解決東部清河、壩河、通惠河、涼水河水系的內澇問題。兩條深隧總長約100 km，蓄滯能力可達800萬m3，能有效應對極端天氣下的洪澇災害問題。

3 技術討論

3.1 優劣勢分析

深隧作為解決城市排水問題的新方法，相比淺層排水系統，既有優勢，又有其局限性。結合相關案例，深隧建設方案與雨污分流方案優劣勢對比分析具體如表3所示[17-19]。

從表3 中可以看出，深隧的優勢主要體現在以下幾個方面。（1）在城市溢流污染及洪澇控制方面，深隧由于具有巨大的調蓄空間及過水能力，可以快速改善中心城區污水溢流污染和城市洪澇問題，具有見效快、效果強的明顯優勢。（2）在城市建設方面，由于深隧是在地下深層空間（一般為地下30～60 m 處）進行建設，一方面可避免城市路面開挖，不受現有路網影響，對地表交通和環境影響較小，也不會對地下建（構）筑物、各類管線及其他設施產生影響；另一方面可節約地下淺層空間，有利于城市土地資源開發，滿足城市未來發展。（3）在投資費用方面，深隧在某些條件下其總體投資相對更小。例如：廣州東濠涌深隧[20]，總投資6.9 億元，其中工程費4.5 億元。若采用淺層雨污分流方案，其總投資為16.2 億元，工程費9.4 億元，減少約一半投資費用。這是由于老城區雨污分流改造往往需要區域系統性改造，僅通過局部新改擴建新增管道、調蓄及節流設施，一方面難以達到預期效果，另一方面受空間限制、交通影響、拆遷困難等因素難以實施或造成成本巨大。

表3 深隧與雨污分流方案對比

深隧的局限性主要表現在以下幾個方面。（1）應用范圍有限。深隧更加適合土地資源緊張、排水問題突出、城市規模及經濟較為發達的城市，其高昂的初始投資費用及較長的建設周期，并不適合我國絕大多數城市。現階段老城區合流制排水的雨污分流改造及新城區的分流制建設，仍然是當前城市排水系統建設的首選措施，其在一定程度上能夠最快、最經濟地緩解各城市的內澇及水污染問題。（2）依賴現有排水系統的有效協同。若是城市現有收集處理雨污水的排水管網、泵站、污水廠、受納水體本身存在巨大局限，無法與深隧形成有效的銜接及配合，那深隧的功能作用也無從談起。單一的深隧系統也并不能徹底解決城市洪澇及水污染的問題，必須和現有的排水系統及其他相關的治理措施協同配合，才能更好地解決城市排水問題。

3.2 重點關注問題

深隧的規劃建設涉及各個方面，不同城市面臨的排水突出問題不盡相同，各城市自身的排水系統現狀、城市發展特點及面臨的技術問題也存在差異。因此，深隧的規劃建設，必須根據自身情況充分做好前期的技術論證與研究工作，重點關注以下幾方面問題。

3.2.1 深隧規劃建設的必要性及可行性

深隧的規劃建設應從城市總體規劃、發展規模、經濟條件、環境保護要求、氣象水文及地質條件、現有排水系統情況等方面對其建設必要性和可行性進行充分的論證和分析[21]。根據區域排水體制及內澇、水污染等突出問題合理選擇深隧類型，并做好中遠期規劃，滿足未來城市排水發展需求。

3.2.2 深隧與現有排水系統的協同調度

深隧作為城市排水系統整體的一部分，必須統籌規劃，做好與現有排水設施的有效銜接，才能更好地發揮其功能。重點考慮日常情況及應急情況下的運行需求，建立起科學合理的聯排聯調模式，在充分發揮淺層排水系統排水能力的情況下，最優化發揮深隧的作用，降低深隧運行成本，提高深隧運行效率。

3.2.3 運行維護管理

由于深隧埋于地下深層空間，建成后其運行維護較為困難且安全保障程度要求較高。另外，作為排水隧道，其耐久性、抗浮抗壓、防水防腐、沉積物清理、有毒有害氣體處理，以及在巨大水力的沖擊下其結構受力及抗震性能，在設計之初就需高度關注，盡量采取免檢修設計、自動化維護及其他相關非人工維護措施。

4 結語

深隧是城市發展到一定階段的產物，是發達城市實現地下空間高層次開發綜合利用、滿足人居水環境高質量要求和城市排水安全需求的體現。該文系統性綜述了不同深隧類型的功能特點及其運行調度模式，總結了我國的深隧建設進展，并對深隧的優劣勢及重點問題展開了分析。深隧雖然在解決城市洪澇及水污染等方面具有巨大優勢，但也存在其局限性，并非是解決城市排水問題的“萬能藥”。因此，城市排水管理者應根據城市發展現狀及特點，清晰認識深隧的適用性，合理選擇滿足當前城市發展需求的方案，來解決城市排水問題。