國內(nèi)外深隧排水系統(tǒng)建設(shè)狀況及其啟示

門 絢，李 冬，張 杰，2

（1.北京工業(yè)大學(xué)水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)試驗(yàn)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(nèi)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(fā)下游水體溢流污染等次生災(zāi)害［1－2］。頻繁的內(nèi)澇已經(jīng)給城市敲響了警鐘。近年來，相關(guān)政策文件相繼出臺［3］，國外先進(jìn)理念和措施得到普遍認(rèn)同，其中深層隧道（簡稱深隧）排水技術(shù)引起了廣泛關(guān)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(qū)深層隧道排水系統(tǒng)對策研究》，以及“東濠涌試驗(yàn)段工程”即將開始施工，“深層隧道排水”技術(shù)作為緩解中國內(nèi)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(shù)已經(jīng)應(yīng)用多年，且有更為廣泛的用途，本文對其進(jìn)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(nèi)澇

城市排水規(guī)劃要具有前瞻性，為未來變化留有余地，但現(xiàn)實(shí)往往不盡如人意。由于全球氣候變暖導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)較低，引發(fā)城市內(nèi)澇在所難免［6］。這時(shí)深層排水系統(tǒng)可以作為淺層排水系統(tǒng)的補(bǔ)充，提高城市防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)［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(dá)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(huán)境，除了地震以外，臺風(fēng)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(dāng)短歷時(shí)超常降雨出現(xiàn)時(shí)，帶來的洪水超出河道正常排澇能力，引起積水倒灌，城市內(nèi)澇［8］。但分析表明，東京范圍內(nèi)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(shí)通過江戶川排入東京灣，是解決東京洪水問題的關(guān)鍵，也是深層隧道工程建設(shè)的初衷［9］。該工程全長6.3km，下水道直徑約10m，埋設(shè)深度為地下60～100 m，由地下隧道、5座巨型豎井、調(diào)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(lián)在一起，用于超標(biāo)準(zhǔn)暴雨情況下流域內(nèi)洪水的調(diào)蓄和引流排放，調(diào)蓄量約為67萬m3，最大排洪量可達(dá)200m3／s。在正常狀態(tài)和普通降雨時(shí)，該隧道不必啟動，污水及雨水經(jīng)常規(guī)、淺埋的下水道和河道系統(tǒng)排入東京灣，而當(dāng)諸如臺風(fēng)，超標(biāo)準(zhǔn)暴雨等異常情況出現(xiàn)，并超過上述串聯(lián)河流的過流能力時(shí)，豎井的閘門便會開啟，將洪水引入深層下水道系統(tǒng)存儲起來，當(dāng)超過調(diào)蓄規(guī)模時(shí)，排洪泵站自行啟動，經(jīng)江戶川將洪水抽排入東京灣［10］。

中國的防洪規(guī)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(yè)一直嚴(yán)于區(qū)分有關(guān)［11］。東京的深層排水工程將淺層排水系統(tǒng)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(tǒng)

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(dá)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(huán)山，特別容易遭受“水患”。

該城市最早的排水系統(tǒng)是按雨污合流制形式建成于20世紀(jì)初，管道總長度達(dá)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(fā)揮了重要作用。但由于墨西哥城大量抽取地下水而造成嚴(yán)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(yán)重錯位，無法維持建設(shè)時(shí)的坡降，到1950年，其中有20km 長的管道已經(jīng)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(dāng)局不得不對Gran Canal系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過增設(shè)抽水系統(tǒng)來改變因不均勻沉降形成的逆坡現(xiàn)狀［12］。隨著對當(dāng)?shù)氐牡乇沓两祮栴}作進(jìn)一步的深入分析，認(rèn)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(tǒng)”。

1967年啟動了名為“深層隧道排水系統(tǒng)”的總體規(guī)劃，一期于1975年建成并投入運(yùn)行?！吧顚铀淼琅潘到y(tǒng)”由中央隧道和截水隧道2部分組成，全部敷設(shè)在地表30m 以下，采用泥水盾構(gòu)施工方法。中央隧道直徑為6.5m，長為50km，設(shè)計(jì)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(dān)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(fù)責(zé)及時(shí)將區(qū)域內(nèi)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(wù)范圍的擴(kuò)展（由1970年的683km2擴(kuò)大到1990年的1 295km2），1975年建成的“深層隧道排水系統(tǒng)”已滿足不了需求，特別是雨季過流能力不足，導(dǎo)致城市內(nèi)澇頻發(fā)，為此提出了“東部隧道”工程。該工程由長63km，直徑7 m，埋設(shè)深度超過200m 的“東部隧道（East Tunnel）”和埋設(shè)深度在150～200m 的24 條進(jìn)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(tǒng)，將與中央隧道互為備用，進(jìn)一步提高城市排水能力。

中國有些城市地面沉降也很嚴(yán)重，地下管網(wǎng)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(fù)雜的老城區(qū)，淺層排水難以有大的改善。針對這些情況，深層排水系統(tǒng)可作為有利補(bǔ)充，加大排水效力［13］。

1.3 香港荔枝角雨水排放工程

香港經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，地理位置優(yōu)越，總面積達(dá)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(shù)十年前修建的排水系統(tǒng)已不能滿足當(dāng)前防洪排澇的要求，為減少頻繁的內(nèi)澇，香港渠務(wù)署采取了一系列措施，最主要一項(xiàng)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(qū)的雨水經(jīng)過多個積水口收集后再經(jīng)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(qū)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，將防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到50年一遇的水平。

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

2 減少溢流污染，改善河湖水質(zhì)

城市都是緊靠水源地發(fā)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(fù)荷加大，雨季合流制排水管網(wǎng)極易發(fā)生溢流，污染附近水源，當(dāng)水體已經(jīng)無法利用自凈能力消化排放的污水，水質(zhì)就會急劇惡化，這點(diǎn)在老工業(yè)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(dāng)?shù)厮h(huán)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(tǒng)自150多年前建造開始，隨城市發(fā)展一直在進(jìn)行管道擴(kuò)容和污水處理工藝的升級，維多利亞時(shí)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(kuò)張，服務(wù)人口和面積的增加，按6.5mm 降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合流制系統(tǒng)在2007年時(shí)只能承受2mm 的雨強(qiáng)，導(dǎo)致泰晤士河溢流頻繁，水質(zhì)污染嚴(yán)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(xù)性城市排水系統(tǒng)”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(shù)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(huán)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(qiáng)烈夏季暴雨形式發(fā)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(dǎo)致作為芝加哥地區(qū)水源地的密歇根湖受到污染，污水還會倒灌至住宅和商業(yè)區(qū)的地下室內(nèi)［17］。因此，1972年芝加哥市采取隧道和水庫方案（TARP），將51 個社區(qū)共971.5km2劃入服務(wù)范圍［18］。TARP由4個獨(dú)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(biāo)是控污［19］，能夠把數(shù)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(yùn)行。第2階段的主要目的是控制內(nèi)澇，1998年已完成奧哈拉水庫的修建。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水庫已經(jīng)為其服務(wù)的3個社區(qū)減少洪澇損失2億5千萬美元［18］。另外2 座水庫正在建設(shè)中。3座水庫完工后，TARP 的儲水量將高達(dá)6 600萬m3［20］。雖然還沒有完全竣工，TARP 已經(jīng)顯著改善了芝加哥河等水道的水質(zhì)，河岸可供垂釣的魚種回到之前水平，并帶動了旅游業(yè)的發(fā)展［21］。

以上2個城市均是因?yàn)閷⑺w作為水源或是城市景觀進(jìn)行規(guī)劃，故對水體環(huán)境提出了更高要求［18］。以中國目前的發(fā)展水平，從發(fā)展的眼光看，目前的規(guī)劃建設(shè)深隧系統(tǒng)可以結(jié)合防澇與排污、蓄水等功能，部分工程可以分期建設(shè)。

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(tǒng)的平衡，也只有“花園城市”新加坡能達(dá)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(dāng)?shù)慕巧菍⒄麄€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(shù)幾個采用雨污分流系統(tǒng)的國家之一，這是由于其城市環(huán)境清潔，雨水污染程度小，同時(shí)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(jīng)處理后進(jìn)入配水系統(tǒng)。原來新加坡的污水處理 系統(tǒng)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(fā)展，為節(jié)約城市用地，滿足未來需求，新加坡前瞻性地設(shè)計(jì)了以污水輸送為目的的深層隧道系統(tǒng)，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(qū)2個大型污水廠，最后將處理過的水排入遠(yuǎn)離新加坡的深海。據(jù)稱此系統(tǒng)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(xiàn)狀和以服務(wù)業(yè)為經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)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(yuǎn)目標(biāo)考慮。

4 結(jié) 語

本文介紹了發(fā)達(dá)國家或地區(qū)是如何利用深層隧道解決城市排水系統(tǒng)的不足，或是使本地區(qū)排水系統(tǒng)達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)。國外深邃建設(shè)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(bǔ)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(shè)的相關(guān)建議，具體如下。

1）有針對性地建設(shè)深層隧道排水系統(tǒng)

中國城市現(xiàn)在主要存在的是內(nèi)澇問題，但深層隧道絕不是唯一的解決方案，因?yàn)闇\層排水管道尚且還有因?yàn)橛晁诠芾聿簧茖?dǎo)致的管道堵塞等問題。且有研究表明，現(xiàn)在城市地面硬化率高，發(fā)生暴雨時(shí)雨水由地面到排水口也需要一段時(shí)間，如不能及時(shí)歸管引流，發(fā)生暴雨時(shí)也有可能發(fā)生積水［23］。深隧系統(tǒng)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(nèi)澇問題。國外通常的做法是利用低影響開發(fā)（LID）幫助減緩水力峰值，在2套系統(tǒng)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(chǔ)設(shè)施”，計(jì)劃建設(shè)深層隧道排水的城市要經(jīng)過充分調(diào)研，判斷是否能通過深邃解決問題。

2）有前瞻性地建設(shè)深層隧道排水系統(tǒng)

用水量能反映城市居民生活水平。研究表明，城市越發(fā)達(dá)，用水量越大。故城市的排水管網(wǎng)建設(shè)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(chuàng)造性的使用了1.5～6m 的大尺寸的管道斷面設(shè)計(jì)，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(yù)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(wǎng)建設(shè)已經(jīng)落后甚多，現(xiàn)在才開始推行地下綜合管廊試點(diǎn)工程，故在規(guī)劃建設(shè)深層隧道時(shí)更應(yīng)注重前瞻性，多專業(yè)、多角度的考量，至少為未來30～50年發(fā)展預(yù)留空間。

近年來中國無論東西南北的城市，一方面缺水嚴(yán)重，另一方面時(shí)常發(fā)生損失重大甚至造成人身傷亡的內(nèi)澇事件，充分說明了目前中國管網(wǎng)系統(tǒng)排水能力應(yīng)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(yùn)輸、存儲污水的有力手段，只要應(yīng)用得當(dāng)，可成為解決內(nèi)澇問題或其他水資源調(diào)度問題的好方法。

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