深層排水隧道研究進(jìn)展

何巍偉 王夢(mèng)華 武今巾

(1.合肥中科國(guó)禹智能工程有限公司 安徽合肥 230000;2.瀘州市園林綠化服務(wù)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(zāi)害問題再次成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。此次事件造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡巨大，同時(shí)還暴露出了各種管理問題和排水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)短板，如何有效應(yīng)對(duì)潛在巨大暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也成為人們討論研究的熱點(diǎn)。中國(guó)在快速城市化發(fā)展的同時(shí)，也給城市排水系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施帶來了巨大的壓力。中國(guó)城市過去排水標(biāo)準(zhǔn)普遍較低，一些大城市的排水規(guī)劃也前瞻性不足，尤其是面對(duì)當(dāng)前日益頻發(fā)的極端天氣往往無法有效應(yīng)對(duì)，導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害影響范圍廣、社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失巨大。

深層排水隧道（簡(jiǎn)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?jī)?nèi)澇及合流制溢流污染問題。隨著我國(guó)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(shè)，深隧也受到越來越多的關(guān)注。

1 深層排水隧道

1.1 深隧類型

深隧根據(jù)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(diào)蓄隧道和復(fù)合功能隧道。

（1）雨洪排放隧道，主要用于收集和調(diào)蓄城市強(qiáng)降雨條件下產(chǎn)生的雨水或上游洪水。一般沿主干街道、河道或具有山洪風(fēng)險(xiǎn)的城市外圍進(jìn)行布置，緩解城市內(nèi)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(fā)生洪澇災(zāi)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(fā)密度較大、土地資源緊缺、污水處理設(shè)施無法提標(biāo)等問題而設(shè)計(jì)。通過在城市外圍建設(shè)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(jìn)行集中處理。一方面可解決城區(qū)污水處理能力不足的問題，另一方面還可置換城區(qū)分散的污水廠、泵站等污水設(shè)施，提升土地資源開發(fā)價(jià)值，優(yōu)化城區(qū)人居環(huán)境。

（3）合流調(diào)蓄隧道，主要用于收集合流制地區(qū)超量的合流污水進(jìn)行調(diào)蓄，并與污水廠連接進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)和處理排放，是目前應(yīng)用最廣泛的隧道。一般沿溢流口設(shè)置，平行于截流干管和河道，在暴雨時(shí)收集大量雨污合流水進(jìn)行調(diào)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(yùn)送至污水廠進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)排放。

（4）復(fù)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(jìn)行組合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)洪澇控制與交通功能的結(jié)合。

1.2 深隧組成

深隧系統(tǒng)主要由淺層銜接設(shè)施、預(yù)處理設(shè)施、豎井、深層隧道、排水泵站及附屬設(shè)施構(gòu)成，其主要功能如表1所示。

表1 深隧主要組成及功能

續(xù)表2

1.3 典型案例

深隧在國(guó)外已有很長(zhǎng)的研究歷史，近年來我國(guó)部分城市也在積極探索利用深隧解決城市水污染、內(nèi)澇等排水問題。美國(guó)及日本已規(guī)劃建設(shè)多項(xiàng)深隧工程，其中日本由于其島國(guó)的特殊地理位置，深隧大多以雨洪排放隧道為主，用于預(yù)防臺(tái)風(fēng)、山洪、強(qiáng)降雨等帶來的洪澇災(zāi)害，保障城市洪澇安全。美國(guó)則大多為合流調(diào)蓄隧道，實(shí)現(xiàn)洪澇和水污染雙重控制，包括我國(guó)在內(nèi)的其他國(guó)家，也均以合流調(diào)蓄隧道規(guī)劃建設(shè)為主。國(guó)內(nèi)外深隧工程案例總結(jié)見表2[1-8]。

表2 國(guó)內(nèi)外深隧工程清單

1.4 運(yùn)行模式

深隧的運(yùn)行調(diào)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(yùn)行負(fù)荷等，不同的深隧類型其運(yùn)行調(diào)度模式也存在差異。雨洪排放隊(duì)道、合流調(diào)蓄隧道一般僅在雨天時(shí)開啟，側(cè)重于超量雨污水的調(diào)蓄和排放，其運(yùn)行模式與降雨情況密切相關(guān)。污水輸送隧道則側(cè)重于整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)污水的穩(wěn)定運(yùn)行及合理調(diào)配。因此，針對(duì)不同功能深隧設(shè)計(jì)科學(xué)合理的運(yùn)行調(diào)度模式，是充分發(fā)揮深隧排洪控污功能和安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

1.4.1 雨洪排放隊(duì)道典型運(yùn)行模式

以日本東京江戶川深隧為例，在降雨量較小時(shí)，雨水就近排入中小型河流，無須開啟深隧。當(dāng)降雨較大超過河道蓄洪能力時(shí)，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(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)水庫(kù)雨水儲(chǔ)蓄量達(dá)到一定程度時(shí)，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(yùn)行模式

以武漢污水深隧為例[9]，主要包括常規(guī)調(diào)度、淤積沖刷調(diào)度、應(yīng)急調(diào)度等。常規(guī)調(diào)度模式，日常情況下通過調(diào)控不同的進(jìn)水量，來保證深隧的平穩(wěn)運(yùn)行。淤積沖刷調(diào)度模式，主要通過提高區(qū)域管段污水流速，實(shí)現(xiàn)淤積沖刷避免堵塞。應(yīng)急調(diào)度模式主要應(yīng)用于某些特殊場(chǎng)景，例如：當(dāng)下游污水廠部分停水檢修時(shí)，上游預(yù)處理站進(jìn)水相應(yīng)調(diào)小，避免進(jìn)水量超出污水廠處理能力；當(dāng)上游部分區(qū)域夜間水量過小時(shí)，會(huì)關(guān)閉該區(qū)域預(yù)處理站進(jìn)水保持該站水位穩(wěn)定，并通過調(diào)整其他預(yù)處理站水量來彌補(bǔ)該區(qū)水量的缺失，保障下游污水廠進(jìn)水穩(wěn)定；當(dāng)上游區(qū)域降雨時(shí)，部分管網(wǎng)進(jìn)水量激增存在溢流風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，增大該區(qū)預(yù)處理站進(jìn)水量，并相應(yīng)減小其他區(qū)域預(yù)處理站進(jìn)水量，以保持深隧系統(tǒng)水量穩(wěn)定。

1.4.3 合流調(diào)蓄隧道典型運(yùn)行模式

當(dāng)晴天或降雨不超過淺層排水能力時(shí)，深隧處于關(guān)閉狀態(tài)，依托現(xiàn)有淺層合流制排水系統(tǒng)進(jìn)行合流污水排放，并通過截流設(shè)施按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)將初雨廢水輸送至污水廠進(jìn)行處理。當(dāng)降雨超過淺層排水能力時(shí)，開啟深隧，將超量合流污水引流至深隧進(jìn)行存儲(chǔ)，雨停后將隧道內(nèi)合流污水輸送至污水廠進(jìn)行處理后排放。當(dāng)降雨超過深隧調(diào)蓄容量時(shí)，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(nèi)合流污水輸送至污水廠進(jìn)行處理后排放。

1.4.4 復(fù)合功能隧道典型運(yùn)行模式

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

圖1 SMART隧道運(yùn)行模式

2 我國(guó)深隧建設(shè)進(jìn)展

我國(guó)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(shè)實(shí)踐，杭州[14]、成都[15]、貴陽(yáng)[16]、北京[17]等地也進(jìn)行了相關(guān)的規(guī)劃研究。

2.1 廣州東濠涌深隧

廣州規(guī)劃建設(shè)“一主七副”深隧系統(tǒng)，其總長(zhǎng)86.42 km，埋深40 m，解決中心城區(qū)合流污水溢流污染及城市內(nèi)澇問題，并于2012年選擇東濠涌分支隧道開展我國(guó)大陸首條深隧的建設(shè)與研究。東濠涌深隧沿東濠涌河道建設(shè)，收集和調(diào)蓄流域內(nèi)的初雨及合流污水進(jìn)行集中處理，實(shí)現(xiàn)溢流污染控制和緩解城市內(nèi)澇，增強(qiáng)東濠涌排洪能力。經(jīng)評(píng)估，深隧建設(shè)后流域內(nèi)CSO溢流次數(shù)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(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)由1 年提升至5年，東濠涌防洪標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)污染的情況。

2.2 武漢大東湖污水深隧

通過對(duì)武漢中心城區(qū)3 座污水廠（沙湖、二郎廟、落步咀）進(jìn)行改造，并利用深隧將其收集的污水轉(zhuǎn)運(yùn)至新建的北湖污水廠進(jìn)行集中處理。武漢深隧于2020年建成，每天輸送近80 萬t 城區(qū)污水，關(guān)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(huán)境問題。

2.3 上海蘇州河深隧

上海為解決中心城區(qū)雨天溢流污染及內(nèi)澇問題，規(guī)劃在蘇州河流域沿河建設(shè)深隧工程，提高沿線區(qū)域雨天排澇能力，調(diào)蓄合流污水消除溢流污染。上海于2017年開展試驗(yàn)段（位于深隧工程西端，西起苗圃，東至云嶺西，全長(zhǎng)約1.67 km）建設(shè)。深隧建成后區(qū)域內(nèi)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(shí)也能有效應(yīng)對(duì)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(shè)前?！仙缴钏恚ǔ珊?，一方面，通過收集和截留上游南山片區(qū)漏失污水和初期雨水污染，經(jīng)預(yù)處理后運(yùn)輸至南山水廠處理進(jìn)行集中處理，控制下游前海水環(huán)境污染問題；另一方面，利用深隧進(jìn)行調(diào)蓄（調(diào)蓄容積10.8×104m3），實(shí)現(xiàn)雨水排澇控制，解決南山片區(qū)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(shì)低洼、受杭嘉湖平原高水位頂托、骨干河道規(guī)模小、河道局部存在卡口等引起的洪澇問題，規(guī)劃在城西南建設(shè)深隧（城西南排通道工程），可就近向錢塘江進(jìn)行洪澇排放，提高防洪減災(zāi)能力。深隧總長(zhǎng)13 km，直徑11 m，埋深約53 m，建成后不僅解決城西核心區(qū)域的洪澇問題，同時(shí)還可進(jìn)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(guī)劃

成都規(guī)劃在中心城區(qū)沿河、沿環(huán)路建設(shè)“兩環(huán)四射”深隧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)污水輸送、初雨污染治理、防洪防澇等功能。經(jīng)模擬評(píng)估，方案實(shí)施后區(qū)域內(nèi)初雨污染治理率達(dá)到100%，易淹區(qū)治理率為100%（104個(gè)），污水帶壓區(qū)域減少率為94.2%（321.3 km2）。

2.7 貴陽(yáng)深隧規(guī)劃

貴陽(yáng)在中心城區(qū)規(guī)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(shè)深隧，將南明河排水分區(qū)內(nèi)的雨污水統(tǒng)一收集輸送至下游末端污水廠進(jìn)行集中處理，實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)污水輸送、初雨調(diào)蓄、溢流污染控制等目標(biāo)。深隧建成后預(yù)計(jì)可控制南明河核心區(qū)7 mm初雨污染，并利用末端超大規(guī)模污水廠取代區(qū)域內(nèi)分散的32座污水廠，提升城區(qū)土地開發(fā)價(jià)值和人居環(huán)境。

2.8 北京深隧規(guī)劃

北京規(guī)劃在城西城東分別建設(shè)兩條深隧，西部深隧通過連通水系進(jìn)行分流消峰，解決南部涼水河水系區(qū)域的內(nèi)澇問題；東部深隧通過連通水系進(jìn)行雨洪滯蓄，解決東部清河、壩河、通惠河、涼水河水系的內(nèi)澇問題。兩條深隧總長(zhǎng)約100 km，蓄滯能力可達(dá)800萬m3，能有效應(yīng)對(duì)極端天氣下的洪澇災(zāi)害問題。

3 技術(shù)討論

3.1 優(yōu)劣勢(shì)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(tǒng)，既有優(yōu)勢(shì)，又有其局限性。結(jié)合相關(guān)案例，深隧建設(shè)方案與雨污分流方案優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比分析具體如表3所示[17-19]。

從表3 中可以看出，深隧的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(diào)蓄空間及過水能力，可以快速改善中心城區(qū)污水溢流污染和城市洪澇問題，具有見效快、效果強(qiáng)的明顯優(yōu)勢(shì)。（2）在城市建設(shè)方面，由于深隧是在地下深層空間（一般為地下30～60 m 處）進(jìn)行建設(shè)，一方面可避免城市路面開挖，不受現(xiàn)有路網(wǎng)影響，對(duì)地表交通和環(huán)境影響較小，也不會(huì)對(duì)地下建（構(gòu)）筑物、各類管線及其他設(shè)施產(chǎn)生影響；另一方面可節(jié)約地下淺層空間，有利于城市土地資源開發(fā)，滿足城市未來發(fā)展。（3）在投資費(fèi)用方面，深隧在某些條件下其總體投資相對(duì)更小。例如：廣州東濠涌深隧[20]，總投資6.9 億元，其中工程費(fèi)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(fèi)9.4 億元，減少約一半投資費(fèi)用。這是由于老城區(qū)雨污分流改造往往需要區(qū)域系統(tǒng)性改造，僅通過局部新改擴(kuò)建新增管道、調(diào)蓄及節(jié)流設(shè)施，一方面難以達(dá)到預(yù)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(shí)施或造成成本巨大。

表3 深隧與雨污分流方案對(duì)比

深隧的局限性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）應(yīng)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(guī)模及經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的城市，其高昂的初始投資費(fèi)用及較長(zhǎng)的建設(shè)周期，并不適合我國(guó)絕大多數(shù)城市?，F(xiàn)階段老城區(qū)合流制排水的雨污分流改造及新城區(qū)的分流制建設(shè)，仍然是當(dāng)前城市排水系統(tǒng)建設(shè)的首選措施，其在一定程度上能夠最快、最經(jīng)濟(jì)地緩解各城市的內(nèi)澇及水污染問題。（2）依賴現(xiàn)有排水系統(tǒng)的有效協(xié)同。若是城市現(xiàn)有收集處理雨污水的排水管網(wǎng)、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(tǒng)也并不能徹底解決城市洪澇及水污染的問題，必須和現(xiàn)有的排水系統(tǒng)及其他相關(guān)的治理措施協(xié)同配合，才能更好地解決城市排水問題。

3.2 重點(diǎn)關(guān)注問題

深隧的規(guī)劃建設(shè)涉及各個(gè)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(tǒng)現(xiàn)狀、城市發(fā)展特點(diǎn)及面臨的技術(shù)問題也存在差異。因此，深隧的規(guī)劃建設(shè)，必須根據(jù)自身情況充分做好前期的技術(shù)論證與研究工作，重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面問題。

3.2.1 深隧規(guī)劃建設(shè)的必要性及可行性

深隧的規(guī)劃建設(shè)應(yīng)從城市總體規(guī)劃、發(fā)展規(guī)模、經(jīng)濟(jì)條件、環(huán)境保護(hù)要求、氣象水文及地質(zhì)條件、現(xiàn)有排水系統(tǒng)情況等方面對(duì)其建設(shè)必要性和可行性進(jìn)行充分的論證和分析[21]。根據(jù)區(qū)域排水體制及內(nèi)澇、水污染等突出問題合理選擇深隧類型，并做好中遠(yuǎn)期規(guī)劃，滿足未來城市排水發(fā)展需求。

3.2.2 深隧與現(xiàn)有排水系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度

深隧作為城市排水系統(tǒng)整體的一部分，必須統(tǒng)籌規(guī)劃，做好與現(xiàn)有排水設(shè)施的有效銜接，才能更好地發(fā)揮其功能。重點(diǎn)考慮日常情況及應(yīng)急情況下的運(yùn)行需求，建立起科學(xué)合理的聯(lián)排聯(lián)調(diào)模式，在充分發(fā)揮淺層排水系統(tǒng)排水能力的情況下，最優(yōu)化發(fā)揮深隧的作用，降低深隧運(yùn)行成本，提高深隧運(yùn)行效率。

3.2.3 運(yùn)行維護(hù)管理

由于深隧埋于地下深層空間，建成后其運(yùn)行維護(hù)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(jié)構(gòu)受力及抗震性能，在設(shè)計(jì)之初就需高度關(guān)注，盡量采取免檢修設(shè)計(jì)、自動(dòng)化維護(hù)及其他相關(guān)非人工維護(hù)措施。

4 結(jié)語(yǔ)

深隧是城市發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是發(fā)達(dá)城市實(shí)現(xiàn)地下空間高層次開發(fā)綜合利用、滿足人居水環(huán)境高質(zhì)量要求和城市排水安全需求的體現(xiàn)。該文系統(tǒng)性綜述了不同深隧類型的功能特點(diǎn)及其運(yùn)行調(diào)度模式，總結(jié)了我國(guó)的深隧建設(shè)進(jìn)展，并對(duì)深隧的優(yōu)劣勢(shì)及重點(diǎn)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(yōu)勢(shì)，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(yīng)根據(jù)城市發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)，清晰認(rèn)識(shí)深隧的適用性，合理選擇滿足當(dāng)前城市發(fā)展需求的方案，來解決城市排水問題。