国外深隧排水系统调度运行方案的启示

汤 舒， 吴学伟, 孙志民， 周午阳

(1. 广州大学土木工程学院, 广东 广州 510006； 2. 广州市水务投资集团有限公司, 广东 广州 510655； 3. 广州市市政工程设计研究总院, 广东 广州 510060)



国外深隧排水系统调度运行方案的启示

汤 舒1， 吴学伟2, 孙志民3， 周午阳3

(1. 广州大学土木工程学院, 广东 广州 510006； 2. 广州市水务投资集团有限公司, 广东 广州 510655； 3. 广州市市政工程设计研究总院, 广东 广州 510060)

深隧排水系统构成复杂，管理难度大，我国大陆又无此类工程可参考，需要探索高效的、合理的深隧排水系统的调度运行模式。通过分析国外典型的深隧排水系统调度运行方式，结合我国城市排水和深隧建设情况进一步研究，在浅层排水系统和深隧排水系统的整体调度、深隧调度运行与降雨信息相结合、降低深隧运行和维护成本及对深隧进行精确调度4方面得到了启示，以期为我国的深隧排水系统完善和优化其调度运行方式提出进一步的研究方向和参考。

深隧排水系统； 调度运行； 内涝； 溢流污染

0 引言

近年来，全球气候变暖，极端天气频发，由此引发的城市内涝和溢流污染问题备受关注。我国一些城市排水管网运行标准偏低，排水系统建设滞后是重要原因[1]。许多城市老城区因建筑密集，加上地铁和综合体开发，浅层地下空间利用难度和成本都越来越大[2]。深隧排水系统(简称深隧)可避免大量征地和拆迁，并适当利用城市30～60 m的深层地下空间，成为改善城市排水能力的重要手段之一。

国外在深隧排水系统的设计、建设和运行等方面都有较为成熟的经验。国内对深隧排水系统研究和实践处于起步阶段，但国内学者也进行了不少的研究。王刚等[3]通过分析国内外典型深隧工程的功能及结构特征，讨论深基坑技术、结构形式等问题；唐磊等[4]研究国外深隧排水系统的建设目的、投资效益、规划设计要点、隧道方案比选等问题，结合我国的实际进行分析并提出建议；鲁朝阳等[5]分析国外典型深隧排水系统工程案例的建设背景、方案特点、规模效果等，针对我国雨洪控制隧道的决策、规划和应用提出建议；丁留谦等[6]分析芝加哥隧道和水库工程计划(TARP)修建历史背景、工程建设及投资、效益分析、运行管理及维护等问题，并结合我国海绵城市试点建设工作，探讨灰色与绿色雨洪基础设施相结合问题。在上述研究中，主要关注深隧的结构、施工、规划等方面，均未对深隧排水系统的调度运行及运行方式优化进行深入探讨。

由于造成区域水浸与河涌污染的影响因素较多，受降雨、江水潮位、排污情况等多因素影响，使得深隧的调度运行复杂。此外，深隧排水系统位通常位于地下30～60 m处，通风、去除淤积物、跌水效能、高扬程抽水、分段蓄水、地下水库储水、水体净化等系统构成复杂，管理难度大，运行与维护成本很高,并且此类工程我国大陆无可参考的工程经验。在此背景下，研究国外深隧成功的排水方案，借鉴其成熟的运行调度模

式，再结合我国深隧建设实际情况来借鉴、创新和发展，具有重大的意义。

1 国外深隧调度运行方式现状

早在20世纪70年代，城市洪涝和合流制溢流污染对城镇的排水安全及水环境质量的影响就已经引起了国外发达国家的高度重视，开始建设深隧来收集、调蓄浅层排水管网无法应对的大量雨水和溢流污水。根据深隧建设的目的和作用的不同，可以分成3类，即以控制城市洪涝为目的的洪涝控制隧道，以调蓄储存合流制溢流污染为目的的污染控制隧道以及同时实现内涝、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 代表性深隧工程简介

1.1 洪涝控制隧道的调度运行方式

在洪涝控制隧道中，日本东京江户川深层排水隧道是当前全世界最先进的排水系统。东京设有降雨信息系统，预测和统计各种降雨数据，用以进行排水调度[7]。由于东京已实行雨污分流的排水方式，在一般降雨的情况下，雨水就近排入河道，利用目黑川、涩谷川等小型河流进行排涝，充分利用河道的防洪排涝功能，此时无需开启深隧。当超过河流的蓄洪能力或遭遇强降雨的极端天气时，修建在中小河流旁的竖井便打开闸门，通过串联竖井的管道把雨水输送到东京最大河流江户川旁边的地下水库[8]。水库容积约数十万立方米，可对雨水进行有效的调蓄。当水库在雨水储蓄量达到一定程度时，通过排水装置把雨水排入江户川中[9]。江户川深层排水隧道结合降雨情况运行，并优先利用河道水系进行排洪调蓄，每年仅需开启4—6次，便能有效地调节洪水，使得东京减少80%以上的洪涝灾区。东京江户川深隧如图1所示。

1.2 污染控制隧道调度运行方式

因悉尼早期的排水系统出现排水管道错接、漏损等情况，降雨时经常发生污水溢流，对悉尼湾造成严重的污染。为此，修建悉尼北部污水储存隧道，通过主隧道把4个最大的污水溢流口和污水处理厂连接起来，截留80%～90%的溢流污水并输送到污水厂进行处理，再排入海湾[10]。

图1 东京江户川深隧

该隧道的运行模式可分为备用、雨天运行、隧道维护和污水厂旁路跨越4种模式。旱天时隧道处于备用模式，即使隧道保持空置。发生降雨时则进入雨天运行模式，溢流污水不断地进入隧道，同时泵站启动并持续运行，隧道储存的污水直接排出或转移至污水厂处理后排放，直至隧道恢复到空置状态。隧道维护模式即对隧道地下设施及溢流口的地表设施进行日常检查和维护，并对隧道沉积物及时冲洗、转移。当污水处理厂设备发生故障或定期维护时，则进入旁路跨越模式，将污水转移至隧道进行储存，防止污水直接排入受纳水体。

1.3 多功能隧道调度运行方式

1.3.1 芝加哥隧道和水库工程计划(TARP)

为了防止密歇根湖受到合流制溢流污水的污染，改善河流水质，保护饮用水源；并为了减少暴雨天气中洪涝对街区和地下室的影响，芝加哥于1972年提出了隧道和水库计划(TARP)。芝加哥隧道和水库工程计划(TARP)见图2。

图2 芝加哥隧道和水库工程计划(TARP)

1)第1阶段是建设4条深层隧道，主要目的是控制合流制溢流污染。通过深隧将超过400个溢流污染口连接起来，通过闸门控制雨污水的入流，超过隧道负荷的雨污水将直接排放。由于深层隧道的调蓄容量仅有8.7万m3，故在运行调度方面提出对雨水和溢流污水的入流控制优化。在深隧的竖井上安装液位计等传感器，实时采集数据并传输至中控室，结合深隧的液位高度以及降雨条件，通过一套自动化仪表系统来控制深隧闸门的开启和关闭，从而实现合理地利用深隧。例如，当深隧充满度达到60%时，进水闸门可能被关小或关闭，限制雨污合流管网和地面溢流的入流量，以保证不受闸门控制的污水能排入深隧。

2)第2阶段是修建3座大型水库，将比第1阶段增加530万m3调蓄容量，可兼顾洪涝和溢流污染的控制。此时整个深隧排水系统将雨污水收集并转输到水库进行调蓄，待降雨结束且洪涝退去后，再转输到污水厂处理。芝加哥深隧排水系统在排水阶段，当深隧的蓄水容量较多并结合降雨情况，将会避开城市用电高峰，选择在0：00—8：00将深隧中的水通过排水泵站，排入污水处理厂，从而减少耗电费用。

1.3.2 密尔沃基深层隧道储存系统

密尔沃基城市排水区(MMSD)是由城市污水拦截系统(MIS系统)、深层隧道储存系统和中央控制系统3部分组成。密尔沃基深层排水隧道是组成密尔沃基排水系统的一部分，而不是独立的单元。自从1994年深隧系统正式运行之后，合流制区域的污水溢流次数从平均每年50次降至2—3次。

旱天时，MIS系统将1 087 km2服务区域内的生活污水收集并转输到污水处理厂。雨天或者极端降雨天气时，已实现雨污分流的区域，雨水会直接排放到附近河道；而在合流制区域，超出排水管网和河道负荷的雨水和污水会进入到深隧储存系统进行调蓄[11]。图3为密尔沃基深层隧道储存系统的调度运行方式。

深隧系统利用超过300个流量在线监测设备，通过无线网络或电话线把数据传输到中央控制系统，利用监测数据，根据深隧的运输能力和调度的目标，采取最佳的运行方案[11]。

2 我国深隧建设现状

随着城市化的发展以及人口密度的不断增大，我国城市的排水基础设施已经受不住洪涝的考验，城市水环境也日益恶化。为提高城市排涝能力以及改善水体环境，我国广州、深圳及上海等城市已开展深隧工程相关研究工作，并进入项目实施阶段。目前我国正在推进的深隧工程情况见表2。

相较于国外有较为完善的浅层排水系统，我国的城市排水系统普遍是合流制，且排水标准较低，如广州、上海等城市旧城区多为1年一遇标准，局部地区甚至为0.5年一遇，故我国的深隧主要作用都是以解决城市内涝为主同时兼顾对溢流污染的削减。此外，我国的深隧建设处于起步阶段，深隧的工程规模及其调蓄容量相对较小。因此，若要充分发挥深隧排水系统的功能，我们不能直接模仿国外的相关深隧排水系统，要因地制宜地借鉴国外深隧排水系统的调度运行经验。

3 对我国深隧调度运行的启示

3.1 浅层排水系统和深隧排水系统的整体调度

深隧排水系统是对浅层排水系统的补充和提升，能提高排水区域的防涝等级。然而,我国目前在建的深隧排水系统的储存容量有限，在满足缓解内涝的同时，还需尽可能地储存合流污水，故需考虑与浅层排水系统配合调度运行，从而充分发挥深隧排水系统缓解内涝和削减溢流污染的能力。东京江户川深层排水隧道则利用分流制的排水方式，优先使雨水归流到河道或海域，充分利用河道的排涝能力。超出河道和浅层管网的负荷时，再通过深隧排水系统对洪峰进行调蓄。

(a) 一般降雨的情况

(b) 极端降雨的情况

表2 我国深隧建设情况

Table 2 Deep tunnels in China

所在城市深隧名称实施进度工程规模拟解决的主要问题广州 东濠涌深隧排水工程试验段施工建设 工程主隧长1.77km,外径6.0m,支隧长约1.39km,外径3m,隧道埋深30～40m,服务面积12.4km2,可提供6.3万m3的调蓄库容 控制污染,削减东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;缓解内涝,提高流域内合流干渠的排水标准到10年一遇深圳 南山排水深隧系统工程 计划启动建设 隧道工程全长约4.1km,隧道直径约6.2m(外径约6.9m),设计规模约110m3/s,隧道埋深地下30～40m,服务面积11.21km2 污染控制,保障湾区水质,解决流域上游的初雨污染问题;防洪排涝,提高片区排涝标准,解决流域上游排涝问题上海 虹口港—走马塘段深层排水调蓄隧道系统工程可行性研究 一级调蓄隧道全长31.5km,管径8m,埋深30～60m;二级输送管道全长28.5km,管径4m,埋深15～25m;三级收集管道全长23.9km,管径3m,埋深10～15m。调蓄规模为98万m3,服务面积83.25km2 解决片区的内涝积水问题;削减初期雨水污染武汉 大东湖核心区污水传输系统工程 计划启动建设 污水主隧直径3～3.4m、总长约17.6km,2根直径1.5m支隧、长约1.7km,污水隧道埋深将达到29.93～42m,服务面积130.35km2 近期为传输和处理污水,保护东湖生态环境;远期提高武汉排渍能力

以广州东濠涌深隧排水系统为例，目前的调度运行方式主要是通过控制入流竖井的闸门，从而实现对内涝和溢流污染的控制。可通过把东濠涌区域的浅层排水系统现有2条河道(东濠涌和新河浦涌)、2个人工湖(麓湖和东山湖)、3个雨污水泵站和约11个闸门的使用与深隧排水系统的调度相融合，进而实现浅层排水系统的泵、闸与深隧的联动，充分利用河道的排涝能力。当超出河道和浅层管网的负荷时，再通过深隧排水系统对洪峰进行调蓄，形成整体调度运行。

广州、上海和深圳等城市处于三角洲地区，河网较密集，深隧调度运行需研究怎样融合现有的浅层调度，优化并集成河道的闸门和浅层排水管网的截污闸、转输泵站、排涝泵站等执行机构的控制，尤其应对如台风等极端天气情况，最大限度发挥浅层排水管网调度雨污水及河道水系的排涝泄洪作用，与深隧排水系统的调度运行形成最佳的配合。

3.2 对深隧进行精确调度

美国的密尔沃基深层隧道储存系统和芝加哥的深隧排水系统，通过在竖井设置液位计、流量计等传感器，利用实时监测获得的数据，可实现对深隧的入流和排水的精确调度。由于我国城市建设长期重地上轻地下，排水管网建设落后，错节、混接等问题严重，仅通过在入流竖井闸前设置在线监测点，从而对深隧进行精确调度，是远远不够的。

以上海虹口港—走马塘段深层排水调蓄隧道系统工程为例，服务区域较大，总面积约83.25 km2，涉及合流制排水系统和分流制排水系统共46个，排水系统构成复杂且风险等级各不相同，多为1年一遇标准，局部地区为3年一遇甚至为0.5年一遇[12]。此外，广州东濠涌流域自2010至2014年统计发生过内涝的地点约30处，重现期处于0.5～5年，而东濠涌深隧排水系统主要在入流竖井前进行流量、液位等在线监测。因此，还需研究在深隧上游的浅层管网，合理地选取及设置在线监测点，采集更广泛的数据作为调度控制依据，可使调度控制方案更加精确，提高深隧对内涝和溢流污染的调控能力。

3.3 降低深隧运行和维护成本

深隧排水系统的运行需要耗损较多电费，如闸门的启闭、水泵的启停、除臭通风装置等均需要耗费较多电力，尤其是从地下几十米至地下一百多米处，通过泵组把雨水提升到地面，电耗较大。深隧排水系统的闸门、泵站、预处理设施以及监测设备等需要进行维护检修，以及深隧的清污工作也需要耗费一定的维护费用。

合理的调度运行模式，则能降低深隧运行和维护的成本。东京江户川深层排水隧道每年仅需开启4—6次，较少地开启深隧，能降低运行和维护成本。芝加哥的深隧排水系统则通过避开城市用电高峰，节省电耗费用。

我国深隧的调度运行，也应在满足控制内涝和溢流污染要求的同时，研究如何实现降低运行和维护成本。例如,充分利用监测信息建立可靠的数学模型，分析建立最优化的调度方案，在确保防止水浸与污染的前提下，降低深隧的使用频率，从而降低成本；优先利用浅层排水管网和河涌水系的泵闸进行调度控制，减少深隧泵、闸的使用，节省运营成本，延长泵、闸使用寿命；结合降雨的具体情况，采取错峰用电的方式，进行深隧排水。

3.4 深隧调度运行与降雨信息相结合

内涝和溢流污染与降雨关系密切，深隧排水系统应结合降雨信息进行调度。东京、芝加哥的深隧排水系统均根据降雨强度来进行调度。在东京设有专门的降雨信息系统，统计分析降雨数据，东京江户川深层排水隧道则根据降雨情况，采取相应的调度运行策略。

我国地域辽阔，广州、上海和深圳等不同城市之间，年降雨总量、降雨量分布、降雨强度、雨型等降雨特征相差较大，针对不同降雨特征和不同雨洪问题时，可以结合降雨情况，根据监测获得的液位、水质等数据，识别在不同降雨条件下，深隧服务区域内涝和溢流污染的变化规律，因地制宜地采取深隧排水系统的调度运行策略。例如研究区域内涝点积水情况和降雨强度的关系，建立内涝点水位与降雨量方程[13]，则可根据实测降雨量以及深隧的运行能力，采取最适合的调度运行方式，对内涝进行控制。

日本、美国等一些国家，早在20世纪90年代初就开始利用“低影响开发技术”、“水敏性城市设计”、“绿色基础设施建设”等理念和技术进行雨水管理，从源头上削减了面源污染[14]。然而，我国的海绵城市建设处于起步阶段，城市的面源污染尤其是初雨污染较为严重，控制初雨污染是我国深隧的重要任务之一。其中，广州东濠涌深隧排水系统的目标，是削减东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]。如何充分发挥深隧调蓄溢流污染的作用，需在不同降雨强度下，识别溢流污染时以初雨污染为主，还是以管道初期冲刷为主[16]，科学地制定深隧对溢流污染的控制策略。

4 结论与建议

由于深隧排水系统在规划设计、施工、运行调度方面技术难度较大，故国内学者更为关注并且进行了不少的研究。本文对国外深隧排水系统的调度运行及运行方式优化等问题进行深入探讨，并结合我国城市排水建设和深隧建设实际情况，在浅层排水系统和深隧排水系统的整体调度、深隧调度运行与降雨信息相结合、降低深隧运行和维护成本和对深隧进行精确调度4方面得到了启示，以期为我国广州、深圳等城市深隧排水系统进一步完善和优化其调度运行方式。

然而，优化深隧排水系统调度运行模式，是一个复杂的工程，仍存在一系列的难题并值得进一步深入研究。例如获取精确和实时的监测数据是深隧调度运行的基础，如何在上游浅层排水管网选取合理的监测点，可以较好地反馈深隧控制区域的内涝和溢流污染情况，同时应如何选择合适的监测设备需进一步研究。另外，如何利用监测到的液位、流量、cod等数据，分析评估深隧缓解内涝和削减污染的作用，从而进行调度运行的优化。

若要充分发挥深隧对洪涝或溢流污染的调蓄能力，合理、高效的调度运行方式显得尤为重要。我们应充分借鉴世界上先进的深隧排水系统调度运行经验，因地制宜，制定科学的、高效的、合理的深隧排水系统调度运行方式，充分发挥深隧排水系统控制水浸与河涌污染的作用，最大限度发挥工程的环境效益和社会效益。

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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

汤舒(1989—)，男，广东广州人，广州大学市政工程专业在读硕士，主要研究方向为城市排水防涝。E-mail： 348569346@qq.com。

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

U 45

A

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