国内外深隧排水系统建设状况及其启示

门 绚，李 冬，张 杰，2

（1.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室，北京 100124；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点试验室，黑龙江哈尔滨 150090）

2014－05－11深圳市暴雨袭城，再次上演城市遭水淹瘫痪的一幕。不止深圳市，城市内涝近5年来一直是困扰中国大城市的难题，且不说看得见的交通瘫痪等问题，其还能引发下游水体溢流污染等次生灾害［1－2］。频繁的内涝已经给城市敲响了警钟。近年来，相关政策文件相继出台［3］，国外先进理念和措施得到普遍认同，其中深层隧道（简称深隧）排水技术引起了广泛关注。随着广州市开始开展深层隧道方面研究［4］，编制《广州市中心城区深层隧道排水系统对策研究》，以及“东濠涌试验段工程”即将开始施工，“深层隧道排水”技术作为缓解中国内涝问题的一种手段开始逐渐被大众熟知［5］。在国外，深层隧道排水技术已经应用多年，且有更为广泛的用途，本文对其进行了分析介绍，给出能为中国所用的建议。

1 引流排放，避免城市内涝

城市排水规划要具有前瞻性，为未来变化留有余地，但现实往往不尽如人意。由于全球气候变暖导致的海平面上升和气候异常，暴雨和洪水的侵袭更加频繁，加上中国的城市排水标准较低，引发城市内涝在所难免［6］。这时深层排水系统可以作为浅层排水系统的补充，提高城市防洪排涝标准［7］。典型城市有东京、墨西哥城和香港。

1.1 东京深层排水工程

东京作为日本的首都，是世界上较大的城市之一。面积为2 187km2，人口达1 332万。属温带海洋性气候，年平均气温为15.6 ℃，年平均降雨量为1 800mm。由于特定的地理环境，除了地震以外，台风和暴雨带来的洪水是最大的威胁。特别是近几十年，全球变暖造成海平面上升和气候异常，给日本这个岛国带来的影响尤为明显。当短历时超常降雨出现时，带来的洪水超出河道正常排涝能力，引起积水倒灌，城市内涝［8］。但分析表明，东京范围内大大小小的河流中，最大的江户川河道宽阔，具有足够的泄洪能力。因此，如何提高其他河道的洪水容纳能力，并及时通过江户川排入东京湾，是解决东京洪水问题的关键，也是深层隧道工程建设的初衷［9］。该工程全长6.3km，下水道直径约10m，埋设深度为地下60～100 m，由地下隧道、5座巨型竖井、调压水槽、排水泵房和中控室组成，将东京都十八号水路、中川、仓松川、幸松川、大落古利根川与江户川串联在一起，用于超标准暴雨情况下流域内洪水的调蓄和引流排放，调蓄量约为67万m3，最大排洪量可达200m3／s。在正常状态和普通降雨时，该隧道不必启动，污水及雨水经常规、浅埋的下水道和河道系统排入东京湾，而当诸如台风，超标准暴雨等异常情况出现，并超过上述串联河流的过流能力时，竖井的闸门便会开启，将洪水引入深层下水道系统存储起来，当超过调蓄规模时，排洪泵站自行启动，经江户川将洪水抽排入东京湾［10］。

中国的防洪规划还主要针对流域，防洪和排涝之间难以衔接，这也与中国水利和市政两专业一直严于区分有关［11］。东京的深层排水工程将浅层排水系统与外围河道有效连接，值得中国借鉴。

1.2 墨西哥城深层隧道排水系统

墨西哥城是墨西哥合众国的首都，位于墨西哥中南部高原的山谷中，海拔为2 240 m。墨西哥城面积为1 500km2，人口达1 800多万，平均降雨量为748mm。墨西哥城始建于公元前500年，是美洲较古老的城市之一，由于地处中央高原墨西哥谷地，四面环山，特别容易遭受“水患”。

该城市最早的排水系统是按雨污合流制形式建成于20世纪初，管道总长度达1.4万km。由于收集的雨水、污水最终通过Gran Canal（大排水渠）利用重力流将城市雨水和污水收集排出城外，为早期城市防洪排涝发挥了重要作用。但由于墨西哥城大量抽取地下水而造成严重地表沉降（年平均沉降0～300mm），使得修建于地表浅层的Gran Canal严重错位，无法维持建设时的坡降，到1950年，其中有20km 长的管道已经完全失去了原有的坡度，使得Gran Canal的过流能力由原来的90 m3／s锐减至12m3／s。当局不得不对Gran Canal系统进行改造，通过增设抽水系统来改变因不均匀沉降形成的逆坡现状［12］。随着对当地的地表沉降问题作进一步的深入分析，认为墨西哥城要彻底解决这个问题，必须要重新建立一套免受地表沉降影响的“深层排水系统”。

1967年启动了名为“深层隧道排水系统”的总体规划，一期于1975年建成并投入运行。“深层隧道排水系统”由中央隧道和截水隧道2部分组成，全部敷设在地表30m 以下，采用泥水盾构施工方法。中央隧道直径为6.5m，长为50km，设计过流能力为220m3／s，是将墨西哥城雨水和污水排出城外的主要通道，承担了整个城市排洪纳污功能。截水隧道由呈支状分布的9 条总长约154km，直径为3.1～5.0m的隧道组成，主要负责及时将区域内的雨洪及污水收集并排入中央隧道。但由于人口增长（由1960年的512.5万增长到2000年的1 794.6万）和服务范围的扩展（由1970年的683km2扩大到1990年的1 295km2），1975年建成的“深层隧道排水系统”已满足不了需求，特别是雨季过流能力不足，导致城市内涝频发，为此提出了“东部隧道”工程。该工程由长63km，直径7 m，埋设深度超过200m 的“东部隧道（East Tunnel）”和埋设深度在150～200m 的24 条进水道组成，排水能力为150 m3／s，是目前全球在建的最大城市深层隧道排水系统，将与中央隧道互为备用，进一步提高城市排水能力。

中国有些城市地面沉降也很严重，地下管网错位不可避免，只不过情况难以检测。一些建筑密集、地下管线复杂的老城区，浅层排水难以有大的改善。针对这些情况，深层排水系统可作为有利补充，加大排水效力［13］。

1.3 香港荔枝角雨水排放工程

香港经济发达，地理位置优越，总面积达到1 104km2，2005年人口密度为6 420人／km2，年平均降雨量为2 214.3mm。数十年前修建的排水系统已不能满足当前防洪排涝的要求，为减少频繁的内涝，香港渠务署采取了一系列措施，最主要一项工程就是荔枝角雨水排放工程［14］，如图1所示。

图1 香港荔枝角雨水排放隧道示意图Fig.1 Drainage tunnel diagram of Litchi Angle，Hong Kong

香港地势高低分明，故隧道工程因地制宜，将西九龙腹地集水区的雨水经过多个积水口收集后再经过直径4.9m、长2.5km 的分支隧道，最后利用一条直径相同，长1.2km 的倒虹吸管隧道将雨水排放出维多利亚港。该工程有效缓解了荔枝角、长沙湾及深水埗地区的内涝风险，将防洪标准提高到50年一遇的水平。

香港的深层隧道排水工程有很强的针对性，非普遍适用，只对地形相似的城市有指导意义。

2 减少溢流污染，改善河湖水质

城市都是紧靠水源地发展起来的，上游取水下游排水，无一例外。但是随着城市人口膨胀，城市污染负荷加大，雨季合流制排水管网极易发生溢流，污染附近水源，当水体已经无法利用自净能力消化排放的污水，水质就会急剧恶化，这点在老工业城市尤为明显［15］。例如伦敦和芝加哥，利用深层隧道的储水能力减少溢流污染，挽救了当地水环境。

1）伦敦深层隧道工程

英国首都伦敦属温带海洋性气候，年平均降水量为1 100mm，人口密度为5 285人／km2。伦敦的排水系统自150多年前建造开始，随城市发展一直在进行管道扩容和污水处理工艺的升级，维多利亚时代的下水道只占目前灌渠的不到1%，主干管总长接近81 000km。即使是这样，随着城市扩张，服务人口和面积的增加，按6.5mm 降雨强度设计的合流制系统在2007年时只能承受2mm 的雨强，导致泰晤士河溢流频繁，水质污染严重，对于城市景观面貌十分不利，故2007年伦敦政府通过“雨污分流”、“可持续性城市排水系统”和“泰晤士隧道”3种方案论证，最终确定了深层隧道工程，如图2所示。

图2 泰晤士深层隧道功能示意图Fig.2 Times of deep tunnel function diagram

该隧道总长35km，直径为6.5～7.2 m，埋深为35～75m。建成后溢流次数将由原来的60次／年减少到4 次／年，有效地提高泰晤士河流域的水环境。

2）芝加哥隧道和水库方案

芝加哥是美国人口排第3位的大都市，属于湿润的大陆性气候，四季分明，年平均降雨量为910 mm，大部分降雨以强烈夏季暴雨形式发生［16］，每年暴雨约有100次，合流制污水最终溢流至密歇根湖，导致作为芝加哥地区水源地的密歇根湖受到污染，污水还会倒灌至住宅和商业区的地下室内［17］。因此，1972年芝加哥市采取隧道和水库方案（TARP），将51 个社区共971.5km2划入服务范围［18］。TARP由4个独立隧道和隧道下游3 座大型水库组成。第1阶段是4条隧道的修建，主要目标是控污［19］，能够把数百个排污口排放的870 万m3合流制溢流污水收集起来。此工程于1975年开始施工，2006年4条隧道完工并运行。第2阶段的主要目的是控制内涝，1998年已完成奥哈拉水库的修建。据统计，水库已经为其服务的3个社区减少洪涝损失2亿5千万美元［18］。另外2 座水库正在建设中。3座水库完工后，TARP 的储水量将高达6 600万m3［20］。虽然还没有完全竣工，TARP 已经显著改善了芝加哥河等水道的水质，河岸可供垂钓的鱼种回到之前水平，并带动了旅游业的发展［21］。

以上2个城市均是因为将水体作为水源或是城市景观进行规划，故对水体环境提出了更高要求［18］。以中国目前的发展水平，从发展的眼光看，目前的规划建设深隧系统可以结合防涝与排污、蓄水等功能，部分工程可以分期建设。

3 污水输送，集中处理

如果对城整个城市水系的管控和利用提出更高的要求，又不破坏水系统的平衡，也只有“花园城市”新加坡能达到此水平。在新加坡对其水资源的利用和改造过程中，深层隧道充当的角色是将整个城市收集的污水输送至处理厂集中处理排放。

新加坡地处马六甲海峡，总面积仅为714.3 km2，年平均降水量为2 400mm 左右。新加坡是全球少数几个采用雨污分流系统的国家之一，这是由于其城市环境清洁，雨水污染程度小，同时新加坡淡水资源缺乏，故雨水是其主要淡水资源。雨水通过街道旁方便管理的明渠逐级汇集到17个大型蓄水池，经处理后进入配水系统。原来新加坡的污水处理 系统由2 450km 管 渠、134 座 泵 站、大 型 污 水 处理厂和一些小型处理厂组成［13］。随着城市发展，为节约城市用地，满足未来需求，新加坡前瞻性地设计了以污水输送为目的的深层隧道系统，即通过2个交错的深层隧道，将覆盖99%人口范围的污水集中输送至郊区2个大型污水厂，最后将处理过的水排入远离新加坡的深海。据称此系统将解决新加坡未来100年的废水回收、处理和排放需求。

新加坡在水资源管理上的投入十分可观［22］，但这也是由其水资源现状和以服务业为经济主导决定的，中国尚且没有城市能与其相提并论，故其作法可以作为长远目标考虑。

4 结 语

本文介绍了发达国家或地区是如何利用深层隧道解决城市排水系统的不足，或是使本地区排水系统达到更高标准。国外深邃建设投资巨大，与此相比，中国投资较为分散，缺乏长期全局性大型工程，修补式工程无法从根本上解决问题。对此，本文提出未来中国深层隧道建设的相关建议，具体如下。

1）有针对性地建设深层隧道排水系统

中国城市现在主要存在的是内涝问题，但深层隧道绝不是唯一的解决方案，因为浅层排水管道尚且还有因为雨水口管理不善导致的管道堵塞等问题。且有研究表明，现在城市地面硬化率高，发生暴雨时雨水由地面到排水口也需要一段时间，如不能及时归管引流，发生暴雨时也有可能发生积水［23］。深隧系统主要是解决排水能力不足与蓄水的问题，也就是说哪怕修了深隧，也不一定能完全解决内涝问题。国外通常的做法是利用低影响开发（LID）帮助减缓水力峰值，在2套系统相互配合下，雨水可以尽量平缓地流入隧道暂存。因此，要想利用深层隧道取得良好效果，必须有与之配套的“绿色基础设施”，计划建设深层隧道排水的城市要经过充分调研，判断是否能通过深邃解决问题。

2）有前瞻性地建设深层隧道排水系统

用水量能反映城市居民生活水平。研究表明，城市越发达，用水量越大。故城市的排水管网建设必须有极敏锐的前瞻性——巴黎市100多年前建造的下水道就创造性的使用了1.5～6m 的大尺寸的管道断面设计，因此目前仍能满足排水的需要，旱季污水和雨季洪水均能顺利排放。此外，其还在管道上方预留了安装电力、供水等其他管道的空间，大大提高了地下空间的利用率。中国地下管网建设已经落后甚多，现在才开始推行地下综合管廊试点工程，故在规划建设深层隧道时更应注重前瞻性，多专业、多角度的考量，至少为未来30～50年发展预留空间。

近年来中国无论东西南北的城市，一方面缺水严重，另一方面时常发生损失重大甚至造成人身伤亡的内涝事件，充分说明了目前中国管网系统排水能力应对暴雨径流能力的不足。在不影响地上建筑的前提下，深层隧道是运输、存储污水的有力手段，只要应用得当，可成为解决内涝问题或其他水资源调度问题的好方法。

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