1、第37卷第4期 2017年4月 窿道建谨 Tunnel Construction V0137 No4 Apr2017 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X-程设计研究总院，广东广州 510060) 摘要：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
2、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。 关键词：深隧排水系统；调度运行；内涝；溢流污染 DOI：103973jissn1672741X201704010 中图分类号：U 45 文献标志码：A 文章编号：1672741X(2017)04044906 Inspirations from Management and Operation of Deep Tunnel Drainage Systems Abroad TANG Shu ，WU Xuewei ，SUN Z
3、himin ，ZHOU Wuyang (1School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 5 10006，Guangdong，China； 2Guangzhou Water Investment Group Limited Company，Guangzhou 5 10655，Guangdong，China； 3Guangzhou Municipal Engineering Design and Research Institute，Guangzhou 5 10060，Guangdong，China) Abstract：The
4、 drainage system of deep tunnel is complex and the management of it is difficultThere is no experience in ChinaAs a result，it is very important to find a highefficient and rational mode for management and operation of drainage system of deep tunne1The management and operation modes for drainage syst
5、em of deep tunnel abroad are analyzed and the stateof-theart of construction of urban drainage and deep tunnel are studiedInspirations are gained from shallow drainage system，overall management of drainage system of deep tunnel，connection between management and operation of drainage system of deep t
6、unnel and rainfall and reduction of management and operation cost of deep tunne1The results can provide reference for management and operation of deep tunnel drainage systems in China in the future Keywords：drainage system of deep tunnel；management and operation；waterlogging；overflow pollution O 引言
7、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 J。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 J。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3060 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 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；
8、唐磊等 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 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 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 收稿日期：20161123；修回日期：201701一O5 第一作者简介：汤舒(1989一)，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：3485693
9、46qqcorn。 隧道建设 第37卷 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3060 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
10、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 Table 1 Introductions of representative d
11、eep tunnels abroad 11 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 。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I、涩谷 Jil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I旁边的地下水库 J。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
12、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 。江户川I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。 12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8090的溢流污水并输送到污水厂进行处 理，再排人海湾 m 。 图1 东京江户川深隧 Fig1 Deep tunnel in Ed
13、ogawa District in Tokyo，Japan 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 第4期 汤舒，等： 国外深隧排水系统调度运行方案的启示 451 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
14、入受纳 水体。 13 多功能隧道调度运行方式 131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) Fig2 Tunnel and Reservoir Plan in Chicago，America 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人流，超过隧道负
15、荷的雨污水将直接排放。由于深层隧道的调蓄容量仅 有87万m ，故在运行调度方面提出对雨水和溢流污 水的人流控制优化。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人流量，以 保证不受闸门控制的污水能排人深隧。 2)第2阶段是修建3座大型水库，将比第1阶段 增加530万m 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
16、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0：008：00将深隧中的水通过排水泵站， 排人污水处理厂，从而减少耗电费用。 132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 km 服务区域内的生活 污水收集并转输到污水处理
17、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 。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 。 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
18、，并进人项目实施阶段。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05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 31 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
19、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。 452 隧道建谨 第37卷 (a)般降1：f：的情况 (1，)极端降 的情况 图3 深隧储存系统运行方式 Fig3 Operation mode for deep tunnel water st
20、orage system in Milwaukee，America 表2我国深隧建设情况 Table 2 Deep tunnels in China 以广,kt、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人流竖井的闸门，从而实现对 内涝和溢流亏染的控制。町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 第4期 汤舒，等： 国外深隧排水系统调度运行方案的启示 453 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
21、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。 32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，可实现对深隧的人流和 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
22、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。 以上海虹口港一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8325 km ，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05年一遇 。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3O处，重现期处于055年，而东濠涌深隧排水系 统主要在人流竖井前进行流量、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
23、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。 33 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
24、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。 34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
25、，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H ，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
26、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 。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 。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_l ，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
27、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 454 趱 建谨 第37卷 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
28、，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。 参考文献(References) 2 3 4 5 6 7 辛玉玲，付道传城市排水系统存在的问题及对策研究 J延安大学学报(自然科学版)，2014
29、(4)：3638 XIN Yuling，FU DaochuanCountermeasure study of the existing problem of the drainage system in cityJJournal of Yanan University(Natural Science Edition)，2014(4)： 3638 林忠军深层隧道排水系统在城市排水规划中的应用 J城市道桥与防洪，2014(5)：143147，13 LIN ZhonNunApplication of deep tunnel drainage system in city drainage plann
30、ingJUrban Roads BridgesFlood Control，2014(5)：143147，13 王刚，周质炎城市超深排(蓄)水隧道应用及关键技术 综述J特种结构，2016，33(2)：7479 WANG Gang，ZHOU ZhiyanA sunmamy on key technologies and application of deep tunnel drainage system in cityJ Special Structures，2016，33(2)：7479 唐磊，车伍，赵杨对我国城市建设雨洪控制隧道的思考 J中国给水排水，2015(7)：119125 TANG L
31、ei，CHE Wu，ZHAO YangThinking about construction of stormwater control tunnels in ChinaJ China Water&Wastewater，2015(7)：119125 鲁朝阳，车伍，唐磊，等隧道在城市洪涝及合流制溢流控 制中的应用J中国给水排水，2013，29(24)：3548 LU Zhaoyang，CHE Wu，TANG Lei，et a1Application of stormwater tunnel to control of urban flooding and combined sewer overf
32、lowJChina Water&Wastewater，2013，29 (24)：3548 丁留谦，王虹，李娜，等美国城市雨污蓄滞深隧的历史沿 革及其借鉴意义J中国给水排水，2016(10)：3541 DING Liuqian，WANG Hong，LI Na，et a1Evolution of deep stormwater storage tunnel projects in the United States and its reference value to ChinaJ 1China Water Wastewater，2016(10)：3541 李忠东日本高效的“首都圈外围排水路”J生
33、命与灾 害，2011(8)：2021 LI ZhongdongJapans efficient“Capital perimeter drainage system”JLife and Disaster，2011(8)：2021 8 刘波纽约、伦敦和东京等世界城市防洪排涝经验与启示 J城市观察，2013(2)：145150 LIU BoFlood control experience from New York，London and Tokoyo and its reference for Chinese cities l J 1Urban Insight，2013(2)：145150 9 门绚
34、，李冬，张杰国内外深隧排水系统建设状况及其启 示J河北工业科技，2015(5)：438442 MEN Xuan，LI Dong，ZHANG JieConstruction status and inspirations of deep tunnel drainage system both at home and abroadJHebei Journal of Industrial Science and Technology，2015(5)：438442 10 Schuhz N，Nero D D，MatthewsRohadfox S，et a1Lessons learned from ope
35、rating large sewage tunnelsC Proceedings of the Water Environment FederationS1： sn2012(4)：98121 1 1Loucks E，Watkins D，Culver TCombined sewer ovelflows in the milwaukee metropolitan sewerage district conveyance and treatment systemJWater Resources Systems Analysis through Case Studies，2013：6 12 董磊，张欣
36、虹口港一走马塘段深层排水调蓄隧道系统 工程研究J给水排水，2016(6)：4851 DONG Lei，ZHANG XinResearch of Hongkou port Zoumatang section of deep drainage tunnel storage system engineeringJWater&Wastewater Engineering，2016 (6)：4851 13 高维英，李明，李菁西安城市内涝分布特征及其与降雨 量的关系J陕西气象，2014(2)：1720 GAO Weiying，H Iing，H JingDistribution characteristic
37、s of urban waterlogging and its relationship with rainfall in Xiall JJournal of Shaanxi Meteorology，2014(2)：1720 14 廖朝轩，高爱国，黄恩浩国外雨水管理对我国海绵城市 建设的启示J水资源保护，2016(1)：4245，50 HAW Chaohsien，GAO Aiguo，HUANG EnhaoEnlightenment of rainwater management in foreign countries to sponge city construction in ChinaJ
38、Water Resources Protection， 2016(1)：4245，50 15林文杰，赵俊凤，吴慧英东濠涌深隧工程对初雨污染的 减排效果初探J人民珠江，2014(5)：7275 HN Wenjie，ZHAO Junfeng，WIJ HuiyingPreliminary study of the effect of Donghaochong deep tunnel engineering on reducing pollution of initial rainJPearl River， 2014(5)：7275 16 唐磊，车伍，赵杨，等合流制溢流初期冲刷及其控制策 略研究J给水排水，2014(5)：2430 TANG Lei，CHE Wu，ZHAO Yang，et a1Application of stormwater tunnel to control of urban flooding and combined sewer overflowJWater&Wastewater Engineering， 2014(5)：2430
