国外深隧排水系统调度运行方案的启示

国外深隧排水系统调度运行方案的启示
? 国外深隧排水系统调度运行方案的启示 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) 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 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ຫໍສະໝຸດ Baidu2]。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Table 1 Introductions of representative deep tunnels abroad所在城市深隧名称建成时间工程规模深隧类型隧道主要功能日本东京 江户川深层排水隧道2006年 总长6.3km、内径10m的地下管道,5处直径30m、深60m的竖井,以及1处人造地下水库,水库长177m、宽77m、高约20m,调蓄容量67万m3洪涝控制型缓解内涝澳大利亚悉尼 悉尼北部污水储存隧道2002年 工程全长16km,埋深海平面下40～100m,直径3.8～6.6m,隧道能提供近50万m3的调蓄容量污染控制型 控制水体污染美国芝加哥 隧道和水库工程计划(TARP) 2006年完成第1阶段 工程分为2个阶段建设:第1阶段建设总长度约176km,管径2.4～10m的隧道,可提供8.7万m3的调蓄容量;第2阶段建设3个大型水库,比第1阶段增加530万m3的调蓄容量多功能型 缓解内涝和控制水体污染美国密尔沃基 密尔沃基深层隧道储存系统1994年 总长45.8km,直径5.1～9.7m,埋深41～91m,隧道能提供近197万m3的调蓄容量多功能型 缓解内涝和控制水体污染 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Fig. 1 Deep tunnel in Edogawa 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)Fig. 2 Tunnel and Reservoir Plan in Chicago, America1)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