城市綜合智能排水系統研究

萬勇 孫世博 胡一亮

摘要：隨著城市暴雨發生頻率的增加和土地下滲能力的減弱，傳統淺層排水系統無法滿足排水要求，亟待探索一種新的更加合理的城市綜合排水系統。通過分析國內外典型城市的排水系統，結合深圳地區的自然條件和產業優勢等因素，提出了一種針對特大城市，以現代水務工程建設技術為基礎，遵循排儲結合和雨污分離原則，淺層排水和深隧排水相結合，以5G技術和互聯網技術為支撐的城市綜合智能排水系統。明確了城市智能綜合排水系統未來發展的關鍵，包括深隧運營維護、精確暴雨洪水模型的構建、互聯網技術與現代水務融合以及深隧和淺層排水系統的聯合調度等。

關鍵詞：綜合排水系統;排儲結合;雨污分離;深隧排水;智慧水務;深圳市

中圖法分類號：TU992 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.09.004

文章編號：1006 - 0081（2021）09 - 0026 - 06

0 引 言

隨著社會的進步和城市的發展，以及全球氣候變化，城市排水問題日益凸顯，短時強降雨引起的城市內澇和污水溢流情況屢見不鮮。受臺風等極端天氣影響引起的強降雨，由于城市現有淺層排水管網的排水能力不足，常引起城市內澇和污水溢流，既影響交通出行，又污染水質。同時，強降雨會影響可見度，也會影響地鐵、飛機等公共交通的運行;嚴重時可能會淹沒地下商場等空間，甚至引發泥石流和滑坡等次生災害。

作為我國的改革開放示范區，又是重要的交通樞紐，深圳市常住人口達1 300多萬。由于地處珠江入?？?，經常發生強降雨，引起內澇，嚴重危害了人民的生命財產安全，提升城市排澇能力刻不容緩。因此，亟待探索一種新的能夠適應深圳市發展的綜合城市排水系統。深層隧洞與傳統的淺層排水相結合的排水系統，數年前已經在英國、新加坡、日本等國家進行研究并得以發展應用，并取得了較為理想的效果。中國相關學者和工程技術人員在城市深隧排水方面也進行了長達數年的研究和論證;廣州、上海等城市已建或在建一些典型的深隧，結合現有的城市排水系統，以緩解強降雨可能造成的城市內澇和污水溢流壓力[1]。

隨著計算機技術、互聯網技術和通信技術的快速發展，尤其是我國北斗導航系統完成組建和5G技術的發展和應用，國家和人民對更加智能化的需求越來越明顯，且很多行業領域對智能化業務和服務進行了研究探索并廣泛應用。深圳等城市都提出要打造“智慧城市”[2]，水務是城市運行的基礎之一，隨著城市的發展，水務相關單位和公司的業務量越來越龐大，對水務業務的要求越來越及時化和精細化，對水務智能化的需求也越來越強烈。武漢大學和華為公司等已在智慧水務方面進行了相關研究，力爭將新一代通信技術、先進的計算機技術與傳統的水務業務更加緊密結合，以在水務行業及相關行業產生更大的效益。

本文通過比較國內外典型城市的排水系統，結合深圳地區的自然條件和產業優勢等因素，提出一種針對深圳市等特大城市的更綜合更智能的排水系統。本文的研究有利于在一定程度上解決城市的內澇問題，并且有利于節約城市地表土地資源和淺層地表土地資源，更有利于為人民的生命財產安全提供保障。

1 深圳市區域情況

1.1 強降雨增加的原因

根據相關研究表明，由于全球氣候變暖，很多地方平均氣溫逐漸上升，年平均降雨量顯著增加，且有進一步加劇的趨勢，預計到2050年，全國平均年平均降水量將增加5%～7%[3]。而由于城市“熱島效應”和“雨島效應”的影響，城區降雨量多于郊區，進一步加劇了城市內澇的可能性[4]。

深圳位于我國南部，北回歸線以南，屬于南亞熱帶季風氣候，易受到臺風、強臺風等熱帶氣旋影響，從而形成強降雨。根據深圳市氣候公報，造成風雨影響的年均臺風數量為3.5個，而近6 a（2015～2020年），年均臺風數量上升為4個，呈增加趨勢[5-6]。

在平均氣溫上升，城市“雨島效應”和臺風增加等因素的共同影響下，深圳市經常出現暴雨天氣。根據《深圳統計年鑒2020》和《深圳市氣候公報（2020年）》[5-6]，1990～2020年深圳市年降水量如圖1所示，多年平均降水量達到了1 916.4 mm，年降水量較大。根據深圳市氣候公報[5， 7-10]，2010～2020年深圳市局地暴雨及以上天數如圖2所示，可以看出，近10 a局地暴雨及以上天數在波動中增加，2019年局部暴雨及以上天數達到了58 d。2019年5月23日，深圳市過程最大1 h滑動雨量達到136.5 mm，最大2 h滑動雨量達到189.9 mm，均刷新深圳有區域自動氣象站以來最大1 h和最大2 h雨量歷史記錄。根據相關統計資料，2017年和2019年深圳市部分暴雨的信息見表1。

1.2 徑流系數變大

從1980年深圳經濟特區成立到2020年，深圳取得了舉世矚目的發展，一躍成為全國一線城市和國際化大都市，其人口和土地城市化速度遠高于全國平均水平。然而，在城市化進程中，由于深圳市的經濟發展和市政道路、房屋等基礎設施的建設，原來豐富多樣的地表結構和植被形式被水泥建筑地面取代，使下墊面蓋面，地面對雨水的蓄滯能力降低，引起徑流系數的增加。從1980～2015年，深圳市的平均徑流系數從0.44增加到了0.58，且呈現進一步增加的趨勢[11]。

1.3 城市排水管道設計標準偏低

由于歷史發展原因，中國城市排水管道的重現期偏低，設計標準偏低。在西方發達國家，現代化排水系統由針對常見雨情的小排水系統和針對超常雨情的大排水系統組成。其中，小排水系統以常規雨水管道和渠道為主，大排水系統由隧洞、綠地、水系、道路等組成，通過地表排水通道或地下排水深隧，輸送暴雨徑流。我國大多城市的排水系統多為合流式排水系統，且排水標準嚴重偏低，如上海、廣州等超大城市的老城區排水標準的重現期大多為0.5～1.0 a。近20 a來，中國曾數次提升排水管道設計標準，且深圳市一直按照國家排水管道的高標準執行，但設計標準仍然遠低于美國、荷蘭等國[11-12]。而且，由于之前的排水管道設計標準過低，深圳市已建成的排水管道，尤其是在2007年之前建設的排水管道，已經不能適應國家最新標準和深圳市的排水需求，這也是強降雨引起深圳市城市內澇的重要因素之一。

1.4 排水能力不足引發內澇

受到平均氣溫上升、“雨島效應”和臺風等因素影響，深圳市經常出現暴雨和大暴雨等極端天氣;而由于城市徑流系數變大，土地蓄滯能力下降以及城市現有排水系統排水能力不足，導致在出現暴雨天氣時，尤其是短時強降雨時，常常引發城市內澇積水，影響交通出行;也會引發污水溢流，污染河湖水質;甚至會造成人員傷亡，給人民生命財產安全造成了巨大的威脅。因此，必須探索一種針對深圳市的更加高效、精準，且能夠將雨水和污水分離的綜合排水系統來解決積水內澇和污水溢流等問題。

1.5 深圳人均淡水水資源匱乏

根據《中國統計年鑒2020》[13]，中國多年人均水資源量為2 077 m3，僅為世界人均水量的25%，是世界上13個嚴重缺水的國家之一。目前，中國城市中有約2/3缺水，約1/4嚴重缺水[9]。根據《深圳市2019年國民經濟和社會發展統計公報》，截至2019年末，深圳市常住人口為1 343.88萬人，根據《2019年廣東省水資源公報》，深圳市水資源總量26.6億m3，人均水資源量僅為197.9 m3，不足中國人均水量的10%，僅為全球人均水資源量的2.4%，遠低于世界公認的嚴重缺水臨界值[14-15]。

根據深圳市水務局的資料，目前深圳市約80%的用水來自東江。預計到2020年，深圳市需水量將達到23億m3，供水缺口將達到2億m3。而由于深圳市巨大的人才吸引能力，常住人口數量仍然以每年8%左右的增長率快速增長，進一步增加了深圳市水資源的壓力。由于深圳降水充足，常引起內澇和污水溢流，因此在尋找更加高效的排水方式時，要考慮對雨水和污水的儲存，以便處理后加以利用，緩解深圳市淡水資源的壓力。

1.6 互聯網及相關產業優勢

深圳市是中國也是全球互聯網產業最發達的城市之一，擁有騰訊、華為、百度、大疆、商湯科技等眾多優秀的互聯網科技公司。5G技術可以提供超大網絡容量、千億設備的連接能力和“零”時延的操作感知，滿足物聯網通信需求。而且，相比4G技術，5G技術在大數據量傳輸、系統化和智能化等方面都有了顯著提升。由于北斗導航系統具有短報文通訊功能和精密單點定位功能，可在水文監測和氣象預報等方面提供更優質的服務。而且，由于智能產業與時空信息密切相關，能將提供位置和時間信息的衛星導航技術應用于智能網絡、智能傳感、智能通信、智慧城市等所有智能產業中，形成新型商業模式。

2 國內外深隧排水的探索

為了解決城市積水內澇和污水溢流等問題，在現有傳統淺層排水系統的基礎上，國內外開展了關于深隧排水工程的研究，并建設了一些典型的深隧工程。整理國內外已建和在建的典型深隧排水工程見表2。從表2可以看出，目前國內外已建和在建的城市深埋隧洞的長度從數千米到數十千米不等，直徑大多為4～10 m，埋深35～100 m不等，具有20萬～200萬m3的調蓄庫容，主要功能包括及時排出雨水、緩解城市內澇積水，部分深隧還兼有控制污水溢流，儲存水源和城市交通通道等功能。

2.1 江戶川深層排水隧洞

位于日本東京的江戶川深層排水隧洞曾經是世界上最先進的排水隧洞。在江戶川深層排水隧洞建成之時，東京已經實行雨水和污水分離原則，并且通過統計研究東京的降水情況，建立了降水模型及降水信息系統，以更快、更有效排水，降低發生積水內澇的可能性。東京排水系統優先利用小型河流水網進行排洪;當出現強降雨時，雨水通過豎井和深層隧洞流入江戶川旁的地下水庫;當地下水庫的儲存水量達到一定程度時，通過泵站等裝置將收集的雨水排入江戶川河道中。在江戶川深層排水隧洞建設之后，通過結合原有的排水網和降水信息系統，使東京的積水內澇區域減少了80%[1， 16]。

2.2 密爾沃基深層隧洞儲存系統

位于美國威斯康星州的密爾沃基市，在修建深隧排水系統之前，主要是依靠合流式排水管道來輸送雨水徑流和污水，當超出輸送能力時，未經處理的污水會發生溢流，從而進入周圍的湖泊和河流等，威脅水域生態系統。密爾沃基深層隧洞系統城市由污水攔截系統、深隧儲存系統和中央控制系統等部分組成。當遇到將強雨時，在雨污分流區域，雨水會直接排入河道，污水進入污水攔截系統和污水處理廠;在雨污合流區，雨水和污水引入到深隧儲存系統進行儲存。中央控制系統通過分布在線路附近的300多個檢測器獲得監測信息，并利用降雨排水模型，采用計算機模擬分析雨水和污水的排放過程，以獲得更好的調度[17]。根據相關統計，自從1994年該深隧系統建成并全面運行后，合流區域的污水溢流次數由年均50余次大幅度下降至年均2～3次。

2.3 吉隆坡精明隧道（SMART Tunnel）

位于馬來西亞首都吉隆坡的精明隧道（SMART Tunnel）被稱為“雨水管理和公路隧道”，由于吉隆坡的每年暴雨季節持續時間很短，如果深隧僅作為排水隧道使用，則會因為長時間閑置而造成浪費，并且吉隆坡市區的交通十分擁擠。該隧道全長9.7 km，中間包含3 km的排洪和公路交通兩用隧道。中間兩用隧道段分為3層，最下層作為永久性排水通道，中間層和最上層作為兩用隧道。當遇到中等暴雨時，中間層隧道由公路隧道變為排水隧道;當遇到大暴雨時，上面兩層隧道全部由公路隧道變成排水隧道，即隧道全部用來排水。在該隧道的上游進水口和下游出水口分別建有庫容為60萬和140萬m3的水庫，加上隧道調蓄庫容100萬m3，即該深隧系統總調蓄庫容為300萬m3，可應對100 a一遇降水，有效提升了吉隆坡城市的防澇標準[18]。

2.4 廣州東濠涌深層隧洞

為了更好地建設和運營廣州東濠涌深層隧洞工程項目，廣州市水務投資集團組織并開展了對深隧與淺層排水系統的優化調度和深隧三維可視化數字信息系統的研究，并通過BIM技術研究探索該深隧排水系統的全壽命周期管理模式，加以應用。通過實時監測各處流量等數據，結合降水洪水模型，通過計算機模擬計算閘、閥、泵等裝置的開關和運營過程，優化深層隧洞和麓湖等人工湖、泵站、東濠涌等河道水網等設施的聯合調度過程，最大程度發揮減少城市積水內澇和污水溢流的作用。建成后，預計東濠涌支涌的開閘次數將從每年約60次下降到3～5次，將該流域排水標準提升至10 a一遇，并將削減雨季東濠涌流域70%的合流溢流污染，有效防止河水污染，改善河流水質。

2.5 武漢大東湖核心污水傳輸系統工程

武漢地區梅雨季節降水充沛，河流湖泊眾多，地下水位較高，因而雨水下滲較弱，汛期河湖水位上漲，雨水難以及時排出，常造成積水內澇。為了解決城市積水內澇和污水溢流等問題，武漢市規劃了大東湖核心污水傳輸系統工程，該工程主要由淺層管網、預處理站、深埋隧洞、泵站和污水處理廠等部分組成。當發生強降雨時，超標溢流的水量通過淺層管網排入預處理站進行預處理，然后經豎井排入深層隧洞儲存調蓄;當降雨減弱或停止時，通過泵站提升并輸送至淺層管網，然后經過污水處理廠處理達標后排入城市下游。可以預見在修建該工程后，通過有效調度，將緩解武漢大東湖區域的污水溢流和積水內澇問題，在釋放城市中心土地資源方面發揮積極重要的作用。

2.6 香港荔枝角雨水排放隧洞系統

香港荔枝角雨水排放隧洞埋深約為45 m，建設時的最大難度在于確保該隧洞能安全穿越港鐵路線和西九龍快速公路等多條公路。該隧洞采用直接疏導雨水的截流方式，并利用分布在線路上的多個進水口和豎井，通過不同埋深的隧洞將雨水進行匯集，將多余雨水直接排入維多利亞港，從而緩解市區排水壓力，降低積水內澇的風險。通過隧洞匯集的雨水經過凈化后可以用來灌溉草木和清洗街道。在荔枝角雨水排放隧洞建設完成后，可匯集九龍西地區500 hm2范圍的降水，有效截取約40%降雨量，將局部地區防洪澇水平的重現期由10 a提升到了50 a[19]。

2.7 討 論

經過分析可以看出，東京江戶川深層排水隧洞等典型深隧排水工程，都是在城市原有的排水管道和河道等組成的淺層排水系統的基礎上，因地制宜，建設與之功能相匹配的深層排水隧洞，并通過有效調度，在一定程度上解決城市積水內澇和污水溢流問題。隨著通信技術和互聯網技術的發展，部分深隧排水工程還通過實時監測，并利用合適的降水模型模擬排水過程，優化排水調度過程[20-21]。

3 綜合智能排水系統構建

如果建設淺層排水隧洞或者采用管隧結合的方式，可能會穿越大量原有天然氣管線、排水管道、地鐵線路、高速公路和鐵路橋梁的橋墩，當其間隔距離不滿足安全距離時，會產生大量的管線遷改費用和安全評估費用等。在征詢原有設施相關單位的許可時，會花費大量的時間和費用成本。而且，深圳在用地和用林申請方面的審批非常嚴格，淺層隧洞或者管道在施工時，經常采用明挖或者頂管的施工方式，會有較多工作面，涉及大面積的臨時使用土地、永久使用土地和森林自然保護區等。在道路附近施工時，交通疏解涉及面多、時間長，嚴重影響交通。因此，淺層隧洞和管隧結合的方式會制約地表和淺層地下空間的發展，也會增加工程的建設成本，可能造成工期嚴重滯后。

對于深埋隧洞，除了少量的工作井等構筑物，其占用土地面積會比淺層隧洞小很多，既減少了用地申請審批所需要時間，又能為城市綜合發展釋放出地表和淺層地下空間。由于埋深較深，幾乎不會影響已有設施，線路選線可為直線，降低工作量。同時，可顯著減少報批報建和征詢相關部門許可所花費的時間成本。在地質方面，深圳區域的覆蓋層大多為30～40 m，而深埋隧洞埋深大多為40～100 m，該高程主要為堅硬完整的巖石，因而可采用TBM掘進施工，能為費用和工期帶來更加有力的保障。

因此，綜合考慮深圳的自然條件，產業優勢以及工期和費用等方面的因素，結合國內外的典型工程經驗，提出遵循雨污分離和排儲結合原則，以5G技術和互聯網技術為支撐，建設深埋隧洞與原有的淺層排水管網聯合調度的城市綜合智能排水系統。

遵循雨污分離原則，確保雨水和污水通過不同的管道匯集和排出，以免污水流入河道和湖泊水庫，對河湖的水質造成影響。遵循排儲結合的原則，結合海綿城市設計，利用深隧自身和上下游水庫的調蓄庫容儲存雨水和污水。在已經實現雨水分流的區域，匯集的雨水通過管道直接排入附近的河網。在雨污合流區域，將超出排水管網排放承載力的雨水和污水匯入深隧儲存系統進行調蓄，經污水處理裝置處理達到國家相應排放標準時再排放或加以利用。

依托深圳市的衛星遙感技術、5G技術和互聯網等技術產業優勢，實現實時監測，結合氣象觀測和氣象預報，利用更精確更適用的暴雨洪水模型，對河道管道地形等進行數字建模，可視化模擬徑流和洪水工程以及閘、閥、泵的啟閉，綜合考慮淺層排水系統和深隧排水系統的整體調度，快速精確做出最優的排水調度方案，做到智能化決策。通過通信技術，實現移動端遠程操作和多用戶協同操作。

深圳雨季為每年的4～9月，非雨季為10月至次年3月，因此，為了提高對深埋隧洞的利用率，充分發揮深隧的使用價值，可結合實際情況，考慮在隧洞的局部范圍內將深隧排水與交通運輸結合起來，在非雨季用做城市快速路，以緩解城市交通擁堵問題。

4 結論與展望

為了緩解深圳市的城市積水內澇和污水溢流問題，綜合考慮深圳的自然條件、產業優勢以及工期和費用等方面因素，基于國內外的典型的深隧排水工程經驗，提出遵循雨污分離和排儲結合原則。以5G技術和互聯網技術為支撐，建設深埋隧洞與原有的淺層排水管網聯合調度的城市綜合智能排水系統，最大程度地保障國家和人民的生命財產安全利益。這種綜合智能排水系統既可有效緩解積水內澇和污水溢流問題，又能釋放地表和淺層地下空間，還能減少管線遷移費用，簡化報批報建手續，更好控制費用和工期，為其他同類工程積累工程經驗。隨著5G技術的成熟，北斗衛星導航系統的建成以及互聯網和物聯網技術的進一步發展，綜合智能排水系統將得到更廣泛的建設和使用。

采用BIM全生命周期設計，減少可能的碰撞。合理規劃深隧的空間布局，將新建深隧與原有淺層管網、河湖銜接起來，形成完整的排水系統。在排水調度時與降雨信息相結合，考慮新建深層隧洞和原有淺層排水河道管網的綜合調度。

要建設深隧和淺層排水系統相結合的綜合排水系統，目前仍然存在一些問題亟待解決，如隧洞防生物污損，污水酸化腐蝕，隧洞的運營和檢修以及智慧系統的搭建。此外，還要加大應對氣候變化的科學研究，探索更加合理更加精確的暴雨洪水模型，加強居民的防災減災意識，進一步完善洪澇災害的預警系統和緊急疏散程序。

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（編輯：李 慧）

Study of urban integrated intelligent drainage system：a case of Shenzhen City

WAN Yong1，SUN Shibo2，HU Yiliang2

（1. Shenzhen Water Engineering Construction Management Center，Shenzhen 518000，China;? 2. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.，Wuhan? 430010，China）

Abstract：With the frequent heavy rainfall in cities and the weakening of infiltration capacity， the traditional shallow drainage system can not meet the drainage requirements， so it is urgent to explore a more reasonable urban comprehensive drainage system. Based on the analysis of the drainage system of some typical cities at home and abroad， combined with the natural conditions and industrial advantages of Shenzhen City， this paper puts forward a smart and integrated drainage system for super large cities in China. The system. based on modern water engineering construction technology， follows the principles of drainage and storage combination and? rainwater and sewage separation， combines shallow drainage with deep tunnel drainage， and takes 5G technology and Internet technology as support. The subjects needed to be further studied were put forward as followings， the operation and maintenance of deep tunnel， the construction of a more accurate storm-flood model， the combination of Internet technology and modern water resources management， and the joint operation of deep tunnel and shallow drainage system.

Key words：comprehensive drainage system; combination of drainage and storage; separation of rainwater and sewage;deep tunnel drainage; smart water service; Shenzhen City