城市综合智能排水系统研究

万勇 孙世博 胡一亮

摘要：随着城市暴雨发生频率的增加和土地下渗能力的减弱，传统浅层排水系統无法满足排水要求，亟待探索一种新的更加合理的城市综合排水系统。通过分析国内外典型城市的排水系统，结合深圳地区的自然条件和产业优势等因素，提出了一种针对特大城市，以现代水务工程建设技术为基础，遵循排储结合和雨污分离原则，浅层排水和深隧排水相结合，以5G技术和互联网技术为支撑的城市综合智能排水系统。明确了城市智能综合排水系统未来发展的关键，包括深隧运营维护、精确暴雨洪水模型的构建、互联网技术与现代水务融合以及深隧和浅层排水系统的联合调度等。

关键词：综合排水系统;排储结合;雨污分离;深隧排水;智慧水务;深圳市

中图法分类号：TU992 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.09.004

文章编号：1006 - 0081（2021）09 - 0026 - 06

0 引 言

随着社会的进步和城市的发展，以及全球气候变化，城市排水问题日益凸显，短时强降雨引起的城市内涝和污水溢流情况屡见不鲜。受台风等极端天气影响引起的强降雨，由于城市现有浅层排水管网的排水能力不足，常引起城市内涝和污水溢流，既影响交通出行，又污染水质。同时，强降雨会影响可见度，也会影响地铁、飞机等公共交通的运行;严重时可能会淹没地下商场等空间，甚至引发泥石流和滑坡等次生灾害。

作为我国的改革开放示范区，又是重要的交通枢纽，深圳市常住人口达1 300多万。由于地处珠江入海口，经常发生强降雨，引起内涝，严重危害了人民的生命财产安全，提升城市排涝能力刻不容缓。因此，亟待探索一种新的能够适应深圳市发展的综合城市排水系统。深层隧洞与传统的浅层排水相结合的排水系统，数年前已经在英国、新加坡、日本等国家进行研究并得以发展应用，并取得了较为理想的效果。中国相关学者和工程技术人员在城市深隧排水方面也进行了长达数年的研究和论证;广州、上海等城市已建或在建一些典型的深隧，结合现有的城市排水系统，以缓解强降雨可能造成的城市内涝和污水溢流压力[1]。

随着计算机技术、互联网技术和通信技术的快速发展，尤其是我国北斗导航系统完成组建和5G技术的发展和应用，国家和人民对更加智能化的需求越来越明显，且很多行业领域对智能化业务和服务进行了研究探索并广泛应用。深圳等城市都提出要打造“智慧城市”[2]，水务是城市运行的基础之一，随着城市的发展，水务相关单位和公司的业务量越来越庞大，对水务业务的要求越来越及时化和精细化，对水务智能化的需求也越来越强烈。武汉大学和华为公司等已在智慧水务方面进行了相关研究，力争将新一代通信技术、先进的计算机技术与传统的水务业务更加紧密结合，以在水务行业及相关行业产生更大的效益。

本文通过比较国内外典型城市的排水系统，结合深圳地区的自然条件和产业优势等因素，提出一种针对深圳市等特大城市的更综合更智能的排水系统。本文的研究有利于在一定程度上解决城市的内涝问题，并且有利于节约城市地表土地资源和浅层地表土地资源，更有利于为人民的生命财产安全提供保障。

1 深圳市区域情况

1.1 强降雨增加的原因

根据相关研究表明，由于全球气候变暖，很多地方平均气温逐渐上升，年平均降雨量显著增加，且有进一步加剧的趋势，预计到2050年，全国平均年平均降水量将增加5%～7%[3]。而由于城市“热岛效应”和“雨岛效应”的影响，城区降雨量多于郊区，进一步加剧了城市内涝的可能性[4]。

深圳位于我国南部，北回归线以南，属于南亚热带季风气候，易受到台风、强台风等热带气旋影响，从而形成强降雨。根据深圳市气候公报，造成风雨影响的年均台风数量为3.5个，而近6 a（2015～2020年），年均台风数量上升为4个，呈增加趋势[5-6]。

在平均气温上升，城市“雨岛效应”和台风增加等因素的共同影响下，深圳市经常出现暴雨天气。根据《深圳统计年鉴2020》和《深圳市气候公报（2020年）》[5-6]，1990～2020年深圳市年降水量如图1所示，多年平均降水量达到了1 916.4 mm，年降水量较大。根据深圳市气候公报[5， 7-10]，2010～2020年深圳市局地暴雨及以上天数如图2所示，可以看出，近10 a局地暴雨及以上天数在波动中增加，2019年局部暴雨及以上天数达到了58 d。2019年5月23日，深圳市过程最大1 h滑动雨量达到136.5 mm，最大2 h滑动雨量达到189.9 mm，均刷新深圳有区域自动气象站以来最大1 h和最大2 h雨量历史记录。根据相关统计资料，2017年和2019年深圳市部分暴雨的信息见表1。

1.2 径流系数变大

从1980年深圳经济特区成立到2020年，深圳取得了举世瞩目的发展，一跃成为全国一线城市和国际化大都市，其人口和土地城市化速度远高于全国平均水平。然而，在城市化进程中，由于深圳市的经济发展和市政道路、房屋等基础设施的建设，原来丰富多样的地表结构和植被形式被水泥建筑地面取代，使下垫面盖面，地面对雨水的蓄滞能力降低，引起径流系数的增加。从1980～2015年，深圳市的平均径流系数从0.44增加到了0.58，且呈现进一步增加的趋势[11]。

1.3 城市排水管道设计标准偏低

由于历史发展原因，中国城市排水管道的重现期偏低，设计标准偏低。在西方发达国家，现代化排水系统由针对常见雨情的小排水系统和针对超常雨情的大排水系统组成。其中，小排水系统以常规雨水管道和渠道为主，大排水系统由隧洞、绿地、水系、道路等组成，通过地表排水通道或地下排水深隧，输送暴雨径流。我国大多城市的排水系统多为合流式排水系统，且排水标准严重偏低，如上海、广州等超大城市的老城区排水标准的重现期大多为0.5～1.0 a。近20 a来，中国曾数次提升排水管道设计标准，且深圳市一直按照国家排水管道的高标准执行，但设计标准仍然远低于美国、荷兰等国[11-12]。而且，由于之前的排水管道设计标准过低，深圳市已建成的排水管道，尤其是在2007年之前建设的排水管道，已经不能适应国家最新标准和深圳市的排水需求，这也是强降雨引起深圳市城市内涝的重要因素之一。

1.4 排水能力不足引发内涝

受到平均气温上升、“雨島效应”和台风等因素影响，深圳市经常出现暴雨和大暴雨等极端天气;而由于城市径流系数变大，土地蓄滞能力下降以及城市现有排水系统排水能力不足，导致在出现暴雨天气时，尤其是短时强降雨时，常常引发城市内涝积水，影响交通出行;也会引发污水溢流，污染河湖水质;甚至会造成人员伤亡，给人民生命财产安全造成了巨大的威胁。因此，必须探索一种针对深圳市的更加高效、精准，且能够将雨水和污水分离的综合排水系统来解决积水内涝和污水溢流等问题。

1.5 深圳人均淡水水资源匮乏

根据《中国统计年鉴2020》[13]，中国多年人均水资源量为2 077 m3，仅为世界人均水量的25%，是世界上13个严重缺水的国家之一。目前，中国城市中有约2/3缺水，约1/4严重缺水[9]。根据《深圳市2019年国民经济和社会发展统计公报》，截至2019年末，深圳市常住人口为1 343.88万人，根据《2019年广东省水资源公报》，深圳市水资源总量26.6亿m3，人均水资源量仅为197.9 m3，不足中国人均水量的10%，仅为全球人均水资源量的2.4%，远低于世界公认的严重缺水临界值[14-15]。

根据深圳市水务局的资料，目前深圳市约80%的用水来自东江。预计到2020年，深圳市需水量将达到23亿m3，供水缺口将达到2亿m3。而由于深圳市巨大的人才吸引能力，常住人口数量仍然以每年8%左右的增长率快速增长，进一步增加了深圳市水资源的压力。由于深圳降水充足，常引起内涝和污水溢流，因此在寻找更加高效的排水方式时，要考虑对雨水和污水的储存，以便处理后加以利用，缓解深圳市淡水资源的压力。

1.6 互联网及相关产业优势

深圳市是中国也是全球互联网产业最发达的城市之一，拥有腾讯、华为、百度、大疆、商汤科技等众多优秀的互联网科技公司。5G技术可以提供超大网络容量、千亿设备的连接能力和“零”时延的操作感知，满足物联网通信需求。而且，相比4G技术，5G技术在大数据量传输、系统化和智能化等方面都有了显著提升。由于北斗导航系统具有短报文通讯功能和精密单点定位功能，可在水文监测和气象预报等方面提供更优质的服务。而且，由于智能产业与时空信息密切相关，能将提供位置和时间信息的卫星导航技术应用于智能网络、智能传感、智能通信、智慧城市等所有智能产业中，形成新型商业模式。

2 国内外深隧排水的探索

为了解决城市积水内涝和污水溢流等问题，在现有传统浅层排水系统的基础上，国内外开展了关于深隧排水工程的研究，并建设了一些典型的深隧工程。整理国内外已建和在建的典型深隧排水工程见表2。从表2可以看出，目前国内外已建和在建的城市深埋隧洞的长度从数千米到数十千米不等，直径大多为4～10 m，埋深35～100 m不等，具有20万～200万m3的调蓄库容，主要功能包括及时排出雨水、缓解城市内涝积水，部分深隧还兼有控制污水溢流，储存水源和城市交通通道等功能。

2.1 江户川深层排水隧洞

位于日本东京的江户川深层排水隧洞曾经是世界上最先进的排水隧洞。在江户川深层排水隧洞建成之时，东京已经实行雨水和污水分离原则，并且通过统计研究东京的降水情况，建立了降水模型及降水信息系统，以更快、更有效排水，降低发生积水内涝的可能性。东京排水系统优先利用小型河流水网进行排洪;当出现强降雨时，雨水通过竖井和深层隧洞流入江户川旁的地下水库;当地下水库的储存水量达到一定程度时，通过泵站等装置将收集的雨水排入江户川河道中。在江户川深层排水隧洞建设之后，通过结合原有的排水网和降水信息系统，使东京的积水内涝区域减少了80%[1， 16]。

2.2 密尔沃基深层隧洞储存系统

位于美国威斯康星州的密尔沃基市，在修建深隧排水系统之前，主要是依靠合流式排水管道来输送雨水径流和污水，当超出输送能力时，未经处理的污水会发生溢流，从而进入周围的湖泊和河流等，威胁水域生态系统。密尔沃基深层隧洞系统城市由污水拦截系统、深隧储存系统和中央控制系统等部分组成。当遇到将强雨时，在雨污分流区域，雨水会直接排入河道，污水进入污水拦截系统和污水处理厂;在雨污合流区，雨水和污水引入到深隧储存系统进行储存。中央控制系统通过分布在线路附近的300多个检测器获得监测信息，并利用降雨排水模型，采用计算机模拟分析雨水和污水的排放过程，以获得更好的调度[17]。根据相关统计，自从1994年该深隧系统建成并全面运行后，合流区域的污水溢流次数由年均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）

位于马来西亚首都吉隆坡的精明隧道（SMART Tunnel）被称为“雨水管理和公路隧道”，由于吉隆坡的每年暴雨季节持续时间很短，如果深隧仅作为排水隧道使用，则会因为长时间闲置而造成浪费，并且吉隆坡市区的交通十分拥挤。该隧道全长9.7 km，中间包含3 km的排洪和公路交通两用隧道。中间两用隧道段分为3层，最下层作为永久性排水通道，中间层和最上层作为两用隧道。当遇到中等暴雨时，中间层隧道由公路隧道变为排水隧道;当遇到大暴雨时，上面两层隧道全部由公路隧道变成排水隧道，即隧道全部用来排水。在该隧道的上游进水口和下游出水口分别建有库容为60万和140万m3的水库，加上隧道调蓄库容100万m3，即该深隧系统总调蓄库容为300万m3，可应对100 a一遇降水，有效提升了吉隆坡城市的防涝标准[18]。

2.4 广州东濠涌深层隧洞

为了更好地建设和运营广州东濠涌深层隧洞工程项目，广州市水务投资集团组织并开展了对深隧与浅层排水系统的优化调度和深隧三维可视化数字信息系统的研究，并通过BIM技术研究探索该深隧排水系统的全寿命周期管理模式，加以应用。通过实时监测各处流量等数据，结合降水洪水模型，通过计算机模拟计算闸、阀、泵等装置的开关和运营过程，优化深层隧洞和麓湖等人工湖、泵站、东濠涌等河道水网等设施的联合调度过程，最大程度发挥减少城市积水内涝和污水溢流的作用。建成后，预计东濠涌支涌的开闸次数将从每年约60次下降到3～5次，将该流域排水标准提升至10 a一遇，并将削减雨季东濠涌流域70%的合流溢流污染，有效防止河水污染，改善河流水质。

2.5 武汉大东湖核心污水传输系统工程

武汉地区梅雨季节降水充沛，河流湖泊众多，地下水位较高，因而雨水下渗较弱，汛期河湖水位上涨，雨水难以及时排出，常造成积水内涝。为了解决城市积水内涝和污水溢流等问题，武汉市规划了大东湖核心污水传输系统工程，该工程主要由浅层管网、预处理站、深埋隧洞、泵站和污水处理厂等部分组成。当发生强降雨时，超标溢流的水量通过浅层管网排入预处理站进行预处理，然后经竖井排入深层隧洞储存调蓄;当降雨减弱或停止时，通过泵站提升并输送至浅层管网，然后经过污水处理厂处理达标后排入城市下游。可以预见在修建该工程后，通过有效调度，将缓解武汉大东湖区域的污水溢流和积水内涝问题，在释放城市中心土地资源方面发挥积极重要的作用。

2.6 香港荔枝角雨水排放隧洞系统

香港荔枝角雨水排放隧洞埋深约为45 m，建设时的最大难度在于确保该隧洞能安全穿越港铁路线和西九龙快速公路等多条公路。该隧洞采用直接疏导雨水的截流方式，并利用分布在线路上的多个进水口和竖井，通过不同埋深的隧洞將雨水进行汇集，将多余雨水直接排入维多利亚港，从而缓解市区排水压力，降低积水内涝的风险。通过隧洞汇集的雨水经过净化后可以用来灌溉草木和清洗街道。在荔枝角雨水排放隧洞建设完成后，可汇集九龙西地区500 hm2范围的降水，有效截取约40%降雨量，将局部地区防洪涝水平的重现期由10 a提升到了50 a[19]。

2.7 讨 论

经过分析可以看出，东京江户川深层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组成的浅层排水系统的基础上，因地制宜，建设与之功能相匹配的深层排水隧洞，并通过有效调度，在一定程度上解决城市积水内涝和污水溢流问题。随着通信技术和互联网技术的发展，部分深隧排水工程还通过实时监测，并利用合适的降水模型模拟排水过程，优化排水调度过程[20-21]。

3 综合智能排水系统构建

如果建设浅层排水隧洞或者采用管隧结合的方式，可能会穿越大量原有天然气管线、排水管道、地铁线路、高速公路和铁路桥梁的桥墩，当其间隔距离不满足安全距离时，会产生大量的管线迁改费用和安全评估费用等。在征询原有设施相关单位的许可时，会花费大量的时间和费用成本。而且，深圳在用地和用林申请方面的审批非常严格，浅层隧洞或者管道在施工时，经常采用明挖或者顶管的施工方式，会有较多工作面，涉及大面积的临时使用土地、永久使用土地和森林自然保护区等。在道路附近施工时，交通疏解涉及面多、时间长，严重影响交通。因此，浅层隧洞和管隧结合的方式会制约地表和浅层地下空间的发展，也会增加工程的建设成本，可能造成工期严重滞后。

对于深埋隧洞，除了少量的工作井等构筑物，其占用土地面积会比浅层隧洞小很多，既减少了用地申请审批所需要时间，又能为城市综合发展释放出地表和浅层地下空间。由于埋深较深，几乎不会影响已有设施，线路选线可为直线，降低工作量。同时，可显著减少报批报建和征询相关部门许可所花费的时间成本。在地质方面，深圳区域的覆盖层大多为30～40 m，而深埋隧洞埋深大多为40～100 m，该高程主要为坚硬完整的岩石，因而可采用TBM掘进施工，能为费用和工期带来更加有力的保障。

因此，综合考虑深圳的自然条件，产业优势以及工期和费用等方面的因素，结合国内外的典型工程经验，提出遵循雨污分离和排储结合原则，以5G技术和互联网技术为支撑，建设深埋隧洞与原有的浅层排水管网联合调度的城市综合智能排水系统。

遵循雨污分离原则，确保雨水和污水通过不同的管道汇集和排出，以免污水流入河道和湖泊水库，对河湖的水质造成影响。遵循排储结合的原则，结合海绵城市设计，利用深隧自身和上下游水库的调蓄库容储存雨水和污水。在已经实现雨水分流的区域，汇集的雨水通过管道直接排入附近的河网。在雨污合流区域，将超出排水管网排放承载力的雨水和污水汇入深隧储存系统进行调蓄，经污水处理装置处理达到国家相应排放标准时再排放或加以利用。

依托深圳市的卫星遥感技术、5G技术和互联网等技术产业优势，实现实时监测，结合气象观测和气象预报，利用更精确更适用的暴雨洪水模型，对河道管道地形等进行数字建模，可视化模拟径流和洪水工程以及闸、阀、泵的启闭，综合考虑浅层排水系统和深隧排水系统的整体调度，快速精确做出最优的排水调度方案，做到智能化决策。通过通信技术，实现移动端远程操作和多用户协同操作。

深圳雨季为每年的4～9月，非雨季为10月至次年3月，因此，为了提高对深埋隧洞的利用率，充分发挥深隧的使用价值，可结合实际情况，考虑在隧洞的局部范围内将深隧排水与交通运输结合起来，在非雨季用做城市快速路，以缓解城市交通拥堵问题。

4 结论与展望

为了缓解深圳市的城市积水内涝和污水溢流问题，综合考虑深圳的自然条件、产业优势以及工期和费用等方面因素，基于国内外的典型的深隧排水工程经验，提出遵循雨污分离和排储结合原则。以5G技术和互联网技术为支撑，建设深埋隧洞与原有的浅层排水管网联合调度的城市综合智能排水系统，最大程度地保障国家和人民的生命财产安全利益。这种综合智能排水系统既可有效缓解积水内涝和污水溢流问题，又能释放地表和浅层地下空间，还能减少管线迁移费用，简化报批报建手续，更好控制费用和工期，为其他同类工程积累工程经验。随着5G技术的成熟，北斗卫星导航系统的建成以及互联网和物联网技术的进一步发展，综合智能排水系统将得到更广泛的建设和使用。

采用BIM全生命周期设计，减少可能的碰撞。合理规划深隧的空间布局，将新建深隧与原有浅层管网、河湖衔接起来，形成完整的排水系统。在排水调度时与降雨信息相结合，考虑新建深层隧洞和原有浅层排水河道管网的综合调度。

要建设深隧和浅层排水系统相结合的综合排水系统，目前仍然存在一些问题亟待解决，如隧洞防生物污损，污水酸化腐蚀，隧洞的运营和检修以及智慧系统的搭建。此外，还要加大应对气候变化的科学研究，探索更加合理更加精确的暴雨洪水模型，加强居民的防灾减灾意识，进一步完善洪涝灾害的预警系统和紧急疏散程序。

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（编辑：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