关于深层调蓄管道在排水系统中应用的若干思考

http://www.water.hc360.com2018年03月02日10:07 来源:《给水排水》T|T

    慧聪水工业网 笔者认为深隧工程技术确实存在投资巨大,建设和运行管理技术复杂,对自然生态环境和地质环境影响深远,一旦出现失误,将造成不可逆转的严重后果和重大损失,应当引起高度重视。

刘遂庆

同济大学环境科学与工程学院刘遂庆

    近年来,为了提高城市防洪排涝能力和减少初期雨水污染,国内多个城市排水主管部门提出了采用深层排水调蓄管道系统(以下简称“深隧”)作为城市排水的重要工程技术方案,其中若干城市的深隧排水工程方案已经得到当地市政府批准,先后开始试验段工程施工建设。

    通过查阅和分析国内外多个城市的深隧排水工程技术发展和应用现状及其部分相关资料及数据,可以看出,在全球范围内已有多个城市采用深隧工程技术进行城市雨水或污水的收集、输送或流量调节,为当地城市排水系统的内涝防治、初期雨水污染防治及雨水综合利用发挥了重要作用。国内多个城市通过学习和参考国外和中国香港特别行政区等城市排水深隧工程技术经验,提出了在当地城市排水系统中建设深层调蓄管道的方案,以期实现提高城市排水设计标准、城市内涝防治和初期雨水污染控制多个目标国内。国内深隧规划方案一般为埋设深度为30~60m,直径6~10m,长度达数十公里,空间容积达数十万至数百万立方米,工程投资达数百亿元人民币,堪称为城市排水系统建设的史无前例的大规模投资和超常规技术应用。

    对于国内城市的深隧工程规划设计方案,在专业技术领域内呈现了比较普遍的赞同意见和全面乐观的目标预期,认为深隧是一项成熟的工程技术,是城市排水系统提高设计标准、减少城市内涝灾害和初期雨水污染防治的最佳工程技术方案。与此同时,也有来自不同方面的不同意见,认为深隧设施不利于自然生态环境保护,建设和运行费用高,工程必要性论证的科学依据不够充分等等。笔者认为深隧工程技术确实存在投资巨大,建设和运行管理技术复杂,对自然生态环境和地质环境影响深远,一旦出现失误,将造成不可逆转的严重后果和重大损失,应当引起高度重视。非常有必要开展深入论证,广泛听取不同意见,以期得出更加科学合理的技术方案,避免出现城市安全和生态环境风险。本文对深隧工程技术在城市排水系统中的应用提出一些问题和思考,以期与专业同行共同探讨。

    1、深隧工程技术缺乏自然生态保护和绿色发展理念

    党的十八大以来,以习 】主席为核心的党中央高度重视生态文明建设和环境保护工作,将生态文明建设列入国家总体布局,把绿色发展上升为国家发展理念。特别是,党的“十九大”报告提出“我们要建设的现代化是人与自然和谐共生的现代化。必须坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针,形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式,还自然以宁静、和谐、美丽。”在城市发展和建设中,我们必须正确处理好经济发展同生态环境保护的关系,牢固树立保护生态环境就是保护生产力、改善生态环境就是发展生产力的理念,更加自觉地推动绿色发展、循环发展、低碳发展,决不以牺牲环境为代价去换取一时的经济增长。针对城市排水系统建设,习主席在《中央城镇化工作会议》的讲话中特别强调:“提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来,优先考虑更多利用自然力量排水,建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市。”

    城市建设和发展应该遵循自然规律,降雨是地球水循环的重要形式,是保持地球自然生态环境的重要保障。城市雨水管理应尽可能优先考虑利用自然力量排水,满足地面水环境的自然补水需求,也是城市自然生态环境保护的必要条件。然而,排水深隧设施工程规模宏大,工艺技术复杂,输送距离远,空间资源占用多,运行能源消耗高,增大了城市排水工程建设和运行的成本,增加了城市的二氧化碳排放量。特别是,有些城市将雨水汇集到地下30~60m甚至百米深度的调蓄隧道中,再用水提升到地面高度后输送到几十公里外的初期雨水处理厂,明显减少了当地地面水体及地下水的补充来源,对区域环境质量及地下自然生态及地质环境状态产生损害,带来巨大的生态环境损失和资源浪费,对城市原始生态环境和地质环境造成重大的结构性改变。

    深隧调蓄设施是城市内涝防治和城市河道水污染控制末端治理的工程措施,存在工程量巨大,投资费用昂贵,能源消耗和运行费用高,空间资源占用多等明显缺陷。在城市建设和发展中积极贯彻自然生态保护和绿色发展新理念,改变传统工程技术方法,创新海绵城市建设和智慧城市管理,优先采用绿色城市发展理念和现代化城市排水的最佳技术方案,才能实现美丽中国建设愿景。实际上,在城市雨洪管理和水污染防治方面,近年来在国内实施的黑臭河道治理和河长制河道管理已经取得了显著的成效,已经成为自然生态保护和绿色发展的创新性经验,为城市内涝防治和水污染控制发挥了重要作用。海绵城市建设和城市排水绿色发展理念就是从源头上控制城市内涝和河道污染,是城市排水系统绿色发展、循环发展和低碳发展的新方向,体现了节约优先、保护优先、自然恢复为主的中国发展新理念,创新了城市建设和发展的新理论和新方法。

    2、国外城市深隧调蓄技术观念正在发生改变

    美国是深隧调蓄工程技术的发源地,美国国家环保局(USEPA)曾经全面推崇深隧调蓄作为城市雨洪管理基础设施。然而,深隧工程设施造价高、工期长、影响面广、运行维护费用高等问题已经成为其在美国推广应用和技术发展的障碍,促使人们不断提高可持续发展理念,采用人与自然和谐的新技术和新方法。近年来,美国各地在深隧工程技术的基础上,开发自然生态的绿色雨洪管理设施,已经形成了新型的城市雨洪可持续管理体系,并不断得到完善和推广应用,进而取代深隧工程技术方案。

    美国芝加哥市的深隧水库工程(TunnelandReservoirPlan,TARP)是世界上第一个大型深隧调蓄工程,施工期规划为1975~1985年。在建设过程中,先后遇到过建设资金不足,环境影响质疑和其他技术问题,TARP的施工建设多次延期,一期工程先后耗时30余年,到2006年才全部完工,工期为原计划工期的3倍,工程建设总投资也从初期预算的19亿美元增至23.38亿美元。二期工程原定工期为1983~2003年,工程造价约9亿美元,由于一些不可预见的因素,也使其工期一再拖延,目前预定2029年全部完工。关于TARP的工程造价,上述造价数据只包括了TARP工程建设费用本身。根据美国土木工程师协会(USACE)提供的数据,截至2014年,TARP工程与其所有配套附属设施的全部建设投资金额高达84.9024亿美元。可以看出,排水深隧的附属设施建设投资可能远大于深隧设施建设投资本身。

    在20世纪末的30年间,USEPA认为排水深隧是解决城市雨污溢流的首选技术方案,美国许多大中城市先后规划或准备修建排水深隧调蓄工程。然而,随着USEPA对雨污排放管理范围的扩大,美国许多地方政府出现了建设投资负担加重,财政紧张等问题,污水超标排放的地区和城市数量不断增加,给美国各级政府带来巨大压力。因此,2007年USEPA通过调查研究,首次提出雨洪管理绿色基础设施理念,开始改变了对深隧设施的依赖。下面是几个典型实例。

    辛辛那提市于2002年提出计划,至2018年底将雨污溢流总量减少85%,制定了雨洪管理工程规划,其中包括修建长度为25.5km、容积为757万m3的深隧调蓄设施。2010年,该市提出采用雨洪管理绿色基础设施规划,决定放弃修建深隧,改为林克闰溪河道治理,恢复河道自然状态,修建湿地公园和调蓄绿地等绿色设施。与排水深隧调蓄方案比较,工程造价减少了1.5亿美元,节约了大量土地资源。

    纽约市于2005年计划修建2条造价分别为13亿和8亿美元的排水深隧调蓄设施。近年来,该市积极探索绿色发展道路,将2个大型深隧项目推迟实施,首先兴建一系列绿色雨洪调节设施,并改建和新建一批雨水管网,吸纳蓄滞10%不透水地面的25mm初雨,每年将雨污溢流总量减少568万m3。纽约市政府期望这些新型绿色雨洪调节设施能够完全替代原计划的深隧调蓄项目。绿色雨洪调节设施建设费用与原计划的深隧调蓄方案相比将节省投资14亿美元。

    首都华盛顿特区于2005年制定计划,在2005~2025年间投资26亿美元,修建3条总长达21km的排水深隧以及其他设施,将雨污溢流降低96%。2013年初,特区提出将原计划中的一条蓄水容积为3.6万m3的深隧取消,将另一条深隧容积从22万m3减至11万m3。取而代之的是在部分区域实施雨污分流改造和建设绿色雨洪管理设施。

    费城于2009年制定计划,修建3条排水深隧,总长为45km,直径为4.5~10.5m。随后,该市开始绿色雨洪基础设施的研究和探索,将计划中的深隧工程改为工程造价为16.7亿美元的绿色雨洪管理基础设施,包括河道治理、绿色屋顶、生态花坛、透水路面、城市公园及开放空间绿地,可在今后的25年间,将城市中1/3的不透水地表变为透水铺面或绿地,能够吸纳储存25mm的降雨量。

    此外,许多已经修建了深隧的城市,如密尔沃基、印第波利斯、克利夫兰、奥马哈、芝加哥等,也在积极探索和实施绿色城市排水系统建设的新型技术方法。

    3、深隧设施功能和规模的商榷

    国内多数城市在深隧工程规划设计中,将内涝防治和初期雨水污染控制两个功能并列,期望“一举两得”。但是,我们知道,初期雨水调节池是蓄存初期降雨量,目的是控制初期雨水污染,而内涝防治的雨水调节池是蓄存降雨峰值流量,保证调蓄池下游管渠不产生溢流。显然,两者是不同时段产生的流量,水质是不相同的,对调蓄池的功能要求也是不同的。“一举两得”的深隧设施能够发挥初期雨水调节和初期雨水污染控制的功能,但初期雨水之后的降雨量可能根本不是引起溢流和内涝的降雨峰值流量,流入深隧设施可能就是多余了,是极大的建设工程浪费和运行能源浪费。资料表明,我国南方城市中心城区内涝一般只在特大暴雨及江河高潮位等极端条件汇合的情况下发生,而在某些城市的工程论证数据中,城市内涝和道路积水的严重程度出现了比较明显的放大。因为深隧工程是百年大计甚至千年大计,降雨峰值流量的调蓄容积计算应该力求准确无误。

    笔者认为,在初期雨水调蓄容积之后的连续降雨量,一般不会引起管道溢流和城市内涝,应该尽可能排入地面水体,可以明显减小调节容积,有效节约建设费用和运行成本。如果只考虑初期雨水调蓄功能,根据工程设计标准,计算得出服务区内初期雨水调蓄总容积可以大幅度减小,应该有可能采用分散的地面式调蓄池,而不需要深隧调蓄设施。

    4、提高城市排水标准的关键在现有排水管网的更新改造

    在我国现有城市排水系统中,由于排水管网设计标准较低的原因,近年来频繁发生的城市内涝和河道污染的问题越来越受到全社会的关注。深入现场观察可以发现,部分道路发生积水是由路面排水口泄水不畅引起的,通过掀开井盖,就能排除积水,部分道路积水是低洼积水,应该局部加强排水,部分道路积水是由于管径偏小所致。因此,现有管网的升级改造仍然是需要首先面对的问题,浅层管网仍然是收集雨水的第一重要环节,是深隧设施不能替代的。如果不进行浅层管网的升级改造和扩建,即使深隧设施已经建设完成,雨污水仍然不能顺利流入深隧设施。因此,在深隧调蓄工程规划设计时,应该首先提出浅层管网的升级改造方案,特别是应用自然生态保护发展理念,综合论证地区排水系统可持续发展的建设方案,有可能得出比深隧调蓄设施更加科学合理的技术方案。

    另外一个被忽视的问题,就是合流制排水管网中存在地下水渗入现象,分流制排水管网中同时存在地下水渗入和雨污混接现象。在降雨之前,管网中可能存在大量地下水,同时存在污染物沉积。这样,在降雨量比较小时,首先进入深隧的是污染物浓度相对较低的地下水;当降雨量增大时,管网流速加大,管底沉积污染物泛起,污染物浓度达到最高值,但深隧可能已经充满,需要开启水泵排入江河水体,反而加重了河道污染,还浪费了能源。这种情况的发生,应该引起高度重视,在规划设计中需要详细论证和计算。可以认为,排水管网中污染物的主要来源是排水管网中的污染物沉积,应当建立经常性管网清淤和管理制度,在不降雨的时候尽可能清理和冲洗排水管网中的污染沉积物,能够有效减少污染排放,达到减少雨水污染物排放和提高污水处理厂处理效率等多重效果。

    5、深隧工程规划应加强环境影响评价

    《中华人民共和国环境影响评价法》第八条规定“工业、农业、畜牧业、林业、能源、水利、交通、城市建设、旅游、自然资源开发的有关专项规划(以下简称专项规划),应当在该专项规划草案上报审批前,组织进行环境影响评价,并向审批该专项规划的机关提出环境影响报告书”。

    环境影响报告书应当包括下列内容:①实施该规划对环境可能造成影响的分析、预测和评估。②预防或者减轻不良环境影响的对策和措施。③环境影响评价的结论。

    深隧技术方案可能对生态环境产生下列负面影响:

    (1)深隧工程将服务区域内很大部分年降雨量汇入地下深隧,再经过提升后远距离输送及处理后排放,有可能减少区域内生态环境补水量,损害区域地面及地下自然生态及地质环境。

    (2)深隧的建设和运行耗用大量材料和能源,如果折算成CO2排放量,可能远远超过水污染造成的损害,违背节能减排的可持续发展目标。应当进行材料、能源的碳排放量计算和环境影响评价。

    (3)深隧设施的埋设深度可能穿越地下水承压含水层,存在地下水污染隐患。

    (4)城市地下空间资源宝贵,如此大面积和大规模地用于雨水调蓄设施,成为横跨城市中心区域的地下屏障,对城市未来的环境保护和可持续发展具有严重影响,代价可能非常高昂。

    (5)深隧是一项生命周期长久的工程设施,运行可靠性和安全性评价和安全隐患估计十分重要。

    (6)深隧中座和排出的气体对区域内空气质量、居民生活和健康应当进行严格的环境影响评价,广泛听取意见。

    深隧作为城市排水规划的重要内容,应该进行规划阶段的环境影响评价。然而,某些城市采用环境影响评价表对深隧进行的环境影响评价,好像是将深隧当做排水管道一样,认为影响不大,评价程序简单肤浅。建议给予深入科学分析和全面环境影响评价。

    6、结语

    深隧设施是城市内涝防治和水污染控制的新型工程技术,工程量巨大,投资费用昂贵,能源消耗和运行费用高,空间资源占用多。应当积极贯彻实施“十九大”报告精神,树立生态文明建设绿色发展的国家发展理念,形成我国新时期发展和建设的创新模式,并应进一步全面论证和科学决策,得出更加科学合理的工程方案,为子孙后代造福。建议广泛开拓思路,开发和应用智慧城市排水系统和城市设施精细化管理技术,建立常态化管网清淤和清洗维护制度,使城市内涝和初期雨水污染得到有效降低和控制,实现节约资源,保护生态环境的可持续发展目标。

责任编辑:童志威

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