休斯顿水库之前世今生 by刘建磊

https://drive.google.com/open?id=0ByeUMViZ9JwZUDczZnkyMDZjRFE

休斯顿水库之前世今生
刘建磊
2017 年10 月
1. 前言……………………………………………………………………………………… 2
2. 休斯顿Addicks 和Barker 水库原始设计方案……………….….… 3
3. 水库之工作原理………………………………………………………………….…7
4. 城市化带来的危机……………………………………………………………….12
5. Harvey 飓风特大降雨………………………………………….……………….16
6. 洪灾之后的思考…………………………………………………………………..19
7. 大城市地下深层隧道实例……………………………………………………23
Source: US Army Corps of Engineers, Galveston District http://www.swg.usace.army.mil
2
1. 前言
2017 年8 月25 号从墨西哥湾抵达德克萨斯州的Harvey 飓风彻底改变了我们很多休斯顿人
民的生活。这次飓风给休斯顿地区带来了历史上最大降雨。报道说大约有13 万房屋受灾
(不是FEMA 统计数字)。我们所住的小区有几百家房屋被淹。这是天灾还是人祸?本
篇文章将从历史资料中探寻休斯顿水库的发展历史,探讨水灾的成因和可能的解决方案。
水是生命之源。回溯我们过去的历史,人类文明基本是沿着河的流域而发展。在有人类记
录以前,休斯顿这片沿海平原就有着大大小小不同的河流和支流,如同血脉般密布在
2000 多square miles 里。这里有至少4 条Bayou 河,包括Buffalo Bayou, White Oak Bayou,
Brays Bayou, 和Sims Bayou。1836 年8 月Allen 兄弟两人花了9000 多美金买下了Buffalo
河与White Oak 河交界的6000 多英亩地,也就是现在休斯顿市中心的地方。从此开始了
休斯顿180 多年的发展历史。休斯顿属于潮湿的
亚热带气候。每年平均降雨量接近50 inches,夹
杂着偶尔来临的飓风和热带风暴。
休斯顿地处沿海平原,地势平坦,每迈也就大约
2-7ft 的落差。大降雨时就造成河流经常性的超过
自然形成的岸堤。Flood 也就紧密的随着休斯顿的
发展而成为生活的一部分。有人说,flood 相对于
休斯顿,也就类似于南加州的地震,科罗拉多州
的暴风雪一样,这都是自然的一部分。而河流改
道,以及发大水之后形成冲积是非常正常的。发
洪水如同森林里的山火,对人类的生命和财产都
有着破坏性作用,但是也有其自然的正面意义,例如洪水会把养分带到floodplain,对植
被的生长有积极意义。
由于休斯顿遭受1929 年和1935 年的严重
洪水灾害,特别是1935 年12 月的洪水,
休斯顿市中心被淹没在洪水里,据记载8
人失去生命,财产损失$2.5million (当时
的货币价值)。Harris County 于1937 年
成立了洪水控制部门。1938 年国会通过了
River and Harbor Act 治理Buffalo Bayou 河
流域。1939 年通过了Flood Control Act 修
正。从二战期间直到今天,休斯顿花费巨
大的财力和人力试图征服洪水。从2015
年到 2017 年,休斯顿连续三年经受水灾,说明我们休斯顿地区在治理洪灾方面还有很长
的路要走。(Pictures: HCFCD, and 1935 Flooded Houston Downtown, Photo by J.R. Gonzales, Houston
Chronicle)
3
2. 休斯顿Addicks 和Barker 水库原始设计方案
US Army Corps of Engineer 部门1940 年6 月1 号提交了德州Buffalo 河洪水治理项目计划
方案,这就是著名的:Definite Project Plan for Flood Control on Buffalo Bayou, Texas。
这份40 页文字版外加100 多页附加图的项目设计方案奠定了休斯顿治理洪水的基础。原
始方案包括建设3 个水库(Addicks, Barker, 和White Oak Reservoir)和两条排洪渠(North
Canal,South Canal)以及Cypress Creek Levee。下面就是包含原始方案的老地图。
1940 年的设计方案如果能够完全竣工的话,可能我们今天也就不会遭受Harvey 的洪灾。
原始方案的一期工程包括三个水库和North Canal,二期工程包括South Canal。但是40 年
代整个工程只完成了一期工程中两个水库的建设也就是双胞胎水库Addicks 和Barker。建
设水库需要购买水库中围起来的土地,但是原始项目计划书只是根据1935 年的降雨量估
算出水库的水位,然后在这个水位的基础上往高处多买了3ft 的土地。另外1935 年的降
雨量大约为16-20inches,项目设计者认为这已经是非常大的降雨量了。相比2017 年的
Harvey,我们休斯顿的降雨量达到30-50inches。(另外,降雨量的大小并非整个地区统
一,根据区域不同而有差别。)
根据目前采用的基准海平面(NVAD1988,2008),联邦政府在Barker 水库拥有土地的
相对水位为95ft 左右。我们查找到2012 年的统计数据,联邦政府大约购买了Barker 水库
12000acres 的土地,而最大水库蓄水区大约为16500acres 的土地。也就是说大约
4500acres 的土地为私人用地。同样联邦政府在Addicks 水库购买了13000acres 的土地,
还剩下3200acres 左右的土地位于最大蓄水区内没有购买。购买多少土地的原始项目计划
4
为2017 年的洪灾埋下了祸根。项目计划书这样解释到,购买多余土地的花费会大于洪水
造成的损失。这个假设是基于1940 年的现状,因为我们Katy 那时绝大部分还是Prairie,
农场,森林和湿地。 如果联邦政府在40 年代把水库内所有的土地都购买下来,也就没有
我们这些后来受灾的小区了。 就算联邦政府没有购买水库里面全部的土地,地方政府还
是有机会避免洪灾的损失,那就是不给地产开发商permit 在水库最大蓄水区里面盖新的
小区。但是从80 年代末90 年代初期到2010 年左右,开发商们在水库最大蓄水区内的私
人用地上盖满了房子,公寓和商业房产。(下面摘自Definite Project Plan, 1940)
5
1940 年的项目计划书写到,联邦政府会为水库和排水渠建设费用拨款最高达9 百万美
元,买地搬迁及其他杂费预算大约为9.7 百万美元。项目总计划支出为$32million 美元左
右,休斯顿当地需要支出大约$13million 美元。为了给Addicks 和Barker 水库排水而设计
的South Canal 起始于Buffalo 河 和8 号交界的地方,然后沿着8 号里面往东南方向一直
延伸到墨西哥湾。设计排水量约为15000cfs。如果这条排水渠能够完成,我们目前两个水
库的水会通过这条排水渠泄洪。今年Harvey 期间两个水库最大排水量合起来大约
13300cfs 左右。
Barker 水库于1942 年破土动工,1945 年完工。Addicks 水库于1946 年开工到1948 年
完工。两个水库的建设正好是世界第二次大战期间及战后。联邦政府的财政支出严重亏
空。根据1952 年的Report of the Chief of Engineers U.S. Army,洪水治理项目也就是
水库修建,土地购买和河流治理等一共花费$44 million, 比原计划超支$12million 以上。
休斯顿当地政府一共出资$22million, 比原计划的$13million 多出了$9million 左右。
6
1940 年的项目计划书里面提到明确的写到,联邦政府不会为修建South Canal 拨款。所
有的建设费用需由当地政府出资修建。而这个排水渠的建设费用预计为1 千万美元。同
时此排水渠为二期工程,也就是修建完三个水库后才会动工修建。联邦政府不给修South
Canal 出建设费用的原因是他们认为这个排洪渠的花费超过它带来的好处。
下面是1952 年工程兵部门的年终报告。可以看出South Canal 基本就是停留在纸面上的设
计,从来就没有开工挖过。
如果说原始项目计划方案有什么缺陷的话,那就是1)联邦政府没有购买水库最大蓄水区
内的所有土地,给将来的土地开放商有了可乘之机; 2)联邦政府不为修建South Canal
这个南边的排洪渠出建设费用,当地政府必须全部负责建设费用,因为二战和战后财政吃
紧,休斯顿当地政府根本没有筹资或者没有筹到足够的资金挖排洪渠; 3)项目计划书没
有提及任何关于土地flowage easement 的条文,只是提到为了减少花费,可以不用购买土
地的mineral rights。
7
3. 水库之工作原理
从古至今,治理洪水的方法无非就是蓄水和疏导洪水。从小尺度上来讲,新建小区或者开
发商业广场,都需要预留出一定面积的地方作为detention 或者retention pond。一般来说
detention pond 或者detention basin 比较常见。 Detention pond 或者basin, 平常都是干的,
下雨时蓄水然后排放出去。这样设计的目的就是不让雨水一下子全部排放到排洪渠或者河
流造成水灾。所谓的retention pond 可以当成我们个别小区的人工湖,湖里平常有水,下
雨时可以蓄一部分水,当水位超过一定高度,会有管道排放到排洪渠。下面是Detention
pond 和Retention pond 的例子和图解。
(Graph source: http://www.fg-inc.net/difference-between-detention-and-retention/)
Addicks 和Barker 这两个紧邻10 号
高速公路的双胞胎水库可以说就是
两个巨大的detention basin, 平时是
干的,只有几条流经水库的河流里
面有水,当降大雨时,会根据降雨
量的多少来控制排水的闸门。基本
原理就是先蓄水后排水。右图就是
Barker 水库建设时的老照片。
(source: HCFCD)
8
这是1944 年12 月的卫星地图,可以看出Barker 水库即将完工。(Google Earth)
下面是经过几十年的维护和改造之后的两个水库。左图为正在排水的Barker 水库,右图
是Addicks 水库。(source: US Army Corps of Engineers, Galveston District)
水库建成之后,基准海平面有所调整,这是2012 年两个水库的数据。(Source: ACE)
9
两个水库所在的地方,基本是西北高,东南低这样一个地势变化。水库设计为鱼钩型,三
面建有堤坝,西北方向因为地势高,所以是开放式,没有任何堤坝。每个水库只有一个控
制排水口。排水口在10 号和6 号公路交界处,打开控制闸门会直接排水到下游的Buffalo
河。如果水库蓄满水,根据设计水会沿着水库两边的end 溢出,作为emergency spillway
使用。下图可以看出Barker 水库主要有两条河流入水库: Upper Buffalo Bayou, Mason
Creek。Addicks 水库主要有4 条河流入水库: South Mayde Creek, Bear Creek, Langham
Creek, Horsepen Creek。(Picture source: HCFCD)
10
水库两端的end 设计成有坡度的堤坝,在顶端逐渐变小。1988 年水库两端经过水泥加固
可以承受洪水溢出时不会决堤。
下面两个图是Barker 水库南面堤坝的最顶端位置,可以看出堤坝是有一定的坡度。
(Pictures taken on 09/22/2017)
Barker 水库排水口是由5 个” 9ft 宽X7ft 高”的导管 控制。Addicks 水库排水口是由5 个”
8ft 宽X6ft 高”的导管控制。两个水库排水口合起来最大可以达到16000cfs 的排水量。
原始设计中,5 个导管只有一个是加了gate, 其他4 个导管是没有gate controlled。这样下
雨时,如果进水量大,出水量小,雨水就会在水库里蓄起来。举个例子,两个水库在降大
暴雨时,峰值进水量可以达到80000~90000cfs, 而uncontrolled 排水量大约在15700cfs
(每个水库有四个uncontrolled 导管)。这样的话,雨水就会被拦在水坝里面,只能排出
根据导管设计的大小所限制的量。因为South Canal 根本就没有开建,两个水库的排水量
超过15000cfs 还是会对下游可能造成水灾。1948 年每个水库把剩下的4 个导管中的两个
11
加上了控制排水的gate。由于50 年代和60 年代初的几次大降雨,Buffalo 河漫出堤坝,
于是1963 年每个水库剩下的两个导管全都加上gate。下面两个图是Barker 水库排水口设
计和堤坝设计(Addicks 水库也是采取类似设计,数据稍有差别)。美国联邦政府是两个
水库的owner。美国工程兵部门负责水库的维护和管理。在决定水库排水时,工程兵部门
会协调和照会当地政府和相关组织机构: Harris County, City of Houston, Fort Bend County,
Harris County Flood Control District, etc.(source: US Army Corps of Engineers, Water Control
Manual, 1962, 2012)
12
4 城市化带来的危机
大休斯顿地区人口从1940 年50 万增加到现在的6 百60 万。可以说过去几十年人口的急
速增长改变了休斯顿地区的城市格局。4,50 年代位于水库下游的Buffalo 河两岸原本长
满了树,还有不同的植被以及保留有原始的湿地。到了70 年代,可以从下面的卫星地图
可以看出介于6 号和8 号公路的之间的Buffalo 河两岸已经盖满房子。(Google Earth)
由于下游地区的地产开发,造成两个水库的可控排水量大大减少。原始设计的两个水库合
起来排水量可以达到16000cfs,而经过几次修改后工程兵部门可以能控制排水量最高到
2000cfs,紧急情况时可以排水超过2000cfs。下面摘自2012 年工程兵部门的“Water
Control Manual”。
13
由于水库控制排水量的限制,每次大暴雨之后,水库里蓄的水会经过很长时间才能全部排
出去。例如2016 年Tax Day Flood 之后,Barker 水库用了两个多月才排完水库里水。长时
间的蓄水也会造成一定的坏处,例如蚊虫成灾。另一个大隐患就是多个tropical storms 短
时间之内来临,这将带给水库巨大的压力,因为前面的雨水还没排完,接着就来第二个大
降雨。1992 年曾经发生个几个月之内多次大降雨的情况,造成水库水位达到当时的历史
最高点。
由于土地价格增长和城市扩张,1940 年的洪水治理计划方案就没有完成。没有建设原本
计划的South Canal 来帮助排放Addicks 和Barker 水库里的水, HCFCD 提出和实施了改
造Buffalo 河的方案,主要是河底用水泥加固,河道加宽修直等。两个水库的下游Buffalo
河在40 年代末50 年代初加宽修直,由于环境保护组织的抗议(治理河道会破坏河道的自
然状态),最终大约只完成了7 个多mile。(source: Houston Chronicle, 1951)
下面我们可以对比1984 年和2016 年的卫星地图(Google Earth),两个水库周边以及水库上
游大量的土地被开发成居民区,学校,和商业区等。
14
Barker reservoir 和Addicks reservoir 都有独立的watershed 也就是流域。Watershed 意思就
是指这个地域之内所有的雨水都会汇集到一个河流或者最终的排水口。Barker 水库的
watershed 大约130 square mile, Addicks 水库的watershed 大约136 square mile。这两个水
库的流域内大约一半的土地已经被开发。而过去这些土地是由prairie, forest, wetland 等组
成。 相比较来说,未开发的土地会比开发的土地吸水性更好。过度开发会使雨水被地面
吸收的少,也会使雨水更快的汇集排放到河流,成为造成水灾的隐患之一。
城市化的扩张也是延伸到两个水库的最大蓄水区内。截止到1996 年,已经有大约6000 个
structures 位于水库最大蓄水区内。(Source: HCFCD, 1996)
1996 年之后,Addicks 和Barker 上游包括最大蓄水区内大量的土地被地产开发成居民社区
和商业区等。目前两个水库的Fringe area 里面有上万个structures。下面第一张图中黑色
的部分表示1996 年到2010 年之间开发的地产。第二张图表示,截止到2011 年大休斯顿
地区城市化扩张的范围。从图中可以看出来,1940 年设计的White Oak 水库和South
Canal 已经基本不可能实施了,原先未被开发的土地已经绝大部分被开发成房产。
水库上下游的房产过度开发给控制水库排水的工程兵部门造成一个两难问题:当特大暴雨
发生时,不排水会造成水库上游位于最大蓄水区内居民受灾,如果加大排水会造成水库下
游的居民受灾。如果找不到合适的方法排掉洪水,这个两难问题将会一直存在 。
15
2011 Houston
Source: U.S. Geological Survey https://www.washingtonpost.com
16
5.Harvey 飓风特大降雨
2017 年8 月底抵达休斯顿的Harvey 飓风对我们很多人来说是一个一生不会忘记的经历。
Harvey 这个4 级飓风在短短5 天时间里降下了30-50inches 的雨水。 我们知道休斯顿平均
一年总降雨大约48/49inches。这次飓风不到一个星期就快接近一年的降雨量 了。
(Marcus Yam / Los Angeles Times) (source: http://www.latimes.com/nation/la-na-texas-harvey-20170829-story.html)
飓风引起的洪灾给休斯顿地区造成巨大的财产和生命损失。目前还没有FEMA 具体的统
计数据,但是报道估算有10 万以上的structures 遭受洪灾。Addicks 和Barker 水库也是达
到历史最高位。Barker 水库最大蓄水可以到104ft 左右,超过这个水位,水库里面的蓄水
就会在水库两端的顶端(Emergency spillway)溢出。Addicks 水库最大蓄水可以到108.8ft 左
右,Addicks 水库南端最顶端的大坝elevation 为112ft, 最北端的大坝elevation 为
108.8ft。2017 年8 月29 号,Addicks 水库里的水位已经达到和超过108.8ft,洪水开始从
Addicks 水库的最北端开始溢出。Army Corps of Engineers 部门原本预测Barker 水库水位
可以达到104.4ft 然后洪水会从水库两端溢出,8 月29 号下午工程兵部门重新调整了预
测,预计Barker 最高水位为101.7ft。
飓风降雨期间,尤其是星期天也就是8 月27 号为降雨量最大。两个水库在降雨期间就开
始开闸放水。每个水库从开始的不到2000cfs 的排水量,逐渐增加到6000-7000cfs。总排
水量达到13000cfs。
下面两图是Addicks 水库的水位变化和水库洪水的容量变化(08/25-09/05/2017)
17
下面两图是Barker 水库的水位变化和水库洪水的容量变化(08/25-09/05/2017)
两个水库的水位都是在8 月30 号达到峰值。Barker 水库水位最高介于101.5-101.6ft。
Addicks 水库水位最高介于108.8-109ft。由于水库水位远超联邦政府所拥有的土地,洪水
漫到水库上游的居民区,thousands of homes 遭受水灾,水库和居民区的洪水连成一体。
下面是Barker 水库上游的一张照片,面向东边,图中左边是Barker 水库,右边是水库堤
坝的外面。可以看到水库里面的居民区被淹,而堤坝外面是干的。(source: Drone Video
Taken by Michael Fry, Aug. 30, 2017. Youtube.com)
由于工程兵部门加大了水库排水量,水库下游沿着Buffalo 河的居民们遭受水灾。下图可
以看到工程兵部门估测的8 月30 号的洪水分布图。两个水库总排水量达到13000cfs,这
个排水量远超下游居民区所能承受的不受洪灾的排水量。
18
个别住在水库上游的居民一直有一个疑问:为什么下雨时没有受灾,反而是水库加大排水
后,上游的居民才遭受洪灾?
答案很简单,因为上游的河流还一直inflow 到
水库。也就是水库上游的河流还一直不停的进
水到水库里。当水库的进水量大于排水量时,
水库的水位会一直上升。 右边这张图是Barker
水库上游Upper Buffalo Bayou 在99 号高速公路
附近的观测点记录的水位,可以看出Upper
Buffalo 河的水位最高介于102-102. 5ft。即使8
月29 号停雨之后,河流里面的水位也是一直保
持在100ft 以上直到9 月1 号。另外Greenbusch
路附近的观测点也有记录到8 月29 和30 号之间
有3000-7500cfs 的进水流量。而Upper Buffalo 河只是进入Barker 水库的两条河之一。
另外对于住在水库上游的居
民,由于水库的水位有翘尾
现象(wave effect),上游的水
位可能会稍稍高于水库排水
口附近的水位。例如,如果
Barker 水库排水口附近的水
位为100ft,那么水库上游
的水位可能是100.3ft。
(Picture source: http://onlinemanuals.txdot.gov/txdotmanuals/hyd/storm_water_management.htm)
19
6.洪灾之后的思考
2016 年12 月Houston Chronicle 的一篇报道 (How to fix the Houston floods by Dylan
Baddour)开头这样写道:
“就像往常一样,休斯顿还会遭受水灾。
雨水将溢出下水道,河水将溢出岸堤,洪水将会侵入千家万户,有人可能因此失去生命。
总会有声音呼喊我们要采取措施,但是随着时间流逝,迫切改变的念头也会随之消弱。
就像往常一样,休斯顿还会遭受水灾。“
经历了2017 年这次洪灾,除非我们能真的做些什么,不然也就随着时间而逐渐淡忘。
我们从这次洪水灾害中可以看出,Addicks 和Barker 水库上游和下游有成千上万居民受
灾。水库上游受灾主要是位于在水库最大蓄水区内的房子,而水库下游受灾主要是
Buffalo 河两岸的房子。至于为什么这些容易受灾的地方能盖房子?我们还不知道具体的
原因。但是我们知道休斯顿是美国大城市中唯一一个没有zoning code 的城市。过去几十
年的接受还是不接受zoning code 的争斗中,休斯顿人民投票给了不加zoning code。
source: https://urbanland.uli.org/industry-sectors/city-almost-no-limits/
建筑设计师Arthur Comey 在1913 年出
版的”Houston: Tentative Plans for Its
Development”书中提出了统一规划休斯
顿的城市发展。他提出的方案不但包括
围绕Bayou 河的全城公园规划,还包括
交通,道路,民居和商业建筑的总体布
局。这个雄心勃勃的方案可能超出当时
人民所能接受的范围,最后没有执行下
去。右图摘自Comey 的Bayou 河公园设
计图。假设历史可以重演,休斯顿最好
有一个public planning policy。这样我们
可以限制河两岸建房,也可以限制水库
最大蓄水区内建房。
20
下面我们可以看看Thompson Design Group 在2002 年提出的休斯顿Buffalo 河的规划图。
规划图中把Buffalo 河两岸的土地预留出来作为公园,腾出充分的空间给河流,试图恢复
河两岸的原生态,包括森林,植被,湿地,自然马蹄形湖等。河的两岸也是分级设计成不
同elevation 的梯形岸堤,这样的设计在降暴雨时可以容纳更多的河水流量。规划设计图
是把目前河两岸的房子或者商业建筑拆掉,属于“退居还河”(把目前居民住房占了河两
岸的土地,还给河流,让河流有自然发展的空间)。这样既避免了河两岸的房子遭受洪
灾,也增加了河流的泄洪能力。这样的方案无疑是有代价的,那就是花费巨大。特别是联
邦或者当地政府出资购买土地,花费会以Billions 计算。
Buffalo Bayou Park Plan, View of West End, Houston Downtown
21
View of East End, Houston Downtown
Source: Mater Plan for Buffalo Bayou and Beyond, Thompson Design Group Aug. 2002
22
1996 年Harris County Flood Control District Planning Department 曾经提出一个铺设排水管
道的提议,就是沿着10 号高速公路地下铺排水管道。当时10 号公路正在规划加宽。方案
提议是铺设8 个12ftX12ft 或者6 个14ftX14ft 的管道。最大排水可以达到8000cfs。不知
道什么原因,这个提议没有执行而是被束之高阁。
source: https://www.dallasnews.com/news/harvey/2017/09/05/houston-grew-officials-ignored-lifetime-chance-spare-thousands-flooding
面对洪水,我们要么把水蓄住然后排掉,要么疏导洪水divert 洪水。休斯顿受地势影响,
原本就是极易遭受洪灾的地方。可能我们需要采取有效的方法,综合利用蓄水排水的机制
提高治理洪水的能力。对于休斯顿的两个水库,我们需要有泄洪的新渠道。目前只有一个
Buffalo 河泄洪,承受的压力太大。提议可以考虑挖新的排洪渠(地表分流),或者铺设
新的排洪管道(地下分流),把洪水直接排到墨西哥湾。不管哪种建议,整体改善休斯顿
的水利系统,花费都将是巨大的,就看我们愿意不愿意花这个代价去实施。
23
7. 大城市地下深层隧道实例
休斯顿的两个水库是40 年代修建,由于城市化的扩张,当面临特大降雨时,水库已经很
难兼顾保护上下游的居民区和商业区。报道说休斯顿考虑建设第三个水库。第三个水库将
位于Cypress Creek 流域。这个水库会缓解Addicks 水库的压力。 增加水库的数量或者库
容(例如挖深水库)只是增加蓄水的能力,没有解决水库排水的问题。如何提高休斯顿地
区的排洪能力是目前洪水治理急需解决的问题。下面将列举一些大城市的排水实例供大家
参考。这些案例主要采用深层调蓄隧道(Deep Tunnel)的方式来排水。深层隧道位于地
底下几十个feet 到三百个feet 不等。
下面所举的Deep Tunnel 排水实例中,主要采用Tunnel Boring Machine (TBM) 全断面隧道
掘进机来施工 。TBM 也有人称为盾构
机。但是盾构机和TBM 有一些差别,一
般来说盾构机主要是挖土层,TBM 主要
挖岩层,例如页岩,碳酸岩等,可以在地
下几十米或者上百米的深度作业。TBM
具有一次开挖完成隧道的特色,包括开
挖,推进,撑开等功能。不需要挖开地
面。在地底下作业时,不影响地表的活
动。这种掘进机从60 多年前启用,目前
已经应用在国际上多个大型工程,包括海
底隧道,火车隧道,公路隧道,引水排水
隧道等。
(Picture source: https://en.wikipedia.org/wiki/Tunnel_boring_machine)
德克萨斯州Austin:Waller Creek Flood Control Tunnel。这个地下tunnel 主要是用来排放
雨水,在地底下60-70ft。Tunnel 的口径介于20.5-26. 5ft。全长大约1 mile。主要采用重力
流原理。一共挖了4个竖井。这个项目共花费一亿六千万美元。可以看出这个tunnel 主要
沿着Waller Creek 河底或者侧面底下挖的。(Source: http://www.austintexas.gov/wallercreek)
24
Source: Kellogg Brown & Root Services, Inc. Espey Consultants, Inc.
日本东京:首都圈外围排水道Metropolitan Area Outer Underground Discharge
Channel。东京地区是台风多发,经常降暴雨的地方。没有建设深层地下排水隧道以前,
东京也是经常性遭受洪灾和内涝 。1992 年-2006 年,日本政府出资$3 Billion 经过14 年建
设,完成了这个世界上最先进的深层调蓄隧道。隧道全长6.3 公里在地底下大约50 米的
深度。一共包含5 个竖井,竖井高65 米(大约5 层楼高),直径32 米。竖井所收集的雨
水通过隧道连接,汇集到最后一个也就是第五个竖井。第五个竖井连到一个调压水槽
(25.4 米高X177 米长X78 米宽)。调压水槽由59 个巨大的立柱支撑。最后调压水槽里
的水会被4 个飞机发动机做的水泵抽水排到江户川河(Edo River),排水量为200 cubic
meter/second(7060cfs),最后河水排放到东京湾。地下排水隧道主要在国道16 号公路底
下通过。(下图来自隧道网)
25
直径为12.14m 的TBM(隧道掘进机) 地下调压水槽 The Temple. Photo: Michael Johngrist
马来西亚吉隆坡: SMART 地下交通和排水双用隧道。这条地下隧道为马来西亚首都的交
通和洪水治理问题提供了一个独特的解决方案, 是世界上第一条也是最长的交通和排水
双用隧道。此隧道主要是为了缓解吉隆坡市经常发生的洪灾以及市中心的交通堵塞问题。
双用地下隧道的主要作用是分流市中心两大河流交汇处的洪水,而其中心部分为双层,相
当于一个双层高速公路 。系统通过贮水池,旁路隧道和水库将大量的洪水分流。这项预
算共计$0.5 Billion 的方案包括6miles 的雨水隧道,其中隧道中部2.5miles 为一条双层地
下高速公路。主要组成部分包括上游进水结构、存贮池、水库、引水隧道等 。隧道直径
为13.2 米。为了确保行车隧道的通风,建造了四个15 米高的竖井结构。 施工时由两个混
合式TBM(隧道掘进机)从中间向相反的两个方向同时开工。2003 年底开始施工到2007
年夏天完工,历经3 年半后正式投入使用。自2007 年到2012 年,隧道全开放7 次泄洪。
26
source: http://www.itsinternational.com/
SMART 双用隧道设计了三种模式运行。第
一种模式会在正常条件下降雨量较低不需要
分流洪水时运行。中度降雨会激活第二种模
式。在这种模式下,洪水被分流到高速公路
隧道最底下的旁路隧道,该隧道依然通车。
在每年一两次的大暴雨时(超过150cms),会
采用第三种模式,此时隧道将停止通车,具
有300 万立方米综合能力的全段隧道用来疏
导急剧增加的水流。遍布广泛的监控站确保
最后一辆车离开隧道后才打开自动防水门开
始泄洪。 Source: http://tunnel.ita-aites.org/
威斯康星州Milwaukee Deep Tunnel System: 分三期工程一共9 年完工。第一期工程全长
19.4 miles,花费大约$ 1 Billion。这个地下隧道深度为300 ft. (100m)左右,隧道直径17-
32 ft.。主要功能是排蓄污水和雨水。
27
可以看出地下隧道主要沿着两条河:Menomonee River 和Milwaukee River
source: https://www.mmsd.com/what-we-do/wastewater-treatment/deep-tunnel
28
英国伦敦:泰晤士河地下排水隧道Thames Tideway Tunnel。英国首都伦敦的排水系统建
于19 世纪中期维多利亚时代。 为了解决城市污水排放问题,在整座城市的地下建造了下
水道网络,将城市内的污水收集起来排入泰晤士河。到19 世纪中后期伦敦共修建了超过
2 万公里的排水工程,构成了伦敦排水系统的基础。2007 年,伦敦政府投入17 亿英镑实
施“泰晤士河地下排水隧道”方案,即在泰晤士河底下面新建设一条长35km、深度为
30-65m 的“深层排水隧道”。隧道将连接34 条“污染最严重”地带的下水道,有效阻止
未经处理的污水在降雨的时候溢出流入泰晤士河。
Source: http://www.tideway.london
29
中国上海:苏州河深层排水调蓄隧道。上海地处长江冲击平原,地势平坦,海拔高度2-
5m 之间。上海每年平均降雨大约47 inches,和休斯顿基本差不多(休斯顿年降雨量大约
49inches)。黄浦江是上海的主要河道,黄浦江的支流是苏州河(又称吴淞江)。上海合
流污水治理一期工程于1988 年开工到1993 年底完工,花费16 亿元。截流总管全长
34.4km,采用了部分重力流部分压力流的方案。其中重力流管道长10.5km,直径介于1-
5m。压力流管道采用双孔矩形断面,每个孔为3.5m 高X 4. 25m 宽。出口泵站的设计能力
为45cms。截至到现在上海历经二期和三期合流污水治理工程,三期工程总投资超过140
亿元。
由于上海易受风暴潮洪影响,降暴雨后污水溢流仍较严重,在此基础上,上海提出了苏州
河段深层排水调蓄隧道系统工程规划,总投资将达上百亿元。 一级调蓄隧道总长15.3
km,隧道直径为9m。地下深度为40-60m。
source: 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司
30
深层隧道排洪排污系统目前已经被多个大城市采用。下面是一些城市的列表(还有其他一
些城市没有列出)source: 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司
深层调蓄隧道对于内涝易发、人口密集、地下管线复杂、现有排水系统改造难度较高的地
区,是一个不错的解决方案。休斯顿地区属于洪灾易发也比较难改造现有的排水系统,可
以考察论证深层调蓄隧道的可能性。需要进行细致的调查研究,进行包括地质和工程等各
方面的论证才能确认深层隧道是不是最佳选择。根据前面的一些案例,我画了两条可能的
地下深层隧道路线:1) Buffalo 河深层隧道;2) 10 号高速公路深层隧道。两条隧道都介于
20-25 miles。可以考虑重力流或者重力流/压力流相结合的方式。重力流隧道可以设计直
径40ft.以上。压力流隧道/管道根据研究选择合适的尺寸。如果休斯顿适合建设深层调
蓄隧道,整个地区可能需要多条隧道才能解决洪灾内涝问题,例如Brays Bayou 河。
解决休斯顿的洪灾内涝问题,是一个长期的奋斗目标。希望本文能够让大家多了解一些休
斯顿水库相关的内容,敦促各级政府协同合作解决或者缓解我们目前所面临的洪灾困境。
(完)