前言
過去幾個月,廣州、武漢等眾多城市都發(fā)生了嚴(yán)重的內(nèi)澇。和前幾年比,今年的城市內(nèi)澇出現(xiàn)了新的特點(diǎn)——新建區(qū)域內(nèi)澇。媒體往往分析原因為管道淤積、管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低等等,實(shí)際上這些根本不是城市內(nèi)澇的真正原因。
城市排水的本質(zhì),是雨水的空間分配,等到什么時候我們的記者同志不去采訪排水公司,而去采訪市委書記:“為什么我們城市填掉這么多河湖?”這個時候城市內(nèi)澇問題的解決才算有了希望。
近些年我國城市內(nèi)澇問題頻發(fā),嚴(yán)重影響到城市的正常運(yùn)行,使得城市排水問題逐漸從一個專業(yè)問題變成了社會問題,吸引了從升斗小民乃至廟堂之上的關(guān)注,尤其是在2013年中央城鎮(zhèn)化工作會議上習(xí)近平總書記提出“海綿城市”理念后,這種關(guān)注達(dá)到了頂峰。在此背景下,無論是中央財政還是地方財政,對城市排水工作的投入都不可謂不大,但是卻總呈現(xiàn)出一種“按下葫蘆起了瓢”的狀態(tài),即剛解決了一個澇點(diǎn),卻又出現(xiàn)了新的澇點(diǎn),這不得不促使我們?nèi)ニ伎家粋問題,那就是“城市排水的本質(zhì)是什么?”
一、地球的水文循環(huán)過程
David R.Maidment主編的《Handbook of Hydrology》(中文版《水文學(xué)手冊》由張建云、李紀(jì)生等翻譯)將水文循環(huán)定義為:“水,由海洋和陸面蒸發(fā),以水汽形態(tài)被大氣環(huán)流輸送到大氣中,遇冷凝結(jié)以雨或雪的形式降落,被樹和草木截留后在地面形成徑流,入滲補(bǔ)充地下水,排入江河,最后流入海洋,再次從海洋蒸發(fā)。這種無止境的水循環(huán)過程,是以太陽能作為燃料,在重力作用下永不間斷地進(jìn)行的。”
圖1 全球水循環(huán)水量分配圖
(圖片來源:麻省理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)公開課《Groundwater Hydrology》 Prof. Charles Harvey)
圖1假定全年陸地降水量為100,則陸地蒸散發(fā)量為61,陸地下滲量為1,陸地徑流量為38,海洋降水量為385,海洋蒸散發(fā)量為424,從海洋到陸地的大氣環(huán)流攜水量為39?梢钥闯,陸地的多年平均天然徑流率為0.38(這和“海綿城市”里面的年徑流總量控制率概念完全不同),武漢市市域多年平均天然徑流率為0.405,和該值較為接近。
地球水文循環(huán)過程由1個大循環(huán)和2個小循環(huán)組成。1個大循環(huán)是陸地、海洋和大氣之間的循環(huán),這個循環(huán)是一個水量平衡的循環(huán);2個小循環(huán)分別是陸地和大氣、海洋和大氣之間的循環(huán),這2個循環(huán)的降水量和蒸發(fā)量不相等,為了維持水量平衡,陸地小循環(huán)獲得了從海洋通過大氣輸送過來的39的水汽,海洋小循環(huán)獲得了39的陸地入流。換句話說,地球水文大循環(huán)是一個封閉系統(tǒng),陸地和海洋小循環(huán)都是開放系統(tǒng),通過這些循環(huán),物質(zhì)和能量得到了交換。
水文循環(huán)過程涉及到水的狀態(tài)和位置變化。從狀態(tài)變化的角度,水文過程可分為降雨(氣態(tài)變液態(tài))、降雪(氣態(tài)變固態(tài))、蒸發(fā)(液態(tài)變氣態(tài))等過程;從位置變化的角度,水文過程可分成4類:
1)從無人區(qū)到無人區(qū):如雨水進(jìn)入城市之前在山區(qū)內(nèi)部的流動。
2)從無人區(qū)到居住區(qū):如山洪進(jìn)入城區(qū)。
3)從居住區(qū)到居住區(qū):如雨水在雨水管渠內(nèi)部的流動。
4)從居住區(qū)到無人區(qū):如雨水通過泵站或自排流入自然水體。
城市排水是地球水文循環(huán)的一個組成部分。和地球2個小循環(huán)一樣,城市地區(qū)的蒸發(fā)量和降水量是不相等的,并且隨著城市化對水面的侵占,城市地區(qū)實(shí)際蒸發(fā)量越來越少。為了利用水資源,在城市所處流域上游修建水庫,一定程度上改變了自然的水文過程。當(dāng)城市對水的需求超過了本流域的可用水資源量時,也經(jīng)常實(shí)施跨流域的調(diào)水工程,這將大幅度改變自然的水文過程。
二、水量平衡原理
質(zhì)量守恒定律是自然界中普遍存在的基本定律之一,在水行業(yè)的一個直接應(yīng)用就是水量平衡原理,即:
進(jìn)水 – 出水 = 蓄水
如果把整個城市看作一個黑箱,它的進(jìn)水包括直接降落到城市內(nèi)的降水和城市上游的轉(zhuǎn)輸水(很多時候是穿城而過的山洪),出水包括泵、閘等排水設(shè)施的排水以及蒸散發(fā)水量,蓄水包括地面蓄水和地下蓄水。當(dāng)發(fā)生城市內(nèi)澇時,也就意味著出現(xiàn)了不在我們規(guī)劃意圖內(nèi)的地面蓄水。如果一個城市進(jìn)水、出水和規(guī)劃蓄水3者不能達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下的水量平衡,那么在黑箱內(nèi)部進(jìn)行的任何解決方案對于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)而言都只能是“災(zāi)害的轉(zhuǎn)移”。
水量平衡原理是一個非常質(zhì)樸的絕對真理,但在實(shí)際工作中,很多設(shè)計方案經(jīng)常違背這條原理。比如,某河道在大暴雨時經(jīng)常發(fā)生河道溢出駁岸的現(xiàn)象,導(dǎo)致兩側(cè)地塊積水,為了解決(或緩解)該問題,拆除河道中的橋墩作為一個解決方案被提出,理由就是水流經(jīng)過橋墩會產(chǎn)生繞流阻力,使得橋墩上游和下游有明顯的水位差。該方案看起來是利用了明渠水力學(xué)的原理,實(shí)際上是一種對基礎(chǔ)理論的誤解。為什么這么說了,因為該方案要起到效果必須建立在兩個假設(shè)之上:1)河道水流為均勻流;2)河道(river)是一個河段(reach),即只能在起端有入流,在沿線不能有雨水接入,F(xiàn)實(shí)中這條河道沿線有大量的支流河道和雨水管道接入,且水流流態(tài)為非均勻流(水流不暢時將出現(xiàn)壅水),橋墩阻水的影響范圍極其有限,指望通過拆除橋墩來解決沿線內(nèi)澇無異于天方夜譚。實(shí)際上,利用水量平衡原理,只需要問一個問題就可以推翻該設(shè)計方案,即“橋墩下游有蓄水空間嗎?”
三、城市排水的本質(zhì)
城市排水過程是自然界水文循環(huán)的一個子系統(tǒng),遵循水量平衡原理。在此過程中,水不會憑空產(chǎn)生,也不會無故消失,它會在太陽能和重力的驅(qū)使下,永不停歇的循環(huán)往復(fù)。并且正常情況下,水幾乎不能被壓縮,它的體積不會發(fā)生明顯的變化。因此,城市排水的本質(zhì)是雨水的空間分配問題。
液態(tài)的雨水降落到地面后,一部分通過蒸散發(fā)作用以氣態(tài)的形式回到大氣中,一般情況下,水的蒸散發(fā)過程非常慢,對城市排水而言,基本上不起作用。因此,在進(jìn)行雨水的空間分配時,不能把大氣層作為分配對象。
另一部分降落到地面的雨水在重力和毛細(xì)管力的作用下,滲入到土壤顆粒之間的孔隙中,對于不同的地區(qū),土壤蓄水差別很大。北方地區(qū)蓄水能力較大,南方沿海地區(qū)地下水水位很高,蓄水能力非常有限。因此,在進(jìn)行雨水的空間分配時,不能將土壤作為主要分配對象,而只能作為輔助分配對象。
最后一部分降落到地面的雨水將形成地面徑流,并且通過管道和泵站最終排入地面蓄水空間,如江、河、湖、泊、海等自然水體以及人工濕地等(修建地下調(diào)蓄池和深層調(diào)蓄隧道也可以承擔(dān)少量地面徑流,作為一種內(nèi)澇最后解決手段也是可行的,但從成本和效益的角度不應(yīng)提倡)。地面蓄水空間分為地塊內(nèi)和地塊外兩部分,將城市看作黑箱進(jìn)行水量平衡計算得到的蓄水量必須由地塊內(nèi)蓄水空間解決。因此,無法排出城市范圍的地面徑流在進(jìn)行雨水的空間分配時,應(yīng)將地面作為主要的分配對象,土豪城市可以將地下空間作為輔助分配對象。
城市排水的本質(zhì)要求城市規(guī)劃時必須規(guī)劃足夠的水體用地,只有從規(guī)劃用地的角度才能徹底解決城市內(nèi)澇問題。城市低洼地區(qū)通常是城市排水空間分配的理想場所,古人在進(jìn)行居住地選址時,通常會避開這些地區(qū)。但是,隨著文明的進(jìn)步,人類發(fā)明了管道和泵站,可以改變地面水流的流動方向,使得一些古人無法居住的地區(qū)變得可以居住。很多情況下,人類還會使用挖掘機(jī)等工程機(jī)械對現(xiàn)狀地面進(jìn)行大幅度地改變,將曾經(jīng)的低洼地區(qū)填高變成居住用地,相應(yīng)使曾經(jīng)相對較高的居住區(qū)變成相對低洼地區(qū),這些曾經(jīng)的居住區(qū)也從不內(nèi)澇地區(qū)變成頻繁內(nèi)澇地區(qū)。
對于建成區(qū),在新增水面極其困難時(也就是增加蓄水很難),根據(jù)水量平衡原理,減少進(jìn)水和增加出水是2個主要的解決問題的思路:
1)減少進(jìn)水。直接降落到城市內(nèi)部的雨水(也稱為澇水)是無法減少的,能減少的只有外部穿城而過的洪水,因此修建截洪溝、截洪隧洞等工程是解決城市內(nèi)澇問題的有效方法。
2)增加出水。在城市排水系統(tǒng)末端修建泵站或者增大泵站規(guī)模也是解決城市內(nèi)澇問題的有效方法,它需要部分泵站和前池用地。
在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下,如果整個城市的進(jìn)水、出水和蓄水達(dá)到了水量平衡,還發(fā)生城市內(nèi)澇問題的話,那么說明城市內(nèi)部的輸送系統(tǒng)(管道和河道)布置或者規(guī)模不合理,需要進(jìn)行調(diào)整(前面舉的橋墩阻水的例子,如果是上游河道全滿,下游河道未滿,那么拆除橋墩是一個合理解決方案)。在針對城市內(nèi)澇問題制定解決方案時,必須要找到問題的真正原因:是由于城市排水黑箱模型無法達(dá)到預(yù)期的水量平衡(典型表現(xiàn)是內(nèi)澇時所有末端排水泵站均滿負(fù)荷運(yùn)行)造成的內(nèi)澇,還是由于輸送系統(tǒng)有問題(典型表現(xiàn)是內(nèi)澇時末端排水泵站不能滿負(fù)荷運(yùn)行,水送不下來)。
四、結(jié)論
城市排水是地球水文循環(huán)的一個組成部分,它的本質(zhì)是雨水的空間分配問題,應(yīng)將地面作為主要分配對象,將地下空間作為輔助分配對象。城市規(guī)劃必須留足水體用地,在無法新增水體的已建成區(qū),減少進(jìn)水和增加出水是解決城市內(nèi)澇問題的有效方法。
來源: ELearn給排水