水去了哪里?

什么時候我們會切身地感覺到水的重要性?當然是停水的時候啦。鑒于各位從出生到現在，已經習慣了家中隨處可得的自來水，在享受便利水源的同時多少知道有自來水廠專門向居民提供生活用水，雖然知道這水從哪里來，可是又有多少人知道這水去了哪里呢?這就要涉及到“排水系統”的問題了。

現代排水系統或者叫“排水工程”并不是單指通常所說的下水道，實際上它包括建筑排水、市政排水、污水處理三個方面的內容，內容非常龐雜，咱們還是節約篇幅重點給大家講—下與我們生活息息相關的市政排水。市政排水也叫城市排水，簡單地說就是收集各種城市污水并及時輸送到適當地點，妥善處理后排放或再利用。

最初的排水技術

據歷史記載和考古發掘證實，早在公元前2500年，古埃及就已經建有污水溝渠。后來古希臘的城市也建有石砌或磚砌的灌區系統，而古羅馬則在公元前6世紀建造了著名的“大溝渠”。由此可見，這些簡易的排水方式都已經很有年頭了。不過真正利用管道系統來排放污水，最早還是源自中國。早在4300多年前，位于河南淮陽的平糧臺古城，就已經開始使用陶制排水管道了(那時候陶是主要的生活生產材料)，直到現在的管道也基本上沿用了那個時候的技術。例如鋪設在AT成“品”字形的三根管道，為什么?分流制唄；三根管道還分別流不同水質的水，以方便處理；另外這些管道有著比較統一的標準和規范，是一節一節的模塊化，每一節都是一邊較細，直徑0.23－0.26米，有榫口，另一端則比較粗，直徑0.27-0.3米。把管道做成一節一節的制式，就可以適用于各種不同的地方，通過套接來連接每一段管路。就是到了現在，大多數的排水管道依然采用這種方式，學名叫“承插式連接”。平糧臺古城的下水道稱得上是古代城市排水設施建設的—座豐碑!

到了3000-3500年前的商代，城市排水技術又有了很大的進步和發展，已經出現石頭砌的地下排水暗溝作為主排水干道?；蕦m內還有若干的小排水系統，作為排水支路，與干道相連。整體的布局那是相當合理，結構也相當堅固，這不由讓我想起了上個世紀英國人建設的城市排水系統，似乎是山寨我們老祖宗的。

對于城市污水的處理最早始于唐朝，唐長安城內大規模修建統一的排水系統，從布局到細節非常之講究，除了磚石砌壁的地下暗溝以外，為了防止溝渠淤塞，每隔一段距離就安裝一組閘門，第一道閘門由鐵條構成，組成間隔較大的窗欞型，攔截較大的污物；第二道閘門布滿菱形鏤空的鐵板，用于過濾較小的污物。一旦排水渠道堵塞，只要打開閘門附近渠道口的覆蓋物(其實就是今天的井蓋)，就可以進行清理。到了科技高度發展的今天，所有污水處理工藝最重要的步驟、也是所有環節的第一步，就是粗細格柵的過濾，簡直跟唐朝人的做法是一模一樣的。如果你覺得這已經很牛了，那你就錯了，要說最完善、最先進的還是宋代排水技術。北宋都城東京(今開封)在城市排水史上占有重要的一頁。東京城水系十分發達，除了蓄水量高達1765.6萬立方米的三重城壕、總長30公里的四條穿城河道、各街道的明暗溝渠以外，還有一條80米深4.8米寬、長30公里的護城河，以及四個大型的蓄水池。城市河道密度之大、調蓄容量之大，體現了整個城市排水系統的規劃、設計和建造達到了很高的科技水平，排水設備設施管理措施也十分完備，堪稱古代城市排水典范。提起北宋的排水，除了都城以外，不可不提江西贛州，古稱南康郡、虔州，其下水道歷史悠久，早在宋代中葉就形成了非常完善的排水系統——福壽溝。

據《贛縣志》記載：“福壽二溝，昔人穿以疏城內之水，不知創自何代，或云郡守劉彝所作?！痹捳f這劉彝絕對是個標準的Geek，他在北宋熙寧年間出任贛州知縣，他依據城市地形特點、街道布局以及發展趨勢，主持建造了福溝和壽溝兩個排水溝渠。壽溝受城北之水，福溝受城南之水，儼然就是個標準的城市排水系統。福壽溝為合流制系統，因此斷面設計較大，約有0.6-1米寬，1.6-2米高，總長12.6公里，最終排到下游江水中。光是為市政排水做總設計師還不能完全說明劉彝的Geek精神，最令人感到驚奇的還是他--的發明——“十二水窗”，能“視水消長而啟閉”。其做法是在出水口處裝一扇木門，門軸裝在上游方向，也就是這扇門只能向外開，不能向里開。當江水水位低于下水道的時候，污水水力；中開木門，順利排放到江水中；當江水上漲，倒灌進下水道時，依靠江水水力，將木門關閉，阻止江水倒灌，當然此時污水暫時也排不出去，但隨著污水的積攢，污水水力一旦大于江水水力時，污水又會頂開木門，排到江水中去，污水排到一定程度，江水水力又大于污水水力，木門又關上了……這“十二水窗”無論從原理還是用途來看，完全就是現代給排水系統里最常用的“單向止回閥”，不得不讓人再一次被祖先的智慧震驚。

福壽溝的價值還遠不止一般的污水排放。大家都知道前段時間我國南方洪水泛濫，而江西贛州的父老鄉親們一點都沒有被洪水打擾，依靠的就是宋代留下來的“福壽溝”。真不愧為“福壽溝”啊，為幾千年之后的我們都造福了。反觀近年來我們的市政工程建設，隨便一場雨，輕則導致馬路積水，重則導致汽車拋錨，交通停滯，再重的話則洪水泛濫家破人亡，難道我們科技發展到現在，還不如肝年前的水平?當然了，這不僅是科技問題，你懂的。

宋朝不但有完善的排水系統，先進的排水設備，而且還具備一套完善的排水管理體系，以及嚴格、科學的制度。據《東京夢華錄》記載：“每歲興夫開導至石板石人以為則。歲有長役，民未嘗病之。而水行地中。京師內外有八水口，瀉水入汴。故京師雖大雨無復水害，昔人之畫善矣?！币灿幸栽t書形式指定的，宋真宗大中祥符八年詔日：“自今后汴水添漲及七尺五寸，即遣禁兵三千，沿河防護?！痹锼哪?1089年)十二月詔曰：“京城內汴河兩岸，各留堤面丈有五尺，禁公私侵牟?！庇纱丝梢?，宋朝人不但下水道修得好，管理體制也非常完善，更加值得當今的管理者深思啊。那么與古代城市排水系統的典范相比，現代的城市排水系統又是什么樣的呢?

現代城市排水系統的由來

現代化排水系統的形成得從19世紀中期說起。大家都知道當時西方國家的工業化進程迅猛發展(這段歷史不講，不明就里的同學請翻閱初中歷史課本“工業革命”相關章節)，工業的發展給人類帶來“無窮”的便利，但是人類付出的代價也是“無窮”的，因為在當時，任何城市都沒有排水系統這個概念，污水都直接簡單粗暴地“潑”到外面。如果只是你的洗腳水潑到外面還好，也就是砸到花花草草或者某個倒霉蛋，要是工廠機器的“洗腳水”潑到外面，導致的結果就是各種污水混雜。污水這東西是越混越毒，各種污染和疾病不但漫天飛舞，還到處亂竄污染了土地和地下水源。另外由于有機物的豐富使微生物大量繁殖和死亡，導致惡臭熏天污染空氣，成為所有生命的第一殺手。隨著問題的日益惡化，那些惜命的大佬們開始花錢“研制”現代城市給排水系統。他們把雨水、廢水收集起來，與地下水隔離，利用渠道統一排走，這就是最初的城市排水管網。但是問題并沒有徹底解決，簡單的溝渠雖然可以隔離地下水與污水，但是最后直接排放到河流，同樣污染了河水。于是乎，他們開設了專門的污水處理廠。可惜的是人們對環境保護的意識淡薄，一直到二戰結束，世界經濟騰飛，也沒能強化人類對于污水的關注。比如德國，在1911年就已經有70座污水處理廠了，可是一直拖到1957年，西德的污水入網率也只有50％，1961年的東京甚至只有21 2％!這基本上算是現代城市排水技術的第一個發展階段。

第二個階段是從19世紀60年代開始的，在發達國家中過快的經濟發展和環境的矛盾越來越嚴重，就如同我們現在所經歷的一樣，經濟發展地越-陜、環境越惡劣、人們的生活質量越差。此時國際社會召開了一場重要的扯淡會議——哥本哈根……打住，不好意思我穿越了。那時候那些發達國家們可還沒有想到要控制碳排放，他們要的只是發展、發展、再發展!但隨著公眾的抗議浪潮不斷高漲，大佬們越來越惜命，不得不投入大量的人力、財力和精力去鋪設地下污水管道，建設污水處理廠，研究污水處理工藝，提高污水收集率，并制定了一大堆的標準規范來限制污水排放。既然下了血本投入，情況自然迅速好轉，到了1979年，東京的污水入網率達到70％，1987年西德的入網率高達95％，處理率為86.5％!有錢真是好，百分比折著跟頭走啊。此時，人類的城市排水系統已經基本成型，此時的治理，又稱為“點源”治理。

但是問題又來了——雖然你把污水都控制好了，可是雨水也跟著污水來搗亂。雨水的特點跟污水不一樣，污水是定時定量，每天排放的污水基本差不多，如此一來，管道的粗細、污水處理廠的容量等等很容易控制和計算。但是雨水可就不以人的意識為轉移了。下雨?不下雨?下大雨?下小雨?這些問題可不是像你洗腳一樣(怎么又是洗腳)，每次用的水都差不多、每天都洗。過大的雨水會和污水“搶”下水道，一旦充滿管道，不但污水排不掉，還會溢上來，造成污染；過多的雨水進入污水處理廠，大大超出污水處理廠的容量，會導致處理不掉就要排放，同樣造成污染。針對雨水這種不定時、不定量的破壞性，在70年代，發達國家把雨水管理提到了日程上，直到今天，仍然在致力于此項工作，他們稱作“非點源”治理。具體說來分威三部分：第一是“源控制”，對雨水源頭進行控制，比如就地滲入地下，延長排放時間，暫時存放等等，起到消峰、減流、凈化雨水徑流、補充地下水等效果。第二是“下游控制”，簡單地說就是在下游合適的地點修建人工調節池塘，將雨水和污水的混合物在此進行緩沖和簡單的處理。第三就是“分流制”，將雨水和污水分開，進入兩套不同的排水管道系統，各自排各自的，誰也不影響誰，污水呢去你的處理廠雨水呢就直接排到就近的水體，可謂塵歸塵，土歸土……

而提起現代化的城市排水系統，不得不說的就是英國倫敦的地下排水網絡。你想到了什么?李奧納多、拉斐爾、米開朗基羅和多納泰羅這四只神奇的烏龜?沒錯，他們就是馳騁英國地下管道的忍者神龜(雖然我到現在還不理解為什么烏龜會在下水管道里)，讓大家印象最深刻的就是他們在寬闊的地下管道中的追逐與打斗。別以為這只是動畫片，倫敦的下水道確實就是這樣，開闊得可以隨便走人，甚至小汽車也可以行駛，因為它可是目前世界上最大的地下排水系統，被稱作七大工業奇跡之一!這還要多虧它的父親——號稱“The Sewer King”(下水道之王)的約瑟夫·巴澤爾杰特，這位仁兄拯救了整個倫敦，也拯救了整個世界。因為在1848年的倫敦充斥著霍亂，死于霍亂的人數超過]萬4千人，墳場永遠不夠用，連停尸房也要預約，霍亂簡直就像個瘋狂的殺手肆虐著整個城市。隨著環境繼續惡化，排泄物堵塞了城市的命脈，空氣污染到不能呼吸，倫敦眼看即將溺死在自己的污水之中?？杀氖侨藗儾⒉恢廊绾谓鉀Q，除了他——不是忍者神龜，是下水道之王約瑟夫。當這位同志拿著最初的設計方案去說服倫敦市政當局的時候，無知的官僚們無情地拒絕了他五次。直到1858年，城市臭到逼近吉尼斯世界紀錄，國會議員在巨大的輿論壓力下，不得不同意了約瑟夫的城市排水改造方案。到此為止，約瑟夫走完了長達7年之久的“審批蓋章”之路(由此可見西方國家辦事效率之低啊，是根本不能和我們相比的)。到了1859年，約瑟夫的地下長城正式動工，全長也從最初設計方案的1 60公里擴大到1 700公里，在倫敦地下縱橫交錯，基本上把倫敦地下挖成了蜂窩煤。

為了保證地下被大面積挖空而不會坍塌，工程部門研發了高強度水泥，而約瑟夫則發明了一整套工程質量檢驗方法和標準。在整個地下管道的建設中，這種高強度水泥磚一共使用了3億8千萬塊(也不知道是誰數的)!雖然在整個施工過程中，不是挖壞煤氣管道，就是與地鐵隧道打通，要不就是坍塌，或者遭到皇家火炮試驗場的炮火襲擊，但約瑟夫巨大的決心使他頂住了所有壓力。到了1865年，工程全部完工，實際長度超過了設計方案，達到2000公里!由于約瑟夫的地下長城將污水和干凈地下水分離，間接解決了多年的霍亂給人們帶來的痛苦。如今，人們在街上行走的同時，卻絲毫察覺不到忍者神龜在地下行走，哦不，是污水在龐大的地下管道中流淌。而這位名叫約瑟夫的Geek的腦袋也永遠立在了倫敦，成為拯救人類最多的人。

由于英國雨水繁多，因此污水流量變化巨大，聰明的約瑟夫選用了變截面的溝渠。截面包括兩種，一種是卵型，一種是“蘑菇型”(姑且這么叫)。這樣在水流量比較小的時候，在較小的水流斷面流動，保證了流速足夠大，使得污物不會堵塞溝道，當流量增大時，隨著液面上漲，水流斷面也慢慢增大，使通過的水更多。

當然下水道的斷面除了上面說到的以外還有很多種，最常用的灌渠斷面是圓形，半橢圓形、馬蹄形、矩形、梯形也是常見的。圓形斷面有較好的水力性能，在坡度一定的條件下，圓形斷面面積具有最大的水力半徑，因此流速最大、流量最大，而且管材也更容易預制、抗壓能力強?？傊ê昧诵螤钜院螅瑢τ诩s瑟夫來說接下來就得解決材料問題，最終他還是采用了混凝土管和鋼筋混凝土管，并通過承插式、平口式、企口式三種方式來連接。

除了混凝土以外，陶土也是用于制造污水管道的材料。當然如今的陶土管道，并不完全是山寨自祖先們的設計。由于陶土管道抗磨損，抗腐蝕，一般用于酸性很強的廢水，或者土壤中酸性很強的地區。另外還有一種很重要的管材——金屬。金屬管分為鑄鐵管和鋼管兩種，但是一般很少使用，只有在高壓排水時才會使用，畢竟費用高得嚇人，而且抗腐蝕性很差。當然隨著科技的進步，一些新材料也躋身排水管道用料，在這里就不細說了。不過像英國那種大規模的地下溝渠，肯定還是以磚砌和砂漿為主啦。

那么管道是如何入住地下的呢?聰明的你肯定會想到本山大叔那個“冰箱門打開，把大象放進去，冰箱門關上”的笑話，放置管道說起來好像也只需要“把地刨開，把管子放進去，把土填上”。不過這只是管道施工最簡單粗暴的方法之。在繁忙的城市中，很多地區不允許你打開“冰箱門”，那怎么辦?還有很多不用打開冰箱門也可以把大象放進去的方法。比如說盾構和頂管技術。這兩種技術是目前最先進的“掏洞”技術，原理很類似，如果要掏的洞直徑比較大，就需要用盾構機進行工作。這個大家伙原理比較復雜，咱們就不浪費篇幅了(2009年第3期《Geek》有專文介紹)。

城市排水的新技術

除了上面提到的種種技術以外，很多新技術的參與使得排水工程又有了新的進步。比如說雨水的回收與利用，通過上面的敘述，大家都知道雨水對城市排水的影響很大，那么自然有人打起了化廢為寶的主意，將經排水系統排出的雨水收集起來，處理后用于綠化、洗車、工業冷卻水等領域。但是這會不會造成地下水嚴重缺失，最后導致地表塌陷?不得而知，還是由專家們去解釋吧。另外數字技術的應用同樣改變了排水工程，除了剛才說的盾構機是靠全自動化控制完成的，還有一些數字技術應用于城市排水之中。比如，在很多地方的雨水收集池中加入了水位傳感器，來監控雨水上漲的速度，從而控制雨水排水泵的轉速。這樣雨越大，雨水排水泵轉速越高，排水能力越大。還比如GIS地理信息系統在地下管網中的應用，由于地下管道屬于隱蔽工程，誰也不知道自己腳下有多少根管，分別是干什么的，通過GIS的定位和信息的檢索，就可以很快知道，管道的數量、位置、用途，管徑是多大、什么材料的、里面的介質是什么、是哪年建設的、最近的一個閥門在什么位置……簡直就是一份管道的資料庫，這樣不論何時何地都可以充分掌握這條城市靜脈的健康狀況。

關于城市排水系統，還有不少人的認識僅僅停留在“下水道”上面。雖然很少有人會關心那些在大部分人心中又臟又臭的下水道，但城市又不是光吃不拉的貔貅，一個城市的排水猶如人的排泄系統一樣重要。而且城市排水系統直接關系著整個城市的運轉和所有居民的健康甚至生命?？梢姵鞘信潘到y的發達程度直接象征著城市文明程度。最后希望各位能夠改變對下水道的看法，它并不是個又臟又臭的地方，它包含智慧、科技、拯救，默默無聞地在城市腳下奉獻，正可謂“臟了我一個，幸福千萬家”。