城市排水系統初探

(山西省城鄉規劃設計研究院，山西太原 030001)

0 引言

2012年7月21日～7月22日，一場60年來不遇的暴雨導致首都北京一片澤國。首都北京的排水系統都經不起暴雨的考驗，國內其他城市又如何。就以我們太原市來說，近期連續遭遇到大到暴雨的襲擊，排水系統已經表現出不堪重負的現實問題。隨著城市化進程的加速，城市規模與日俱增，而隨著全球性氣候的演變，極端氣候造成的自然災害越來越頻發，城市作為大規模的人口與現代文明的載體，面臨著諸多自然災害的挑戰，其中水患對城市的危害呈愈演愈烈的態勢，城市排水系統如何適應城市的發展，今后城市排水系統的建設發展趨勢如何，成為了一個舉世關注的問題。以下我們試圖通過城市排水系統的演變和世界上發達國家關于城市排水系統建設的經驗分析，提出有益的建議，使我們的城市在可持續發展的進程中，功能更完善，安全更有保證。

1 國際城市排水系統的發展趨勢

近代城市排水系統的建設是在城市發展過程中經歷了諸多災難教訓后應運而生，城市排水系統初期的城市因為沒有完善的排水系統，旱季污水橫流，雨季水患成災，世界上許多大城市都因水環境污染爆發過霍亂、瘟疫等。為此城市規劃者開始思考規劃大規模的排水系統以解決水環境惡化帶來的問題。最早城市排水系統的雛形脫胎于法國巴黎，200多年前，在拿破侖三世準備重建現代巴黎之前，巴黎是世界聞名的“臭都”，這座城市大部分的用水來自塞納河，大量廢水未經收集凈化就流入河中，造成河水污染。1851年，工程師歐仁尼·貝爾格蘭為巴黎建立了一套完整的技術。他發明了清除下水道垃圾和沉沙的機械，利用流水的沖刷效應將垃圾集中到定點以便清除。在小斷面排水管道上游，他還設計了蓄水池，以增強沖刷力，避免堵塞。到了1878年，巴黎已經在距地面以下50 m，擁有長600 km的排水管道網。

一戰以后，城市人口的增長對“城市消化能力”提出了更高的要求。于是，1935年～1947年，巴黎的工程師們又開始了一輪擴容改造工程:修建4條直徑為4 m、總長為34 km的排水渠，以便通過凈化站對廢水進行處理，處理過的水一部分排到郊外或流入塞納河;另一部分則通過中水管道循環使用，洗刷城市街面。二戰結束后，巴黎市政府進一步擴建了這一系統，1999年巴黎完成了對城市廢水和雨水的100%的完全處理。經過不斷完善，今天的巴黎下水道總長2347 km，約2.6萬個井蓋，6000多個地下蓄水池。清淤系統配備了電腦控制，還有專門針對雨季塞納河水的漲水站以及安全閥門。有意思的是，巴黎下水道還成了一處觀光點，建成了位于塞納河阿爾瑪橋畔的巴黎下水道博物館。

日本東京的地下管網建設也是走的先發展后治理的道路。19世紀末，人口日益增多的東京因為沒有排水設施引發霍亂，導致人員嚴重傷亡。這推動了東京第一條近代意義的排水設施神田下水道的建成。此后東京逐步完善其地下排水設施，從1908年東京公布排水管道的基本計劃到1994年，東京地下排水普及率幾乎達到100%。目前，東京都23個區下水道總長1.58萬km，相當于往返東京與悉尼的距離。排水管徑從0.25 m～8.5 m，有效減少了內澇的幾率。東京年平均降水量為1466.8 mm，幾乎是世界年平均降水量的兩倍。1992年以前東京的排水系統應付不了強降水的壓力，經常水漫金山。為了徹底消除水患，從1992年起，日本耗時14年，建設了巨型分洪工程——東京外圍排水系統。該工程堪稱世界最先進的排水系統，不僅全程使用計算機控制，而且規模極其宏偉。其中最為壯觀的有地下神殿之稱的“調壓水槽”。這是一個由59根巨型大柱子撐起的巨大空間，長177 m，寬78 m，高18 m，面積達到13806 m2，能將5個蓄水池流來的大量雨水在此調節，或者再利用，或者用飛機引擎改裝的排水泵排入附近的江戶河。目前東京外圍排水系統每年運行5次～7次。盡管耗資巨大(約人民幣192億元)，但有效地減少了內澇。

柏林近百年沒有發生過內澇，盡管柏林在地理和氣象上不屬于強降雨覆蓋地區，但是設計者還是預想了柏林可能面臨的極端情況。目前柏林雨污合流制管道占25%，雨污分流制管道占75%，既可以防止內澇又可以合理利用雨水。柏林全市還有160多個緊急出水口和暴雨溢流口，以及1000多個水庫和蓄水池。除了在地下設施上下功夫，柏林還利用地上景觀減輕排水壓力，將部分公園做成起伏的地形和人工濕地，并鼓勵社區建立利用雨水的景觀和人工湖。此外，柏林地下管道十分寬闊，施工人員可以直接將工程作業車開進管道中進行修繕和維護。有些進不去的管道就通過閉路電視系統進行監控，即使是150 mm的排水管道也能輕松地檢查。倫敦也一樣走過漫長的發展道路，由于水體污染，1848年～1849年間，一場霍亂導致很多人嚴重傷亡。由此英國政府成立了一個皇家污水治理委員會，任命約瑟夫·巴瑟杰為工程師，改進排水系統。巴瑟杰在設計中首次將雨水和污水管道分離，污水管道出口改成了泰晤士河的入海口，遠離城市。他還建起了6個主要的截流管，總長度達160 km，此外下水道主干管長720 km，支干管長達21000 km。在當時巴瑟杰是依據400萬人口的規模來設計的，但150年后，倫敦人口已經遠遠超過預期，大暴雨來的時候，排水能力還是不足。巴瑟杰曾為排水系統設計了一個“防暴雨安全機制”，也就是當降水過多時，允許污水排入泰晤士河，以防城市被淹。這個設計最初是為了應急，但現在平均每周都要啟動這個應急機制，這使得每年都有3900萬t未處理的污水流入泰晤士河。2005年，一個獨立委員會提議建一座名為“泰晤士河隧道”的工程，這個巨大的地下工程寬如三輛公交車，沿泰晤士河跨越倫敦東西，長約15 km～25 km，埋在地下67 m處，這個巨大的工程將聯通34個污染最重的下水管道，將本來排入泰晤士河的污水集中處理，預計明年將啟動這一造價約170億英鎊的工程，可能在2020年完工。

2 我國城市排水的現狀

世界上發達國家的著名大都市之所以擁有先進而完善的排水系統，也是在自然災害的慘痛教訓中逐步獲得的認識。西方資本主義國家比我們城市化要早得多，在城市建設方面，發達國家的一些觀念和措施也比較理性。我們國家目前的城市化進程突飛猛進，甚至超越了常規的速度，必然帶來一些無所適從的問題，加上管理體制的弊端，造成了城市建設盲目而無序的局面。

以北京為例，除了設計標準不高，排水系統還存在老化的問題。截止到目前，北京城市排水管網總長度達3807 km，其中雨水管道1386 km，雨污合流管道756 km，污水管道165 km，北京城近郊區雨水合流管道已形成較完整的排水系統有30多個，但隨著城市化的快速發展，城市排水設施建設都嚴重滯后。排水管道普及率低，管道排水能力低。城市排水管道的老化、堵塞以及過水能力不足，確實是造成國內各大中城市遭遇暴雨時，內澇成災的主要原因之一，但這并不是全部。還有諸多人為因素令人痛心疾首。首先，城市雨水口垃圾堵塞嚴重。從2007年下半年開始，業內專家對北京城區雨水排水管道內沉積物的沉積狀況進行了調查發現:北京市近80%的雨水排水管道內有沉積物，50%的雨水排水管道內沉積物的厚度占管道直徑的10%～50%，個別管道內沉積物的厚度占管道直徑的65%以上。雨水口的大量垃圾污物除了造成雨水通道堵塞、市區水澇外，對城市環境和水體也構成嚴重污染。北京市區近年來雨季發生的一些水澇，花巨資整治清理不久的河床中又沉積大量污染物，部分河湖多次發生的藻類大量繁殖、富營養化現象嚴重等污染事件都與此有直接關系。其次，越來越多的路和橋對城市排水形成反力。路面和橋面的材料本身是防水的，它的防水作用導致了在降雨時橋面路面上的雨水滲不下去，只能沿路匯集排泄，也就帶來了橋下積水的后果。同時，北京凹式立交橋形成很多低洼地段，更是讓積水無法暢快排出。

我國城市排水系統總體上來說是落后的，對比城市地面上的發展是不協調的，排水等基礎設施是百年大計，甚至比地上設施需要更精心的規劃與設計，不能像有些建筑一樣過幾年就拆除重來，等城市建成后再來修補排水設施異常困難，也要付出更巨大的代價。

目前中國的城市化顯然并未把地下排水設施規劃排在投資計劃的前列，以北京為例，雖然去年已經遭受了暴雨襲擊，但很顯然，過去一年時間里，北京市在城市排水規劃和建設上仍未采取大規模行動，城市建設依然只是集中在大規模社區、地鐵、地上污水處理項目等可見的政績工程上面，部分城區甚至還在使用著明代修建的排水設施。近年來，北京城正以“攤大餅”的方式向郊區快速擴張，寬闊的環路、立交橋和巨型社區出現在曾經的遠郊區，但城市規劃者并未提供有效配套的基礎設施，更不用說規劃建設超前于城市化的地下排水管網。

3 太原市排水系統概況

首都北京的建設和管理在我國是位于前端的，其排水系統的建設尚且有如此大的差距，國內一般城市就需要走更加漫長的道路。以太原市為例，太原市地勢西南低，東北高，雨水排除主要依靠以下格局:城東和城北區匯水面積約231 km2，排水出路為北澗河—許坦渠;主要排水河渠有北澗河、北沙河、太鋼防洪渠、南沙河、城南退水渠、狄村排洪渠、許坦排洪渠等;城南區匯水面積約386 km2，排水出路為許坦渠—太榆退水渠，主要排水河渠有北張退水渠、太榆退水渠等。雨水分區進入城市排水管網后，靠重力流經各排水河渠最后排入汾河。目前的排水管網是20世紀50年代設計修建的，排水管道內徑在0.2 m～2 m之間。多年來，除了一些拓寬和新建的道路更新和鋪設的管道外，全市排水管網布局基本上沒有大的變化。雖然城南退水渠是由3孔寬3 m、高1.8 m的并排方涵組成，但作為穿越市中心區唯一的一條匯水渠，顯得力不從心。

勝利街、旱西關、大南門、新建路等路段正處于排水主干道東西交匯處，特別是新建南路，更是處于城南退水渠之上，每逢大到暴雨，管網內雨水形成的流速和壓力，使這些路段的雨水很難進入管道。相反，當汾河水位上漲時，匯入城南退水渠中的雨水因排入河道困難，反而會從新建南路等路段的窨井中反冒出來，導致這些路段上的積水更加難以排退。

從20世紀90年代以來，該市用于城市基礎設施的投入逐年加大。去年，市政工程管理處管轄城市道路756條，總長度540余千米，雨污水排水管道1248條，總長度590余千米，但普遍標準偏低，許多管道年久失修，加之管理不善，人為堵塞的現象比比皆是。

太原市三面環山，汾河穿城而過，所有山洪、城市雨水都依靠城市排水系統輸送到汾河。歷史上太原市多次發生洪澇災害，尤其是1996年8月4日發生的特大洪澇災害，損失慘重。

4 太原市城市排水系統升級的思路

太原市排水系統的問題是很有代表性的，太原市排水系統的設計和改造需要引進新的理念，同時也為我國城市排水系統的建設提供一些探索性的思路。

思路一:城市排水體制的完善。

城市排水體制有三種:雨污分流制、雨污合流制、分流與合流并存的混合制。其實目前中國沒有哪一座城市達到完全的雨污分流，完全合流的城市也基本沒有，分流與合流并存的混合制是目前中國大城市主要的排水體制。綜合各自的利弊分析，完全分流制和合流制各有各的優缺點，不能絕對地說哪一種體制一定就優于另一種，國際上采用分流制和合流制排水體制的城市都不少，都有各自成功的經驗。而針對我國城市的現狀，采用分流制排水系統更符合發展的趨勢。這是基于以下分析確定的思路:

1)國外城市采用的合流制之所以有和分流制抗衡的優點是因為其截流干管采取了較高的截留倍數，污水和早期雨水全部能得到轉輸和處理，對環境的污染可以降低到很低的概率，這也是以先進的理念和大規模的污水處理設施為基礎的。只有在降雨歷時較長的高強度的暴雨期間，才會發生雨污水混合溢流對環境帶來的危害，而由于暴雨期間大流量的徑流和水體稀釋，短時間的水體污染對城市的影響可以降到最低。而在我國，合流制管道大多是早期在舊城區修建的，標準較低。即使在新建排水管網時采用截留式合流制系統，截流干管采用的截留倍數也較低，一般都在1～2左右，這樣就造成雨季大量的雨污混合水直接溢流進入環境。而且，現階段城市的污水處理率比較低，污廢水都難以100%處理，更不用說早期雨水了。目前我國的城市發展速度超越常規，新區建設遠遠超過舊城改造的速度，而城市污水處理設施的建設卻基本滯后。因此，發展雨污分流更符合環境保護的要求。

2)在造價上，通常認為分流制系統比合流制系統要高，但如果要真正體現合流制的優點，綜合下來也不是絕對的。首先在我國由于污廢水的初級處理程度比較低(如在城市住宅區一般僅采用化糞池來初步處理)，勢必造成合流制管道衛生條件差，淤積問題嚴重，夏季臭氣泛濫。如果要避免這些問題，必須加強初級處理，還要盡可能做好豎向設計，保證排水坡度和流速以減少淤積，這樣也會帶來造價增加的問題。分流制增加了一套污水管道系統，既可以降低污水處理設施的負荷和規模，還可以最大限度的綜合利用雨水。在我國城市尤其是北方城市，是較好的選擇。

綜上所述，筆者認為，采用雨污分流制是我國城市排水系統通常選擇的發展趨勢。在目前采用混合制過渡期間，也應盡量在截流干管采取較高的截流倍數，以降低合流制系統的缺點帶來的環境問題。

思路二:城市排水管網建設標準的提高。

相比發達國家，我國城市排水管網采用的建設標準明顯偏低。太原市雨水管道采用的暴雨重現期通常只有1年～3年，而且能達到3年的只有很少的重點區域。一些舊城區管網只能達到0.5年，加之淤積堵塞嚴重，排水能力已經遠遠不能滿足暴雨時的排水要求。過去采用的設計標準低是因為經濟因素的制約，而現在是因為理念的落后和對災害重視程度的不足。

目前城市的各項建設鋪天蓋地，排水系統在其中所占的份額越來越小。而排水系統的建設是一勞永逸的，一次性達到設計標準可以保證長期不用重復建設。但事實上，我們城市排水系統卻在不停地重復改造，一方面是因為舊城改造帶來的變化，另一方面也有因為原有管道標準低、質量差，事故多而帶來的重復建設。每到雨季，城市會投入大量的人力物力確保不要因內澇帶來安全問題。如發生洪澇災害，帶來的經濟損失是無法估量的。而我們看到發達國家城市的排水系統雖然一次性投資高，但卻可以保證上百年不發生洪澇災害。因而在我們國家經濟實力大幅度提高以后，排水系統的建設標準應盡快提高，這是排水系統升級的必經之路。在太原市，尤其是太原市南部，地勢平緩，排水不暢會很快形成內澇。建議在今后雨水管網設計時暴雨重現期采用3年～5年較為適宜。

思路三:一排一蓄的方針。

排水系統的設計應充分考慮地上和地下的結合，絕不是單純地下系統的問題。城市內澇形成的重要原因不是排水出路不暢，而是調蓄能力不足。這方面我國有慘痛的教訓，武漢在歷史上曾經有大量的濕地可以在暴雨時調蓄洪水，減輕河道行洪壓力，而現在這些濕地早已被城市建設吞噬，一到雨季，武漢都會面臨內澇和河洪的雙重壓力，20世紀90年代以來，經受了無數次嚴峻的考驗。太原市也一樣，由于城市洪水出路有限，尤其是太原和榆次排水最終的出路集中到太榆退水渠，經太原市政院計算，在上游多處采用緩洪的條件下，太榆退水渠須至少保證終端退水流量62 m3/s，而太榆退水渠目前只有不足20 m3/s的退水能力。因此，保證太原市排水的措施一是盡快改造太榆退水渠，加大排洪能力;二是在上游多建調蓄緩洪設施，以保證削減洪峰。這就是一排一蓄的方針。所謂“排”，前面已經強調過，要提高排水系統的建設標準;而“蓄”需要考慮地上和地下的結合。近年來城市建設對自然生態破壞很大，大量的土地、植被變成了硬化地面，甚至地下也建設了大量地下車庫、地下商場、人防工程，導致地面攔蓄雨水能力的下降，徑流系數普遍提高，即使降雨強度不大也會短時間形成較強的徑流。單純提高排水系統的建設標準還是不夠的，需要改善整個城市地表的攔蓄能力。主要的辦法就是加強綠化，減少硬化面積，即使硬化也盡可能采用可以下滲的材質。結合公園綠地水系的建設設置人工濕地，在洪水時可以起到緩洪、滯洪、錯峰的作用，還可以改善城市小氣候，減輕污廢水對環境的影響。在地下，不僅要提高排水干管的建設標準，更重要的是加大管網的密度，尤其是二級三級管網的密度，使地表徑流盡快進入排水管網，排水管網密度加大，無疑是加大了地下管網的調蓄能力，在低洼和地勢平緩的地段，有條件時應在其上游建地下調節水池，在暴雨時調節削減洪水，而在旱季可以沖洗下游管道，減少淤積。荷蘭第二大城市鹿特丹的海拔低于海平面，卻沒有發生過內澇的災害，這得益于其完善的排水系統。為了從源頭上對降雨進行分流和吸收，該城鋪設了透水性能好的磚塊，并根據一定坡度向周圍綠地透水。實施多年的“屋頂綠化計劃”更是讓屋頂發揮“吸水海綿”的作用，減緩雨水進入地表的速度。該城正計劃新建“水廣場”。水廣場順地勢而建，由水池和溝槽組成，相連形成一個巨大的可循環網絡。水廣場大部分時間是干燥的，供民眾休閑娛樂。下小雨時，溝槽中的水會流至水池，形成天然水景，遇到暴雨時即刻變身為高效的防澇系統，這樣的經驗值得我們借鑒。

思路四:雨水的綜合利用。

無論是資源型缺水、污染型缺水還是工程型缺水，中國的許多城市水資源都緊缺，而雨水是一種可以綜合利用的重要資源。排水系統的升級改造要充分考慮雨水的資源化。

除了前面提到的人工濕地，在城市的各個地段，都可以考慮雨水的利用。比如在居住區和公共建筑群內，可大量建設可以循環的水系景觀，在區域豎向設計時，可以采用微地形處理和防滲處理的手法，匯集雨水，既可以美化景觀環境，又可以綜合利用，作為消防、澆灑、沖洗地面等方面的用水來源。單棟建筑的屋面和外墻雨水也可以收集匯總，用于綠化、沖洗等。柏林在全國較早實施了“雨水費”制度。無論是私人房屋還是工廠企業，直接向下水道排放雨水必須按房屋的不滲水面積，交納每平方米1.84歐元的費用，采取雨水處理措施的用戶可獲得減免優惠。柏林市中心的波茨坦廣場，19棟高層辦公樓的屋頂雨水都被收集起來，儲存在五個地下水庫，每年儲水量可達2.3萬m3。我們太原是一個資源型加污染型缺水的城市，只要我們改變觀念，重視雨水的再利用，不僅能減輕洪澇災害，對水資源嚴重緊缺的情況也能起到一定的緩解作用。

以上就是筆者對城市排水系統建設的一些思考，法國偉大的文學家雨果有句名言:“下水道是城市的良心”。當災害來臨時，我們才意識到城市的良心是多么重要，愿我們所有的城市規劃和建設者都能把責任放在自己肩上，這樣我們的城市才能健康而蓬勃地向前發展。