城市排水的本質(zhì)
城市排水的本質(zhì)
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。”
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。現(xiàn)實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。
