城市排水系统初探

(山西省城乡规划设计研究院，山西太原 030001)

0 引言

2012年7月21日～7月22日，一场60年来不遇的暴雨导致首都北京一片泽国。首都北京的排水系统都经不起暴雨的考验，国内其他城市又如何。就以我们太原市来说，近期连续遭遇到大到暴雨的袭击，排水系统已经表现出不堪重负的现实问题。随着城市化进程的加速，城市规模与日俱增，而随着全球性气候的演变，极端气候造成的自然灾害越来越频发，城市作为大规模的人口与现代文明的载体，面临着诸多自然灾害的挑战，其中水患对城市的危害呈愈演愈烈的态势，城市排水系统如何适应城市的发展，今后城市排水系统的建设发展趋势如何，成为了一个举世关注的问题。以下我们试图通过城市排水系统的演变和世界上发达国家关于城市排水系统建设的经验分析，提出有益的建议，使我们的城市在可持续发展的进程中，功能更完善，安全更有保证。

1 国际城市排水系统的发展趋势

近代城市排水系统的建设是在城市发展过程中经历了诸多灾难教训后应运而生，城市排水系统初期的城市因为没有完善的排水系统，旱季污水横流，雨季水患成灾，世界上许多大城市都因水环境污染爆发过霍乱、瘟疫等。为此城市规划者开始思考规划大规模的排水系统以解决水环境恶化带来的问题。最早城市排水系统的雏形脱胎于法国巴黎，200多年前，在拿破仑三世准备重建现代巴黎之前，巴黎是世界闻名的“臭都”，这座城市大部分的用水来自塞纳河，大量废水未经收集净化就流入河中，造成河水污染。1851年，工程师欧仁尼·贝尔格兰为巴黎建立了一套完整的技术。他发明了清除下水道垃圾和沉沙的机械，利用流水的冲刷效应将垃圾集中到定点以便清除。在小断面排水管道上游，他还设计了蓄水池，以增强冲刷力，避免堵塞。到了1878年，巴黎已经在距地面以下50 m，拥有长600 km的排水管道网。

一战以后，城市人口的增长对“城市消化能力”提出了更高的要求。于是，1935年～1947年，巴黎的工程师们又开始了一轮扩容改造工程:修建4条直径为4 m、总长为34 km的排水渠，以便通过净化站对废水进行处理，处理过的水一部分排到郊外或流入塞纳河;另一部分则通过中水管道循环使用，洗刷城市街面。二战结束后，巴黎市政府进一步扩建了这一系统，1999年巴黎完成了对城市废水和雨水的100%的完全处理。经过不断完善，今天的巴黎下水道总长2347 km，约2.6万个井盖，6000多个地下蓄水池。清淤系统配备了电脑控制，还有专门针对雨季塞纳河水的涨水站以及安全阀门。有意思的是，巴黎下水道还成了一处观光点，建成了位于塞纳河阿尔玛桥畔的巴黎下水道博物馆。

日本东京的地下管网建设也是走的先发展后治理的道路。19世纪末，人口日益增多的东京因为没有排水设施引发霍乱，导致人员严重伤亡。这推动了东京第一条近代意义的排水设施神田下水道的建成。此后东京逐步完善其地下排水设施，从1908年东京公布排水管道的基本计划到1994年，东京地下排水普及率几乎达到100%。目前，东京都23个区下水道总长1.58万km，相当于往返东京与悉尼的距离。排水管径从0.25 m～8.5 m，有效减少了内涝的几率。东京年平均降水量为1466.8 mm，几乎是世界年平均降水量的两倍。1992年以前东京的排水系统应付不了强降水的压力，经常水漫金山。为了彻底消除水患，从1992年起，日本耗时14年，建设了巨型分洪工程——东京外围排水系统。该工程堪称世界最先进的排水系统，不仅全程使用计算机控制，而且规模极其宏伟。其中最为壮观的有地下神殿之称的“调压水槽”。这是一个由59根巨型大柱子撑起的巨大空间，长177 m，宽78 m，高18 m，面积达到13806 m2，能将5个蓄水池流来的大量雨水在此调节，或者再利用，或者用飞机引擎改装的排水泵排入附近的江户河。目前东京外围排水系统每年运行5次～7次。尽管耗资巨大(约人民币192亿元)，但有效地减少了内涝。

柏林近百年没有发生过内涝，尽管柏林在地理和气象上不属于强降雨覆盖地区，但是设计者还是预想了柏林可能面临的极端情况。目前柏林雨污合流制管道占25%，雨污分流制管道占75%，既可以防止内涝又可以合理利用雨水。柏林全市还有160多个紧急出水口和暴雨溢流口，以及1000多个水库和蓄水池。除了在地下设施上下功夫，柏林还利用地上景观减轻排水压力，将部分公园做成起伏的地形和人工湿地，并鼓励社区建立利用雨水的景观和人工湖。此外，柏林地下管道十分宽阔，施工人员可以直接将工程作业车开进管道中进行修缮和维护。有些进不去的管道就通过闭路电视系统进行监控，即使是150 mm的排水管道也能轻松地检查。伦敦也一样走过漫长的发展道路，由于水体污染，1848年～1849年间，一场霍乱导致很多人严重伤亡。由此英国政府成立了一个皇家污水治理委员会，任命约瑟夫·巴瑟杰为工程师，改进排水系统。巴瑟杰在设计中首次将雨水和污水管道分离，污水管道出口改成了泰晤士河的入海口，远离城市。他还建起了6个主要的截流管，总长度达160 km，此外下水道主干管长720 km，支干管长达21000 km。在当时巴瑟杰是依据400万人口的规模来设计的，但150年后，伦敦人口已经远远超过预期，大暴雨来的时候，排水能力还是不足。巴瑟杰曾为排水系统设计了一个“防暴雨安全机制”，也就是当降水过多时，允许污水排入泰晤士河，以防城市被淹。这个设计最初是为了应急，但现在平均每周都要启动这个应急机制，这使得每年都有3900万t未处理的污水流入泰晤士河。2005年，一个独立委员会提议建一座名为“泰晤士河隧道”的工程，这个巨大的地下工程宽如三辆公交车，沿泰晤士河跨越伦敦东西，长约15 km～25 km，埋在地下67 m处，这个巨大的工程将联通34个污染最重的下水管道，将本来排入泰晤士河的污水集中处理，预计明年将启动这一造价约170亿英镑的工程，可能在2020年完工。

2 我国城市排水的现状

世界上发达国家的著名大都市之所以拥有先进而完善的排水系统，也是在自然灾害的惨痛教训中逐步获得的认识。西方资本主义国家比我们城市化要早得多，在城市建设方面，发达国家的一些观念和措施也比较理性。我们国家目前的城市化进程突飞猛进，甚至超越了常规的速度，必然带来一些无所适从的问题，加上管理体制的弊端，造成了城市建设盲目而无序的局面。

以北京为例，除了设计标准不高，排水系统还存在老化的问题。截止到目前，北京城市排水管网总长度达3807 km，其中雨水管道1386 km，雨污合流管道756 km，污水管道165 km，北京城近郊区雨水合流管道已形成较完整的排水系统有30多个，但随着城市化的快速发展，城市排水设施建设都严重滞后。排水管道普及率低，管道排水能力低。城市排水管道的老化、堵塞以及过水能力不足，确实是造成国内各大中城市遭遇暴雨时，内涝成灾的主要原因之一，但这并不是全部。还有诸多人为因素令人痛心疾首。首先，城市雨水口垃圾堵塞严重。从2007年下半年开始，业内专家对北京城区雨水排水管道内沉积物的沉积状况进行了调查发现:北京市近80%的雨水排水管道内有沉积物，50%的雨水排水管道内沉积物的厚度占管道直径的10%～50%，个别管道内沉积物的厚度占管道直径的65%以上。雨水口的大量垃圾污物除了造成雨水通道堵塞、市区水涝外，对城市环境和水体也构成严重污染。北京市区近年来雨季发生的一些水涝，花巨资整治清理不久的河床中又沉积大量污染物，部分河湖多次发生的藻类大量繁殖、富营养化现象严重等污染事件都与此有直接关系。其次，越来越多的路和桥对城市排水形成反力。路面和桥面的材料本身是防水的，它的防水作用导致了在降雨时桥面路面上的雨水渗不下去，只能沿路汇集排泄，也就带来了桥下积水的后果。同时，北京凹式立交桥形成很多低洼地段，更是让积水无法畅快排出。

我国城市排水系统总体上来说是落后的，对比城市地面上的发展是不协调的，排水等基础设施是百年大计，甚至比地上设施需要更精心的规划与设计，不能像有些建筑一样过几年就拆除重来，等城市建成后再来修补排水设施异常困难，也要付出更巨大的代价。

目前中国的城市化显然并未把地下排水设施规划排在投资计划的前列，以北京为例，虽然去年已经遭受了暴雨袭击，但很显然，过去一年时间里，北京市在城市排水规划和建设上仍未采取大规模行动，城市建设依然只是集中在大规模社区、地铁、地上污水处理项目等可见的政绩工程上面，部分城区甚至还在使用着明代修建的排水设施。近年来，北京城正以“摊大饼”的方式向郊区快速扩张，宽阔的环路、立交桥和巨型社区出现在曾经的远郊区，但城市规划者并未提供有效配套的基础设施，更不用说规划建设超前于城市化的地下排水管网。

3 太原市排水系统概况

首都北京的建设和管理在我国是位于前端的，其排水系统的建设尚且有如此大的差距，国内一般城市就需要走更加漫长的道路。以太原市为例，太原市地势西南低，东北高，雨水排除主要依靠以下格局:城东和城北区汇水面积约231 km2，排水出路为北涧河—许坦渠;主要排水河渠有北涧河、北沙河、太钢防洪渠、南沙河、城南退水渠、狄村排洪渠、许坦排洪渠等;城南区汇水面积约386 km2，排水出路为许坦渠—太榆退水渠，主要排水河渠有北张退水渠、太榆退水渠等。雨水分区进入城市排水管网后，靠重力流经各排水河渠最后排入汾河。目前的排水管网是20世纪50年代设计修建的，排水管道内径在0.2 m～2 m之间。多年来，除了一些拓宽和新建的道路更新和铺设的管道外，全市排水管网布局基本上没有大的变化。虽然城南退水渠是由3孔宽3 m、高1.8 m的并排方涵组成，但作为穿越市中心区唯一的一条汇水渠，显得力不从心。

胜利街、旱西关、大南门、新建路等路段正处于排水主干道东西交汇处，特别是新建南路，更是处于城南退水渠之上，每逢大到暴雨，管网内雨水形成的流速和压力，使这些路段的雨水很难进入管道。相反，当汾河水位上涨时，汇入城南退水渠中的雨水因排入河道困难，反而会从新建南路等路段的窨井中反冒出来，导致这些路段上的积水更加难以排退。

从20世纪90年代以来，该市用于城市基础设施的投入逐年加大。去年，市政工程管理处管辖城市道路756条，总长度540余千米，雨污水排水管道1248条，总长度590余千米，但普遍标准偏低，许多管道年久失修，加之管理不善，人为堵塞的现象比比皆是。

太原市三面环山，汾河穿城而过，所有山洪、城市雨水都依靠城市排水系统输送到汾河。历史上太原市多次发生洪涝灾害，尤其是1996年8月4日发生的特大洪涝灾害，损失惨重。

4 太原市城市排水系统升级的思路

太原市排水系统的问题是很有代表性的，太原市排水系统的设计和改造需要引进新的理念，同时也为我国城市排水系统的建设提供一些探索性的思路。

思路一:城市排水体制的完善。

城市排水体制有三种:雨污分流制、雨污合流制、分流与合流并存的混合制。其实目前中国没有哪一座城市达到完全的雨污分流，完全合流的城市也基本没有，分流与合流并存的混合制是目前中国大城市主要的排水体制。综合各自的利弊分析，完全分流制和合流制各有各的优缺点，不能绝对地说哪一种体制一定就优于另一种，国际上采用分流制和合流制排水体制的城市都不少，都有各自成功的经验。而针对我国城市的现状，采用分流制排水系统更符合发展的趋势。这是基于以下分析确定的思路:

1)国外城市采用的合流制之所以有和分流制抗衡的优点是因为其截流干管采取了较高的截留倍数，污水和早期雨水全部能得到转输和处理，对环境的污染可以降低到很低的概率，这也是以先进的理念和大规模的污水处理设施为基础的。只有在降雨历时较长的高强度的暴雨期间，才会发生雨污水混合溢流对环境带来的危害，而由于暴雨期间大流量的径流和水体稀释，短时间的水体污染对城市的影响可以降到最低。而在我国，合流制管道大多是早期在旧城区修建的，标准较低。即使在新建排水管网时采用截留式合流制系统，截流干管采用的截留倍数也较低，一般都在1～2左右，这样就造成雨季大量的雨污混合水直接溢流进入环境。而且，现阶段城市的污水处理率比较低，污废水都难以100%处理，更不用说早期雨水了。目前我国的城市发展速度超越常规，新区建设远远超过旧城改造的速度，而城市污水处理设施的建设却基本滞后。因此，发展雨污分流更符合环境保护的要求。

2)在造价上，通常认为分流制系统比合流制系统要高，但如果要真正体现合流制的优点，综合下来也不是绝对的。首先在我国由于污废水的初级处理程度比较低(如在城市住宅区一般仅采用化粪池来初步处理)，势必造成合流制管道卫生条件差，淤积问题严重，夏季臭气泛滥。如果要避免这些问题，必须加强初级处理，还要尽可能做好竖向设计，保证排水坡度和流速以减少淤积，这样也会带来造价增加的问题。分流制增加了一套污水管道系统，既可以降低污水处理设施的负荷和规模，还可以最大限度的综合利用雨水。在我国城市尤其是北方城市，是较好的选择。

综上所述，笔者认为，采用雨污分流制是我国城市排水系统通常选择的发展趋势。在目前采用混合制过渡期间，也应尽量在截流干管采取较高的截流倍数，以降低合流制系统的缺点带来的环境问题。

思路二:城市排水管网建设标准的提高。

相比发达国家，我国城市排水管网采用的建设标准明显偏低。太原市雨水管道采用的暴雨重现期通常只有1年～3年，而且能达到3年的只有很少的重点区域。一些旧城区管网只能达到0.5年，加之淤积堵塞严重，排水能力已经远远不能满足暴雨时的排水要求。过去采用的设计标准低是因为经济因素的制约，而现在是因为理念的落后和对灾害重视程度的不足。

目前城市的各项建设铺天盖地，排水系统在其中所占的份额越来越小。而排水系统的建设是一劳永逸的，一次性达到设计标准可以保证长期不用重复建设。但事实上，我们城市排水系统却在不停地重复改造，一方面是因为旧城改造带来的变化，另一方面也有因为原有管道标准低、质量差，事故多而带来的重复建设。每到雨季，城市会投入大量的人力物力确保不要因内涝带来安全问题。如发生洪涝灾害，带来的经济损失是无法估量的。而我们看到发达国家城市的排水系统虽然一次性投资高，但却可以保证上百年不发生洪涝灾害。因而在我们国家经济实力大幅度提高以后，排水系统的建设标准应尽快提高，这是排水系统升级的必经之路。在太原市，尤其是太原市南部，地势平缓，排水不畅会很快形成内涝。建议在今后雨水管网设计时暴雨重现期采用3年～5年较为适宜。

思路三:一排一蓄的方针。

排水系统的设计应充分考虑地上和地下的结合，绝不是单纯地下系统的问题。城市内涝形成的重要原因不是排水出路不畅，而是调蓄能力不足。这方面我国有惨痛的教训，武汉在历史上曾经有大量的湿地可以在暴雨时调蓄洪水，减轻河道行洪压力，而现在这些湿地早已被城市建设吞噬，一到雨季，武汉都会面临内涝和河洪的双重压力，20世纪90年代以来，经受了无数次严峻的考验。太原市也一样，由于城市洪水出路有限，尤其是太原和榆次排水最终的出路集中到太榆退水渠，经太原市政院计算，在上游多处采用缓洪的条件下，太榆退水渠须至少保证终端退水流量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，保证太原市排水的措施一是尽快改造太榆退水渠，加大排洪能力;二是在上游多建调蓄缓洪设施，以保证削减洪峰。这就是一排一蓄的方针。所谓“排”，前面已经强调过，要提高排水系统的建设标准;而“蓄”需要考虑地上和地下的结合。近年来城市建设对自然生态破坏很大，大量的土地、植被变成了硬化地面，甚至地下也建设了大量地下车库、地下商场、人防工程，导致地面拦蓄雨水能力的下降，径流系数普遍提高，即使降雨强度不大也会短时间形成较强的径流。单纯提高排水系统的建设标准还是不够的，需要改善整个城市地表的拦蓄能力。主要的办法就是加强绿化，减少硬化面积，即使硬化也尽可能采用可以下渗的材质。结合公园绿地水系的建设设置人工湿地，在洪水时可以起到缓洪、滞洪、错峰的作用，还可以改善城市小气候，减轻污废水对环境的影响。在地下，不仅要提高排水干管的建设标准，更重要的是加大管网的密度，尤其是二级三级管网的密度，使地表径流尽快进入排水管网，排水管网密度加大，无疑是加大了地下管网的调蓄能力，在低洼和地势平缓的地段，有条件时应在其上游建地下调节水池，在暴雨时调节削减洪水，而在旱季可以冲洗下游管道，减少淤积。荷兰第二大城市鹿特丹的海拔低于海平面，却没有发生过内涝的灾害，这得益于其完善的排水系统。为了从源头上对降雨进行分流和吸收，该城铺设了透水性能好的砖块，并根据一定坡度向周围绿地透水。实施多年的“屋顶绿化计划”更是让屋顶发挥“吸水海绵”的作用，减缓雨水进入地表的速度。该城正计划新建“水广场”。水广场顺地势而建，由水池和沟槽组成，相连形成一个巨大的可循环网络。水广场大部分时间是干燥的，供民众休闲娱乐。下小雨时，沟槽中的水会流至水池，形成天然水景，遇到暴雨时即刻变身为高效的防涝系统，这样的经验值得我们借鉴。

思路四:雨水的综合利用。

无论是资源型缺水、污染型缺水还是工程型缺水，中国的许多城市水资源都紧缺，而雨水是一种可以综合利用的重要资源。排水系统的升级改造要充分考虑雨水的资源化。

除了前面提到的人工湿地，在城市的各个地段，都可以考虑雨水的利用。比如在居住区和公共建筑群内，可大量建设可以循环的水系景观，在区域竖向设计时，可以采用微地形处理和防渗处理的手法，汇集雨水，既可以美化景观环境，又可以综合利用，作为消防、浇洒、冲洗地面等方面的用水来源。单栋建筑的屋面和外墙雨水也可以收集汇总，用于绿化、冲洗等。柏林在全国较早实施了“雨水费”制度。无论是私人房屋还是工厂企业，直接向下水道排放雨水必须按房屋的不渗水面积，交纳每平方米1.84欧元的费用，采取雨水处理措施的用户可获得减免优惠。柏林市中心的波茨坦广场，19栋高层办公楼的屋顶雨水都被收集起来，储存在五个地下水库，每年储水量可达2.3万m3。我们太原是一个资源型加污染型缺水的城市，只要我们改变观念，重视雨水的再利用，不仅能减轻洪涝灾害，对水资源严重紧缺的情况也能起到一定的缓解作用。

以上就是笔者对城市排水系统建设的一些思考，法国伟大的文学家雨果有句名言:“下水道是城市的良心”。当灾害来临时，我们才意识到城市的良心是多么重要，愿我们所有的城市规划和建设者都能把责任放在自己肩上，这样我们的城市才能健康而蓬勃地向前发展。