城市排水的本質
城市排水的本質
一、地球的水文循環過程
David R.Maidment主編的《Handbook of Hydrology》(中文版《水文學手冊》由張建云、李紀生等翻譯)將水文循環定義為：“水，由海洋和陸面蒸發，以水汽形態被大氣環流輸送到大氣中，遇冷凝結以雨或雪的形式降落，被樹和草木截留后在地面形成徑流，入滲補充地下水，排入江河，最后流入海洋，再次從海洋蒸發。這種無止境的水循環過程，是以太陽能作為燃料，在重力作用下永不間斷地進行的。”
地球水文循環過程由1個大循環和2個小循環組成。1個大循環是陸地、海洋和大氣之間的循環，這個循環是一個水量平衡的循環;2個小循環分別是陸地和大氣、海洋和大氣之間的循環，這2個循環的降水量和蒸發量不相等，為了維持水量平衡，陸地小循環獲得了從海洋通過大氣輸送過來的39的水汽，海洋小循環獲得了39的陸地入流。換句話說，地球水文大循環是一個封閉系統，陸地和海洋小循環都是開放系統，通過這些循環，物質和能量得到了交換。
水文循環過程涉及到水的狀態和位置變化。從狀態變化的角度，水文過程可分為降雨(氣態變液態)、降雪(氣態變固態)、蒸發(液態變氣態)等過程;從位置變化的角度，水文過程可分成4類：
1)從無人區到無人區：如雨水進入城市之前在山區內部的流動。
2)從無人區到居住區：如山洪進入城區。
3)從居住區到居住區：如雨水在雨水管渠內部的流動。
4)從居住區到無人區：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的一個組成部分。和地球2個小循環一樣，城市地區的蒸發量和降水量是不相等的，并且隨著城市化對水面的侵占，城市地區實際蒸發量越來越少。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。當城市對水的需求超過了本流域的可用水資源量時，也經常實施跨流域的調水工程，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，在水行業的一個直接應用就是水量平衡原理，即：
進水 – 出水 = 蓄水
如果把整個城市看作一個黑箱，它的進水包括直接降落到城市內的降水和城市上游的轉輸水(很多時候是穿城而過的山洪)，出水包括泵、閘等排水設施的排水以及蒸散發水量，蓄水包括地面蓄水和地下蓄水。當發生城市內澇時，也就意味著出現了不在我們規劃意圖內的地面蓄水。如果一個城市進水、出水和規劃蓄水3者不能達到設計標準下的水量平衡，那么在黑箱內部進行的任何解決方案對于設計標準而言都只能是“災害的轉移”。
水量平衡原理是一個非常質樸的絕對真理，但在實際工作中，很多設計方案經常違背這條原理。比如，某河道在大暴雨時經常發生河道溢出駁岸的現象，導致兩側地塊積水，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，理由就是水流經過橋墩會產生繞流阻力，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的原理，實際上是一種對基礎理論的誤解。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，且水流流態為非均勻流(水流不暢時將出現壅水)，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計方案，即“橋墩下游有蓄水空間嗎?”
三、城市排水的本質
城市排水過程是自然界水文循環的一個子系統，遵循水量平衡原理。在此過程中，水不會憑空產生，也不會無故消失，它會在太陽能和重力的驅使下，永不停歇的循環往復。并且正常情況下，水幾乎不能被壓縮，它的體積不會發生明顯的變化。因此，城市排水的本質是雨水的空間分配問題。
液態的雨水降落到地面后，一部分通過蒸散發作用以氣態的形式回到大氣中，一般情況下，水的蒸散發過程非常慢，對城市排水而言，基本上不起作用。因此，在進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，土壤蓄水差別很大。北方地區蓄水能力較大，南方沿海地區地下水水位很高，蓄水能力非常有限。因此，在進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(修建地下調蓄池和深層調蓄隧道也可以承擔少量地面徑流，作為一種內澇最后解決手段也是可行的，但從成本和效益的角度不應提倡)。地面蓄水空間分為地塊內和地塊外兩部分，將城市看作黑箱進行水量平衡計算得到的蓄水量必須由地塊內蓄水空間解決。因此，無法排出城市范圍的地面徑流在進行雨水的空間分配時，應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。
城市排水的本質要求城市規劃時必須規劃足夠的水體用地，只有從規劃用地的角度才能徹底解決城市內澇問題。城市低洼地區通常是城市排水空間分配的理想場所，古人在進行居住地選址時，通常會避開這些地區。但是，隨著文明的進步，人類發明了管道和泵站，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變得可以居住。很多情況下，人類還會使用挖掘機等工程機械對現狀地面進行大幅度地改變，將曾經的低洼地區填高變成居住用地，相應使曾經相對較高的居住區變成相對低洼地區，這些曾經的居住區也從不內澇地區變成頻繁內澇地區。
對于建成區，在新增水面極其困難時(也就是增加蓄水很難)，根據水量平衡原理，減少進水和增加出水是2個主要的解決問題的思路：
1)減少進水。直接降落到城市內部的雨水(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 程是解決城市內澇問題的有效方法。
2)增加出水。在城市排水系統末端修建泵站或者增大泵站規模也是解決城市內澇問題的有效方法，它需要部分泵站和前池用地。
在設計標準下，如果整個城市的進水、出水和蓄水達到了水量平衡，還發生城市內澇問題的話，那么說明城市內部的輸送系統(管道和河道)布置或者規模不合理，需要進行調整(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到預期的水量平衡(典型表現是內澇時所有末端排水泵站均滿負荷運行)造成的內澇，還是由于輸送系統有問題(典型表現是內澇時末端排水泵站不能滿負荷運行，水送不下來)。
四、結論
城市排水是地球水文循環的一個組成部分，它的本質是雨水的空間分配問題，應將地面作為主要分配對象，將地下空間作為輔助分配對象。城市規劃必須留足水體用地，在無法新增水體的已建成區，減少進水和增加出水是解決城市內澇問題的有效方法。
