城市排水的本质

近些年我国城市内涝问题频发，严重影响到城市的正常运行，使得城市排水问题逐渐从一个专业问题变成了社会问题，吸引了从升斗小民乃至庙堂之上的关注，尤其是在2013年中央城镇化工作会议上习近平总书记提出“海绵城市”理念后，这种关注达到了顶峰。在此背景下，无论是中央财政还是地方财政，对城市排水工作的投入都不可谓不大，但是却总呈现出一种“按下葫芦起了瓢”的状态，即刚解决了一个涝点，却又出现了新的涝点，这不得不促使我们去思考一个问题，那就是“城市排水的本质是什么？”
一、地球的水文循环过程

David R.Maidment主编的《Handbook of Hydrology》（中文版《水文学手册》由张建云、李纪生等翻译）将水文循环定义为：“水，由海洋和陆面蒸发，以水汽形态被大气环流输送到大气中，遇冷凝结以雨或雪的形式降落，被树和草木截留后在地面形成径流，入渗补充地下水，排入江河，最后流入海洋，再次从海洋蒸发。这种无止境的水循环过程，是以太阳能作为燃料，在重力作用下永不间断地进行的。”

图1 全球水循环水量分配图
（图片来源：麻省理工大学网络公开课《Groundwater Hydrology》 Prof. Charles Harvey）
图1假定全年陆地降水量为100，则陆地蒸散发量为61，陆地下渗量为1，陆地径流量为38，海洋降水量为385，海洋蒸散发量为424，从海洋到陆地的大气环流携水量为39。可以看出，陆地的多年平均天然径流率为0.38（这和“海绵城市”里面的年径流总量控制率概念完全不同），武汉市市域多年平均天然径流率为0.405，和该值较为接近。
地球水文循环过程由1个大循环和2个小循环组成。1个大循环是陆地、海洋和大气之间的循环，这个循环是一个水量平衡的循环；2个小循环分别是陆地和大气、海洋和大气之间的循环，这2个循环的降水量和蒸发量不相等，为了维持水量平衡，陆地小循环获得了从海洋通过大气输送过来的39的水汽，海洋小循环获得了39的陆地入流。换句话说，地球水文大循环是一个封闭系统，陆地和海洋小循环都是开放系统，通过这些循环，物质和能量得到了交换。
水文循环过程涉及到水的状态和位置变化。从状态变化的角度，水文过程可分为降雨（气态变液态）、降雪（气态变固态）、蒸发（液态变气态）等过程；从位置变化的角度，水文过程可分成4类：
1）从无人区到无人区：如雨水进入城市之前在山区内部的流动。
2）从无人区到居住区：如山洪进入城区。
3）从居住区到居住区：如雨水在雨水管渠内部的流动。
4）从居住区到无人区：如雨水通过泵站或自排流入自然水体。
城市排水是地球水文循环的一个组成部分。和地球2个小循环一样，城市地区的蒸发量和降水量是不相等的，并且随着城市化对水面的侵占，城市地区实际蒸发量越来越少。为了利用水资源，在城市所处流域上游修建水库，一定程度上改变了自然的水文过程。当城市对水的需求超过了本流域的可用水资源量时，也经常实施跨流域的调水工程，这将大幅度改变自然的水文过程。
二、水量平衡原理
质量守恒定律是自然界中普遍存在的基本定律之一，在水行业的一个直接应用就是水量平衡原理，即：
进水 – 出水 = 蓄水
如果把整个城市看作一个黑箱，它的进水包括直接降落到城市内的降水和城市上游的转输水（很多时候是穿城而过的山洪），出水包括泵、闸等排水设施的排水以及蒸散发水量，蓄水包括地面蓄水和地下蓄水。当发生城市内涝时，也就意味着出现了不在我们规划意图内的地面蓄水。如果一个城市进水、出水和规划蓄水3者不能达到设计标准下的水量平衡，那么在黑箱内部进行的任何解决方案对于设计标准而言都只能是“灾害的转移”。
水量平衡原理是一个非常质朴的绝对真理，但在实际工作中，很多设计方案经常违背这条原理。比如，某河道在大暴雨时经常发生河道溢出驳岸的现象，导致两侧地块积水，为了解决（或缓解）该问题，拆除河道中的桥墩作为一个解决方案被提出，理由就是水流经过桥墩会产生绕流阻力，使得桥墩上游和下游有明显的水位差。该方案看起来是利用了明渠水力学的原理，实际上是一种对基础理论的误解。为什么这么说了，因为该方案要起到效果必须建立在两个假设之上：1）河道水流为均匀流；2）河道（river）是一个河段（reach），即只能在起端有入流，在沿线不能有雨水接入。现实中这条河道沿线有大量的支流河道和雨水管道接入，且水流流态为非均匀流（水流不畅时将出现壅水），桥墩阻水的影响范围极其有限，指望通过拆除桥墩来解决沿线内涝无异于天方夜谭。实际上，利用水量平衡原理，只需要问一个问题就可以推翻该设计方案，即“桥墩下游有蓄水空间吗？”
三、城市排水的本质
城市排水过程是自然界水文循环的一个子系统，遵循水量平衡原理。在此过程中，水不会凭空产生，也不会无故消失，它会在太阳能和重力的驱使下，永不停歇的循环往复。并且正常情况下，水几乎不能被压缩，它的体积不会发生明显的变化。因此，城市排水的本质是雨水的空间分配问题。
液态的雨水降落到地面后，一部分通过蒸散发作用以气态的形式回到大气中，一般情况下，水的蒸散发过程非常慢，对城市排水而言，基本上不起作用。因此，在进行雨水的空间分配时，不能把大气层作为分配对象。
另一部分降落到地面的雨水在重力和毛细管力的作用下，渗入到土壤颗粒之间的孔隙中，对于不同的地区，土壤蓄水差别很大。北方地区蓄水能力较大，南方沿海地区地下水水位很高，蓄水能力非常有限。因此，在进行雨水的空间分配时，不能将土壤作为主要分配对象，而只能作为辅助分配对象。
最后一部分降落到地面的雨水将形成地面径流，并且通过管道和泵站最终排入地面蓄水空间，如江、河、湖、泊、海等自然水体以及人工湿地等（修建地下调蓄池和深层调蓄隧道也可以承担少量地面径流，作为一种内涝最后解决手段也是可行的，但从成本和效益的角度不应提倡）。地面蓄水空间分为地块内和地块外两部分，将城市看作黑箱进行水量平衡计算得到的蓄水量必须由地块内蓄水空间解决。因此，无法排出城市范围的地面径流在进行雨水的空间分配时，应将地面作为主要的分配对象，土豪城市可以将地下空间作为辅助分配对象。
城市排水的本质要求城市规划时必须规划足够的水体用地，只有从规划用地的角度才能彻底解决城市内涝问题。城市低洼地区通常是城市排水空间分配的理想场所，古人在进行居住地选址时，通常会避开这些地区。但是，随着文明的进步，人类发明了管道和泵站，可以改变地面水流的流动方向，使得一些古人无法居住的地区变得可以居住。很多情况下，人类还会使用挖掘机等工程机械对现状地面进行大幅度地改变，将曾经的低洼地区填高变成居住用地，相应使曾经相对较高的居住区变成相对低洼地区，这些曾经的居住区也从不内涝地区变成频繁内涝地区。
对于建成区，在新增水面极其困难时（也就是增加蓄水很难），根据水量平衡原理，减少进水和增加出水是2个主要的解决问题的思路：
1）减少进水。直接降落到城市内部的雨水（也称为涝水）是无法减少的，能减少的只有外部穿城而过的洪水，因此修建截洪沟、截洪隧洞等工 程是解决城市内涝问题的有效方法。
2）增加出水。在城市排水系统末端修建泵站或者增大泵站规模也是解决城市内涝问题的有效方法，它需要部分泵站和前池用地。
在设计标准下，如果整个城市的进水、出水和蓄水达到了水量平衡，还发生城市内涝问题的话，那么说明城市内部的输送系统（管道和河道）布置或者规模不合理，需要进行调整（前面举的桥墩阻水的例子，如果是上游河道全满，下游河道未满，那么拆除桥墩是一个合理解决方案）。在针对城市内涝问题制定解决方案时，必须要找到问题的真正原因：是由于城市排水黑箱模型无法达到预期的水量平衡（典型表现是内涝时所有末端排水泵站均满负荷运行）造成的内涝，还是由于输送系统有问题（典型表现是内涝时末端排水泵站不能满负荷运行，水送不下来）。
四、结论
城市排水是地球水文循环的一个组成部分，它的本质是雨水的空间分配问题，应将地面作为主要分配对象，将地下空间作为辅助分配对象。城市规划必须留足水体用地，在无法新增水体的已建成区，减少进水和增加出水是解决城市内涝问题的有效方法。