如何为城市排水？

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近几日，京津冀大暴雨引起了全网的广泛关注。每年7月下旬到8月上旬，我国北方降雨都会达到高峰时期，也就是所谓的“七下八上”主汛期，这段时间尤其考验城市的排水能力。及时收集雨水，防止城市内涝，是保障城市正常运转的前提，而这离不开高效发达的城市地下管网及污水处理系统。

{城市管网的历史超过4000年}

管网系统具有悠久的历史，伴随着人类文明的发展而不断进化。随着社会的发展，逐渐从最初的地面明渠转为地下暗渠，材料也由传统的木石变为陶土结构，再转变为当代的钢筋混凝土、PE管（聚乙烯管）和球墨铸铁管。

目前，我国发现的最早的城市排水系统出现在距今4000年新石器时代的河南淮阳平梁台城址，当时的排水系统以明渠为主。

中国古代排水管道

在河南偃师二里头发现的保存较完整的木石排水暗渠，距今3800~3500年。这些暗渠位于宫殿下方，由石板砌成的地下排水沟和陶排水管组成地下排水设施。

陶排水管

商周至春秋时期是我国社会和经济大发展的时期，人口向城市聚集，城市已逐渐具备较完整的城市管网及排水体系。

春秋时期齐国城市排水口遗址

同一时期，古罗马的伊达拉里亚人用石材构筑了宽度超过5米的排水管网，通过7个分支，将降雨后城市的积水收集并排走，目前这个排水道依旧在使用。

罗马主排水道

隋唐时期的国际大都市长安已具备完善的城市功能分区和排水管网体系。当时的长安采取封闭式里坊制，每个坊即是一个封闭的单元，整个城市被划分为110个坊（单元），因此，拥有一套覆盖全城的排水系统，对棋盘式的长安至关重要。长安的地下管道系统，就位于这些由坊组成的棋盘格局中。

唐长安西内苑下水道铁闸门（左）元大都东城墙终端的排水涵洞（右）

由于缺乏现代的科学技术手段，古代的城市排水系统将依托地形、自流排水的理念贯穿在城市的规划和设计之中。因此，城市排水的运行效率非常依赖工程人员对地势的把握。元朝时期，元大都的排水系统的规划设计与城市总体布局的规划设计同时进行，排水设施的建造先于或与城市道路、宫殿、城墙的建设同步，系统设计地下管网的高度差，充分发挥“水往低处流”的概念，使城市的内涝现象和污水溢出现象得到进一步缓解。元朝后，清明首都（北京）的排水格局也基本保持了元朝的设计。

19世纪，英国和法国在地下管网系统的设计上也进行了升级。工业革命后，英国环境污染加剧，首都伦敦的地表明渠发出的臭气已严重影响正常的生产生活。1895年，伦敦地下排水系统改造工程正式启动，该工程在伦敦地下建造了超过2000千米的地下管网，用以收集城市系统的废水。

1859年英国地下管网改造工程

同时期的法国也面临这同样的问题，19世纪中期，在塞纳省长奥斯曼男爵和工程师欧仁·贝尔格朗的推动下，法国对巴黎地下管网进行了系统的修整，前后经过几代人的努力，共修建了2400千米的地下管道，使得巴黎的环境发生了根本改变。至此，现代城市地下管网系统的雏形已基本形成。

到了现代，随着科技和城市的发展，地下管网的功能已覆盖供水、排污、排涝等多个方面。地下管网系统形成了供水体系（水源地—取水管—自来水厂—供水管—用户）、污水排水体系（用户—污水管—提升泵站—污水处理厂）和排涝体系（降雨—雨水管—调蓄池—自然水体）。三种体系协同，实现了城市水系统的运行，保障居民生产生活的用水、环境质量的提升和雨后积水点的减少。

不同的国家根据地理地形、气候特征等建造了具有自身特色的地下排水管网，我们来看看两个比较典型的城市。

1

新加坡：“集水区＋深隧”排水系统

新加坡的空间资源和淡水资源是十分宝贵的，排水系统的设计和建设也因此具备了自身的特色，即“集水区+深隧”理念。

对于现有浅层排水系统，新加坡将城市区域分为多个集水区，在集水区内部实现供水排水一体化管理，实施最大限度的雨污分流。新加坡有2/3的面积被划入集水区，自然水体循环的面积较小，城市内部拥有较好的行洪通路，避免内涝频发。新加坡对集水区内的雨污水进行全收集、全分离，大部分雨水实现资源利用，部分污水也参与循环再生。集水区内不允许建设有污染的项目。

新加坡路面行洪通道（上为旱天、下为雨天）

受城市空间和繁忙交通的影响，新加坡难以对主干污水管网进行大规模升级改造，为应对城市的长期发展，实现污水处理的高效性和可持续性，新加坡深隧排水系统（DTSS）应运而生，形成了新加坡的深层排水系统。

在建设DTSS之前，新加坡的城市污水排水由6个污水再生厂和一百多个污水泵站组成，分布在全岛各处。DTSS则使用直径3～6米的大型深层污水隧道，将全岛的污水统一输送到位于沿海地区的水再生厂，经过处理的污水被进一步净化成清洁的再生水，或者通过排污口排放到大海。

DTSS的特点是：纯靠重力输送雨污水，淘汰原来分布在全岛的污水泵站，减少了能源消耗；兼容性强，原有的浅层排水系统通过污水接驳系统进入DTSS，不会浪费现有的基础设施资源；协同优化，可以压缩污水处理设施空间，节省土地资源，实现最大程度的资源能源利用率。

新加坡的地下排水系统具备国际先进的水平，但由于整体系统设计十分依赖灰色基础设施，应对极端天气需要编制各类安全预案，保障系统高效安全运行。

2

武汉：多级立体排水系统

武汉是一座在汛期出现强降雨时容易发生内涝的大城市。武汉城区地势低，地面平均高程只有24米，汛期外江水位持续高涨，长江武汉站多年平均最高洪水位达到了25.56米，所以城市排水系统十分依赖排涝泵站。城市的发展建设挤占了原有的自然调蓄水体，市内湖泊萎缩，调蓄容积变少，是内涝频发的一个重要原因。武汉中心城区现在的排涝能力为10～20年一遇，与发达城市相比差距较大。

“十三五”（2016～2020）期间，武汉打造了以管网排水+水系排涝+泵站强排为主的暴雨管理体系，取得了一定的成效。城市内湖调蓄能力得到恢复，中心城区44个湖泊中有23个具备预降水位的调蓄功能；排水系统新增排水泵站，提升了排水能力；新增城市海绵设施覆盖面积近200平方千米，加强了城市韧性。

“十四五”期间，通过加强市政排水管网建设，挖掘城市内湖调蓄能力，推进海绵城市改造和地下深隧等骨干工程建设，构建排蓄畅通、调度灵活的城市表—浅—深层多元立体排水系统格局。

截至2021年，武汉有污水管道约4000千米，雨水管道约8000千米，合流制管道约1000千米，总计管网长度超过1.3万千米，排水系统体量接近东京的水平，这是相当庞大而复杂的。

我国管网建设任重而道远

近几十年来，为了更好地支撑城市化进程和经济社会的高速发展，我国供水排水管网的建设规模迅速上升。根据《2020年城乡建设统计年鉴》显示，我国自1978年起，已新增排水管网超过78万千米，翻了41倍。其中“十三五”期间的新增管网长度为历次五年计划之最，超过22万千米。

然而，由于我国幅员辽阔、城市众多，单一的排水管网长度指标并不能完全反映城市排水水平和能力，因此，“城区管网密度”（管网长度/城市面积）作为衡量城市排水能力的指标被引入。

据相关研究显示，2002年美国管网密度达到了20～30千米/平方千米，2004年日本的管网密度达到50千米/平方千米，而以我国2020年建成区面积约6万平方千米和管网长度约80万千米计算，城区管网密度仅为13千米/平方千米。因此，我国管网的建设任重而道远。

本文摘编自《科学世界》2023年第5期《城市管网与污水治理》。阅读全文可进入“科学世界微店”购买本期杂志。

新媒体编辑| 张丽君

审核| 周辉

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