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福寿沟排水系统建造理念对建设海绵城市的启示

2017-12-28  江南一鱼6jvvqc   |  转藏
   


编者按

福寿沟排水系统是防淹防涝之作。自1077年建成至今,在近千年历史长河中,经赣州古城官民的精心维护,它保护着古城的居民,至今依然有部分沟渠服务于古城人民。福寿沟排水系统不仅成为当地居民津津乐道并为之骄傲的存在,还作为展现古人的高瞻远瞩与蕴藏宋代点滴文化的历史遗迹,供人研究,使人敬仰。2016年8月22日,总理来赣州考察,参观福寿沟时,称赞道“福寿沟防洪排涝,造福百姓、延寿千秋”,今天我们也要建设“经得起历史检验的城市良心工程”。为缓解城市内涝,我国提出了海绵城市建设理念。至今开展海绵城市建设工作已有两年多时间,一系列问题也随之而来。为此,借鉴我国古代排水工程的成功经验,不仅可以丰富海绵城市建设理念,而且可以增强信心,坚定原则,少走弯路,建设更加完善的民生工程。


作者:江西理工大学 朱易春(1979-),男,湖北仙桃人,博士,副教授,研究方向为污水生物处理技术。


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福寿沟排水系统建设的特点


规划长远,设计合理

福寿沟排水系统之所以能够运行千年,与其规划周密、眼光长远密不可分。北宋1068年,刘彝开始主持建造福寿沟排水系统,他亲自考察古城的地形地貌,并向当地百姓了解水患具体情形,做出了详细的排水规划。赣州古城有三山五岭坐落于此,根据其地势落差大,且整体呈西南高东北低的龟背形的地貌特征,采用分区排水方式,铺设福沟”“寿沟两条主干沟(如图1所示),寿沟受城北之水,东南之水由福沟而出;充分利用古城自然形成的地势落差,全程重力流排水。地形地势成为福寿沟排水系统前期规划中的主要依据,因地制宜的规划思想贯穿其中。


图1  福寿沟平面分布


福寿沟排水系统设计科学严谨,主要因为设计人刘彝精通水利知识,且为人踏实认真。福寿沟排水系统由福寿沟、池塘与城墙组成。城墙由前人建造加固,池塘为自然形成,刘彝的主要功绩是设计与建造了福寿沟,它的主要特点是采用大尺寸的沟渠,福寿沟由福寿两条主干、许多分支与纵横的浅地表排水沟构成,其中主干宽0.6~1 m、高0.6~1.6 m,分支宽 0.4~0.6 m、高0.4~1.2 m,浅地表排水沟宽0.2~0.4 m、高0.2~0.8 m。大尺寸是古今中外杰出排水工程的共同特点,也是其拥有大水量排水功能、保证雨水及时流出的关键。福寿沟设计的合理性还体现在主干的结构上,下半部分用花岗岩修砌,坚硬抗压防腐,上半部分为砖拱结构(如图2所示),抗震抗压,此结构还便于维修,只需更换损坏砖块便可保证沟道完整。此外,在设计时还考虑了防堵塞与方便清通维护问题。科学的设计不仅实现了福寿沟完善的排水功能,而且使其坚固耐用。


图2  福寿沟主干结构


尊重自然,疏而不堵

福寿沟排水系统具有强大的雨洪调蓄能力,在正常运行期间,从未有过水患,这得益于古人尊重自然、疏而不堵的治水理念。福寿沟排水系统的调蓄功能由城墙、福寿沟、水塘完成。赣州古城三面环水,江水上涨淹城时,一方面城墙具有防护功能,另一方面福寿沟末端排水口的“拍门”(古代为木制现改为铁制,如图3所示),可在江水淹没排水口时自动闭合,防止江水倒灌入福寿沟,而在平时水流可将其冲开正常排水,构思十分巧妙。水塘在城市生态系统的循环过程中,起着调节气温、改善气候、美化环境、防涝排水的作用。福寿沟连接起城内上百口大小池塘,其末端通往城墙各处将水排入江中。由此,城墙防护,池塘储水,福寿沟连通疏导,三部分各司其职,互相配合,实现暴雨时江水上涨,城内雨水通过福寿沟排入池塘,洪峰过后再从池塘排入江中的功能,保证暴雨时路面不积水,居民正常生活。


图3  福寿沟排水口处拍门


自然的力量远大于人力,古人利用现存池塘的自然调蓄能力,在地下修建雨水排泄通道,巧妙地设计了福寿沟排水系统,不仅节省了人工开挖的人力物力,而且充分发挥了自然调蓄的功能。尊重自然,疏而不堵的治水思想,古今通用,应当成为设计者的首要原则。而如今,赣州古城水塘数量骤减,三山五岭所剩无几,挖山填塘建房工程使得福寿沟排水系统失去了原有的调蓄能力。

 

民生工程,方能长久

从古至今,治水活动从未退出过历史舞台,即使劳民伤财,面对古城百姓连年遭遇水患,为保证人民生命财产安全,方便居民日常生活,古人毅然决然地设计并建造了福寿沟排水系统,所以这一工程是为民而建。福寿沟排水系统承担了暴雨时调蓄与平时排污两大主要功能,排水体制为合流制。就日常排污方面,遍布古城的大小水沟收集居民日常排出的污水。值得一提的是,在居民的院子与厨房里也分布了各种排水设施,污水从居民家中便可排到福寿沟(如图4所示),然后流出城外。在一千年前的古城居民们便享受到了建筑给排水设施带给他们的便利,处处体现着设计者为民而建的思想。为纪念刘彝,人民为其塑造铜像,陈列在古城墙旁的宋城公园中并镌刻其功绩于四贤坊上,受人敬仰。


图4  民居中的排水口与水沟


回顾历史,福寿沟建成至今(2017年)已有940年历史,除因福寿沟本身坚固耐用外,还得益于历代人们的悉心维护,福寿沟每每损毁,无法正常运行时,当地官府百姓均会出资出力进行大规模维修,使得这一伟大工程延续近千年。


重视细节,实用性强

福寿沟排水系统的长期良好运行,除规划科学外还有设计者充分考虑实际,重视细节的原因。排水沟渠流通的污废水中泥沙垃圾等沉积造成排水不畅是不可避免的问题,福寿沟也不例外。为改善这个问题,福寿沟排水系统结合了一些防堵措施。除主体坡度(平均坡度在4%左右)设计较大外,还有防堵与方便清通的设施。在地表安装有铜钱状的雨水篦子(如图5所示),防堵又美观;在福寿沟各个转弯处的石狮爪可以扒开污水中的垃圾,减轻淤堵;在各检查井处设有沉井(如图6所示),泥沙垃圾等流经此处留在沉井中,清通人员只需定时清理,无需对整个福寿沟清通,极大减少了清通维护工作量。每一个小小的构筑物均体现了古人设计时的创意与用心。福寿沟排水系统如此庞大的工程正是因为有它们的存在才得以良好运行,可见实用的细节设计不可或缺。


5  铜钱状的雨水篦子


6  福寿沟沉井示意


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福寿沟建造理念对现代海绵城市建设的借鉴意义


海绵城市就是城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的弹性,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水释放并加以利用。海绵城市建设采用低影响开发模式,优先利用自然排水系统,建设生态排水设施。低影响开发理念虽然来源于美国,但其尊重自然等理念与福寿沟排水系统设计思想本质相通。由于所处时代的限制,福寿沟排水系统的规模较小、科技含量较低,但古人的设计规划遵循的规律,经过千年时间的考验,证明其有效可行且符合自然法则,对当前海绵城市建设具有深刻的指导意义。

 

规划引领,创新理念

《海绵城市建设技术指南》提出海绵城市建设的基本原则,将“规划引领放在首位并强调因地制宜充分肯定了合理规划的重要性。在福寿沟建设过程中,古人通过实地考察,保证规划因地制宜。然而目前试点城市普遍面临时间紧的问题,而规划见效周期长,其过程又需要大量的准备工作,在这种情况下更应强调规划的重要性,才能很好地发挥其引领与控制作用。

 

海绵城市建设是几十年的长期任务,应首先制定总体规划,而城市总体规划重在理念创新。众所周知,以灰色基础设施为主的传统城市排水系统建设理念存在明显的局限性,大面积硬化地表已成为城市洪涝的主要原因之一,自然的水循环通道被破坏后,地表径流量增加,生态环境改变,城市洪涝灾害逐年加剧,我们应摒弃人定胜天的建设思想,借鉴福寿沟排水系统的建设理念。改善周围环境应先与自然相结合,优先考虑自然下垫面情况,保留自然河道等雨洪调蓄设施,充分利用自然雨水排泄通道。在此前提下,根据水利知识,人为疏导,增加自然调蓄功能,减少施工量。填湖挖山不可取,挖湖造山亦非首选,结合自然地貌开展建设,避免大面积人为干预,引导雨水“渗、滞、蓄、净、用、排”,实现雨水的自然积存、自然渗透、自然净化和可持续水循环。

 

分区落实,合理布局

海绵城市是在城市基础设施建设过程中提出的新型城市建设理念,着眼于城市的长期发展,在正常的气候条件下,典型海绵城市可以截流80%以上的雨水。合理的设计规划与扎实的工程建设是保证海绵城市长期有效的基础。

 

总体规划制定后需确定详细规划。海绵城市建设立足于全国范围,当今中国城市面积较大,且正在不断增加,根据不同地形与地表自然特征,在有条件的情况下,分区规划建设很有必要。赣州古城面积为2.7平方公里,且有一百多口水塘遍布古城区,可见水塘的分布相当密集,古城中各个角落的雨水被福寿沟收集后可及时排入周边池塘,因此福寿沟排水系统的调蓄功能才如此全面。虽然我国的城市大多没有像赣州古城一样的自然条件,但海绵城市建设不应局限于低影响开发分散式设施,还应考虑增设具有水量调蓄功能的低洼地带。此外,像福寿沟排水系统一样的全覆盖分散式的雨水调蓄构筑物分布特点,应该在方案中有所体现。

 

绿灰并重,重视细节

在对海绵城市内涵理解上,目前部分试点城市存在偏灰色派与偏绿色派两种主张。海绵城市建设尽管强调低影响开发,增加绿色基础设施来减少初期雨水径流污染、削减洪峰流量,但面对特大暴雨,还需建立高效的灰色基础设施来保证城市安全,所以应灰绿并重,两手抓。高效的灰色基础设施主要体现在容量大与流通快上,福寿沟断面尺寸较大,在特大暴雨时才能及时排走雨水。我国原有管网规划设计标准偏低,暴雨重现期多数为1年或低于1年。海绵城市建设灰色基础设施时,应首先考虑改造已有的基础设施,对老旧城区的现存管网进行清通维修升级,并对其增设防合流制溢流污染设施;在新城区铺设新管网时,尽量采用大管径,避免重蹈覆辙,建设一劳永逸的百年工程。

 

建设基础设施过程中,要本着所选技术成熟实用,质量过关的匠人精神,建造百年工程。福寿沟在施工过程中,所选工艺先进成熟,材料质量上乘,砖石之间的粘合与各个细节的设计均独具匠心。在各个海绵体的落实过程中,也应如此。

 

为民所用,长期维护

建设海绵城市是一项改善民生的大举措。融合大自然于城市建设中,不仅防洪减灾,而且改善生存环境,增加人民幸福感。古今中外任何排水设施都需不断清通维护,海绵城市也一样。目前我国海绵城市建设工作刚在一小部分地区展开,距全面维护阶段还有一段时间,但在已建成的试点城市中,依旧存在运营维护工作缺失的问题,在维护环节普遍缺少社会投资,主要集中在道路、绿地等具有明显公益性质的海绵体中。为此,政府大力推行PPP模式等合作体制。海绵城市,立足于改善民生,应坚持长期维护,不能让前期巨大的投入没有成效。


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笔者之见


根据事物发展遵循螺旋式上升、曲折中前进的规律,在海绵城市建设初期出现的一系列问题实属正常。海绵城市建设在广度与深度上均远超福寿沟排水系统,其本质是建设理念的改进,建设过程涉及范围广,相应的管理政策、知识体系、工程技术及相关产业的更新与大量人才的培养均需要时间与精力,非短期能完成。

合理的规划离不开数据的支撑,完善各地的水文资料,也是一项长期任务,应同时着手进行。根据试点经验,陆续制定地方相关设计规范,为设计人员提供可参考的文件,有利于海绵城市在全国的展开。


本文详细内容参见2017年12月《中国给水排水》第24期《福寿沟排水系统建造理念对建设海绵城市的启示》,作者王佳琪1,2,朱易春1,2,章璋1,2,刘祖文1,2,肖荣华3(1.江西理工大学 赣南客家文化数字化研究院;2.江西理工大学 江西省环境岩土与工程灾害控制重点实验室;3.赣州市城乡规划设计研究院)。


王佳琪,朱易春,章璋,等. 福寿沟排水系统建造理念对建设海绵城市的启示[J]. 中国给水排水,2017,33(24):7-11.


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