探索智慧城市排涝建筑研究

文／周尤美 同济大学建筑与城市规划学院 在站博士后

雷 浩 英国谢菲尔德大学建筑学院 博 士

引言

近年来，由于互联网高速发展，每到雨季，都能看到有很多媒体报道城市持续性强降雨内涝问题。尤其是遇到历史罕见特大暴雨之时，城市道路积水成河，排涝不畅，造成交通中断，出行不便，威胁民众生命财产安全，引起了社会广泛关注。针对此现象，当前如何解决城市排涝减灾问题成为迫切需要研究的课题。

据考古研究发现，中国最早的城市排涝系统位于河南淮阳平粮台遗址[1]，为陶质排涝管道，两端有高差，向城外排涝。专家分析认为，距今已经4000 多年了。古今相同，排涝规划与设计，是几千年以来，人类文明在城市发展进程中始终需要面对的。目前，从古至今，仍然在使用的城市排涝建筑，唯有赣州市福寿沟了，它也是世界上最早的城市排涝建筑。因此，本研究框架首先选取了福寿沟作为研究实例之一；同时，还选取了其他国家的排涝建筑实践案例作为经验参考。采用文献法、时间轴法、现象法、外观法、对比法、历史最大雨量实践考验法等进行分析，借鉴宝贵的历史经验，汇集精华的设计理念，“有效控制雨水径流”[2]。建设完善的海绵城市、韧性城市。

首先，海绵城市（Sponge City），是在2000年前后产生的概念，它是城市雨水以及排涝管理、规划和设计的概念。是希望城市能够像海绵那样，水多的时候吸水、蓄水、净水，水少的时候放水利用，具有良好的水管理弹性，也称之为“水弹性城市”，能有效缓解城市热岛效应。由于合理利用了水生态环境资源，建立了城市生态设施，以人与自然生态优先，所以，也被称为生态海绵城市（Eco-sponge City）。其设计理念为“自然积存、自然渗透、自然净化”[3]。

再有，韧性城市（Resilient City），是国际上为防灾减灾使用的概念。“韧性”一词源于拉丁语resilire，即回弹的意思。在物理学中是材料稳定性、抵抗冲击性的能力。在城市中使用，特指地震、飓风、暴雨等，即当发生灾害的时候，韧性城市能够快速恢复和维持城市正常功能运行。2020 年11 月3 日发布的“十四五”规划[4]，第一次提出了“韧性城市”，建设海绵城市、韧性城市。

文献研究结果显示，2021 年国内学者清华大学黄河研究中心主任张红武教授以2021 年7 月河南暴雨为例，已经有针对性地提出“诸如降低水库汛限水位、完善防洪减灾工程、给洪水多留顺畅通道等解决问题的途径”[5]；有序组织城市雨水径流[6]；“把海绵城市理念纳入景观设计之中”[7]；“河道整治并结合景观建设”[8]；2020 年中科院院属企业齐聚科技业界专家助力城市排涝，引进了欧美先进水处理技术和设备[9]；在安全预先评价指标体系方面也有学者在2021 年提出了“雨水管网”[10]健康度的评价方法，对等级低的排涝旧管线优先升级改造；2021 年国外学者研究结果显示：必须听取不同的声音[11]；城市韧性（Urban Resilience）[12]、韧性概念（Notion of Resilience）在发展规划的讨论中越来越受欢迎[13]。

以下，本文将从古今中外视角，综合研究城市排涝建筑的模式与形态。

1 中国古代城市排涝建筑实例研究

1.1 世界最早的城市排涝建筑——“排涝+生态”模式

福寿沟是世界最早的城市排涝建筑。江西省赣州市福寿沟已于2019 年被国务院选为“第八批全国重点文物保护单位”。目前也已经专门为之建造了我国唯一地下排涝“福寿沟博物馆”。它是由北宋著名水利工程专家刘彝主持建造，倾盆大雨之下，也能泰然处之，即使是2010 年的6 月降雨量将近百毫米，城市的市区也没有内涝，民众生活井然有序，没有出现一辆汽车泡水的问题，经受住了实践的考验。“不涝古城”，其设计有很多独到之处。这是古人为今人留下的智慧与财富。2015年夏，由华南理工大学建筑学院吴庆洲[14]教授带领研究团队，进入福寿沟进行现场勘察，发现其结构状况尚好，水流通畅，仍然发挥排涝作用。

通过分析研究，归纳起来福寿沟的可取之处有以下五个要点：首先，蓄水联通。利用地势高差，连通城市数十数百个蓄水坑、塘、池，是一个活的排涝系统。第二，分区协调。因地制宜，建成2 个干道排涝系统，东南排涝系统与西北排涝系统，福沟和寿沟排涝系统。“福沟”主要负责城市排涝的东南部分；“寿沟”主要负责城市排涝的西北部分，协调一致进行排涝。因为其排涝纵横纡折走势很像汉字篆体的福、寿二字，由此而合称呼为“福寿沟”[15]。第三，管径高大。大约有一人多高，砖石垒砌，矩形断面，上面是半圆形拱劵结构，也是砖石垒成，高达180 厘米，宽有90 厘米。采取加大排涝沟管径坡度措施，因势利导提高排涝流速。第四，雨水单行。采取水窗设计，沟塘一体。进行水窗巧妙的精细化设计，重视水塘细节。在福寿沟的排涝口，安装12个“水窗”[16]。当“水窗”打开时，池塘的水流入江里；当“水窗”关闭时，洪水也不会倒灌进入城里，相当于现代止回阀的作用，防止出现倒流。池塘也可以养鱼，淤泥也可以种菜，形成了环保生态链，是既有排涝又有蓄水的双向调蓄作用和功能的排涝建筑，与现代“海绵城市”原理相通。第五，坚持维护。即坚持可持续发展理念。直到现在，福寿沟维护人员还是经常下到沟里进行清理，清掏、疏通垃圾和淤泥。福寿沟这种排涝形式，“反映了人类在抗击洪湖水、开垦利用土地等方面的生态智慧”[17]，被学者赞誉为海绵城市的“雏形”。

1.2 世界最美的城市排涝建筑——“排涝+景观”模式

我国还有很多古城的排涝建筑，至今仍然发挥着作用。在此，选取了北京故宫精湛的令人称道的排涝建筑工程。自明朝竣工，至今“近600年”[18]，还没有一次雨涝记录。研究紫禁城排涝建筑包括三个部分：屋顶、地面和地下。屋顶的排涝利用了尖顶坡度；地面的排涝也是通过缓坡原理；地下的排涝建造了纵横交错的排涝道和暗沟，紫禁城汇集的雨水，最终流入了“内金水河”。设置了控水闸，进行水位高低控制。并像福寿沟一样，实行养护制度，每年安排固定的时间进行淘挖养护。有专家称，据地形而建，北高南低，精心测量，差约2 米。精密的设计，可以迅速汇总雨水。精细的施工，建造有“明暗两套排涝系统”。并且，在故宫的三大殿三重台基上，建有1142个“龙头排涝孔”。据报道，在2016 年7 月20 日，北京下暴雨，故宫三大殿出现了难得一见的“螭龙出水”，瞬间就会将台面上雨水排除干净了，形成了美丽壮观的“千龙吐水”景观。其突出特点是，排涝建筑的精巧与景观艺术的审美相结合。

2 国外城市排涝建筑实例研究

2.1 世界独一无二的下水道博物馆——“排涝+文化”模式

法国巴黎海拔低，年均雨量600 多毫米，但是，下雨却很少积水。在法国的很多电影里，都曾经表现过城市地下排涝系统。有一部电影《悲惨世界》，男主人公走在巴黎宽敞的地下水通道里，令人印象深刻。它修建于19 世纪，至今已有上百余年。今天的巴黎下水道，处于城市地面下50 米处，已达2400 公里，比巴黎地铁还长。而且，有地下蓄水池6000 多座，每日清洁工冲洗街道水、浇花水都来源于此。水道设置名称，与地上街道门牌号名称统一，井盖2 万多个，有1300 多人每天进行专业维护。地下还建有多个计算机控制污水厂。是唯一的开放式可供参观的地下排涝建筑，也是世界唯一拥有下水道博物馆的地下排涝建筑，成为艺术文化与地下水道的混合体。

2.2 世界第一个城市污水二级处理厂——“排涝+净化”模式

英国伦敦的下水道，是在巴黎下水道之后建造的，与地铁同时进行施工。使用的地下排水有150 多年了，全长2000 公里左右。1913 年，英国是第一个建起城市污水二级处理厂的国家，一级主要沉淀过滤；二级主要用生物法处理有机污染物，达到农灌水及排放要求。并鼓励居民家中以及社区商业建筑进行雨水收集过滤净化，满足草木灌溉和洗衣服等非饮用水的需求。其中典型的例子是伦敦奥林匹克公园建立的雨水收集系统，不仅自用灌溉，余水还可供给街区居民用。

2.3 最早的城市雨水政府管制制度——“排涝+法律”模式

现代公路主要是柏油、沥青和水泥等材料制成，下雨时不透水，易产生内涝。国内已有学者的研究结果显示“不透水率越高、地表粗糙度越低，内涝灾害风险就越高”[19]。德国慕尼黑建造的公路路面的透水率达到80%，每周需要冲洗防止堵塞，像人行道路等压力小的路面直接采用透水抗压耐磨防滑性质的地砖铺设。在道路铺设时，砖与砖之间留出缝隙，并在道路的边上建造溢流雨水的沟渠，从而达到自然渗透的效果。德国是欧洲最早采用城市雨水管理制度的城市，1995 年颁布了《室外排水沟和排水管道标准》，目前已经对雨水管理形成了较系统的法规，雨水利用进入了标准化管理阶段。

2.4 地上开放式城市排涝建筑“水广场”——“排涝+娱乐”模式

2.4.1 从“灾”到“景”，水往低处流，水广场建在低处

选取荷兰鹿特丹作为研究案例，因为城市低于海平面，所以它无法像其他城市一样有效地将地表水排入大海。鹿特丹鼓励创新，在人口密集的城区，打造独具匠心的“水广场（Water Squares）”[20]以缓解街道积水。国内有学者研究表明城市化后陂塘（人工截蓄的小型水体）的消失，洪涝“适应能力大大减弱”[21]。

水广场可以根据“历史最大雨量”，灵活地应用在不同的低洼场所。当暴雨来临之时，雨水迅速汇集于此，变成了一个防内涝的“蓄水池”，并于2013 年，建成了世界第一个雨水收集的城市公共空间水广场景观。

2.4.2“与水共存”，雨水就地蓄留，见效快

就地蓄留从源头缓解了道路积水内涝的问题。“就地解决水问题”[22]同时不会增加现有的排涝设施压力，不仅见效快，而且造价低。水广场容量计算以社区暴雨量为基准。大雨过后，再经管道输送进行污水处理，合理利用。即使是炎热的夏天，也不会有卫生问题产生。由此而转变观念，“与水共存”，把暴雨当成补充“地下水”的机遇，形成城市生态良性循环。

2.4.3“弹性策略”，蓄水+ 娱乐，一举多得

“蓄水+娱乐”的公共空间转换为更美观、友善、多功能的城市排涝建筑景观。日常生活中，水广场是“娱乐休闲广场”，与其他公共空间一样。由于水广场本身不是污水处理系统，所以在雨水汇集流入之前，先要经过一个净水装置之后，才可以储存进入水广场。夏天孩子们能在干净的水中玩耍，冬天能滑冰，并在水广场安装水深浅的艺术灯具标示，展示水位高低，建有安全栏杆。而且，收集后的雨水，经过专门处理就可以变成为广场喷泉。每年遇暴雨泄洪收集雨水大约占用十分之一的时间，待到洪水退去之后，大约十分之九的时间就成为市民锻炼的活动场所，带给城市自然、舒缓的趣味，成为城市空间必不可少的公共空间娱乐休闲场所。

3 智慧城市“机器学习”整合多领域合作

根据前二章研究总结出了“排涝+生态+景观+文化+净化+法律+娱乐+智能”八重角色（表1）。在当今智能化时代，城市排涝建筑亟需转型升级，因此，本章将探索智慧城市排涝建筑“机器学习”，以提前预测危险。

表1 古今中外城市排涝建筑6 个实例基本信息汇总表（表格来源：作者自绘）

3.1 机器学习的概念

机器学习（Machine Learning），是计算机模拟人类学习，机器自己学习，从而获得新知识或新技能，进行重新建构已有知识，以不断地提高自身智能水平，预测并处理复杂任务。

3.2“机器学习”整合多领域合作

2021 年有研究者提出“利用无监督机器学习进行城市排水传感器布设的潜力”[23]。同年，国务院办公厅提出了“加强智慧平台建设”[24]。现在已经进入高科技互联网的物联网信息化时代了，是继计算机和互联网之后的第三次科技浪潮。所以，对于智慧城市排涝的建设，要改变旧城的排涝模式，不再是一砖一瓦、钢筋混凝土堆砌就完事了，而是要进行城市更新，升级换代，智能化与精细化结合，提升城市规划设计等级与品质。

智慧城市通常采用成熟的城市排涝与物联网融合的新模式，进行万物互联，结合遥感技术，应用于城市排涝领域，以预防城市发生积水内涝。使用智能非接触的红外线，雷达遥感水位测量7×24 小时采集积水数据，将其安装在各个交通道路、地下停车场、地铁、城市低洼场地等；联动屏幕拍照显示，数据自动传输发送至总控制室。安装可视化显示屏幕，以城市电子屏幕、车载电台、手机短信、电视屏幕滚动通知的方式提醒市民规避风险，进行有效疏导。

“机器学习”是世界新的学科，它是人工智能的最具智能的特征。未来的防洪排涝研究，可以利用大数据建模河道和河流的组合，分布式计算预测雨洪通道[25]；在大数据时代，借鉴人脑分析处理机制，机器自学，高效获取新知识，更加快速利用海量信息，最后自行地做出预测和决定，从而在危险来临之前，趋利避险，这就是机器学习的优势所在。以世界前沿学科与城市排涝跨界合作升级，将AI 人工智能以及多专业高科技工程师共同配合完成。给IT 专业提出计算机控制条件，编制满足要求的智能化软件；给自动控制专业提出水位、阀门关闭开启、水泵抽水排涝的连锁条件；给MapGIS 专业提出条件进行地下三维建模，包括：地下建筑、地下管线、地质工况等地下管理登记，建立城市排涝建筑大数据智能管理，进行水质、水压、水位、地质、定位、位移、变形、承载、变化、状态、评估反馈等数据自动传输、对接，发送至总调度室，给予应急避险的大数据以采取汛情预报。城市防涝、应急管理与防汛指挥部门就能够实时了解最新情况，为决策提供科学依据。

结语

通过以上研究发现，将结果归纳为三点：（1）海绵城市排涝建筑必须具备5 个要点：①蓄水联通；②分区协调；③管径高大；④雨水单行；⑤坚持维护。（2）中国古代城市排涝建筑就已经生态化与景观化了；世界优秀的城市排涝建筑，除了排涝重任，还身兼7 重角色：生态、景观、文化、净化、法律、娱乐、智能。（3）在智慧城市建设时代，更新城市排涝建筑需要转型升级,采用“机器学习”预测危险，跨界合作，提高城市韧性抵抗暴雨冲击。这是今后发展海绵城市、韧性城市的必然趋势。