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雨水在城市的漂流之路

8月24日早晨,很多人都被#北京大雨过后美景#的热搜刷了屏,经过昨夜一场大雨的洗礼,北京天空现大面积五彩祥云。

这般的美景可谓来之不易,23日傍晚至夜间,北京出现大到暴雨,通州、大兴和平谷的局地达大暴雨。大部分地区雨势平缓,东南部局地短时雨强较大。

北京市气象台先后发布暴雨蓝色、大风蓝色预警信号,并联合市规自委发布地质灾害气象风险预警,联合市水务局发布山洪灾害风险预警。大兴、通州、平谷和房山4个区气象台升级发布暴雨黄色预警信号。


 8月23日14时-24日07时北京市累计降雨量分布图



这里小编也要提醒北京的朋友们,此次过程雨量大,山区和浅山区土壤饱和度较高,存在发生地质灾害气象风险,公众尽量避免前往山区,谨防次生灾害。

 

其实,对于城市而言

地下排水系统的建设的充分与否

是城市居民生活财产安全的保障 



今天我们就一起看看
自古以来那些堪称优秀模范的
城市地下排水系统


Part. 1


赣州古城

赣州古城位于江西南部,具有“千年不涝”的殊荣,其防洪系统始建于北宋时期,由刘彝主持修建,包括福寿沟、水窗和水塘三部分,总体秉承着“源头控制、排蓄并举”的举措。



福寿沟是赣州老城地下排水系统的总称,由于其两条排水干道“福沟”和“寿沟”形似古篆“福寿”二字而得名。排水干道也是由三部分组成,第一部分为明沟,主要作用是汇聚雨水,导流至暗渠;第二部分为暗渠,即雨水汇入池塘或者江流的通道;第三部分为池塘,主要起着蓄水作用。三系统相辅相成,互为循环。




水窗的建设,可谓是水力学在古时的高光时刻,水窗制作巧妙,借水力自动启闭。水窗由外闸门、内闸门、度龙桥和调节池四部分组成,充分运用水力学原理,当江水上涨时,借助洪水冲力使外闸门自外紧闭,洪水就灌不进沟里;当洪水退去,水位下降到低于水窗时,又借助沟里的水力将内闸门冲开,确保雨水顺利排出。


水塘—储水设施江水暴涨时,为防洪水倒灌入城,福寿沟水窗受江水压力自动关闭后,也导致福寿沟里的雨水排不出去,照样形成内涝。为解决此难题,刘彝设计把下水道与城区的数十口水塘连通,形成一个调储水系统,使得城区形成一套有相当容蓄调节能力的系统,大大减少了大量降雨时的外排压力。

Part. 2


巴黎下水道博物馆

提及巴黎,大部分或许首先想到的是诶福尔铁塔,亦或是卢浮宫、凯旋门等景点。然而,还有一个易被世人所忽略的“地下之城”—巴黎下水道博物馆。


据博物馆历史记载,在公元1200年,巴黎修建了雨水和生活污水的排放管道,在1370年修建了地下排水系统。而传承至现代的下水道系统,是由欧根·贝尔格兰德在1850年主持设计的,总长达2347千米,日排污水量达120万立方米,共计约2.6万下水道盖,6000余地下蓄水池。


据史料记载,中世纪以前,巴黎城市用水取自塞纳河畔,废水污水则是直接排放至附近的田野或荒地,随后陆续出现了安置于路中央的排水阴沟,但长此以往,两边高,中间低的地势,致使污水在城市中像车马一样露天流动,并且频频堵塞,巨大的异味让市民叫苦不迭,并且由于没有净水系统,废水直接回流塞纳河,也导致了河流的污染。


1851年,贝尔格朗利用巴黎东南高、西北低的地势特点,设计了将废水排到郊外阿谢尔野地的方案,并且为下水道系统的发展、清除和维修建立了一套较为完整的程序。


建成后的下水道平均宽3米,高2米,分别设有提水泵站,排水泵站,拦截杂物闸门,清理污渍闸门,水力冲洗设备等设施。并且,下水道的顶部空间也得到充分利用,进行了防潮处理,地面和墙壁干燥通风,既是下水道,又是巴黎城市公用管网系统工程的专用通道。在弧形顶部和两旁的墙上,规范有序地安装排列着饮用水管道、非饮用水管道、煤气管道、支线下水管道以及供电线缆、通讯线缆等。

Part. 3


故宫

2012年7月12日,北京遭遇了“61年不遇”的特大暴雨,致使全城多处成为积水达数米。


故宫却凭借其良好的排水系统,并未遭遇大面积积水,整个紫禁城的整个紫禁城的排水系统经过了精心测量、规划设计和施工,用于排水的干道、支道,明沟、暗沟,涵洞、沟眼,纵横交错,主次分明,共同形成了四通八达的排水网络。总的走向是将东西方向流的水,汇流到南北走向的干沟,然后全部排入内金水河。

除了排水设计的功劳外,故宫少有因雨水过多而积水栓塞的原因主要是利用了地面的坡度差,整体来看,紫禁城紫禁城呈北高南低的特征:北门神武门地平标高为46.05米,而南门午门地平标高44.28米,南北纵向地平标高相差近2米,在重力作用下,2米的坡度差致使雨水能顺利汇入内金水河中。

Part. 4


首都圈外郭放水路工程

日本由于地势和地理位置的原因,遭逢,洪涝灾害频发,1991年,东京遭遇巨大洪灾,导致万顷土地淹没,数万房屋冲毁,人民流离失所。

为解决城市排水难题,日本东京于1992年启动G-sans修筑计划,耗时14年共计20亿美元,才完成了这项堪比地下宫殿的泄洪工程。根据计算,整个首都圈外郭放水路总贮水量约67万立方米,总排水能力为200立方米每秒,堪称现代城市排水的典范。


如上图所示,整个工程包括分洪入口,主控操作室,调压水槽,以及5个巨型蓄水池,并用长达6公里的地下隧道相互连接。

巨型蓄水池(上图2)是防洪蓄水设施主力装置,根据地表流域的分布,共设有5个,直径由15-32米不等,纵深70米,甚至可以将整个美国自由女神像放置其中。其中流量较大的是第三和第五竖井,采用了旋涡式水流技术,有效降低水流的冲击。

首都圈外郭放水路的主体工程(上图3)是一条位于地下50米、内径10米、长约6.3公里的隧道,使用盾构法建成。

其中主控室(上图5)是整个设施的核心所在,配合气象监测Amesh系统,可以实时进行水闸水泵启停,流速流量调节等核心功能。

调压水槽(上图4)便是具有地下宫殿之称的设施,宽约78米,长约177米,由59根巨型钢筋混凝土柱子组成,每根立柱重约500吨,高18米,主要作用是降低隧道内洪水的流速和压力,使蓄水平稳的汇入江户川(日本河流,长59.5公里,也是蓄水最后泄洪出口)。甚至,这里已经成为了日本的一个景点,在非雨季,可以通过预约进行参观,站立在巨柱旁边,倍感庄严肃穆,因此也得名—地下神殿。

除了可供游客学习参观,了解防洪、河流相关知识。首都圈外郭放水路也在其他领域有相当影响力,例如衍生了许多动画、影视作品,《假面骑士》、《生化危机》等作品均曾将此作为取景地。

后记


总体来说,城市是否发生内涝(由于强降水或连续性降水超过城市排水能力致使城市内产生积水灾害的现象),与本地的城市排水系统建设相关,但更为重要的是,也和当地的地质条件(地势、土质渗透率等),气象条件(降雨量等)息息相关,目前世界各国均已投入了大量的人力物力财力用于城市地下排水系统的建设,按照暴雨重现期(在一定年代的雨量记录资料统计期间内,大于或等于某暴雨强度的降雨出现一次的平均间隔时间)进行设计施工。但是由于城市本身地势条件限制,遭逢特大暴雨时,排水系统短时间难以承受如此巨大的流量,甚至部分城市水位上涨,面临无处可排的窘境。

对于国家而言,发生内涝灾害,考验一座城市的不仅仅是它的排水系统,更为重要的是整个城市的相应、调度以及恢复能力,用多久可以回归正常的生活节奏,更是对一座城市考验。

在此,向奋战于我国抗洪抢险一线乘风破浪的战士们,致以最崇高的敬意!

参考文献:
[1]奇云.享誉世界的巴黎下水道[J].城市与减灾,2010(06):36-38.
[2]郭全其.盘点世界著名的城市排水系统[J].地理教学,2012(22):4-6.
[3]谢显纹.浅述赣州古城的防洪系统[J].收藏界,2019(05):68-69.


文章来源:中科院地质地球所

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