城市排水技术发展史

　　什么时候我们会切身地感觉到水的重要性？当然是停水的时候啦。鉴于各位从出生到现在，已经习惯了家中随处可得的自来水，在享受便利水源的同时多少知道有自来水厂专门向居民提供生活用水，虽然知道这水从哪里来，可是又有多少人知道这水去了哪里呢？这就要涉及到“排水系统”的问题了。

　　现代排水系统或者叫“排水工程”并不是单指通常所说的下水道，实际上它包括建筑排水、市政排水、污水处理三个方面的内容，内容非常庞杂，咱们还是节约篇幅重点给大家讲一下与我们生活息息相关的市政排水。市政排水也叫城市排水，简单地说就是收集各种城市污水并及时输送到适当地点，妥善处理后排放或再利用。

　　最初的排水技术

　　据历史记载和考古发掘证实，早在公元前2500年，古埃及就已经建有污水沟渠。后来古希腊的城市也建有石砌或砖砌的灌区系统，而古罗马则在公元前6世纪建造了著名的“大沟渠”。由此可见，这些简易的排水方式都已经很有年头了。

　　不过真正利用管道系统来排放污水，最早还是源自中国。早在4300多年前，位于河南淮阳的平粮台古城，就已经开始使用陶制排水管道了（那时候陶是主要的生活生产材料），直到现在的管道也基本上沿用了那个时候的技术。例如铺设在地下成“品”字形的三根管道，为什么？分流制呗；三根管道还分别流不同水质的水，以方便处理；另外这些管道有着比较统一的标准和规范，是一节一节的模块化，每一节都是一边较细，直径0.23-0.26米，有榫口，另一端则比较粗，直径0.27-0.3米。把管道做成一节一节的制式，就可以适用于各种不同的地方，通过套接来连接每一段管路。就是到了现在，大多数的排水管道依然采用这种方式，学名叫“承插式连接”。平粮台古城的下水道称得上是古代城市排水设施建设的一座丰碑！

　　到了3000-3500年前的商代，城市排水技术又有了很大的进步和发展，已经出现石头砌的地下排水暗沟作为主排水干道。皇宫内还有若干的小排水系统，作为排水支路，与干道相连。整体的布局那是相当合理，结构也相当坚固，这不由让我想起了上个世纪英国人建设的城市排水系统，似乎是山寨我们老祖宗的。

　　对于城市污水的处理最早始于唐朝，唐长安城内大规模修建统一的排水系统，从布局到细节非常之讲究，除了砖石砌壁的地下暗沟以外，为了防止沟渠淤塞，每隔一段距离就安装一组闸门，第一道闸门由铁条构成，组成间隔较大的窗棂型，拦截较大的污物；第二道闸门布满菱形镂空的铁板，用于过滤较小的污物。一旦排水渠道堵塞，只要打开闸门附近渠道口的覆盖物（其实就是今天的井盖），就可以进行清理。到了科技高度发展的今天，所有污水处理工艺最重要的步骤、也是所有环节的第一步，就是粗细格栅的过滤，简直跟唐朝人的做法是一模一样的。

　　如果你觉得这已经很牛了，那你就错了，要说最完善、最先进的还是宋代排水技术。北宋都城东京（今开封）在城市排水史上占有重要的一页。东京城水系十分发达，除了蓄水量高达1765.6万立方米的三重城壕、总长30公里的四条穿城河道、各街道的明暗沟渠以外，还有一条80米深4.8米宽、长30公里的护城河，以及四个大型的蓄水池。城市河道密度之大、调蓄容量之大，体现了整个城市排水系统的规划、设计和建造达到了很高的科技水平，排水设备设施管理措施也十分完备，堪称古代城市排水典范。提起北宋的排水，除了都城以外，不可不提江西赣州，古称南康郡、虔州，其下水道历史悠久，早在宋代中叶就形成了非常完善的排水系统—福寿沟。

　　据《赣县志》记载：“福寿二沟，昔人穿以疏城内之水，不知创自何代，或云郡守刘彝所作。”话说这刘彝绝对是个标准的Geek，他在北宋熙宁年间出任赣州知县，他依据城市地形特点、街道布局以及发展趋势，主持建造了福沟和寿沟两个排水沟渠。寿沟受城北之水，福沟受城南之水，俨然就是个标准的城市排水系统。福寿沟为合流制系统，因此断面设计较大，约有0.6-1米宽，1.6-2米高，总长12.6公里，最终排到下游江水中。光是为市政排水做总设计师还不能完全说明刘彝的G eek精神，最令人感到惊奇的还是他的发明—“十二水窗”，能“视水消长而启闭”。其做法是在出水口处装一扇木门，门轴装在上游方向，也就是这扇门只能向外开，不能向里开。当江水水位低于下水道的时候，污水水力冲开木门，顺利排放到江水中；当江水上涨，倒灌进下水道时，依靠江水水力，将木门关闭，阻止江水倒灌，当然此时污水暂时也排不出去，但随着污水的积攒，污水水力一旦大于江水水力时，污水又会顶开木门，排到江水中去，污水排到一定程度，江水水力又大于污水水力，木门又关上了……这“十二水窗”无论从原理还是用途来看，完全就是现代给排水系统里最常用的“单向止回阀”，不得不让人再一次被祖先的智慧震惊。

　　福寿沟的价值还远不止一般的污水排放。大家都知道前一段时间我国南方洪水泛滥，而江西赣州的父老乡亲们一点都没有被洪水打扰，依靠的就是宋代留下来的“福寿沟”。真不愧为“福寿沟”啊，为几千年之后的我们都造福了。反观近年来我们的市政工程建设，随便一场雨，轻则导致马路积水，重则导致汽车抛锚，交通停滞，再重的话则洪水泛滥家破人亡，难道我们科技发展到现在，还不如几千年前的水平？当然了，这不仅是科技问题，你懂的。

　　宋朝不但有完善的排水系统，先进的排水设备，而且还具备一套完善的排水管理体系，以及严格、科学的制度。据《东京梦华录》记载：“每岁兴夫开导至石板石人以为则。岁有长役，民未尝病之。而水行地中。京师内外有八水口，泻水入汴。故京师虽大雨无复水害，昔人之画善矣。”也有以诏书形式指定的，宋真宗大中祥符八年诏曰：“自今后汴水添涨及七尺五寸，即遣禁兵三千，沿河防护。”元祜四年（1089年）十二月诏曰：“京城内汴河两岸，各留堤面丈有五尺，禁公私侵牟。”由此可见，宋朝人不但下水道修得好，管理体制也非常完善，更加值得当今的管理者深思啊。那么与古代城市排水系统的典范相比，现代的城市排水系统又是什么样的呢？

　　现代城市排水系统的由来

　　现代化排水系统的形成得从19世纪中期说起。大家都知道当时西方国家的工业化进程迅猛发展（这段历史不讲，不明就里的同学请翻阅初中历史课本“工业革命”相关章节），工业的发展给人类带来“无穷”的便利，但是人类付出的代价也是“无穷”的，因为在当时，任何城市都没有排水系统这个概念，污水都直接简单粗暴地“泼”到外面。如果只是你的洗脚水泼到外面还好，也就是砸到花花草草或者某个倒霉蛋，要是工厂机器的“洗脚水”泼到外面，导致的结果就是各种污水混杂。污水这东西是越混越毒，各种污染和疾病不但漫天飞舞，还到处乱窜污染了土地和地下水源。另外由于有机物的丰富使微生物大量繁殖和死亡，导致恶臭熏天污染空气，成为所有生命的第一杀手。随着问题的日益恶化，那些惜命的大佬们开始花钱“研制”现代城市给排水系统。他们把雨水、废水收集起来，与地下水隔离，利用渠道统一排走，这就是最初的城市排水管网。

　　但是问题并没有彻底解决，简单的沟渠虽然可以隔离地下水与污水，但是最后直接排放到河流，同样污染了河水。于是乎，他们开设了专门的污水处理厂。可惜的是人们对环境保护的意识淡薄，一直到二战结束，世界经济腾飞，也没能强化人类对于污水的关注。

　　比如德国，在1911年就已经有70座污水处理厂了，可是一直拖到1957年，西德的污水入网率也只有50%，1961年的东京甚至只有21.2%！这基本上算是现代城市排水技术的第一个发展阶段。

　　第二个阶段是从19世纪60年代开始的，在发达国家中过快的经济发展和环境的矛盾越来越严重，就如同我们现在所经历的一样，经济发展地越快、环境越恶劣、人们的生活质量越差。此时国际社会召开了一场重要的扯淡会议—哥本哈根……打住，不好意思我穿越了。那时候那些发达国家们可还没有想到要控制碳排放，他们要的只是发展、发展、再发展！但随着公众的抗议浪潮不断高涨，大佬们越来越惜命，不得不投入大量的人力、财力和精力去铺设地下污水管道，建设污水处理厂，研究污水处理工艺，提高污水收集率，并制定了一大堆的标准规范来限制污水排放。既然下了血本投入，情况自然迅速好转，到了1979年，东京的污水入网率达到70%，1987年西德的入网率高达95%，处理率为86.5%！有钱真是好，百分比折着跟头走啊。此时，人类的城市排水系统已经基本成型，此时的治理，又称为“点源”治理。

　　但是问题又来了—虽然你把污水都控制好了，可是雨水也跟着污水来捣乱。雨水的特点跟污水不一样，污水是定时定量，每天排放的污水基本差不多，如此一来，管道的粗细、污水处理厂的容量等等很容易控制和计算。但是雨水可就不以人的意识为转移了。下雨？不下雨？下大雨？下小雨？这些问题可不是像你洗脚一样（怎么又是洗脚），每次用的水都差不多、每天都洗。过大的雨水会和污水“抢”下水道，一旦充满管道，不但污水排不掉，还会溢上来，造成污染；过多的雨水进入污水处理厂，大大超出污水处理厂的容量，会导致处理不掉就要排放，同样造成污染。针对雨水这种不定时、不定量的破坏性，在70年代，发达国家把雨水管理提到了日程上，直到今天，仍然在致力于此项工作，他们称作“非点源”治理。具体说来分成三部分：第一是“源控制”，对雨水源头进行控制，比如就地渗入地下，延长排放时间，暂时存放等等，起到消峰、减流、净化雨水径流、补充地下水等效果。第二是“下游控制”，简单地说就是在下游合适的地点修建人工调节池塘，将雨水和污水的混合物在此进行缓冲和简单的处理。第三就是“分流制”，将雨水和污水分开，进入两套不同的排水管道系统，各自排各自的，谁也不影响谁，污水呢去你的处理厂，雨水呢就直接排到就近的水体，可谓尘归尘，土归土……

　　而提起现代化的城市排水系统，不得不说的就是英国伦敦的地下排水网络。你想到了什么？李奥纳多、拉斐尔、米开朗基罗和多纳泰罗这四只神奇的乌龟？没错，他们就是驰骋英国地下管道的忍者神龟（虽然我到现在还不理解为什么乌龟会在下水管道里），让大家印象最深刻的就是他们在宽阔的地下管道中的追逐与打斗。别以为这只是动画片，伦敦的下水道确实就是这样，开阔得可以随便走人，甚至小汽车也可以行驶，因为它可是目前世界上最大的地下排水系统，被称作七大工业奇迹之一！这还要多亏它的父亲—号称“The Sewer King”（下水道之王）的约瑟夫.巴泽尔杰特，这位仁兄拯救了整个伦敦，也拯救了整个世界。因为在1848年的伦敦充斥着霍乱，死于霍乱的人数超过1万4千人，坟场永远不够用，连停尸房也要预约，霍乱简直就像一个疯狂的杀手肆虐着整个城市。

　　随着环境继续恶化，排泄物堵塞了城市的命脉，空气污染到不能呼吸，伦敦眼看即将溺死在自己的污水之中。可悲的是人们并不知道如何解决，除了他—不是忍者神龟，是下水道之王约瑟夫。当这位同志拿着最初的设计方案去说服伦敦市政当局的时候，无知的官僚们无情地拒绝了他五次。直到1858年，城市臭到逼近吉尼斯世界纪录，国会议员在巨大的舆论压力下，不得不同意了约瑟夫的城市排水改造方案。到此为止，约瑟夫走完了长达7年之久的“审批盖章”之路（由此可见西方国家办事效率之低啊，是根本不能和我们相比的）。到了1859年，约瑟夫的地下长城正式动工，全长也从最初设计方案的160公里扩大到1700公里，在伦敦地下纵横交错，基本上把伦敦地下挖成了蜂窝煤。

　　为了保证地下被大面积挖空而不会坍塌，工程部门研发了高强度水泥，而约瑟夫则发明了一整套工程质量检验方法和标准。在整个地下管道的建设中，这种高强度水泥砖一共使用了3亿8千万块（也不知道是谁数的）！

　　虽然在整个施工过程中，不是挖坏煤气管道，就是与地铁隧道打通，要不就是坍塌，或者遭到皇家火炮试验场的炮火袭击，但约瑟夫巨大的决心使他顶住了所有压力。到了1865年，工程全部完工，实际长度超过了设计方案，达到2000公里！由于约瑟夫的地下长城将污水和干净地下水分离，间接解决了多年的霍乱给人们带来的痛苦。如今，人们在街上行走的同时，却丝毫察觉不到忍者神龟在地下行走，哦不，是污水在庞大的地下管道中流淌。而这位名叫约瑟夫的G eek的脑袋也永远立在了伦敦，成为拯救人类最多的人。

　　由于英国雨水繁多，因此污水流量变化巨大，聪明的约瑟夫选用了变截面的沟渠。截面包括两种，一种是卵型，一种是“蘑菇型”（姑且这么叫）。这样在水流量比较小的时候，在较小的水流断面流动，保证了流速足够大，使得污物不会堵塞沟道，当流量增大时，随着液面上涨，水流断面也慢慢增大，使通过的水更多。

　　当然下水道的断面除了上面说到的以外还有很多种，最常用的灌渠断面是圆形，半椭圆形、马蹄形、矩形、梯形也是常见的。圆形断面有较好的水力性能，在坡度一定的条件下，圆形断面面积具有最大的水力半径，因此流速最大、流量最大，而且管材也更容易预制、抗压能力强。总之定好了形状以后，对于约瑟夫来说接下来就得解决材料问题，最终他还是采用了混凝土管和钢筋混凝土管，并通过承插式、平口式、企口式三种方式来连接。

　　除了混凝土以外，陶土也是用于制造污水管道的材料。当然如今的陶土管道，并不完全是山寨自祖先们的设计。由于陶土管道抗磨损，抗腐蚀，一般用于酸性很强的废水，或者土壤中酸性很强的地区。另外还有一种很重要的管材—金属。金属管分为铸铁管和钢管两种，但是一般很少使用，只有在高压排水时才会使用，毕竟费用高得吓人，而且抗腐蚀性很差。当然随着科技的进步，一些新材料也跻身排水管道用料，在这里就不细说了。不过像英国那种大规模的地下沟渠，肯定还是以砖砌和砂浆为主啦。

　　那么管道是如何入住地下的呢？聪明的你肯定会想到本山大叔那个“冰箱门打开，把大象放进去，冰箱门关上”的笑话，放置管道说起来好像也只需要“把地刨开，把管子放进去，把土填上”。不过这只是管道施工最简单粗暴的方法之一。在繁忙的城市中，很多地区不允许你打开“冰箱门”，那怎么办？

　　还有很多不用打开冰箱门也可以把大象放进去的方法。比如说盾构和顶管技术。这两种技术是目前最先进的“掏洞”技术，原理很类似，如果要掏的洞直径比较大，就需要用盾构机进行工作。这个大家伙原理比较复杂，咱们就不浪费篇幅了（2009年第3期《Geek》有专文介绍）。

　　城市排水的新技术

　　除了上面提到的种种技术以外，很多新技术的参与使得排水工程又有了新的进步。比如说雨水的回收与利用，通过上面的叙述，大家都知道雨水对城市排水的影响很大，那么自然有人打起了化废为宝的主意，将经排水系统排出的雨水收集起来，处理后用于绿化、洗车、工业冷却水等领域。但是这会不会造成地下水严重缺失，最后导致地表塌陷？不得而知，还是由专家们去解释吧。另外数字技术的应用同样改变了排水工程，除了刚才说的盾构机是靠全自动化控制完成的，还有一些数字技术应用于城市排水之中。比如，在很多地方的雨水收集池中加入了水位传感器，来监控雨水上涨的速度，从而控制雨水排水泵的转速。这样雨越大，雨水排水泵转速越高，排水能力越大。还比如GIS地理信息系统在地下管网中的应用，由于地下管道属于隐蔽工程，谁也不知道自己脚下有多少根管，分别是干什么的，通过GIS的定位和信息的检索，就可以很快知道，管道的数量、位置、用途，管径是多大、什么材料的、里面的介质是什么、是哪年建设的、最近的一个阀门在什么位置……简直就是一份管道的资料库，这样不论何时何地都可以充分掌握这条城市静脉的健康状况。

　　关于城市排水系统，还有不少人的认识仅仅停留在“下水道”上面。虽然很少有人会关心那些在大部分人心中又脏又臭的下水道，但城市又不是光吃不拉的貔貅，一个城市的排水犹如人的排泄系统一样重要。而且城市排水系统直接关系着整个城市的运转和所有居民的健康甚至生命。可见城市排水系统的发达程度直接象征着城市文明程度。最后希望各位能够改变对下水道的看法，它并不是一个又脏又臭的地方，它包含智慧、科技、拯救，默默无闻地在城市脚下奉献，正可谓“脏了我一个，幸福千万家”。