探索智慧城市排澇建筑研究

文／周尤美 同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 在站博士后

雷 浩 英國謝菲爾德大學(xué)建筑學(xué)院 博 士

引言

近年來，由于互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，每到雨季，都能看到有很多媒體報道城市持續(xù)性強降雨內(nèi)澇問題。尤其是遇到歷史罕見特大暴雨之時，城市道路積水成河，排澇不暢，造成交通中斷，出行不便，威脅民眾生命財產(chǎn)安全，引起了社會廣泛關(guān)注。針對此現(xiàn)象，當(dāng)前如何解決城市排澇減災(zāi)問題成為迫切需要研究的課題。

據(jù)考古研究發(fā)現(xiàn)，中國最早的城市排澇系統(tǒng)位于河南淮陽平糧臺遺址[1]，為陶質(zhì)排澇管道，兩端有高差，向城外排澇。專家分析認(rèn)為，距今已經(jīng)4000 多年了。古今相同，排澇規(guī)劃與設(shè)計，是幾千年以來，人類文明在城市發(fā)展進程中始終需要面對的。目前，從古至今，仍然在使用的城市排澇建筑，唯有贛州市福壽溝了，它也是世界上最早的城市排澇建筑。因此，本研究框架首先選取了福壽溝作為研究實例之一；同時，還選取了其他國家的排澇建筑實踐案例作為經(jīng)驗參考。采用文獻(xiàn)法、時間軸法、現(xiàn)象法、外觀法、對比法、歷史最大雨量實踐考驗法等進行分析，借鑒寶貴的歷史經(jīng)驗，匯集精華的設(shè)計理念，“有效控制雨水徑流”[2]。建設(shè)完善的海綿城市、韌性城市。

首先，海綿城市（Sponge City），是在2000年前后產(chǎn)生的概念，它是城市雨水以及排澇管理、規(guī)劃和設(shè)計的概念。是希望城市能夠像海綿那樣，水多的時候吸水、蓄水、凈水，水少的時候放水利用，具有良好的水管理彈性，也稱之為“水彈性城市”，能有效緩解城市熱島效應(yīng)。由于合理利用了水生態(tài)環(huán)境資源，建立了城市生態(tài)設(shè)施，以人與自然生態(tài)優(yōu)先，所以，也被稱為生態(tài)海綿城市（Eco-sponge City）。其設(shè)計理念為“自然積存、自然滲透、自然凈化”[3]。

再有，韌性城市（Resilient City），是國際上為防災(zāi)減災(zāi)使用的概念?！绊g性”一詞源于拉丁語resilire，即回彈的意思。在物理學(xué)中是材料穩(wěn)定性、抵抗沖擊性的能力。在城市中使用，特指地震、颶風(fēng)、暴雨等，即當(dāng)發(fā)生災(zāi)害的時候，韌性城市能夠快速恢復(fù)和維持城市正常功能運行。2020 年11 月3 日發(fā)布的“十四五”規(guī)劃[4]，第一次提出了“韌性城市”，建設(shè)海綿城市、韌性城市。

文獻(xiàn)研究結(jié)果顯示，2021 年國內(nèi)學(xué)者清華大學(xué)黃河研究中心主任張紅武教授以2021 年7 月河南暴雨為例，已經(jīng)有針對性地提出“諸如降低水庫汛限水位、完善防洪減災(zāi)工程、給洪水多留順暢通道等解決問題的途徑”[5]；有序組織城市雨水徑流[6]；“把海綿城市理念納入景觀設(shè)計之中”[7]；“河道整治并結(jié)合景觀建設(shè)”[8]；2020 年中科院院屬企業(yè)齊聚科技業(yè)界專家助力城市排澇，引進了歐美先進水處理技術(shù)和設(shè)備[9]；在安全預(yù)先評價指標(biāo)體系方面也有學(xué)者在2021 年提出了“雨水管網(wǎng)”[10]健康度的評價方法，對等級低的排澇舊管線優(yōu)先升級改造；2021 年國外學(xué)者研究結(jié)果顯示：必須聽取不同的聲音[11]；城市韌性（Urban Resilience）[12]、韌性概念（Notion of Resilience）在發(fā)展規(guī)劃的討論中越來越受歡迎[13]。

以下，本文將從古今中外視角，綜合研究城市排澇建筑的模式與形態(tài)。

1 中國古代城市排澇建筑實例研究

1.1 世界最早的城市排澇建筑——“排澇+生態(tài)”模式

福壽溝是世界最早的城市排澇建筑。江西省贛州市福壽溝已于2019 年被國務(wù)院選為“第八批全國重點文物保護單位”。目前也已經(jīng)專門為之建造了我國唯一地下排澇“福壽溝博物館”。它是由北宋著名水利工程專家劉彝主持建造，傾盆大雨之下，也能泰然處之，即使是2010 年的6 月降雨量將近百毫米，城市的市區(qū)也沒有內(nèi)澇，民眾生活井然有序，沒有出現(xiàn)一輛汽車泡水的問題，經(jīng)受住了實踐的考驗?！安粷彻懦恰?，其設(shè)計有很多獨到之處。這是古人為今人留下的智慧與財富。2015年夏，由華南理工大學(xué)建筑學(xué)院吳慶洲[14]教授帶領(lǐng)研究團隊，進入福壽溝進行現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)狀況尚好，水流通暢，仍然發(fā)揮排澇作用。

通過分析研究，歸納起來福壽溝的可取之處有以下五個要點：首先，蓄水聯(lián)通。利用地勢高差，連通城市數(shù)十?dāng)?shù)百個蓄水坑、塘、池，是一個活的排澇系統(tǒng)。第二，分區(qū)協(xié)調(diào)。因地制宜，建成2 個干道排澇系統(tǒng)，東南排澇系統(tǒng)與西北排澇系統(tǒng)，福溝和壽溝排澇系統(tǒng)?！案稀敝饕?fù)責(zé)城市排澇的東南部分；“壽溝”主要負(fù)責(zé)城市排澇的西北部分，協(xié)調(diào)一致進行排澇。因為其排澇縱橫紆折走勢很像漢字篆體的福、壽二字，由此而合稱呼為“福壽溝”[15]。第三，管徑高大。大約有一人多高，磚石壘砌，矩形斷面，上面是半圓形拱劵結(jié)構(gòu)，也是磚石壘成，高達(dá)180 厘米，寬有90 厘米。采取加大排澇溝管徑坡度措施，因勢利導(dǎo)提高排澇流速。第四，雨水單行。采取水窗設(shè)計，溝塘一體。進行水窗巧妙的精細(xì)化設(shè)計，重視水塘細(xì)節(jié)。在福壽溝的排澇口，安裝12個“水窗”[16]。當(dāng)“水窗”打開時，池塘的水流入江里；當(dāng)“水窗”關(guān)閉時，洪水也不會倒灌進入城里，相當(dāng)于現(xiàn)代止回閥的作用，防止出現(xiàn)倒流。池塘也可以養(yǎng)魚，淤泥也可以種菜，形成了環(huán)保生態(tài)鏈，是既有排澇又有蓄水的雙向調(diào)蓄作用和功能的排澇建筑，與現(xiàn)代“海綿城市”原理相通。第五，堅持維護。即堅持可持續(xù)發(fā)展理念。直到現(xiàn)在，福壽溝維護人員還是經(jīng)常下到溝里進行清理，清掏、疏通垃圾和淤泥。福壽溝這種排澇形式，“反映了人類在抗擊洪湖水、開墾利用土地等方面的生態(tài)智慧”[17]，被學(xué)者贊譽為海綿城市的“雛形”。

1.2 世界最美的城市排澇建筑——“排澇+景觀”模式

我國還有很多古城的排澇建筑，至今仍然發(fā)揮著作用。在此，選取了北京故宮精湛的令人稱道的排澇建筑工程。自明朝竣工，至今“近600年”[18]，還沒有一次雨澇記錄。研究紫禁城排澇建筑包括三個部分：屋頂、地面和地下。屋頂?shù)呐艥忱昧思忭斊露龋坏孛娴呐艥骋彩峭ㄟ^緩坡原理；地下的排澇建造了縱橫交錯的排澇道和暗溝，紫禁城匯集的雨水，最終流入了“內(nèi)金水河”。設(shè)置了控水閘，進行水位高低控制。并像福壽溝一樣，實行養(yǎng)護制度，每年安排固定的時間進行淘挖養(yǎng)護。有專家稱，據(jù)地形而建，北高南低，精心測量，差約2 米。精密的設(shè)計，可以迅速匯總雨水。精細(xì)的施工，建造有“明暗兩套排澇系統(tǒng)”。并且，在故宮的三大殿三重臺基上，建有1142個“龍頭排澇孔”。據(jù)報道，在2016 年7 月20 日，北京下暴雨，故宮三大殿出現(xiàn)了難得一見的“螭龍出水”，瞬間就會將臺面上雨水排除干凈了，形成了美麗壯觀的“千龍吐水”景觀。其突出特點是，排澇建筑的精巧與景觀藝術(shù)的審美相結(jié)合。

2 國外城市排澇建筑實例研究

2.1 世界獨一無二的下水道博物館——“排澇+文化”模式

法國巴黎海拔低，年均雨量600 多毫米，但是，下雨卻很少積水。在法國的很多電影里，都曾經(jīng)表現(xiàn)過城市地下排澇系統(tǒng)。有一部電影《悲慘世界》，男主人公走在巴黎寬敞的地下水通道里，令人印象深刻。它修建于19 世紀(jì)，至今已有上百余年。今天的巴黎下水道，處于城市地面下50 米處，已達(dá)2400 公里，比巴黎地鐵還長。而且，有地下蓄水池6000 多座，每日清潔工沖洗街道水、澆花水都來源于此。水道設(shè)置名稱，與地上街道門牌號名稱統(tǒng)一，井蓋2 萬多個，有1300 多人每天進行專業(yè)維護。地下還建有多個計算機控制污水廠。是唯一的開放式可供參觀的地下排澇建筑，也是世界唯一擁有下水道博物館的地下排澇建筑，成為藝術(shù)文化與地下水道的混合體。

2.2 世界第一個城市污水二級處理廠——“排澇+凈化”模式

英國倫敦的下水道，是在巴黎下水道之后建造的，與地鐵同時進行施工。使用的地下排水有150 多年了，全長2000 公里左右。1913 年，英國是第一個建起城市污水二級處理廠的國家，一級主要沉淀過濾；二級主要用生物法處理有機污染物，達(dá)到農(nóng)灌水及排放要求。并鼓勵居民家中以及社區(qū)商業(yè)建筑進行雨水收集過濾凈化，滿足草木灌溉和洗衣服等非飲用水的需求。其中典型的例子是倫敦奧林匹克公園建立的雨水收集系統(tǒng)，不僅自用灌溉，余水還可供給街區(qū)居民用。

2.3 最早的城市雨水政府管制制度——“排澇+法律”模式

現(xiàn)代公路主要是柏油、瀝青和水泥等材料制成，下雨時不透水，易產(chǎn)生內(nèi)澇。國內(nèi)已有學(xué)者的研究結(jié)果顯示“不透水率越高、地表粗糙度越低，內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險就越高”[19]。德國慕尼黑建造的公路路面的透水率達(dá)到80%，每周需要沖洗防止堵塞，像人行道路等壓力小的路面直接采用透水抗壓耐磨防滑性質(zhì)的地磚鋪設(shè)。在道路鋪設(shè)時，磚與磚之間留出縫隙，并在道路的邊上建造溢流雨水的溝渠，從而達(dá)到自然滲透的效果。德國是歐洲最早采用城市雨水管理制度的城市，1995 年頒布了《室外排水溝和排水管道標(biāo)準(zhǔn)》，目前已經(jīng)對雨水管理形成了較系統(tǒng)的法規(guī)，雨水利用進入了標(biāo)準(zhǔn)化管理階段。

2.4 地上開放式城市排澇建筑“水廣場”——“排澇+娛樂”模式

2.4.1 從“災(zāi)”到“景”，水往低處流，水廣場建在低處

選取荷蘭鹿特丹作為研究案例，因為城市低于海平面，所以它無法像其他城市一樣有效地將地表水排入大海。鹿特丹鼓勵創(chuàng)新，在人口密集的城區(qū)，打造獨具匠心的“水廣場（Water Squares）”[20]以緩解街道積水。國內(nèi)有學(xué)者研究表明城市化后陂塘（人工截蓄的小型水體）的消失，洪澇“適應(yīng)能力大大減弱”[21]。

水廣場可以根據(jù)“歷史最大雨量”，靈活地應(yīng)用在不同的低洼場所。當(dāng)暴雨來臨之時，雨水迅速匯集于此，變成了一個防內(nèi)澇的“蓄水池”，并于2013 年，建成了世界第一個雨水收集的城市公共空間水廣場景觀。

2.4.2“與水共存”，雨水就地蓄留，見效快

就地蓄留從源頭緩解了道路積水內(nèi)澇的問題?！熬偷亟鉀Q水問題”[22]同時不會增加現(xiàn)有的排澇設(shè)施壓力，不僅見效快，而且造價低。水廣場容量計算以社區(qū)暴雨量為基準(zhǔn)。大雨過后，再經(jīng)管道輸送進行污水處理，合理利用。即使是炎熱的夏天，也不會有衛(wèi)生問題產(chǎn)生。由此而轉(zhuǎn)變觀念，“與水共存”，把暴雨當(dāng)成補充“地下水”的機遇，形成城市生態(tài)良性循環(huán)。

2.4.3“彈性策略”，蓄水+ 娛樂，一舉多得

“蓄水+娛樂”的公共空間轉(zhuǎn)換為更美觀、友善、多功能的城市排澇建筑景觀。日常生活中，水廣場是“娛樂休閑廣場”，與其他公共空間一樣。由于水廣場本身不是污水處理系統(tǒng)，所以在雨水匯集流入之前，先要經(jīng)過一個凈水裝置之后，才可以儲存進入水廣場。夏天孩子們能在干凈的水中玩耍，冬天能滑冰，并在水廣場安裝水深淺的藝術(shù)燈具標(biāo)示，展示水位高低，建有安全欄桿。而且，收集后的雨水，經(jīng)過專門處理就可以變成為廣場噴泉。每年遇暴雨泄洪收集雨水大約占用十分之一的時間，待到洪水退去之后，大約十分之九的時間就成為市民鍛煉的活動場所，帶給城市自然、舒緩的趣味，成為城市空間必不可少的公共空間娛樂休閑場所。

3 智慧城市“機器學(xué)習(xí)”整合多領(lǐng)域合作

根據(jù)前二章研究總結(jié)出了“排澇+生態(tài)+景觀+文化+凈化+法律+娛樂+智能”八重角色（表1）。在當(dāng)今智能化時代，城市排澇建筑亟需轉(zhuǎn)型升級，因此，本章將探索智慧城市排澇建筑“機器學(xué)習(xí)”，以提前預(yù)測危險。

表1 古今中外城市排澇建筑6 個實例基本信息匯總表（表格來源：作者自繪）

3.1 機器學(xué)習(xí)的概念

機器學(xué)習(xí)（Machine Learning），是計算機模擬人類學(xué)習(xí)，機器自己學(xué)習(xí)，從而獲得新知識或新技能，進行重新建構(gòu)已有知識，以不斷地提高自身智能水平，預(yù)測并處理復(fù)雜任務(wù)。

3.2“機器學(xué)習(xí)”整合多領(lǐng)域合作

2021 年有研究者提出“利用無監(jiān)督機器學(xué)習(xí)進行城市排水傳感器布設(shè)的潛力”[23]。同年，國務(wù)院辦公廳提出了“加強智慧平臺建設(shè)”[24]。現(xiàn)在已經(jīng)進入高科技互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)信息化時代了，是繼計算機和互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次科技浪潮。所以，對于智慧城市排澇的建設(shè)，要改變舊城的排澇模式，不再是一磚一瓦、鋼筋混凝土堆砌就完事了，而是要進行城市更新，升級換代，智能化與精細(xì)化結(jié)合，提升城市規(guī)劃設(shè)計等級與品質(zhì)。

智慧城市通常采用成熟的城市排澇與物聯(lián)網(wǎng)融合的新模式，進行萬物互聯(lián)，結(jié)合遙感技術(shù)，應(yīng)用于城市排澇領(lǐng)域，以預(yù)防城市發(fā)生積水內(nèi)澇。使用智能非接觸的紅外線，雷達(dá)遙感水位測量7×24 小時采集積水?dāng)?shù)據(jù)，將其安裝在各個交通道路、地下停車場、地鐵、城市低洼場地等；聯(lián)動屏幕拍照顯示，數(shù)據(jù)自動傳輸發(fā)送至總控制室。安裝可視化顯示屏幕，以城市電子屏幕、車載電臺、手機短信、電視屏幕滾動通知的方式提醒市民規(guī)避風(fēng)險，進行有效疏導(dǎo)。

“機器學(xué)習(xí)”是世界新的學(xué)科，它是人工智能的最具智能的特征。未來的防洪排澇研究，可以利用大數(shù)據(jù)建模河道和河流的組合，分布式計算預(yù)測雨洪通道[25]；在大數(shù)據(jù)時代，借鑒人腦分析處理機制，機器自學(xué)，高效獲取新知識，更加快速利用海量信息，最后自行地做出預(yù)測和決定，從而在危險來臨之前，趨利避險，這就是機器學(xué)習(xí)的優(yōu)勢所在。以世界前沿學(xué)科與城市排澇跨界合作升級，將AI 人工智能以及多專業(yè)高科技工程師共同配合完成。給IT 專業(yè)提出計算機控制條件，編制滿足要求的智能化軟件；給自動控制專業(yè)提出水位、閥門關(guān)閉開啟、水泵抽水排澇的連鎖條件；給MapGIS 專業(yè)提出條件進行地下三維建模，包括：地下建筑、地下管線、地質(zhì)工況等地下管理登記，建立城市排澇建筑大數(shù)據(jù)智能管理，進行水質(zhì)、水壓、水位、地質(zhì)、定位、位移、變形、承載、變化、狀態(tài)、評估反饋等數(shù)據(jù)自動傳輸、對接，發(fā)送至總調(diào)度室，給予應(yīng)急避險的大數(shù)據(jù)以采取汛情預(yù)報。城市防澇、應(yīng)急管理與防汛指揮部門就能夠?qū)崟r了解最新情況，為決策提供科學(xué)依據(jù)。

結(jié)語

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，將結(jié)果歸納為三點：（1）海綿城市排澇建筑必須具備5 個要點：①蓄水聯(lián)通；②分區(qū)協(xié)調(diào)；③管徑高大；④雨水單行；⑤堅持維護。（2）中國古代城市排澇建筑就已經(jīng)生態(tài)化與景觀化了；世界優(yōu)秀的城市排澇建筑，除了排澇重任，還身兼7 重角色：生態(tài)、景觀、文化、凈化、法律、娛樂、智能。（3）在智慧城市建設(shè)時代，更新城市排澇建筑需要轉(zhuǎn)型升級,采用“機器學(xué)習(xí)”預(yù)測危險，跨界合作，提高城市韌性抵抗暴雨沖擊。這是今后發(fā)展海綿城市、韌性城市的必然趨勢。