北京一方面因城市規(guī)模擴張帶來水資源絕對短缺問題，另一方面由于極端天氣頻發(fā)又常常出現(xiàn)逢雨必澇現(xiàn)象。“一少一多”現(xiàn)象都因水禍起，這就使得人們開始構(gòu)思是否能在時間和空間上人為調(diào)節(jié)水量，將暴雨季過多的水量在城市內(nèi)滯留、儲存，既能避免城市內(nèi)澇現(xiàn)象又可有效保存寶貴的水資源。
通過對自然水循環(huán)的深刻認識，揭示人類只能在水循環(huán)的某些環(huán)節(jié)上(地下、地表徑流)順應自然去利用水，采取“用后即還(Use it and let it go)”方式讓水以它本來的面目流歸大海。城市聚水/排澇應從區(qū)域、甚至流域的“面”上考慮問題，而不應僅僅聚焦城區(qū)單一“點”上。
作者簡介：郝曉地(1960-)，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學與科研工作;主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術(shù);污水處理數(shù)學模擬技術(shù);可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)，現(xiàn)為國際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編。
地下水位下降、河流污染、湖泊干涸，種種跡象都給北京這座每年用水缺口高達15 億m3/a的古都貼上了“旱城”的標簽。與此同時，近年來極端天氣在夏季之時接連引發(fā)城市內(nèi)澇、逢雨看海的現(xiàn)象又讓人們不禁要問，為何不變雨為寶，既可緩解旱情，又能抑制內(nèi)澇?于是，人們渴望能通過某種方式在有效解決聚集雨水的同時又可防止內(nèi)澇。
1 自然水循環(huán)與蓄意截水
自然水循環(huán)(見圖1)的存在，使人類賴以生存的水資源得到不斷更新，使其成為一種可再生資源，保證了地球上一切生命的生存基礎(chǔ)。然而，在人類進化與演變過程中，為方便和舒適自己，往往出現(xiàn)一些有意識的筑壩攔水、甚至肆意調(diào)水行為，蓄意截留本應回歸大海的部分水量。
這種行為如果規(guī)模不大且未形成氣候，不至于過多影響自然水循環(huán)以及生態(tài)環(huán)境。遺憾的是，人類這些行為有時變得肆無忌憚，隨心所欲!更有甚之，還有截留每一滴降水之蠢動趨勢。逆生態(tài)所帶來的災難想必是人類首先自食其果，因此人類必須順水而行，在水資源利用上應順應自然，回歸“用后即還(Use it and let it go)”原生態(tài)方式。
2 北京水資源現(xiàn)狀
北京市主城區(qū)位于東南部小平原，地勢較為平坦。北京位于華北平原西北邊緣，屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，多年平均降雨量585 mm，陸面和水面蒸發(fā)量分別為467和1023 mm。
因此，按水資源總量定義，若不計潛水蒸發(fā)量，則降雨量減去地表蒸發(fā)量(按99.15%陸面與0.85%水面計算)即為降雨給北京地區(qū)帶來的水資源總量(亦即地表、地下總產(chǎn)水量)，平均約為19 億m3/a。
而一年當中，北京降水主要集中在6、7、8、9四個夏季月份，占到全年總降雨量的85%。這就是說，北京要想臨時性滯留、儲存全部降雨，夏季需有約16.15 億m3/a的消納(滯留、儲存)空間和容量，即，從宏觀角度講，平均到北京全區(qū)面積，每一寸土地需有100 mm的滲水能力或儲水深度(徑流深)。
具體到北京不同區(qū)域，因山形地貌、地勢走向不同，明顯影響各地塊滲水、儲水能力。北京山區(qū)面積約占全市區(qū)域面積的76%，而山區(qū)地形受植被、坡度影響導致地表徑流系數(shù)很大，肯定難以完成在夏季滯留、儲存100 mm的徑流深之目標。
與此同時，改革開放以來，北京城市化進程加快，城市/城鎮(zhèn)內(nèi)越來越多建筑、道路等不透水下墊面侵占了原生態(tài)裸露、透水地面，使平原城區(qū)原始地表徑流系數(shù)也大大增加，進一步導致城區(qū)土壤滲水和土地儲水能力下降。
北京山區(qū)內(nèi)的建筑與路面硬化因規(guī)模小而對原始徑流量的影響不大，但平原區(qū)城區(qū)硬化地面不斷擴張則是人為造成雨水下滲量減少、路面徑流加大、甚至產(chǎn)生內(nèi)澇的元兇。
目前北京城市建設(shè)用地區(qū)域，與北京市疆域總面積相比，所占比例并不是很大，即使把這部分城區(qū)硬化地面全部“退屋還地”，能夠恢復的水資源滯留、儲存容量和空間也不是特別大。為此，有必要從北京土地構(gòu)成現(xiàn)狀出發(fā)，計算分析北京水資源聚水、排澇總徑流量，從而提出應對策略。
3 北京聚水、排澇總徑流量計算
2010年北京市土地構(gòu)成現(xiàn)狀(圖2)顯示北京山區(qū)與平原交界地帶基本以林、草地(綠色)和耕地(黃色)為主，城區(qū)硬化地面主要集中在北京市中心范圍之內(nèi)，以城市建設(shè)用地(建筑、道路)為主(紅色區(qū)域)。
參照圖2，研究人員進一步對北京市近30年城市用地與各城區(qū)硬化地面(不透水下墊面)表面積進行了詳細計算，數(shù)據(jù)列于表1。
表1 近30年北京城市用地與不透水地表面積比例
以上述硬化地面比例及其徑流系數(shù)0.9為依據(jù)，可以計算得出2010年和2020年夏季從各城區(qū)硬化地面流失的水資源量分別為0.74 億m3和0.95 億m3，平均每寸城區(qū)土地分別損失88 mm和89 mm降水量。
換句話說，2010年和2020年各城區(qū)所有硬化地面上可能導致的夏季水資源流失量分別僅占夏季水資源總量的4.6%和5.9%，若換算為占北京市全年用水量(36 億m3)的百分比則只有2.1%和2.6%。
如此看來，因城市地面硬化而導致的水資源可能流失量占比并不是很大，況且，這部分水量即使全部流出城外，還有機會在郊外透水土壤或水庫予以暫時性攔截、滯留，所需要的雨水滯留、儲存成本肯定比在城內(nèi)要低得多。
其實，可能流出城區(qū)的這部分水資源的最大缺點就是在雨季時會因城市排水設(shè)施不足而引發(fā)城市內(nèi)澇。
所屬頻道:水處理關(guān)鍵詞:海綿城市污水處理郝曉地
從另一角度看，受長期干旱、缺水而超采地下水影響，北京地區(qū)地下水位不斷下降(平均每年>1 m)，導致透水地表土壤含水率大為降低。在此情況下，土壤吸水能力反而變強，會有更多雨水被土壤吸收而滲入地下，進而致使透水地面地表徑流系數(shù)顯著減少。
研究表明，密云水庫從建庫以來因匯水區(qū)流域面積內(nèi)徑流系數(shù)不斷減小而致蓄水量持續(xù)減少。目前，密云水庫流域內(nèi)徑流系數(shù)已從上世紀60年代的0.2~0.3已基本減至上世紀末的0.03左右，即，40年間減少了近10倍，如圖3所示。
密云水庫多年徑流系數(shù)變化趨勢
在此基礎(chǔ)上，研究人員又分析了北京近50年來水文要素變化數(shù)據(jù)如表2所示，結(jié)論也與上述分析相同。
表2 北京近期水文要素變化
表2數(shù)據(jù)顯示，盡管城市不透水路面比例近十多年來不斷增加，但是，北京疆域綜合徑流系數(shù)卻在顯著減少，從1956~2000年間的0.18降到了2001~2009年的0.09。
與此同時，北京疆域土地的整體透水能力并未因路面硬化而導致下降，反而是上升趨勢，入滲的地下水量占水資源總量的比例竟提升了約13%(由52.69%增加到了65.40%)。
這就是說，以徑流形式流失北京域外的實際水量正在減少，而蓄存本地的水量逐漸增加，相當于每年夏季大約有10.56 億m3雨水通過下滲而補給地下水，即，在目前現(xiàn)狀下65 mm的降雨可以補充地下水。
這對夏季<90 mm的降雨徑流深來說已完成>70%的滯留、儲存量，只需考慮將剩余<25 mm(即，1英寸)降雨深儲存或排放。
其實，儲蓄僅25 mm的降雨深對于北京疆域內(nèi)廣闊的非硬化路面來說還是很容易實現(xiàn)的。
北京地形在整體向東南傾斜的地貌作用下，山區(qū)降雨順坡形成的徑流將逐漸轉(zhuǎn)移到平原地帶，與平原地表徑流匯合后無疑最終將會被永定河、潮白河等天然河道水體所接納，只要人類秉承“用后即還”的理念，這部分徑流量則有可能在下游因地制宜地儲蓄并加以利用。
即使下游無儲水空間可用，直接放總水資源量不足6%的雨水歸海也是自然歸宿，難道不應該嗎?相比之下，在木已成舟的城市區(qū)域以自然或人工吸水方式截留這部分水資源與巨額投入(約1~1.5億元/km2)相比，便顯得投入與產(chǎn)出不成比例，只不過暴雨時節(jié)被“吸”走的這部分降雨深理論上可緩解城市內(nèi)澇而已。
顯然，與其在木已成舟的城市區(qū)域費九牛二虎之力在大都已經(jīng)硬化了的路面拆、建滲水、儲水設(shè)施，倒不如強化各類排水基礎(chǔ)設(shè)施，將城市暴雨形成的短時強徑流量及時引出城外，在城市以外的非硬化區(qū)域利用地形，因地制宜地截流、下滲、儲水，甚至可以直接放水歸海。因此，以快速排澇為主、郊外儲存為輔的策略應該是北京聚水、排澇的上策。
4 北京聚水、排澇策略分析
從自然水循環(huán)的“面”上來說，陸面降雨經(jīng)過蒸發(fā)/蒸騰、入滲之后的剩余水量才是地表徑流產(chǎn)生的原因，也是上述北京聚水、排澇總徑流量計算的根本出發(fā)點。但是，從單次降雨過程的“點”上來看，雨水蒸發(fā)與下滲則是一個相對緩慢的過程，尤其遭遇降雨歷時短，雨量大的極端天氣時這一弊端便顯得尤為突出。
這就是說盡管上述平均25 mm徑流深才是北京需要消納的水資源量，但是，在城區(qū)硬化地面上短時內(nèi)產(chǎn)生的徑流總量幾乎等于全部瞬時降雨量，這就造成一場暴雨需要消納的徑流深就遠遠大于25 mm。
在此情形下，排水設(shè)施欠缺或滯后于城市地上建筑的發(fā)展規(guī)模與速度，必然導致“逢雨必澇”與“城中看海”現(xiàn)象。因此，有必要在上述總徑流量計算的基礎(chǔ)上，再以單次降雨過程對上述北京聚水、排澇策略進行分析。
表3列出了北京近30年來單次降雨強度、降雨場次以及降雨頻次等數(shù)據(jù);
表3 北京近30年單次降雨信息統(tǒng)計
表3數(shù)據(jù)顯示，90%以上的單次降雨強度都在40 mm/d以下。對多數(shù)中小強度降雨而言，因降雨強度不高、短時內(nèi)形成的洪峰流量較低，所以一般并不會對城市排水系統(tǒng)造成沖擊，均能通過地下排水管網(wǎng)和天然河道有效排除。
然而，城市內(nèi)澇問題都出在高強度降雨的暴雨之時，往往是在50~100 mm/d的情況下。北京地區(qū)過去5年中就連續(xù)遭遇兩次極端降雨事件;2011年6月23日大暴雨，局部降雨強度超過100 mm/d;2012年7月21日更遭遇北京61年來的最強大暴雨，全市平均降雨量達170 mm/d，受災面積達1.6 萬km2，死亡77人，造成的經(jīng)濟損失達上百億。
因此，對高強度單次降雨而言，雨水蒸發(fā)、下滲需時緩慢的特點就被無限放大，上述計算的平均徑流量便顯得不具實際意義，結(jié)果是直接導致城市因排水能力受限而誘發(fā)城市內(nèi)澇?？梢?，在短時間內(nèi)有效排出大量積存的雨水才是城市聚水、排澇的關(guān)鍵。
顯然，即使依靠人工滲水、儲水方式，短時消納100 mm/d以上強降雨也幾乎是不可能的，除非是在城市下方存在一個平均大于等于90 mm深的“黑洞”。
其實，近年來極端降雨事件造成北京城市內(nèi)澇的根本原因是老城區(qū)市政管網(wǎng)普遍老化(一些原本僅為胡同、四合院設(shè)計)，與突飛猛進的地上高樓大廈建設(shè)已完全不相匹配。如果一座城市排水等基礎(chǔ)設(shè)施能像歐美等國那樣考慮到成百、上千年的規(guī)劃預期(如荷蘭水利設(shè)施及城市防洪標準最低為4000年一遇)，那還會存在城市內(nèi)澇問題嗎?!
歐洲倫敦、巴黎、柏林等大城市百年前興建的下水道里面竟然能夠開車、劃船，甚至二戰(zhàn)時還用于打仗;如今這些歐洲城市百年后的發(fā)展規(guī)模仍未超出最初的規(guī)劃設(shè)計，罕有聽說這些城市有內(nèi)澇現(xiàn)象發(fā)生。
中國城市建設(shè)規(guī)劃往往“與時俱進”，不斷變化，常常導致最初規(guī)劃鋪墊的基礎(chǔ)設(shè)施在后發(fā)擴張的城市發(fā)展中捉襟見肘;特別是在新城市建設(shè)規(guī)劃中目光短淺，即使看到未來城市的發(fā)展規(guī)模，也不愿前人栽樹而讓后人乘涼，鋪就百年大計、甚至千年大計的排水管網(wǎng)。
以北京為例，北京市中心城區(qū)(即，二、三環(huán)以內(nèi))雨水管網(wǎng)仍然只有1~3年一遇排水標準，相當于只能夠應對36~45 mm/h的降水，僅天安門廣場和奧林匹克公園附近排水管線能達到5年一遇標準，而巴黎則是5年一遇，東京是5至10年一遇，紐約則是10至15年一遇標準。因此，單就防患于未然、抑制城市內(nèi)澇問題而言，這并不是一個技術(shù)問題，只不過一個經(jīng)濟問題而已。
綜上所述，對北京這等木已成舟的城市而言，在城市中拆、建滲水、儲水設(shè)施似乎并不恰當。與其花巨額投資費去拆、建滲水、儲水設(shè)施，還不如盡可能將錢花在更新和擴容排水設(shè)施上，以快排方式解決城市內(nèi)澇問題，以郊外非硬化地面土壤、水體來吸納從城市中排除的多余水量，或干脆直排，放水歸海。
5 結(jié)語
北京全區(qū)域面積近年因降雨而形成的平均水資源量約為19 億m3/a。北京因地下水超采而導致地下水位下降的同時地表綜合徑流系數(shù)減少了約50%(0.09)，反而使19 億m3/a的水資源量中約2/3(12.4 億m3/a)下滲地下而補充地下水。
剩余6.6 億m3/a的水資源才是形成的地表徑流量，也就是我們想要臨時滯留、儲存可使用的地表水量。單就各城區(qū)所有硬化地面而導致的不可下滲、轉(zhuǎn)而形成地表徑流量的水資源量來說僅占夏季總水資源量的5.9%，才相當于全市總用水量(36 億m3/a)的2.6%。
因此，如果在城區(qū)內(nèi)花很大的代價滯留、存儲這部分水量顯然投入產(chǎn)出不成比例。即使從防洪、控制內(nèi)澇角度看，這樣的作法也未必妥當，還不如完善城市排水設(shè)施，將水快排至郊外非硬化地面，因地制宜地滯留、儲存，甚至直接排放，放水歸海。
