我國古代城鎮道路大排水系統分析及對現代的啟示
我國古代城鎮道路大排水系統分析及對現代的啟示
李貞子1，車伍1，趙楊2
(1.北京建筑大學城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室，北京100044;2. 北京雨人潤科生態技術有限責任公司，北京100044)
摘要：近年來，大排水系統的概念及其在城鎮排水防澇中的重要作用得到越來越多的認知，在多個相關標準中明確大排水系統是城鎮內澇防治系統的重要組成部分。已有研究對大排水系統的概念、組成、設計要點做了系統的梳理，但在實際工程中如何合理構建大排水系統仍然是一個難題。城鎮道路系統是大排水系統的重要組成部分，也是規劃設計的難點。通過對我國古代城鎮道路及其排水系統建設的相關歷史文獻的檢索和實地調研分析，從道路規劃的平面布局、斷面和豎向設計分析古代道路系統中存在的大排水系統設計思想和建設要點，重拾古人的智慧，總結古代道路規劃設計中值得學習的思路和方法。審視現代道路規劃設計在排水方面存在的問題，為我國城鎮道路大排水系統的構建提供有益的借鑒。
為應對日趨嚴峻的城市洪澇災害，國家明確提出建設城市排水防澇工程體系和海綿城市的要求。業內相關規范、標準以及各地編制的城市排水防澇規劃等文件，都提出大排水系統建設的相關要求。《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》提出建立行泄通道以抵御超標暴雨；2014年修編版《室外排水設計規范》(GB 50014—2006,2014年版)強調了排水工程設計應與城市防洪、道路交通等專項規劃和設計相協調；一些城市的排水防澇規劃也提出利用道路作為行泄通道的要求。毫無疑問，利用城市道路系統應對超標暴雨是內澇防治系統不可忽視的重要部分。
道路大排水系統主要是通過道路的平面、豎向和斷面設計有組織地排放地表徑流，作為應對超標暴雨的臨時行泄通道，提高城市防澇能力。但是，目前我國道路規劃設計及排水規劃設計在這方面還存在不少問題，制約了道路大排水系統的構建：①城市道路系統規劃缺乏暴雨徑流行泄的考慮；②道路與周邊場地豎向關系不合理；③排水相關規范編制缺乏更明確的技術要求；道路斷面形式與坡度不利于暴雨徑流的安全行泄，或達不到內澇防治標準所要求的行泄能力;④相關專業缺乏合理銜接，相關部門間缺乏密切配合等。
其實，古代先民在與自然長期相處過程中，對自然和城市的關系有著深刻的理解。通過大量實踐經驗的積累，采用合理的理念和方法以增強應對暴雨的能力。利用地下溝渠與地上水塘相結合的贛州“福壽溝”蓄排系統，便是古人經驗和智慧的有力實證。在利用道路排水和防止城鎮內澇方面，古人亦有自己獨到的方式，其中蘊含的一些理念和方法與現代道路大排水系統高度相似。剖析古代道路系統規劃設計中所蘊含的大排水的理念和方法，重拾古人的智慧，對解決我國道路排水系統存在的問題以及構建現代城市道路大排水系統具有重要意義。
1 研究方法
通過實地考察麗江、大理、鎮遠、平遙、太谷、宏村等古城鎮，并結合大量歷史文獻和地圖資料的整理和分析，對古城鎮的道路形態、道路同自然環境的關系、規劃設計、道路與周邊場地的豎向關系、道路排水方式和斷面設計形式、縱橫坡度等方面進行分析，探討古城鎮道路大排水系統是如何實現的。挖掘古人的經驗和智慧，對比分析現代城市道路排水規劃設計中存在的問題，并結合當前的城市道路排水現狀，為未來道路大排水系統建設提供借鑒。
2 古代城鎮道路大排水系統分析
2.1 規劃設計理念及與排水的關系
古代城鎮道路規劃設計基于對自然環境、地理和水文特征的深刻認識。如《管子·乘馬》中指出：“因天材，就地利，故城郭不必中規矩，道路不必中準繩”，其規劃設計理念考慮了對地形地貌等自然條件的適應與利用，利于自然地表徑流通道的保留。筆者在希臘古城鎮也發現多處這樣的跡象和設施。
道路設計的具體方法早在兩千多年前便有詳細記載。在《周禮·地官司徒·遂人》、《周禮·冬官考工記·匠人》中，規定了不同道路等級的布局、寬度，并配置相應的排水、綠化。賀業鉅根據《考工記·匠人》擬繪制了經緯涂（城市主要干道）剖面圖，如圖1所示。其斷面形式和大尺寸的邊溝設計明顯蘊含了對暴雨排放的考慮，說明了道路排水是古城鎮道路系統規劃設計中重要的考慮因素和組成部分，且與道路本身緊密結合。
圖1 經緯涂（城市主要干道）橫斷面示意
2 規劃設計理念和方法分析
2.2.1 注重雨水自然貫通性的道路平面布局
古代城鎮道路的平面布局受禮制制度的影響，其主干道路形成規整網格形、井字形、十字形，但在整體布局和走向上特別重視與當地自然環境和周邊整體環境的關系，如與場地坡度和水系條件的配合與利用。平原等地勢起伏不大的地區，城鎮道路主要由南北、東西走向構成方格網狀，如明清北京城、漢長安城、平遙等。同時，主干路配有排水溝渠作為城鎮的主要排水通道，并接納支路及周邊場地徑流。主干路一般與城門相連接，城門位置一般地勢較低，暴雨期間道路作為重要的行泄通道，將超過溝渠泄水能力的徑流直接導向城外。其他等級的城鎮道路盡量順應自然地勢鋪設，形成平直或彎轉的形態，并通過場地調整，盡量使街巷里弄坡向主干道路或有排水溝渠的道路，以便雨水的順利排放，圖2所示為我國部分城鎮布局與道路排水系統的簡化示意圖。山地丘陵等地形地貌復雜的地區，地勢條件利于排除徑流。古人充分利用這種天然地勢條件，使城市整體布局同地勢走向協調，并通過適當引導徑流漫流的方向和調整主、次干道路的豎向關系來避免局部低洼地段積水。而對于河網發達地區，則可利用天然水系與人工溝渠的連通，構筑活水水網，與道路協同規劃設計，形成水-陸雙棋盤網絡，如蘇州、麗江、贛州等地。
圖2 中國古代城鎮典型布局及道路排水系統平面簡化示意
2.2.2 利于實現排水系統要求的道路橫斷面設計
道路橫斷面設計在一定程度上決定了徑流橫向排放的效率和道路豎向上所達到的行泄斷面的大小，主要包括橫向坡度設計、道路與周邊場地形成的豎向空間和溝渠斷面形式。根據大量的實地考察和歷史資料總結分析，中國古代城鎮道路的斷面形式主要可分為三種：①中央凸起式（路拱式斷面）。道路中線為最高點，兩側設置邊溝或暗渠用以收集、排放徑流。此種斷面形式主要應用于城鎮中斷面寬度較大的主干路、次干路；②中央下凹式。道路中線為最低點，中間大多以不同的鋪裝方式鋪設石板，強調排水溝渠的位置，石板間留有雨水口。主要適用于街巷或道路空間有限的區域；③臨河式。道路與城鎮河道并行設計，道路橫斷面坡向河道，道路及收納徑流可直接漫流排放，主要應用于蘇州、嘉興等河網密集區域或臨河道路段的設計。
以中央凸起式道路橫斷面形式為例，分析道路橫斷面空間設計要點對城鎮排水防澇的作用機制。在應對中小降雨事件時，道路的橫坡設計主要起橫向匯流排放的作用，此時溝渠等小排水系統發揮主要作用。而在《考工記》中也提出“堂涂十有二分”，鄭注：“若今甓裓也，分其督旁，以一分為峻也。”疏云：“名中央為督，假令兩旁上下尺二寸，則取一寸于中央為峻”，指路中央高出路兩邊的尺度是堂階前道路寬度一半的十二分之一。可計算道路橫坡達8.3%，即便相對當今的小排水系統，其設計標準也是很高的。當渠道輸送、調蓄水量難以抵御大暴雨時，雨水自然積存在道路兩側，此時道路縱坡設計發揮重要作用，雨水沿路面縱向排放。隨著淹沒深度的提高，逐漸達到路拱最高點，此時道路橫向匯流難以發揮作用，依靠溝渠和道路縱坡共同作用，主要以地表漫流的方式排除徑流。此外，中國古代建筑多建于高臺基之上，臨街建筑的室內標高一般要高出路面最高點40~50 cm左右。除避免或減少澇水入屋之患，也增大了道路行洪的斷面面積，從而提高道路行泄徑流和暫存空間的能力，為道路大排水的構建創造良好的斷面條件。
圖3為中央凸起式道路橫斷面的示意圖，表示不同設計水位所能抵御暴雨的能力。圖4、5為中央下凹式和臨河式道路橫斷面的示意圖。
圖3 中央凸起式道路橫斷面
圖4 中央下凹式道路橫斷面
圖5 結合河道設計的道路橫斷面
值得一提的是，筆者在國外不少城市發現，他們一些道路橫斷面坡度明顯大于我國，停車場地面坡向雨水口的坡度也非常大，說明為了防范水澇，他們在地面坡度上有充分的考慮，值得我們思考。
2.2.3 滿足道路大排水縱向坡度要求的豎向設計
古代城鎮道路在豎向上也充分考慮雨水的疏導和排放，包括道路與周邊場地的豎向關系和道路與道路間的縱向銜接關系。古代城鎮道路豎向關系見圖6。
圖6 古代城鎮道路豎向關系示意
道路與周邊場地遵循一定的豎向關系。在一個街區范圍內，建筑室內標高要高于所在場地（居住區、寺廟等院落）的地坪標高，場地地坪標高高于路面標高，且有非常明顯的高差。建筑場地利用與道路的豎向高差將場地內收集的徑流通過地表或暗管排入街區道路路面或溝渠系統。
道路與道路之間及主干道路與接納水體的豎向關系設計是道路大排水系統得以實現的關鍵。應對暴雨形成的地表徑流，道路縱向坡度發揮主要作用。各路段采用單向坡度設計，利用自然條件和人為引導各級道路徑流輸送至與城門相連的主干道路，將徑流引向城外低洼地，如護城河或其他水系。對于斷面較窄的路面，很少設置溝渠等排水設施，大多僅依靠路面縱向坡度設計，將徑流匯集到次干路、主干路等有排水設施的路段，或直接排入附近水體。
2.3 古代城鎮道路大排水系統實踐
考查表明，古城鎮有大量道路大排水系統的實踐，僅舉幾例(見圖7)。
圖7 不同古城中部分道路斷面形式
中國典型山地水城麗江大研古鎮，其道路布局具有明顯依地形和依水流方向性，隨地形地勢曲折彎轉，并結合自然及人工挖鑿的水系條件形成主街臨河、小巷臨渠的平面布局形式。城區整體地勢坡度易于徑流排放，根據道路的等級和水系的關系，鎮內具有多種形式的道路排水方式［見圖7(a）］并可將徑流快速導入受納水體。
屬于高原山地型的大理古城，有著“一水繞蒼山，蒼山抱古城”的山水格局。大理古城主干道路長約1 500 m，古城及其道路依山勢布局，其自然地勢坡度為道路大小排水系統的構建和形成提供有利條件［見圖7(c）］，與下游受納水體也有很好的豎向銜接。
現存2 700年的山西平遙古城，有著典型的棋盤式城鎮道路布局，但同時又通過巧妙的道路間的豎向設計進行匯水、排水。城中最高點位于東西大街與南大街的交匯處，四條主干街道坡向城門，而大部分的小街巷坡向主干道路。遇暴雨時，街道成為臨時匯流疏導通道，將超標徑流導向城外護城河。除此之外，像鎮遠、太谷、宏村也都根據其特有的環境條件形成不同的道路大小排水組合形式。通過自然或人為設計的橫斷面形式和豎向坡度行泄徑流，來實現安全地排放暴雨徑流。圖7(c)都是中央下凹式排水，一部分是加蓋板的地下排水溝渠（小排水），另一部分則是由道路橫斷面和縱向坡度構成的地表大排水系統。
3 現代啟示
結合古代道路排水的分析來反思，為什么科學技術高度發達的今天，我們城市道路地表排水這一基本知識反倒被忽視并帶來許多問題，古人在道路布局及其大小排水系統設計方面的智慧對我們究竟有什么啟示和借鑒。
3.1 重拾尊重自然、順應自然之智慧
“尊重自然、順應自然”已經成為人們今天經常掛在嘴邊的話。但在實踐中，城市和道路建設破壞自然、違背自然規律的事卻比比皆是。
古代，人們缺乏現代水文學、水力學、模型工具、管道技術、泵車強排等科學和工程技術手段,城鎮排水和洪澇防治更多需要依靠比較原始的經驗、方法和手段,必須重視自然風水和地理、地形、地貌的保護和利用，重視協調人水關系，尊重自然、順應自然也成為必然選擇，唯此才能以最小代價、最小的投入建設家園，規避自然災害，實現良好的居住條件和環境。可以說，這也是千萬年來，人類與自然相處付出過巨大代價后長期的經驗積累和智慧結晶，也有大量的文獻記載和實際案例，不少至今都在發揮作用。古代城鎮道路及其排水系統的規劃設計和建設只是這些經驗和智慧在市政建設和雨洪管理方面的具體體現。
進入現代，科學技術有了飛速發展，各種工程技術手段層出不窮，人們有了更多應對自然災害的方法、手段和技術，似乎可以“更任性”地忽視自然要素的存在。逐漸習慣簡單運用現代科技手段快速完成建設和解決問題，反而常常忽視遵循自然規律的重要性。具體看，在城鎮道路規劃設計和建設中，少以水管理為基本原則和規劃導向。為保證建設速度和交通的通暢功能，減小施工難度，往往忽視自然地形和水文條件，采取“宜平宜直”思路和方法，填溝平洼，截彎取直。湖泊濕地顯著減少，形成大量的“斷頭浜”、“死水涌”，如蘇州城的河道由原來的82 km縮減到現今只有35 km。
場地開發和道路規劃前鮮有應用水文模型模擬分析規劃區域內徑流途徑和洪澇風險區，缺乏整體考慮城鎮建設對地表徑流途徑和蓄淹規律變化的影響。隨意的建設在很大程度上破壞或阻礙自然匯水和排水的方式，易形成局部低洼點，增加城市洪澇災害的風險。在城鎮道路系統規劃原則中，針對雨水排放問題主要局限在滿足市政管線布設的空間要求，雖提出考慮抗災、救災等人防工程的應急要求，但并沒有明確提出城鎮道路應對超標暴雨行洪通道的具體要求和措施，這將直接影響道路大排水系統的構建、橫斷面和縱斷面設計參數的合理取值，以及應對暴雨徑流的行泄能力，為內澇留下了隱患。
筆者參與的不少實際工程項目或在評審各類規劃設計和建設項目中，并不少見，一邊在說重視生態和低影響開發，另一邊卻在我行我素地快速建設破壞原有場地的自然條件和“海綿”要素，坡地被肆意推平，水體、坑塘和溝渠被任意填埋，河道被草率切斷等，都給未來的水環境和洪澇災害留下明顯的隱患。一些剛開發建設的項目，就已經面臨自然和暴雨的報復，出現嚴重水質惡化、水土沖蝕、水澇災害、生態惡化等問題，而重新進行改造和修復卻困難重重，代價巨大！
在歷史城區改造中也存在嚴重的問題，缺乏對歷史排水方式和設施的認知及思考，對原有排水系統造成一定程度的破壞。一方面，部分古城區在改造中，忽略原有道路與周邊建筑的豎向排水關系，為求降低施工難度、縮短工程建設時間和減少工程造價，往往抬高路面或更改地面標高，“疊加”施工。造成道路標高高于周邊建筑、院落標高，造成地塊內徑流難以排向道路，使得街巷雨水倒灌。另一方面，古城區外圍道路在城市更新中缺乏對古城區道路的整體考慮，使外圍道路逐漸抬高，局部古城區易成為低洼地，難以依靠道路豎向排水，而且外部雨水極易匯入，再加上局部地區排水設施老舊、堵塞，排水防澇問題十分嚴重。如太谷古城局部道路經過數次改造，使得古城區房屋內的標高低于道路標高，雨潦之災、倒灌入屋的情況時有發生。
3.2 道路斷面和豎向設計必須適于行泄暴雨徑流
古人將“水往低處流”這一常識在排水系統構建和防范城鎮水澇災害方面發揮得淋漓盡致，即使是地勢平坦區域，也可人為造“勢”，依靠地表溝渠、道路斷面設計與豎向關系，使徑流重力排放。古代城鎮道路路面的行泄通道注重整體的布局關系和豎向把握，有利于道路與道路間、與受納水體的順利銜接，保證暴雨徑流的順暢排放。
長期以來，城鎮排水主要依靠地下管網設計斷面和坡度，忽視地表排水。一方面，為保障道路排水要求，《城市道路工程設計規范》（CJJ 37—2012）（以下簡稱《規范》）提出道路“最小縱坡不應小于0.3%”。但另一方面，為保證道路交通功能和雨水匯流入雨水口的需要，道路縱斷面通常又被設計為“波浪形”，從形式上看，這為地下管道的小排水系統創造了較好的匯流條件，但對大暴雨所形成的地表徑流的排放卻造成不利因素。對北京西二環10個重要路段的實測數據顯示，路面最小橫坡為0.3%，平均約為0.8%，最小縱坡<0.1%，平均約為0.3%~0.5%，橫坡基本均小于《規范》的建議值，縱坡基本均為《規范》中的下限。其中，只有一段（150 m）為單一縱向坡度，其他九段均有起伏。相比于古代及現代發達國家的橫、縱坡設計，都明顯不足，標準規范中一些規定的合理性值得商榷，對規范標準的執行力也值得檢討。
當然，今天的城市道路系統不論是從承載量還是功能都遠比古代要復雜得多，利用道路系統構建道路大排水系統也會存在諸多問題，需要有新的思路和對策。古代城鎮規模普遍較小，通過道路比較容易將徑流很快導向城外，而現代城市的大規模和高密度會加大道路路面排放與河道連通性的難度。此外，對于坡度較大的地區既要考慮利用道路排水，又要防范道路行泄存在一定風險，如濟南7·18大暴雨馬路洪水產生的危害，事實上，發達國家道路大排水對斷面和流速都有很具體的規定。對一些高密度的已建城區，地面豎向關系已經破壞，空間條件局促，改造和恢復難度較大，這些都是在實踐中會遭遇的具體問題和困難。但無論如何，古人在道路排水、大排水方面的基本思路、方法和智慧是不應該被遺棄的，一些發達國家排水手冊中的相關技術要求和實踐也是很好的旁證。
3.3 多專業、跨部門的協作
古代，城市建設管理者往往要求有較強的綜合知識和經驗。如唐代工部設置，“工部尚書一人，侍郎一人，掌邊下百工、屯田、山澤之政令”。下有“工部郎中、員外郎，各一人，掌城池土木之工役程式。”（《唐六典卷七·尚書工部》）。部門和人員設置簡單，土木工程專業建設管理集中，有利于道路與排水系統的統籌建設。
現代科學技術的縱深發展既帶來更細、更專的專業劃分，也要求更多的學科交叉融合。至今各學科專業的細化分割是不爭的事實，加上機構的龐雜，增加了管理的難度，學科間的交流不緊密，各專業各自為政，考慮問題缺乏系統性、全局性。
具體到城鎮雨洪管理領域，相關專業、部門制定的標準規范也缺乏有效銜接。如《海綿城市建設指南》、《城鎮內澇防治技術規范》中都提出，將道路作為應對超標暴雨的行泄通道；《城市排水工程規劃規范》中提出，城市排水應結合道路、豎向的規劃布局。與之密切相關道路專業的規劃和規范還缺乏相適應的內容。如《規范》指出“道路排水應采用管道形式，將道路路面的雨水匯集至路邊雨水口，通過地下雨水管道排除”，雖然城市道路規劃設計上要求考慮城市排水（雨水），但很大程度上針對的是常規降雨事件，即通常說的地下管道小排水系統。對應對內澇的重要設施大排水就缺乏考慮。
顯然，要構建道路大排水系統需要城鎮規劃、道路交通、土地管理、排水系統規劃設計等相關部門和專業的共同參與和配合，這也是現代社會和城市建設與管理的一大特征。
4 結語
分析研究古代城鎮道路系統規劃設計思想和方法，剖析古人通過道路及其大小排水系統應對暴雨的理念、經驗和智慧，對道路斷面和豎向設計的整體把握，對自然條件的尊重與利用，為更好地落實道路大排水系統的規劃設計和建設提供了自信和有益的借鑒。
古代的經驗和智慧不應被現代的科學技術所廢棄,既要重拾古人之智慧，更要突破長期以來排水（雨水）工程思路、方法和技術方面的局限，客觀面對現代城市更復雜的局面和更高的要求，更好發揮現代科學技術的優勢，不能讓這些優勢因我們的“無知”而變成劣勢。對大自然保持必要的敬畏與尊重，因地制宜，順應自然，將這些思想、方法和技術有機地融入道路及其大小排水系統的綜合規劃設計中，這也是建設海綿城市和低影響開發的根本之道。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第10期“述評與討論”欄目）
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