科學(xué)精妙的古代城市防洪排澇系統(tǒng)

近年來(lái)，極端天氣頻發(fā)，暴雨成災(zāi)，洪水肆虐，國(guó)內(nèi)眾多大中型城市先后遭遇了不同程度的水災(zāi)害，城市內(nèi)澇已經(jīng)成為城市發(fā)展的軟肋。2021年7月下旬，河南省遭遇歷史罕見(jiàn)特大暴雨，尤其是鄭州市遭受了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。城市的防洪減災(zāi)問(wèn)題又再次得到社會(huì)和學(xué)界的關(guān)注。

在我國(guó)古代，有許多城市防洪排澇系統(tǒng)的經(jīng)典案例，體現(xiàn)了樸素的自然觀和辯證觀，展示了古代勞動(dòng)人民的智慧。下面以江西贛州福壽溝、安徽壽縣古城墻、明清北京紫荊城等為例，展示我國(guó)古代科學(xué)精妙的城市防洪排水系統(tǒng)，希望能從中得到借鑒和啟示。

一、福壽溝：

“千年不澇”的地下排水系統(tǒng)

地下排水是城市減輕洪澇災(zāi)害的重要方式，在江西贛州，有一套始建于宋代的地下排水系統(tǒng)，延續(xù)千年至今仍能使用，這就是福壽溝。

贛州，古稱南康郡、虔州，位于江西省南部，贛江上游章、貢兩江匯合處，贛州之名由此而得之,素有“千里贛江第一城”之稱。贛州地形以山地、丘陵為主，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，每年春夏之交都是贛州洪澇災(zāi)害的高發(fā)期，歷史上防洪和排澇是贛州城需要面對(duì)和解決的重大問(wèn)題。

從宋代開(kāi)始，贛州陸續(xù)建立了一個(gè)以福壽溝排水干道為主，水塘、水窗相互支撐的地下排水系統(tǒng)。

北宋熙寧年間，時(shí)任“都水丞”的知州劉彝根據(jù)贛州城西南高東北低的龜背形地貌特征，采取分區(qū)排水的原則，建成了兩個(gè)排水干道系統(tǒng)，因?yàn)閮蓷l溝的走向形似篆體的“?！?、“壽”二字，故名福壽溝。

壽溝位于城西北部，福溝位于城東南部，城北區(qū)域的雨水、污水由各支溝匯集至壽溝，從東部、北部水窗排出；城南區(qū)域的雨污則由福溝匯集，從東南水窗排出。同時(shí)在主排水干道之外，還建有許多縱橫交錯(cuò)的分支與淺地表排水溝與之相連。

同治《贛州府志》中的福壽二溝圖

福壽溝的溝道設(shè)計(jì)也十分合理。首先，排水溝渠的尺寸相當(dāng)大，其主干寬可達(dá)1米，最高處為1.6米，可容一人行走。大尺寸是其擁有大水量排水功能、保證雨水及時(shí)流出的關(guān)鍵。其次，溝道下半部分用花崗巖修砌，堅(jiān)硬抗壓防腐，上半部分為磚拱結(jié)構(gòu)，抗震抗壓，此結(jié)構(gòu)還便于維修，當(dāng)一處磚石破損，就可以隨時(shí)更換，繼續(xù)發(fā)揮功效。此外，溝道建筑材料天然環(huán)保，多用桐油、黃泥、沙石（俗稱三合土）和青磚、麻條石等材料，滲透性和可持續(xù)性都比較強(qiáng)。福壽溝在清代同治年間總長(zhǎng)約12.6公里，至今還有部分仍在使用。

福壽溝內(nèi)部磚拱結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

水窗是福壽溝防洪排水系統(tǒng)的重要組成部分。建造者根據(jù)水力學(xué)原理，在福壽溝的出水口處建造水窗12個(gè)，水窗利用了杠桿原理和水壓原理，能夠有效地避免洪水倒灌的危險(xiǎn)。當(dāng)洪水水位高于溝內(nèi)水位時(shí)，江水的壓力會(huì)將水窗壓緊。等江水水位低于出水口水位之時(shí)，水窗會(huì)被溝內(nèi)水沖開(kāi)。這樣江水就無(wú)法通過(guò)水溝灌城，同時(shí)也不影響溝內(nèi)水外排。

贛州福壽溝排水水窗

贛州城內(nèi)還分布有眾多水塘，水塘在整個(gè)排澇系統(tǒng)中，起著調(diào)節(jié)城內(nèi)排水量的作用。城內(nèi)的大量積水無(wú)法及時(shí)排出時(shí)，就流向與福壽溝相連的鳳凰池、金魚池、嘶馬池、清水塘、荷包塘等幾十口池塘，雨、污水通過(guò)福壽溝流向池塘，組成了巨大的蓄水庫(kù)，待河水水位降低再慢慢排出，起到了調(diào)節(jié)旱澇的作用。

此外，福壽溝的設(shè)計(jì)者還十分重視細(xì)節(jié)，為避免泥砂淤積，設(shè)有許多防堵、利于清通的設(shè)施，在地表安裝有銅錢狀的雨水篦子，在福壽溝各個(gè)轉(zhuǎn)彎處建有石獅爪子可以扒開(kāi)污水中的垃圾，在各檢查井中設(shè)有沉井，泥砂垃圾等流經(jīng)此處會(huì)滯留在沉井中，極大減少了清通維護(hù)的工作量，可見(jiàn)設(shè)計(jì)時(shí)的創(chuàng)意與用心。

值得一提的是，福壽溝排水系統(tǒng)在承擔(dān)暴雨時(shí)調(diào)蓄的功能時(shí)，還肩負(fù)民生使命，遍布古城的大小水溝與居民院子和廚房的各類排水設(shè)施相連，污水從居民家中便可排到福壽溝，雖然雨污合流的機(jī)制在今天看來(lái)并不科學(xué)，但是在一千多年前，這種設(shè)計(jì)與布局，使古城居民們便享受到了建筑給排水設(shè)施帶來(lái)的便利，也是一項(xiàng)偉大的民生工程。

二、壽縣城墻：

智能擋水工程的典范

壽縣位于安徽省中部、淮河中游南岸，古稱壽陽(yáng)、壽春、壽州，曾為楚國(guó)都城。壽縣地形險(xiǎn)要，自古以來(lái)就是重要的水陸交通樞紐。由于自然地理環(huán)境原因，壽縣歷史上多次經(jīng)受洪澇災(zāi)害，其以城墻為代表的智能擋水系統(tǒng)，固若金湯，是我國(guó)城市防洪減災(zāi)的典范。

壽縣城墻擋水工程包括城墻、護(hù)城石岸、甕城、涵洞、月壩，以及城內(nèi)的水塘和地下排水系統(tǒng)。

城墻

古城墻構(gòu)筑于北宋熙寧年間，南宋嘉定年間重修，呈方形，建有東、西、南、北門四門，墻體內(nèi)以粘土夯筑，外壁下砌石基，上砌青磚，磚石縫隙以桐油、糯米汁和石灰為漿泥，十分牢固。

壽縣三面環(huán)水，每當(dāng)淮、淝洪水泛濫時(shí)，古城宛在水中，因而城墻的防洪功能十分重要。古人在修建城墻時(shí)充分考慮到這一特征，將城墻最低高度建得比淮河干流鳳臺(tái)硤石口最高水位略高出一些，當(dāng)淮河洪水快要漲至城墻頂時(shí)，就會(huì)從峽石口一泄而下，不會(huì)漫進(jìn)城里，確保壽州城的安全。此外，為減少洪水的沖擊，城墻的轉(zhuǎn)角處還特意修建為弧形。

壽縣古城墻

護(hù)城石岸

護(hù)城石岸。是在城墻壁腳處修筑的高3米、寬8米的堤岸，又叫護(hù)城泊岸，始建于明嘉靖年間，它的內(nèi)口與墻根基連為一體，外口則以條石疊砌。護(hù)城石岸為整個(gè)城墻增加了一道堅(jiān)固的防線，頂住了洪水對(duì)城墻根基的直接沖擊。

壽縣城墻護(hù)城石岸

甕城

城門之外還修有甕城，甕城是古代為了加強(qiáng)防守或者防御洪水，在城門之外再修建的小型城池，有半圓形或者方形。壽縣東、西、南、北4座城門歷史上均建有甕城，成內(nèi)、外二門之勢(shì)，洪水若入甕城，便成渦流，可減輕洪水對(duì)內(nèi)門和城墻的壓力。20世紀(jì)60年代，因市政交通不便，拆除了西、南門的甕城，現(xiàn)存東、北兩門甕城。

壽縣古城墻和甕城

涵洞和月壩

壽縣城涵最早有3個(gè)，現(xiàn)僅存東北和西北兩個(gè)涵洞，作用是及時(shí)排泄城內(nèi)積水。月壩，實(shí)際上是在涵洞之上修建磚石結(jié)構(gòu)的圓桶狀壩墻，高于城墻，周圍又圍護(hù)以厚實(shí)的堤坡，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去像個(gè)小山包。內(nèi)壁設(shè)有石階，可以通向壩底的涵溝，涵溝上封有石板，設(shè)閘五道，可以隨時(shí)進(jìn)壩啟閉閘門，控制流量。

月壩和涵洞聯(lián)合起到防洪排水的作用，月壩保護(hù)涵溝和附屬閘門，避免被內(nèi)河積水毀壞。涵溝經(jīng)過(guò)月壩橫穿城墻、護(hù)城石岸，中間設(shè)有一木塞，木塞小頭朝向城內(nèi)，當(dāng)城內(nèi)水位高于城外時(shí)，內(nèi)河水通過(guò)涵道沖開(kāi)木塞，進(jìn)入涵體，將水排向城外護(hù)城河。當(dāng)城外水位高于城內(nèi)時(shí)，外城水通過(guò)水壓將木塞塞緊內(nèi)河涵管，月壩內(nèi)水位也跟著升高，起到蓄水的作用，從而防止外城水倒灌入城，這就起到了防洪排澇的重要作用。

壽縣涵洞和月壩除了城門口的涵洞、月壩外，在城內(nèi)四角處設(shè)置有內(nèi)城河的蓄水塘，在不同的區(qū)域也建有大小不等的眾多水塘，如南塘、鴨子塘、撒金塘等，這些陂塘在城內(nèi)積水時(shí)，能起到蓄水的作用，日常種有蓮藕等水生植物，凈化水質(zhì)，美化生態(tài)，還能調(diào)節(jié)城內(nèi)的氣溫和濕度。此外城內(nèi)還建有許多明溝暗渠，這些明溝暗渠都流向地勢(shì)偏低處的城西北、東北角的內(nèi)河，再由內(nèi)城河通過(guò)兩個(gè)涵洞排到城外。

月壩和涵洞排水系統(tǒng)（當(dāng)城內(nèi)水位高于城外時(shí)）

月壩和涵洞排水系統(tǒng)（當(dāng)城內(nèi)水位低于城外時(shí)）

壽縣古城墻擋水工程設(shè)置了重重屏障，可謂固若金湯，是我國(guó)古代勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期與洪水災(zāi)害做斗爭(zhēng)的過(guò)程中總結(jié)出來(lái)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)代城市防洪治理具有重要的借鑒意義。

三、明清紫禁城：?獨(dú)具匠心的宮廷排水系統(tǒng)

北京三面環(huán)山，境內(nèi)河流眾多，古時(shí)，每到夏季，一遇暴雨加上河道阻塞，便深受水災(zāi)困擾。然而位于北京中軸線上的紫禁城，作為明清兩代的皇家宮殿，建成后六百余年來(lái)，幾乎不見(jiàn)暴雨積水成災(zāi)的記載，這得益于其獨(dú)具匠心的排水系統(tǒng)。

精湛的測(cè)量、規(guī)劃和營(yíng)造

紫禁城建造之初，設(shè)計(jì)者對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行了精準(zhǔn)測(cè)量、精密設(shè)計(jì)和精細(xì)施工。京城北依燕山、東臨渤海，地形北高南低，因此水向東南流。

紫禁城的地面順應(yīng)北京地理環(huán)境，整體走勢(shì)亦呈北高南低、中間高兩邊低，而且略有坡度。其中紫禁城北門神武門地平標(biāo)高46.05米，南門午門地平標(biāo)高44.28米，豎向地平高差約2米，整體形成約2‰的排水坡度，降水易于向南流。同時(shí)宮殿廣場(chǎng)的地面設(shè)計(jì)中間高、兩邊低，形成“熊背”，降雨時(shí)由北向南的雨水又由中間向東西兩側(cè)排水。這種坡降為自然排水創(chuàng)造了有利條件。

科學(xué)完善的排水系統(tǒng)

紫禁城的人工排水系統(tǒng)由明溝、暗渠（暗渠又有干支溝）、涵洞、溝眼等眾多排水設(shè)施組成。降雨時(shí)，雨水由坡面形式的建筑屋頂迅速落到地面，流到明溝后，再匯到地面暗渠，一些形成地面徑流的雨水，順地面坡度流入院落和房基四周的雨水口（水由地面流進(jìn)暗渠的入口，多為方石板鏤雕成明清銅幣形，也叫“錢眼”）和石槽明溝，若遇有臺(tái)階或建筑物，則從“溝眼”穿過(guò)匯入暗溝(明渠遇到臺(tái)階或者墻等障礙物，則在其下開(kāi)一圈洞，被叫作“溝眼”)。

地下暗溝縱橫交錯(cuò)、四通八達(dá)，雨水排入暗溝以后，再由支溝匯集到干溝，經(jīng)干溝排入內(nèi)金水河。內(nèi)金水河從紫禁城東南角出宮，與紫禁城城墻外側(cè)52米寬的護(hù)城河相連，之后同周邊的外金水河、中南海等水系相通，消納紫禁城的雨水。

故宮銅錢眼排水口（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

“千龍出水”的奇觀

前三殿的“千龍出水”是紫禁城排水系統(tǒng)中最精彩的部分。故宮設(shè)計(jì)之初，為了防止積水，在太和殿、中和殿和保和殿三層臺(tái)基的四周欄桿底部，設(shè)計(jì)了1142個(gè)排水龍頭，龍頭也被稱為“螭首”，雕琢精美，內(nèi)為鑿?fù)ǖ膱A孔，是主要的排水口。

雨水順著臺(tái)基逐層下落，每層臺(tái)基的地面都有3%—5%的坡度，四周散水都有石槽明溝，臺(tái)階下還有石券涵洞接通干溝，使流水順利進(jìn)入地下，最后排入內(nèi)金水河。如遇大雨，屋頂流下來(lái)的水與臺(tái)面的雨水一同順地勢(shì)向四面流，從溝眼滲下，經(jīng)龍頭吐出，一層一層流向地面，呈現(xiàn)“千龍出水”景象，蔚為壯觀，即裝飾又實(shí)用。

“千龍出水”的奇觀（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

歷代對(duì)紫禁城排水系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)也非常重視。每年春季，太監(jiān)們都會(huì)定期清掃、套挖，以確保雨季到來(lái)前紫禁城排水系統(tǒng)的通暢。在暴雨過(guò)程中，有專門的太監(jiān)負(fù)責(zé)宮內(nèi)外積水情況，必要時(shí)打開(kāi)金水河，開(kāi)閘放水，適時(shí)調(diào)節(jié)內(nèi)金水河水量水位。

古代城市防洪排水系統(tǒng)的成就，是勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期實(shí)踐中尊重自然、利用自然的科學(xué)成果，也為后人積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。今天中國(guó)城市面臨的防洪問(wèn)題雖然已不同于古代，但是我們依然可以從古人的經(jīng)驗(yàn)中收到啟發(fā)并得到借鑒：

（一）系統(tǒng)考慮“堵”與“疏”的關(guān)系

在城市規(guī)劃之初做好頂層設(shè)計(jì)。治水是一個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題，面對(duì)洪水，不單純是“堵”或“疏”的問(wèn)題，需要綜合考慮。

（二）統(tǒng)籌處理“排”與“蓄”的關(guān)系

城市內(nèi)澇多與強(qiáng)而集中的降雨有關(guān)，在增強(qiáng)城市排水能力的同時(shí)，要加強(qiáng)雨污分流，提高城市鋪裝的透水率，更要增加蓄水塘、濕地和綠地，使其充分發(fā)揮涵養(yǎng)水源、美化生態(tài)的作用，提高城市蓄洪的能力。

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