利用自然的力量保护水体

文    体:讲座文稿

关键词:淡水的来源;降雨与地表径流;内涝的避免;中国传统建筑设计与雨水利用;北京故宫;杭州岳王庙;长沙岳麓书院;透水地面;蓄留雨水;下凹式绿地与减涝;雨水管道破裂与地表塌陷;植物与净水;硬化水沟的危害;环境友好型的水岸与水道设计;水生态保护;石块对水生态的保护;乱石垒岸的多重功能;圆明园的水体设计

正   文

陆地上的淡水主要是来自天上。地球表面70%是海洋,海水在阳光的照射下蒸发,咸水脱盐成了淡水,水蒸气到天上形成云,在风的作用下,云飘到陆地上空,遇到冷空气时就形成了降雨。雨水降到地表,源源不断地往低处流,最终又会回归海洋。

雨水是淡水,我们要想办法把淡水留住,有两个方法:一是让它流到湖泊、水库中去,还有一个方法是送到地下去。地下水资源丰富的地方,一般不会有缺水的问题。在地下水资源丰富时,水压比较高,水会经过石头的缝隙喷出山泉。所以地表要长很多植物,特别是耐旱型的植物,这些植物的根系又粗又长,下雨时它们能够把雨水送往地下。另外还要注意保护生态,生态保护好了,地表有很多小动物,在地上打些洞,下雨时,雨水也能通过这些洞穴流入地下,而不在地表上流,这能减少发生洪灾。

现在我们的城市最怕下大到暴雨,暴雨在24小时内的降水量为50~99.9mm。因为城市有大面积硬化地面,雨水无法下渗入地,只能汇聚在地表上。而城市的屋顶是不能漏水的,屋顶雨水也全部要排到路面上去,这些水都渗不到地下去,只能顺着道路往低处流。下凹式立交桥下往往就是最低处,于是,雨水迅速被排到此处,很快,立交桥下的水位会上涨超过1.5米,就有淹死人的危险。因为1.5米是小轿车的高度,如果此时立交桥下停有轿车,车内坐有人,水深高度超过1米时,车内的人就很难打开车门了,当水深高度上涨到淹没轿车时,车内的人极易窒息死亡。这个问题怎么解决呢?方法很简单,就是让地表径流和屋顶雨水不往马路上排,而是利用马路旁的绿地、透水地面(例如:人行道、社区、单位院铺设的透水砖地、砾石地等)将地表径流和屋顶雨水直接吸收入地,这样做能大大减少雨水汇流马路而引发内涝危害的概率。

在故宫的宫院里,屋顶的雨水降落到院子中,院子地表铺的是透水砖,有很强的吸水能力,砖缝也能够吸水。这表明:中国古代的建筑设计在减少水灾方面做得非常周全。院子的地表能吸收雨水有两个好处:一是能避免院子地面产生内涝。为保障住房不进水,古人建房时要修一个台基,台基通常比院落地面高40到80cm,房子建在台基上,这在故宫或中国传统乡村中都能看到实例;第二个好处是能为院中的水井补水。水井是人们日常生活的取水之处,天天取水,水井的水位会下降。让屋顶的雨水流到院子中,再渗到地下去,能补充地下水资源,让水井的水位不下降。

在杭州的一座古庙——岳王庙里,有一口古井,是清朝康熙年间修建的,距今300多年了,直到现在,古井中的水位还没有下降。这表明:这里的环境是宜居的,因为有水的地方人才能生存。岳王庙古井的水位保持不下降的原因在于:园内的地表设计保障了通透雨水。园内地表用了很多鹅卵石铺砌,卵石间有缝隙,缝隙是吸水的,加上园中以其它形式铺砌的透水地面和下凹式绿地,整个岳王庙的透水地表面积占了总面积的80%左右。德国的研究者们认为:要让一个城市的地下水位不下降,这个城市的社区、人行道、公园、停车场、学校、商业步行街等的地面应当都具备透水功能,城市除机动车外,透水地面的比例应达到80%。而中国的古建筑设计早就这样做了。

用鹅卵石铺地的做法从宋朝起就有了(可能还能追溯到更早的历史时期)。元朝时,威尼斯人马可波罗来到中国,他回欧洲后,把中国这样铺地的做法介绍给了欧洲。现在我们到欧洲旅游参观时,会看到有些欧洲城市使用鹅卵石铺地,但我们不要忘记,这个方法来自古代中国。德国有个叫弗莱堡的绿色城市,由于地下水位下降,城市里有几处泉眼枯竭了,不再出泉水了。为了建造绿色城市,在20世纪80年代,弗莱堡做了一项地面改造工程,把硬化地面改造成使用鹅卵石或是石块铺砌的透水地面,石块与石块间有缝隙,中间的泥土能吸水。改造后几年,泉眼重新喷水了,地下水位回升了,下雨也不内涝,弗莱堡成了一个很受欢迎的绿色城市。

在湖南的岳麓书院里,一些没有被改造过的传统式园林地表也是透水的,并且有着非常美观的透水型铺设。长沙要解决内涝问题,到岳麓书院去看看古人是怎么铺地的,就能找到出路。中国古人不光注重铺砌透水地面,还有些设计是不让雨水排走,而是设法将雨水留着,不下雨时,就有可使用的水资源。北京故宫的防洪设计就是实例,其做法体现了两个极高的功能:一是排洪,二是留住雨水资源。

北京故宫周边有一条护城河,叫筒子河,河深5米,宽52米,周长3840米,形成的体积是99.84万立方米,能够用来蓄水。故宫的地势设计是北高、南低,从北端走到南端有961米的距离,北端比南端高两米,所以,故宫从北到南的坡度为0.2%左右。故宫的面积是72万平方米,筒子河能接纳99.84万立方米的水,故能接纳的降雨量接近1400毫米,约为北京年平均降雨量的两倍。所以故宫从1420年建成使用到现在,从来没有被水淹过的记载。降雨时,雨水首先被故宫的地表吸收,吸收不了的雨水排到筒子河里去,水从故宫的东南角进入筒子河,因为南低。需要水的时候,在故宫西北角的筒子河有一个水闸门,水从那里再放进故宫中去。所以,故宫中内金水河里流淌的水来自筒子河蓄积的雨水。这么高水平的能利用雨水资源的皇宫设计,在几百年前的西方是没有的。比较之中我们可以看到:中国古建筑有着极高的科学水平。

故宫的防内涝设计处处透出科学性,比如,故宫中用石材筑成大面积宫殿台基的地表都有一定的坡度,这样的地表从不积水也不积尘。而台基的石栏杆底座上均匀地分布着排水石孔,差不多相距一米就有一个孔,孔洞的直径约有12cm,这些孔洞有极好的排水、除尘能力,使台基地表不必清扫就能保持干净。水随孔洞排到台基下的广场地面,就被透水地面吸收了。

在故宫太和殿的南广场,中间一条笔直的窄道是皇帝走的御道,由汉白玉铺成,无透水功能,但此道是拱形的,中间高两边低,呈熊背型。下雨时,雨水会自然向两边流,所以下雨天皇帝走在御道上不会湿脚。太和殿南广场其它部分的地表由砖铺砌,砖缝能长草,因此能透水,该广场的透水地表比例占了80%以上,这跟发达国家的研究结论完全相符。

到20世纪80年代,故宫太和殿南广场的透水比例还与古代保持一致,下雨时不会积水。但是2011年6月23日,北京下了一场暴雨,有网友发照片称:“水淹故宫”。这是非常罕见的情况!通过网络上的照片可以看到:故宫太和殿南广场的地面确实有积水,但皇帝的御道露出了水面上,这表明古人的设计——熊背型拱形御道,的确能使皇帝即使在下暴雨时也不会湿脚,这是事实。故宫太和殿南广场被水淹,为什么那么好的有吸水能力的地面没有透水性了呢?原来,是今人对地面进行了改造。今人扩大了硬化地面的比例,所以下雨时故宫太和殿南广场地表的吸水能力变弱了,就出现了积水的问题。2011年夏天,武汉、成都、杭州都发生了城市内涝,长沙降雨也发生内涝,都是设计出了问题,硬化地面比例高了,必然发生城市内涝、也会加重城市雾霾。

2011年9月,我国多个大城市发生严重的内涝问题之后,《中国国家地理》杂志发表了一系列相关文章,其中附有一个直观的图,展示各种类型的地表与降雨损失量的关系,降雨损失量越大表示地表的吸水能力越强。此图显示:草地在60分钟之内,可以吸收46.4mm的降雨量,接近一场大雨的最高降雨量(49mm);但是没有长草的土地,吸水量就减少了一半,一小时只能吸收20.4mm的降雨量;如果是新铺的硬化沥青路面,一个小时只能吸收2.8mm的降水量,水渗不到地下去,所以城市就内涝了。

社区也好、学校也好、单位也好,都该去看看自己的院子里是不是有硬化地面,屋顶的雨水排下来之后,是不是都顺着硬化地面排到马路上去了?如果是这样的话,就必须改,不能把屋顶的水排到马路上去,否则就会增加城市内涝。发达国家改过来了,但不是通过修下水道。修下水道是媒体传递的错误信息,发达国家的做法很简单,就是像古代中国那样,在院子里建下凹式绿地,也叫下沉式绿地,种耐旱型植物,将屋顶雨水直接引入绿地中。绿地吸收不了的雨水才经由模拟自然的沟渠送到周边的水系中,就能减少内涝。

看看岳麓书院里古代留下来的设计——雨水直接被地表吸收了。雨水不能往下水道里排,因为现在很多下水道是直通污水管道的,如果雨水进入污水管道,会导致下雨天时污水处理厂瘫痪,因为污水处理厂每日处理污水的能力是有限的,只能处理来自城市各类设施排放的污水,比如商业、单位、社区等排出的污水。雨水本来就是干净的,应当直接排到大自然里去,去补充城市的水资源。

如果公路旁有绿化带,公路路面比绿化带高,下雨时,雨水会自动流向绿地,公路上就不会积水。但实际情况是,现在我国许多公路与绿化带之间修了阻隔的道牙石,公路上的雨水只能集中流入雨箅子,排入地下雨水管道中,这容易出大问题。因为很多雨箅子下的雨水管道年久失修,若雨水管壁有裂缝,且管道内淤塞有泥土、树叶、垃圾等,下雨时,大量的雨水进入管道,管道不通畅,管壁压力增大,会使裂缝加大,水从裂缝冲出管道,会冲走管道周边的泥土,最终在管道外围形成一个大空洞,这将导致地表塌陷。为避免发生此类灾害,就应设法让公路上的雨水就近而分散地流入绿地中。进入雨水管道的水量少了,甚至没了,就不会引发雨水管道破裂的问题了。

在公路与绿地之间建凸起道牙石是西方国家发明的,中国古代建筑中没有这样的设计。在过去几十年中,西方国家已发现公路旁建凸起道牙石会使道路积水,因而又把道牙石切出多个排水口,这是简单易行的改进办法。要保障筑有凸起道牙石的公路路面在下大到暴雨时也不积水,道牙石上每隔1米就应该切出一个12-20公分的开口,使降到公路上的雨水能即刻流向公路外地带。

为解决道路积水的问题,我们最好的学习榜样是中国古建筑,我们应学古人的修路办法,因为他们建的路面都是高于植被地带的。学到了这个智慧,中国城市现在的很多环境问题都能顺利解决。中国古代的道路设计水平很高,路面是熊背型,中间高两边低。为什么是熊背而不是虎背呢?因为熊背平缓,坡度小,虎背的脊高,坡度大。

马可波罗是元朝时到过中国的威尼斯人,他就发现北京的“道路经过铺砌,高出草场地面,使得雨水不致于淤积路面,而是向两边流去,有助于滋养草木。”岳麓书院铺设的道路也是这样的。全中国过去传统的铺路方式是有利于减灾的。雨水流到路边,路边有低凹地带,低凹地带有植被生长,雨时能接纳降水。低凹地带自然生长的植物一般是亲水植物或水生植物,有净水功能,能够吸附水里的悬浮物质,根系也能吸收水里的氮、磷等营养物质,还能为水中增氧。

水岸的设计最好是缓坡型,这有利于多种水生植物与亲水植物在岸边生长。因为不同植物的耐水深度不一样,有些植物在水深超过10公分或20公分就无法生长了,所以,将岸体设计成缓坡型,能为不同耐水深度的植物提供生长机会。水体的植物越多样,水得到的净化程度就越高。

现在发达国家建排雨水的边沟,不再沿用水泥硬化式,因为硬化的雨水边沟会导致污染河湖、引发洪水、还有其它问题。当地表径流进入硬化的边沟里时,携带着泥沙与污物,这样的浊水在硬化沟中得不到净化,沿沟流入河湖中,会污染水体。此外,由于硬化的水沟是直线型的,水在沟里流速很快,当水迅速流向下游时,下游的水量突然变大,就易发生洪灾。再有,硬化的水沟阻隔了沟中之水与沟边土壤的接触,土壤吸不到水而干旱,沟旁的植物就生长不好。

所以,应当对硬化水沟进行改造,要改造成环境友好型的排水沟,即把水泥板去掉,将直线型变成曲线型,把边坡修建得平缓一点,铺上亲水植物。如此一来,当地表径流进入这种曲线型的模拟自然的水沟中时,水流变慢了,水中的泥沙沉降下来,待水流到达河湖入口处时,水已清澈了,不再给河湖带来污染。因水沟中的植物根系吸收很大一部分水量,进入河湖的水量也大大减少了,就能减少引发洪灾的可能性。同时,沟中之水能被周边土壤充分吸收,沟旁的植物也能生长良好。这就是环境友好型的排水设计。

在一本1996年美国出版的《环境科学》教科书上,就比较了两种水道的设计,其中不利于环境保护的水道就是硬化与直线型的。硬化式的水道除了带来污染河流、引发下游洪灾、造成土壤干旱等问题,还会使雨水资源被迅速排走,无雨时,当地易出现缺水问题。书中介绍的好的设计就是曲线型模拟自然的水道,这能尽量把降水都留在当地,滋润大地,并补充地下水。

如果不学习这些环境科学知识,政府的决策就会出错。1999年,北京市水利局对北京的一些河道进入了改造,就把原本模拟自然的河道修成了水泥硬化的河道,修好后的第二年,河中就爆发了蓝藻。这是为什么呢?因为河水是有养分的,河道被硬化后,水里无法生长植物,不能吸收养分了,就只有水中的单细胞生物藻类来吸收。藻类有了充足的养分,就大量繁殖,蓝藻就爆发了,整个河水就腥臭了,水无法使用了。这是北京应当吸取的深刻教训。后来,北京开始实施河道重新自然化的工程。建硬化河道花的钱很多,再改造回自然河道花的钱更多,这是非常惨痛的一个教训,所以政府部门的决策者和设计者们一定要学习新知识,跟上时代的进步。

水里的植物多了,最好的保护水体生态的做法是让鱼也多起来,让鱼来吃水中的植物。要使水中鱼的种类丰富并能够自然繁衍,河流最好不要建高的水坝,因为水坝不利于鱼回游产卵。在已建成水坝的地方,要修鱼梯,帮助鱼的回游。鱼产卵一般都在上游区域,如果游不回去产卵,有些鱼的种类就可能消失,这对物种保护与水体生态平衡都极为不利。对于坡型的河道,在河床中与河岸边安放石头,都能帮助鱼的回游。哪怕是一些平流的河段,水中也应该有些石头,这有助于鸟类落脚,吃河中的水生生物。水是往低处流的,土壤的养分随雨水流到水体之中,能被浮游生物利用,浮游生物又被虾、蟹、鱼等吃掉了,氮、磷就到了虾、蟹、鱼身上,鸟吃了这些虾、蟹、鱼,就把水中的氮磷带到了陆地上,鸟的粪便又成了陆地土壤的肥料。人吃这些虾、蟹、鱼,也是把水里的氮磷带到陆地上的途径,这是大自然的物质循环。

在人工设计与建造具有自净能力的水体与岸体时,一定要考虑到能让水中的生物健康生长。为此,水体与岸体要留出泥地与石缝,石缝是水生生物的栖息处,水草有助于鱼类产卵、繁殖。用石头垒岸时,石块间不能用水泥勾缝,应让水能通过石缝浸润岸边的泥沙,泥土水分含量饱和,岸体更稳固,不易崩塌。石缝多的堤岸表面积大,有利于净化水质,水中的悬浮物质能沉降到这些缝隙里去。

乱石垒岸,是中国古人发明的做法。这样做除了能增加水岸生物的栖息地、觅食地,还能增加岸体的安全性。大河边上用乱石垒岸能分解水浪对岸体的冲击力,就不易冲垮岸堤,哪怕有一块石头松动了,另外一块石头马上就能掉下去填补空处,起到很好的自我修补作用。清朝时,有西方传教士到中国来,看见中国人用乱石垒岸的方法建水岸,不解其妙,但进行了描述,并介绍给了西方。现在,所有发达国家的水岸——湖岸、河岸、海岸——都在应用乱石垒岸的做法。

中国古代的水体设计,具有极高的蓄留雨水、净化水质、保护生态、提供景观、保障安全的作用。以清朝建圆明园为例,中国古人的设计与做法是:挖湖堆山。即,人工挖出一个低地,蓄上雨水之后,就成了人工湖泊,挖出来的土方不外运,而是就地堆成一个小山包。山坡周围植上树木,再以背山面水的方位建造房屋,人就居住在依山傍水的环境之中。在清朝绘制的圆明园四十景图咏之一“濂溪乐处”的写实图中,可以看到:中国古人建造的人工湖泊的岸体都是乱石垒岸,水中种了大量的荷花,可以净水,又能收获莲藕,莲叶下又给鱼类提供了最佳生长场所。这就是当今全世界最为推崇的环境友好型的水体设计。

(此文为李皓题为《建宜居环境,与自然共存》的讲座内容第三部分)