我国古代城镇道路大排水系统分析及对现代的启示
我国古代城镇道路大排水系统分析及对现代的启示
李贞子1，车伍1，赵杨2
(1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京100044;2. 北京雨人润科生态技术有限责任公司，北京100044)
摘要：近年来，大排水系统的概念及其在城镇排水防涝中的重要作用得到越来越多的认知，在多个相关标准中明确大排水系统是城镇内涝防治系统的重要组成部分。已有研究对大排水系统的概念、组成、设计要点做了系统的梳理，但在实际工程中如何合理构建大排水系统仍然是一个难题。城镇道路系统是大排水系统的重要组成部分，也是规划设计的难点。通过对我国古代城镇道路及其排水系统建设的相关历史文献的检索和实地调研分析，从道路规划的平面布局、断面和竖向设计分析古代道路系统中存在的大排水系统设计思想和建设要点，重拾古人的智慧，总结古代道路规划设计中值得学习的思路和方法。审视现代道路规划设计在排水方面存在的问题，为我国城镇道路大排水系统的构建提供有益的借鉴。
为应对日趋严峻的城市洪涝灾害，国家明确提出建设城市排水防涝工程体系和海绵城市的要求。业内相关规范、标准以及各地编制的城市排水防涝规划等文件，都提出大排水系统建设的相关要求。《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》提出建立行泄通道以抵御超标暴雨；2014年修编版《室外排水设计规范》(GB 50014—2006,2014年版)强调了排水工程设计应与城市防洪、道路交通等专项规划和设计相协调；一些城市的排水防涝规划也提出利用道路作为行泄通道的要求。毫无疑问，利用城市道路系统应对超标暴雨是内涝防治系统不可忽视的重要部分。
道路大排水系统主要是通过道路的平面、竖向和断面设计有组织地排放地表径流，作为应对超标暴雨的临时行泄通道，提高城市防涝能力。但是，目前我国道路规划设计及排水规划设计在这方面还存在不少问题，制约了道路大排水系统的构建：①城市道路系统规划缺乏暴雨径流行泄的考虑；②道路与周边场地竖向关系不合理；③排水相关规范编制缺乏更明确的技术要求；道路断面形式与坡度不利于暴雨径流的安全行泄，或达不到内涝防治标准所要求的行泄能力;④相关专业缺乏合理衔接，相关部门间缺乏密切配合等。
其实，古代先民在与自然长期相处过程中，对自然和城市的关系有着深刻的理解。通过大量实践经验的积累，采用合理的理念和方法以增强应对暴雨的能力。利用地下沟渠与地上水塘相结合的赣州“福寿沟”蓄排系统，便是古人经验和智慧的有力实证。在利用道路排水和防止城镇内涝方面，古人亦有自己独到的方式，其中蕴含的一些理念和方法与现代道路大排水系统高度相似。剖析古代道路系统规划设计中所蕴含的大排水的理念和方法，重拾古人的智慧，对解决我国道路排水系统存在的问题以及构建现代城市道路大排水系统具有重要意义。
1 研究方法
通过实地考察丽江、大理、镇远、平遥、太谷、宏村等古城镇，并结合大量历史文献和地图资料的整理和分析，对古城镇的道路形态、道路同自然环境的关系、规划设计、道路与周边场地的竖向关系、道路排水方式和断面设计形式、纵横坡度等方面进行分析，探讨古城镇道路大排水系统是如何实现的。挖掘古人的经验和智慧，对比分析现代城市道路排水规划设计中存在的问题，并结合当前的城市道路排水现状，为未来道路大排水系统建设提供借鉴。
2 古代城镇道路大排水系统分析
2.1 规划设计理念及与排水的关系
古代城镇道路规划设计基于对自然环境、地理和水文特征的深刻认识。如《管子·乘马》中指出：“因天材，就地利，故城郭不必中规矩，道路不必中准绳”，其规划设计理念考虑了对地形地貌等自然条件的适应与利用，利于自然地表径流通道的保留。笔者在希腊古城镇也发现多处这样的迹象和设施。
道路设计的具体方法早在两千多年前便有详细记载。在《周礼·地官司徒·遂人》、《周礼·冬官考工记·匠人》中，规定了不同道路等级的布局、宽度，并配置相应的排水、绿化。贺业钜根据《考工记·匠人》拟绘制了经纬涂（城市主要干道）剖面图，如图1所示。其断面形式和大尺寸的边沟设计明显蕴含了对暴雨排放的考虑，说明了道路排水是古城镇道路系统规划设计中重要的考虑因素和组成部分，且与道路本身紧密结合。
图1 经纬涂（城市主要干道）横断面示意
2 规划设计理念和方法分析
2.2.1 注重雨水自然贯通性的道路平面布局
古代城镇道路的平面布局受礼制制度的影响，其主干道路形成规整网格形、井字形、十字形，但在整体布局和走向上特别重视与当地自然环境和周边整体环境的关系，如与场地坡度和水系条件的配合与利用。平原等地势起伏不大的地区，城镇道路主要由南北、东西走向构成方格网状，如明清北京城、汉长安城、平遥等。同时，主干路配有排水沟渠作为城镇的主要排水通道，并接纳支路及周边场地径流。主干路一般与城门相连接，城门位置一般地势较低，暴雨期间道路作为重要的行泄通道，将超过沟渠泄水能力的径流直接导向城外。其他等级的城镇道路尽量顺应自然地势铺设，形成平直或弯转的形态，并通过场地调整，尽量使街巷里弄坡向主干道路或有排水沟渠的道路，以便雨水的顺利排放，图2所示为我国部分城镇布局与道路排水系统的简化示意图。山地丘陵等地形地貌复杂的地区，地势条件利于排除径流。古人充分利用这种天然地势条件，使城市整体布局同地势走向协调，并通过适当引导径流漫流的方向和调整主、次干道路的竖向关系来避免局部低洼地段积水。而对于河网发达地区，则可利用天然水系与人工沟渠的连通，构筑活水水网，与道路协同规划设计，形成水-陆双棋盘网络，如苏州、丽江、赣州等地。
图2 中国古代城镇典型布局及道路排水系统平面简化示意
2.2.2 利于实现排水系统要求的道路横断面设计
道路横断面设计在一定程度上决定了径流横向排放的效率和道路竖向上所达到的行泄断面的大小，主要包括横向坡度设计、道路与周边场地形成的竖向空间和沟渠断面形式。根据大量的实地考察和历史资料总结分析，中国古代城镇道路的断面形式主要可分为三种：①中央凸起式（路拱式断面）。道路中线为最高点，两侧设置边沟或暗渠用以收集、排放径流。此种断面形式主要应用于城镇中断面宽度较大的主干路、次干路；②中央下凹式。道路中线为最低点，中间大多以不同的铺装方式铺设石板，强调排水沟渠的位置，石板间留有雨水口。主要适用于街巷或道路空间有限的区域；③临河式。道路与城镇河道并行设计，道路横断面坡向河道，道路及收纳径流可直接漫流排放，主要应用于苏州、嘉兴等河网密集区域或临河道路段的设计。
以中央凸起式道路横断面形式为例，分析道路横断面空间设计要点对城镇排水防涝的作用机制。在应对中小降雨事件时，道路的横坡设计主要起横向汇流排放的作用，此时沟渠等小排水系统发挥主要作用。而在《考工记》中也提出“堂涂十有二分”，郑注：“若今甓裓也，分其督旁，以一分为峻也。”疏云：“名中央为督，假令两旁上下尺二寸，则取一寸于中央为峻”，指路中央高出路两边的尺度是堂阶前道路宽度一半的十二分之一。可计算道路横坡达8.3%，即便相对当今的小排水系统，其设计标准也是很高的。当渠道输送、调蓄水量难以抵御大暴雨时，雨水自然积存在道路两侧，此时道路纵坡设计发挥重要作用，雨水沿路面纵向排放。随着淹没深度的提高，逐渐达到路拱最高点，此时道路横向汇流难以发挥作用，依靠沟渠和道路纵坡共同作用，主要以地表漫流的方式排除径流。此外，中国古代建筑多建于高台基之上，临街建筑的室内标高一般要高出路面最高点40~50 cm左右。除避免或减少涝水入屋之患，也增大了道路行洪的断面面积，从而提高道路行泄径流和暂存空间的能力，为道路大排水的构建创造良好的断面条件。
图3为中央凸起式道路横断面的示意图，表示不同设计水位所能抵御暴雨的能力。图4、5为中央下凹式和临河式道路横断面的示意图。
图3 中央凸起式道路横断面
图4 中央下凹式道路横断面
图5 结合河道设计的道路横断面
值得一提的是，笔者在国外不少城市发现，他们一些道路横断面坡度明显大于我国，停车场地面坡向雨水口的坡度也非常大，说明为了防范水涝，他们在地面坡度上有充分的考虑，值得我们思考。
2.2.3 满足道路大排水纵向坡度要求的竖向设计
古代城镇道路在竖向上也充分考虑雨水的疏导和排放，包括道路与周边场地的竖向关系和道路与道路间的纵向衔接关系。古代城镇道路竖向关系见图6。
图6 古代城镇道路竖向关系示意
道路与周边场地遵循一定的竖向关系。在一个街区范围内，建筑室内标高要高于所在场地（居住区、寺庙等院落）的地坪标高，场地地坪标高高于路面标高，且有非常明显的高差。建筑场地利用与道路的竖向高差将场地内收集的径流通过地表或暗管排入街区道路路面或沟渠系统。
道路与道路之间及主干道路与接纳水体的竖向关系设计是道路大排水系统得以实现的关键。应对暴雨形成的地表径流，道路纵向坡度发挥主要作用。各路段采用单向坡度设计，利用自然条件和人为引导各级道路径流输送至与城门相连的主干道路，将径流引向城外低洼地，如护城河或其他水系。对于断面较窄的路面，很少设置沟渠等排水设施，大多仅依靠路面纵向坡度设计，将径流汇集到次干路、主干路等有排水设施的路段，或直接排入附近水体。
2.3 古代城镇道路大排水系统实践
考查表明，古城镇有大量道路大排水系统的实践，仅举几例(见图7)。
图7 不同古城中部分道路断面形式
中国典型山地水城丽江大研古镇，其道路布局具有明显依地形和依水流方向性，随地形地势曲折弯转，并结合自然及人工挖凿的水系条件形成主街临河、小巷临渠的平面布局形式。城区整体地势坡度易于径流排放，根据道路的等级和水系的关系，镇内具有多种形式的道路排水方式［见图7(a）］并可将径流快速导入受纳水体。
属于高原山地型的大理古城，有着“一水绕苍山，苍山抱古城”的山水格局。大理古城主干道路长约1 500 m，古城及其道路依山势布局，其自然地势坡度为道路大小排水系统的构建和形成提供有利条件［见图7(c）］，与下游受纳水体也有很好的竖向衔接。
现存2 700年的山西平遥古城，有着典型的棋盘式城镇道路布局，但同时又通过巧妙的道路间的竖向设计进行汇水、排水。城中最高点位于东西大街与南大街的交汇处，四条主干街道坡向城门，而大部分的小街巷坡向主干道路。遇暴雨时，街道成为临时汇流疏导通道，将超标径流导向城外护城河。除此之外，像镇远、太谷、宏村也都根据其特有的环境条件形成不同的道路大小排水组合形式。通过自然或人为设计的横断面形式和竖向坡度行泄径流，来实现安全地排放暴雨径流。图7(c)都是中央下凹式排水，一部分是加盖板的地下排水沟渠（小排水），另一部分则是由道路横断面和纵向坡度构成的地表大排水系统。
3 现代启示
结合古代道路排水的分析来反思，为什么科学技术高度发达的今天，我们城市道路地表排水这一基本知识反倒被忽视并带来许多问题，古人在道路布局及其大小排水系统设计方面的智慧对我们究竟有什么启示和借鉴。
3.1 重拾尊重自然、顺应自然之智慧
“尊重自然、顺应自然”已经成为人们今天经常挂在嘴边的话。但在实践中，城市和道路建设破坏自然、违背自然规律的事却比比皆是。
古代，人们缺乏现代水文学、水力学、模型工具、管道技术、泵车强排等科学和工程技术手段,城镇排水和洪涝防治更多需要依靠比较原始的经验、方法和手段,必须重视自然风水和地理、地形、地貌的保护和利用，重视协调人水关系，尊重自然、顺应自然也成为必然选择，唯此才能以最小代价、最小的投入建设家园，规避自然灾害，实现良好的居住条件和环境。可以说，这也是千万年来，人类与自然相处付出过巨大代价后长期的经验积累和智慧结晶，也有大量的文献记载和实际案例，不少至今都在发挥作用。古代城镇道路及其排水系统的规划设计和建设只是这些经验和智慧在市政建设和雨洪管理方面的具体体现。
进入现代，科学技术有了飞速发展，各种工程技术手段层出不穷，人们有了更多应对自然灾害的方法、手段和技术，似乎可以“更任性”地忽视自然要素的存在。逐渐习惯简单运用现代科技手段快速完成建设和解决问题，反而常常忽视遵循自然规律的重要性。具体看，在城镇道路规划设计和建设中，少以水管理为基本原则和规划导向。为保证建设速度和交通的通畅功能，减小施工难度，往往忽视自然地形和水文条件，采取“宜平宜直”思路和方法，填沟平洼，截弯取直。湖泊湿地显著减少，形成大量的“断头浜”、“死水涌”，如苏州城的河道由原来的82 km缩减到现今只有35 km。
场地开发和道路规划前鲜有应用水文模型模拟分析规划区域内径流途径和洪涝风险区，缺乏整体考虑城镇建设对地表径流途径和蓄淹规律变化的影响。随意的建设在很大程度上破坏或阻碍自然汇水和排水的方式，易形成局部低洼点，增加城市洪涝灾害的风险。在城镇道路系统规划原则中，针对雨水排放问题主要局限在满足市政管线布设的空间要求，虽提出考虑抗灾、救灾等人防工程的应急要求，但并没有明确提出城镇道路应对超标暴雨行洪通道的具体要求和措施，这将直接影响道路大排水系统的构建、横断面和纵断面设计参数的合理取值，以及应对暴雨径流的行泄能力，为内涝留下了隐患。
笔者参与的不少实际工程项目或在评审各类规划设计和建设项目中，并不少见，一边在说重视生态和低影响开发，另一边却在我行我素地快速建设破坏原有场地的自然条件和“海绵”要素，坡地被肆意推平，水体、坑塘和沟渠被任意填埋，河道被草率切断等，都给未来的水环境和洪涝灾害留下明显的隐患。一些刚开发建设的项目，就已经面临自然和暴雨的报复，出现严重水质恶化、水土冲蚀、水涝灾害、生态恶化等问题，而重新进行改造和修复却困难重重，代价巨大！
在历史城区改造中也存在严重的问题，缺乏对历史排水方式和设施的认知及思考，对原有排水系统造成一定程度的破坏。一方面，部分古城区在改造中，忽略原有道路与周边建筑的竖向排水关系，为求降低施工难度、缩短工程建设时间和减少工程造价，往往抬高路面或更改地面标高，“叠加”施工。造成道路标高高于周边建筑、院落标高，造成地块内径流难以排向道路，使得街巷雨水倒灌。另一方面，古城区外围道路在城市更新中缺乏对古城区道路的整体考虑，使外围道路逐渐抬高，局部古城区易成为低洼地，难以依靠道路竖向排水，而且外部雨水极易汇入，再加上局部地区排水设施老旧、堵塞，排水防涝问题十分严重。如太谷古城局部道路经过数次改造，使得古城区房屋内的标高低于道路标高，雨潦之灾、倒灌入屋的情况时有发生。
3.2 道路断面和竖向设计必须适于行泄暴雨径流
古人将“水往低处流”这一常识在排水系统构建和防范城镇水涝灾害方面发挥得淋漓尽致，即使是地势平坦区域，也可人为造“势”，依靠地表沟渠、道路断面设计与竖向关系，使径流重力排放。古代城镇道路路面的行泄通道注重整体的布局关系和竖向把握，有利于道路与道路间、与受纳水体的顺利衔接，保证暴雨径流的顺畅排放。
长期以来，城镇排水主要依靠地下管网设计断面和坡度，忽视地表排水。一方面，为保障道路排水要求，《城市道路工程设计规范》（CJJ 37—2012）（以下简称《规范》）提出道路“最小纵坡不应小于0.3%”。但另一方面，为保证道路交通功能和雨水汇流入雨水口的需要，道路纵断面通常又被设计为“波浪形”，从形式上看，这为地下管道的小排水系统创造了较好的汇流条件，但对大暴雨所形成的地表径流的排放却造成不利因素。对北京西二环10个重要路段的实测数据显示，路面最小横坡为0.3%，平均约为0.8%，最小纵坡<0.1%，平均约为0.3%~0.5%，横坡基本均小于《规范》的建议值，纵坡基本均为《规范》中的下限。其中，只有一段（150 m）为单一纵向坡度，其他九段均有起伏。相比于古代及现代发达国家的横、纵坡设计，都明显不足，标准规范中一些规定的合理性值得商榷，对规范标准的执行力也值得检讨。
当然，今天的城市道路系统不论是从承载量还是功能都远比古代要复杂得多，利用道路系统构建道路大排水系统也会存在诸多问题，需要有新的思路和对策。古代城镇规模普遍较小，通过道路比较容易将径流很快导向城外，而现代城市的大规模和高密度会加大道路路面排放与河道连通性的难度。此外，对于坡度较大的地区既要考虑利用道路排水，又要防范道路行泄存在一定风险，如济南7·18大暴雨马路洪水产生的危害，事实上，发达国家道路大排水对断面和流速都有很具体的规定。对一些高密度的已建城区，地面竖向关系已经破坏，空间条件局促，改造和恢复难度较大，这些都是在实践中会遭遇的具体问题和困难。但无论如何，古人在道路排水、大排水方面的基本思路、方法和智慧是不应该被遗弃的，一些发达国家排水手册中的相关技术要求和实践也是很好的旁证。
3.3 多专业、跨部门的协作
古代，城市建设管理者往往要求有较强的综合知识和经验。如唐代工部设置，“工部尚书一人，侍郎一人，掌边下百工、屯田、山澤之政令”。下有“工部郎中、员外郎，各一人，掌城池土木之工役程式。”（《唐六典卷七·尚书工部》）。部门和人员设置简单，土木工程专业建设管理集中，有利于道路与排水系统的统筹建设。
现代科学技术的纵深发展既带来更细、更专的专业划分，也要求更多的学科交叉融合。至今各学科专业的细化分割是不争的事实，加上机构的庞杂，增加了管理的难度，学科间的交流不紧密，各专业各自为政，考虑问题缺乏系统性、全局性。
具体到城镇雨洪管理领域，相关专业、部门制定的标准规范也缺乏有效衔接。如《海绵城市建设指南》、《城镇内涝防治技术规范》中都提出，将道路作为应对超标暴雨的行泄通道；《城市排水工程规划规范》中提出，城市排水应结合道路、竖向的规划布局。与之密切相关道路专业的规划和规范还缺乏相适应的内容。如《规范》指出“道路排水应采用管道形式，将道路路面的雨水汇集至路边雨水口，通过地下雨水管道排除”，虽然城市道路规划设计上要求考虑城市排水（雨水），但很大程度上针对的是常规降雨事件，即通常说的地下管道小排水系统。对应对内涝的重要设施大排水就缺乏考虑。
显然，要构建道路大排水系统需要城镇规划、道路交通、土地管理、排水系统规划设计等相关部门和专业的共同参与和配合，这也是现代社会和城市建设与管理的一大特征。
4 结语
分析研究古代城镇道路系统规划设计思想和方法，剖析古人通过道路及其大小排水系统应对暴雨的理念、经验和智慧，对道路断面和竖向设计的整体把握，对自然条件的尊重与利用，为更好地落实道路大排水系统的规划设计和建设提供了自信和有益的借鉴。
古代的经验和智慧不应被现代的科学技术所废弃,既要重拾古人之智慧，更要突破长期以来排水（雨水）工程思路、方法和技术方面的局限，客观面对现代城市更复杂的局面和更高的要求，更好发挥现代科学技术的优势，不能让这些优势因我们的“无知”而变成劣势。对大自然保持必要的敬畏与尊重，因地制宜，顺应自然，将这些思想、方法和技术有机地融入道路及其大小排水系统的综合规划设计中，这也是建设海绵城市和低影响开发的根本之道。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第10期“述评与讨论”栏目）
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