利用自然的力量保護水體
日期:2018-09-11
來源:身邊科學
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  • 陸地上的淡水主要是來自天上。地球表面70%是海洋,海水在陽光的照射下蒸發,咸水脫鹽成了淡水,水蒸氣到天上形成云,在風的作用下,云飄到陸地上空,遇到冷空氣時就形成了降雨。雨水降到地表,源源不斷地往低處流,最終又會回歸海洋。

    雨水是淡水,我們要想辦法把淡水留住,有兩個方法:一是讓它流到湖泊、水庫中去,還有一個方法是送到地下去。地下水資源豐富的地方,一般不會有缺水的問題。在地下水資源豐富時,水壓比較高,水會經過石頭的縫隙噴出山泉。所以地表要長很多植物,特別是耐旱型的植物,這些植物的根系又粗又長,下雨時它們能夠把雨水送往地下。另外還要注意保護生態,生態保護好了,地表有很多小動物,在地上打些洞,下雨時,雨水也能通過這些洞穴流入地下,而不在地表上流,這能減少發生洪災。

    現在我們的城市最怕下大到暴雨,暴雨在24小時內的降水量為5099.9mm。因為城市有大面積硬化地面,雨水無法下滲入地,只能匯聚在地表上。而城市的屋頂是不能漏水的,屋頂雨水也全部要排到路面上去,這些水都滲不到地下去,只能順著道路往低處流。下凹式立交橋下往往就是最低處,于是,雨水迅速被排到此處,很快,立交橋下的水位會上漲超過1.5米,就有淹死人的危險。因為1.5米是小轎車的高度,如果此時立交橋下停有轎車,車內坐有人,水深高度超過1米時,車內的人就很難打開車門了,當水深高度上漲到淹沒轎車時,車內的人極易窒息死亡。這個問題怎么解決呢?方法很簡單,就是讓地表徑流和屋頂雨水不往馬路上排,而是利用馬路旁的綠地、透水地面(例如:人行道、社區、單位院鋪設的透水磚地、礫石地等)將地表徑流和屋頂雨水直接吸收入地,這樣做能大大減少雨水匯流馬路而引發內澇危害的概率。

    在故宮的宮院里,屋頂的雨水降落到院子中,院子地表鋪的是透水磚,有很強的吸水能力,磚縫也能夠吸水。這表明:中國古代的建筑設計在減少水災方面做得非常周全。院子的地表能吸收雨水有兩個好處:一是能避免院子地面產生內澇。為保障住房不進水,古人建房時要修一個臺基,臺基通常比院落地面高4080cm,房子建在臺基上,這在故宮或中國傳統鄉村中都能看到實例;第二個好處是能為院中的水井補水。水井是人們日常生活的取水之處,天天取水,水井的水位會下降。讓屋頂的雨水流到院子中,再滲到地下去,能補充地下水資源,讓水井的水位不下降。

    在杭州的一座古廟——岳王廟里,有一口古井,是清朝康熙年間修建的,距今300多年了,直到現在,古井中的水位還沒有下降。這表明:這里的環境是宜居的,因為有水的地方人才能生存。岳王廟古井的水位保持不下降的原因在于:園內的地表設計保障了通透雨水。園內地表用了很多鵝卵石鋪砌,卵石間有縫隙,縫隙是吸水的,加上園中以其它形式鋪砌的透水地面和下凹式綠地,整個岳王廟的透水地表面積占了總面積的80%左右。德國的研究者們認為:要讓一個城市的地下水位不下降,這個城市的社區、人行道、公園、停車場、學校、商業步行街等的地面應當都具備透水功能,城市除機動車外,透水地面的比例應達到80%。而中國的古建筑設計早就這樣做了。

    用鵝卵石鋪地的做法從宋朝起就有了(可能還能追溯到更早的歷史時期)。元朝時,威尼斯人馬可波羅來到中國,他回歐洲后,把中國這樣鋪地的做法介紹給了歐洲?,F在我們到歐洲旅游參觀時,會看到有些歐洲城市使用鵝卵石鋪地,但我們不要忘記,這個方法來自古代中國。德國有個叫弗萊堡的綠色城市,由于地下水位下降,城市里有幾處泉眼枯竭了,不再出泉水了。為了建造綠色城市,在20世紀80年代,弗萊堡做了一項地面改造工程,把硬化地面改造成使用鵝卵石或是石塊鋪砌的透水地面,石塊與石塊間有縫隙,中間的泥土能吸水。改造后幾年,泉眼重新噴水了,地下水位回升了,下雨也不內澇,弗萊堡成了一個很受歡迎的綠色城市。

    在湖南的岳麓書院里,一些沒有被改造過的傳統式園林地表也是透水的,并且有著非常美觀的透水型鋪設。長沙要解決內澇問題,到岳麓書院去看看古人是怎么鋪地的,就能找到出路。中國古人不光注重鋪砌透水地面,還有些設計是不讓雨水排走,而是設法將雨水留著,不下雨時,就有可使用的水資源。北京故宮的防洪設計就是實例,其做法體現了兩個極高的功能:一是排洪,二是留住雨水資源。

    北京故宮周邊有一條護城河,叫筒子河,河深5米,寬52米,周長3840米,形成的體積是99.84萬立方米,能夠用來蓄水。故宮的地勢設計是北高、南低,從北端走到南端有961米的距離,北端比南端高兩米,所以,故宮從北到南的坡度為0.2%左右。故宮的面積是72萬平方米,筒子河能接納99.84萬立方米的水,故能接納的降雨量接近1400毫米,約為北京年平均降雨量的兩倍。所以故宮從1420年建成使用到現在,從來沒有被水淹過的記載。降雨時,雨水首先被故宮的地表吸收,吸收不了的雨水排到筒子河里去,水從故宮的東南角進入筒子河,因為南低。需要水的時候,在故宮西北角的筒子河有一個水閘門,水從那里再放進故宮中去。所以,故宮中內金水河里流淌的水來自筒子河蓄積的雨水。這么高水平的能利用雨水資源的皇宮設計,在幾百年前的西方是沒有的。比較之中我們可以看到:中國古建筑有著極高的科學水平。

    故宮的防內澇設計處處透出科學性,比如,故宮中用石材筑成大面積宮殿臺基的地表都有一定的坡度,這樣的地表從不積水也不積塵。而臺基的石欄桿底座上均勻地分布著排水石孔,差不多相距一米就有一個孔,孔洞的直徑約有12cm,這些孔洞有極好的排水、除塵能力,使臺基地表不必清掃就能保持干凈。水隨孔洞排到臺基下的廣場地面,就被透水地面吸收了。

    在故宮太和殿的南廣場,中間一條筆直的窄道是皇帝走的御道,由漢白玉鋪成,無透水功能,但此道是拱形的,中間高兩邊低,呈熊背型。下雨時,雨水會自然向兩邊流,所以下雨天皇帝走在御道上不會濕腳。太和殿南廣場其它部分的地表由磚鋪砌,磚縫能長草,因此能透水,該廣場的透水地表比例占了80%以上,這跟發達國家的研究結論完全相符。

    20世紀80年代,故宮太和殿南廣場的透水比例還與古代保持一致,下雨時不會積水。但是2011623日,北京下了一場暴雨,有網友發照片稱:水淹故宮。這是非常罕見的情況!通過網絡上的照片可以看到:故宮太和殿南廣場的地面確實有積水,但皇帝的御道露出了水面上,這表明古人的設計——熊背型拱形御道,的確能使皇帝即使在下暴雨時也不會濕腳,這是事實。故宮太和殿南廣場被水淹,為什么那么好的有吸水能力的地面沒有透水性了呢?原來,是今人對地面進行了改造。今人擴大了硬化地面的比例,所以下雨時故宮太和殿南廣場地表的吸水能力變弱了,就出現了積水的問題。2011年夏天,武漢、成都、杭州都發生了城市內澇,長沙降雨也發生內澇,都是設計出了問題,硬化地面比例高了,必然發生城市內澇、也會加重城市霧霾。

    20119月,我國多個大城市發生嚴重的內澇問題之后,《中國國家地理》雜志發表了一系列相關文章,其中附有一個直觀的圖,展示各種類型的地表與降雨損失量的關系,降雨損失量越大表示地表的吸水能力越強。此圖顯示:草地在60分鐘之內,可以吸收46.4mm的降雨量,接近一場大雨的最高降雨量(49mm);但是沒有長草的土地,吸水量就減少了一半,一小時只能吸收20.4mm的降雨量;如果是新鋪的硬化瀝青路面,一個小時只能吸收2.8mm的降水量,水滲不到地下去,所以城市就內澇了。

    社區也好、學校也好、單位也好,都該去看看自己的院子里是不是有硬化地面,屋頂的雨水排下來之后,是不是都順著硬化地面排到馬路上去了?如果是這樣的話,就必須改,不能把屋頂的水排到馬路上去,否則就會增加城市內澇。發達國家改過來了,但不是通過修下水道。修下水道是媒體傳遞的錯誤信息,發達國家的做法很簡單,就是像古代中國那樣,在院子里建下凹式綠地,也叫下沉式綠地,種耐旱型植物,將屋頂雨水直接引入綠地中。綠地吸收不了的雨水才經由模擬自然的溝渠送到周邊的水系中,就能減少內澇。

    看看岳麓書院里古代留下來的設計——雨水直接被地表吸收了。雨水不能往下水道里排,因為現在很多下水道是直通污水管道的,如果雨水進入污水管道,會導致下雨天時污水處理廠癱瘓,因為污水處理廠每日處理污水的能力是有限的,只能處理來自城市各類設施排放的污水,比如商業、單位、社區等排出的污水。雨水本來就是干凈的,應當直接排到大自然里去,去補充城市的水資源。

    如果公路旁有綠化帶,公路路面比綠化帶高,下雨時,雨水會自動流向綠地,公路上就不會積水。但實際情況是,現在我國許多公路與綠化帶之間修了阻隔的道牙石,公路上的雨水只能集中流入雨箅子,排入地下雨水管道中,這容易出大問題。因為很多雨箅子下的雨水管道年久失修,若雨水管壁有裂縫,且管道內淤塞有泥土、樹葉、垃圾等,下雨時,大量的雨水進入管道,管道不通暢,管壁壓力增大,會使裂縫加大,水從裂縫沖出管道,會沖走管道周邊的泥土,最終在管道外圍形成一個大空洞,這將導致地表塌陷。為避免發生此類災害,就應設法讓公路上的雨水就近而分散地流入綠地中。進入雨水管道的水量少了,甚至沒了,就不會引發雨水管道破裂的問題了。

    在公路與綠地之間建凸起道牙石是西方國家發明的,中國古代建筑中沒有這樣的設計。在過去幾十年中,西方國家已發現公路旁建凸起道牙石會使道路積水,因而又把道牙石切出多個排水口,這是簡單易行的改進辦法。要保障筑有凸起道牙石的公路路面在下大到暴雨時也不積水,道牙石上每隔1米就應該切出一個12-20公分的開口,使降到公路上的雨水能即刻流向公路外地帶。

    為解決道路積水的問題,我們最好的學習榜樣是中國古建筑,我們應學古人的修路辦法,因為他們建的路面都是高于植被地帶的。學到了這個智慧,中國城市現在的很多環境問題都能順利解決。中國古代的道路設計水平很高,路面是熊背型,中間高兩邊低。為什么是熊背而不是虎背呢?因為熊背平緩,坡度小,虎背的脊高,坡度大。

    馬可波羅是元朝時到過中國的威尼斯人,他就發現北京的道路經過鋪砌,高出草場地面,使得雨水不致于淤積路面,而是向兩邊流去,有助于滋養草木。岳麓書院鋪設的道路也是這樣的。全中國過去傳統的鋪路方式是有利于減災的。雨水流到路邊,路邊有低凹地帶,低凹地帶有植被生長,雨時能接納降水。低凹地帶自然生長的植物一般是親水植物或水生植物,有凈水功能,能夠吸附水里的懸浮物質,根系也能吸收水里的氮、磷等營養物質,還能為水中增氧。

    水岸的設計最好是緩坡型,這有利于多種水生植物與親水植物在岸邊生長。因為不同植物的耐水深度不一樣,有些植物在水深超過10公分或20公分就無法生長了,所以,將岸體設計成緩坡型,能為不同耐水深度的植物提供生長機會。水體的植物越多樣,水得到的凈化程度就越高。

    現在發達國家建排雨水的邊溝,不再沿用水泥硬化式,因為硬化的雨水邊溝會導致污染河湖、引發洪水、還有其它問題。當地表徑流進入硬化的邊溝里時,攜帶著泥沙與污物,這樣的濁水在硬化溝中得不到凈化,沿溝流入河湖中,會污染水體。此外,由于硬化的水溝是直線型的,水在溝里流速很快,當水迅速流向下游時,下游的水量突然變大,就易發生洪災。再有,硬化的水溝阻隔了溝中之水與溝邊土壤的接觸,土壤吸不到水而干旱,溝旁的植物就生長不好。

    所以,應當對硬化水溝進行改造,要改造成環境友好型的排水溝,即把水泥板去掉,將直線型變成曲線型,把邊坡修建得平緩一點,鋪上親水植物。如此一來,當地表徑流進入這種曲線型的模擬自然的水溝中時,水流變慢了,水中的泥沙沉降下來,待水流到達河湖入口處時,水已清澈了,不再給河湖帶來污染。因水溝中的植物根系吸收很大一部分水量,進入河湖的水量也大大減少了,就能減少引發洪災的可能性。同時,溝中之水能被周邊土壤充分吸收,溝旁的植物也能生長良好。這就是環境友好型的排水設計。

    在一本1996年美國出版的《環境科學》教科書上,就比較了兩種水道的設計,其中不利于環境保護的水道就是硬化與直線型的。硬化式的水道除了帶來污染河流、引發下游洪災、造成土壤干旱等問題,還會使雨水資源被迅速排走,無雨時,當地易出現缺水問題。書中介紹的好的設計就是曲線型模擬自然的水道,這能盡量把降水都留在當地,滋潤大地,并補充地下水。

    如果不學習這些環境科學知識,政府的決策就會出錯。1999年,北京市水利局對北京的一些河道進入了改造,就把原本模擬自然的河道修成了水泥硬化的河道,修好后的第二年,河中就爆發了藍藻。這是為什么呢?因為河水是有養分的,河道被硬化后,水里無法生長植物,不能吸收養分了,就只有水中的單細胞生物藻類來吸收。藻類有了充足的養分,就大量繁殖,藍藻就爆發了,整個河水就腥臭了,水無法使用了。這是北京應當吸取的深刻教訓。后來,北京開始實施河道重新自然化的工程。建硬化河道花的錢很多,再改造回自然河道花的錢更多,這是非常慘痛的一個教訓,所以政府部門的決策者和設計者們一定要學習新知識,跟上時代的進步。

    水里的植物多了,最好的保護水體生態的做法是讓魚也多起來,讓魚來吃水中的植物。要使水中魚的種類豐富并能夠自然繁衍,河流最好不要建高的水壩,因為水壩不利于魚回游產卵。在已建成水壩的地方,要修魚梯,幫助魚的回游。魚產卵一般都在上游區域,如果游不回去產卵,有些魚的種類就可能消失,這對物種保護與水體生態平衡都極為不利。對于坡型的河道,在河床中與河岸邊安放石頭,都能幫助魚的回游。哪怕是一些平流的河段,水中也應該有些石頭,這有助于鳥類落腳,吃河中的水生生物。水是往低處流的,土壤的養分隨雨水流到水體之中,能被浮游生物利用,浮游生物又被蝦、蟹、魚等吃掉了,氮、磷就到了蝦、蟹、魚身上,鳥吃了這些蝦、蟹、魚,就把水中的氮磷帶到了陸地上,鳥的糞便又成了陸地土壤的肥料。人吃這些蝦、蟹、魚,也是把水里的氮磷帶到陸地上的途徑,這是大自然的物質循環。

    在人工設計與建造具有自凈能力的水體與岸體時,一定要考慮到能讓水中的生物健康生長。為此,水體與岸體要留出泥地與石縫,石縫是水生生物的棲息處,水草有助于魚類產卵、繁殖。用石頭壘岸時,石塊間不能用水泥勾縫,應讓水能通過石縫浸潤岸邊的泥沙,泥土水分含量飽和,岸體更穩固,不易崩塌。石縫多的堤岸表面積大,有利于凈化水質,水中的懸浮物質能沉降到這些縫隙里去。

    亂石壘岸,是中國古人發明的做法。這樣做除了能增加水岸生物的棲息地、覓食地,還能增加岸體的安全性。大河邊上用亂石壘岸能分解水浪對岸體的沖擊力,就不易沖垮岸堤,哪怕有一塊石頭松動了,另外一塊石頭馬上就能掉下去填補空處,起到很好的自我修補作用。清朝時,有西方傳教士到中國來,看見中國人用亂石壘岸的方法建水岸,不解其妙,但進行了描述,并介紹給了西方?,F在,所有發達國家的水岸——湖岸、河岸、海岸——都在應用亂石壘岸的做法。

    中國古代的水體設計,具有極高的蓄留雨水、凈化水質、保護生態、提供景觀、保障安全的作用。以清朝建圓明園為例,中國古人的設計與做法是:挖湖堆山。即,人工挖出一個低地,蓄上雨水之后,就成了人工湖泊,挖出來的土方不外運,而是就地堆成一個小山包。山坡周圍植上樹木,再以背山面水的方位建造房屋,人就居住在依山傍水的環境之中。在清朝繪制的圓明園四十景圖詠之一濂溪樂處的寫實圖中,可以看到:中國古人建造的人工湖泊的岸體都是亂石壘岸,水中種了大量的荷花,可以凈水,又能收獲蓮藕,蓮葉下又給魚類提供了最佳生長場所。這就是當今全世界最為推崇的環境友好型的水體設計。


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