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《科学大众》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

创办于1937年,是我国创刊最早、影响最大的科普刊物之一。现由江苏省科技厅主管、江苏省科协主办。70多...

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城市暴雨背后的科技之问

2012-10-13 20:26:41


□文/ 冉 浩 赵 晖

 

2012 7 21 日,北京天降暴雨,市区出现严重内涝,部分地区有严重的人员和财产损失,一时之间成为国人关注的新闻热点。现代化大都市在暴雨面前暴露脆弱一面,国外的例子也有不少。2007 7 20 日,英国伦敦因强降雨发生内涝,西南部地区积水近60 厘米,飞机场和地铁运营受严重干扰,141 架航班被取消,25个车站被关闭;2011 8 26 日,暴雨袭击日本东京,降雨量达到创纪录的每小时94.5 毫米,部分居民进行了疏散……内涝,已成为城市顽疾,面对天降暴雨,一座城市当如何应对?我们不妨从科技角度来思考一下这个问题。

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完备的预警系统和应急预案

俗话说,兵来将挡,水来土掩。暴雨来了,只要准备充分,也能把损失减到最低,何况城市暴雨只是短时内涝,只要抵住了最初的积水“三板斧”,后面都好说,不过,这最开始确是最难熬的。

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首先,及时的预警和预警响应至关重要。一般来讲,暴雨预警分成4 个等级,分别为蓝色、黄色、橙色和红色。12 小时内降雨量达50 毫米以上的,为蓝色预警,一旦蓝色预警发布,城市各有关部门就应该做好排涝准备,学校应采取安全保障措施,驾驶员就应注意积水和交通安全;6 小时内达到50 毫米以上的,为黄色预警,此时就应开始交通管制,终止空旷地区的户外作业,切断部分高危电源,转移危险地带人员和危房居民至安全地带;3 小时内达到50 毫米以上,则应发布橙色预警,此时就应该注意防御洪水、泥石流等地质灾害了;3 小时降雨量将达100 毫米以上,或者已达100 毫米以上且降雨可能持续,则对应最高级别——红色预警,除特殊行业外,应停产、停业、停课,做好因暴雨可能诱发的各种灾害的防御和抢险工作。

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其次,城市应当备有应急预案,并实时跟踪降雨情况,及时启动预案。城市管理者要事先进行分析,确定易损区域和关键环节,进行危险因素辨识,构建暴雨灾害演化链和灾害演化网,提出合理有效的风险控制建议和对策措施。现在,基于计算机技术,已经可以结合城市的布局特点构建城市暴雨雨水管理模型,利用地理信息系统和遍布城市的雨水收集点,实时精确分析和预测城市积水、排水情况,能够为城市暴雨响应争取主动权。这一技术在国外已经开始应用,在国内也有了相关研究。

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钻进世界名城的下水道

城市的地下排水管道系统,在排水过程中至关重要,被称为“城市的良心”。在我国,由于近年来城市建设速度过快,排水设施建设相对滞后,标准较低,这是造成暴雨积水的一个重要原因。国外有许多成功的例子,可供借鉴。

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法国巴黎海拔较低,是一座盆地形城市,年降雨量超过600 毫米,但是却很少发生内涝,这就归功于它完备的排水系统。早在1852 年,巴黎的排水系统就被纳入规划之中,现在它的地下排水系统总长已经达到2 400 千米,规模比四通八达的巴黎地铁系统还要大。巴黎的下水道都在地下50 米处,分成小下水道、中下水道和排水渠三种,其中排水渠十分宽敞,中间是3 米的排水道,两边是宽1 米、供检修人员通行的便道。此外,巴黎下水道的每一个岔道都有名称,和地上街道名一致,熟悉巴黎街道的工人在地下工作再不必担心迷路,如果大街上某处发生阴沟堵塞,工人们直接通过地名就能在下水道中找到相应的位置进行处理。这样的工程虽然初期投资很大,但是后期维护简便,也不用挖开路面、切断交通后再处理。不仅如此,在这个管道系统中还设有各种闸门、蓄水设施、净化设施,形成了一个复杂的调控系统。现在,巴黎人又给这些下水道安装了电子系统,可以在办公室里随时监测、管理它们啦。

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日本东京的排水设施建设起步较晚,但也在迎头赶上,最典型的就是“首都圈外围排水工程”。该项目在1992 年开始施工,历时14 年,建成了一组总长6.3 千米、内径10 米的地下管道,另外还有5 处单个容积为4.2 万立方米的储水池和一个容积数十万立方米、配备4 台航空发动机改装的强力排水机的地下水库,堪称世界最先进的排水系统,全程使用计算机遥控,并在中央控制室进行全程监控。整个工程总储量可达67 万立方米,一方面具有巨大的蓄水容积,另一方面具有很强的泄洪能力。建成后的那一年,所在区域雨季浸水的房屋数即从最严重时的41 544 家减至245 家。

 

排水不用高科技 北京团城有奇迹

2012 7 21 日,身处暴雨中心的北京团城,却无一例积水报告,它的雨洪灌排系统,已有600 多年的历史,这足以令暴雨中积水成河的现代都市反思和羞愧……

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团城被称为“世界上最小的城堡”,始建于宋金时期,是我国著名的古代园林文化遗址。270 多米长的城墙,看不到一个泄水口(吐水嘴),4 500 多平方米的地面上,看不到一条排水明沟,但无论下多大的雨,雨水很快就渗得一干二净。这其中的秘密就在于它古老却又先进的排水设计理念。

团城不仅使用吸水性很强的青砖铺地,而且砖形上大下小,呈倒梯形,砖与砖之间也没有灰浆,这使得渗水非常容易。团城的土壤层也有很好的透气透水性能,这些土壤按结构自上而下清晰地分为支撑层、有机质层和黄沙壤层。10 厘米厚的支撑层主要成分有谷壳、石灰等,这能使地表水快速渗透,透气透水性都很好。

此外,团城中还有11 个石质的水眼分布在古树周围,而且每个水眼的下方都有一个竖井,竖井与竖井之间有涵洞相连,整体形成一个“C”形,同样是用青砖建成的。若遇到大雨,多余的雨水便会借北高南低的走势流入到石质的水眼中,在涵洞内储存起来,形成一条地下“暗河”,既涵养水源又滋润植物。

 

“软化”的生态城市不怕雨浇

现代都市高楼林立,犹如钢筋混凝土森林一般,整洁的柏油或混凝土马路纵横交错,道路两侧用水泥砖堆砌成行人路面,就连种植树木的池子也被装饰过了,树根处的缝隙被小心地抹上水泥,再把小石子按上去粘牢。瞧,整个城市都被水泥以各种方式覆盖了起来,一尘不染,被塑造成了一个完全硬化的干净城市!但住在这种“干净、整洁”城市里的人们,不得不接受这样一个事实——除了那零星的下水孔,这里就像游泳池一样密不透水,又怎能在下雨时不积水呢?一座适宜居住的城市,应该是一座能渗水、可调水、会用水的生态城市。

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生态城市需要大量“软”的草坪、树林等绿地,它们不仅有利雨水的渗透,而且在气温较高时能通过蒸腾作用将水汽释放到空气中以调节城市温度,还能吸附各种空气污染物,净化空气。

同时,对那些必须铺设的路面,应尽量采用透水材料,以透水混凝土、透水沥青、透水砖、草皮砖等替代普通混凝土、沥青、釉面砖等传统建材。这样雨水将能渗透至路基下,甚至到达地下含水层,减少产生路面积水。其实,在我国古代用大块青砖铺地就是一种透水性施工方法,但当代城市化进程中我们却忽视了地面透水的重要意义,结果引发了一连串的城市灾害和负面影响,有的可谓损失惨重。

此外,城市建筑的顶部也还未得到充分利用,应当重视屋顶绿化,增加城市屋顶的蓄水能力和小气候调节能力。

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城市需要“近自然型河流”

河流是城市的血液,是城市生物多样性的大展台,是装点城市的自然景观,也是排涝的重要通道,同时输送水汽,调节小气候。可以说,处于水网中的城市是幸福的。

但近年来,城市河流治理过程中,往往盲目采用建筑工程手段,造成自然河流人工渠道化、河流形态直线化、河道横断面规范化、河床防护硬质化,最后形成“三面光”的渠道。这样不仅建设和维护费用较大,难以持续投入,而且河流含蓄功能基本丧失,河道生态遭到毁灭性破坏,自净能力完全丧失,最终造成水体富营养化严重,藻类大量繁殖,水质降低,变黑变臭,蚊虫滋生。最后,有些地方干脆眼不见为净,把“第四面”——顶棚也扣上了,自然河流逐步改造成了地下河兼下水道……

形成强烈对比的是,“近自然型河流”概念正在发达国家兴起,德国、美国、日本、瑞士、奥地利等国纷纷大规模拆除河床上铺设的硬质材料,反思河流整治工程带来的负面影响,逐步实施回归自然的生态修复。要想让河流清澈美丽,最好的办法就是让它回归生态平衡。

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此外,西方城市还在大量兴建“近自然”的人工河、人工湖和外围护城湿地。这些水体不仅能在暴雨中吸纳雨水,还具有强大的自净能力,大量的水生植物和微生物通过吸附、沉降和分解作用,能将污物净化。特别是被称为“城市之肾”的湿地,堪比污水处理厂,解决生活污水游刃有余。在我国,湿地的生态价值也正逐渐被认识,很多城市开始建造湿地公园替代旧有污水处理厂,既净化了水质还美化了环境,更为市民提供了一个良好的休闲娱乐场所。

 

雨水收集能够变害为宝

雨水是大自然的礼物,是一种重要自然资源,让它顺着排水管道白白溜走岂不太可惜啦?理想的城市要收集和管理雨水,减少能源的消耗,并将它视为防洪蓄涝、减轻水污染、缓解水资源短缺、创造人水和谐城市景观的有效途径。

现在,很多城市和设计师都在进行此类尝试,并且在一些发达国家和地区正在形成一种产业。以新加坡为例,这个地处热带的城市国家年降水量超过2 000 毫米,雨水充沛,可是谁能想到它竟是一个淡水缺乏国,因为地质原因,新加坡禁止开采地下水,狭小的国土又缺乏地表河流,几乎所有的生活用水都要从马来西亚进口。为了解决这一问题,新加坡人打起了雨水的主意,为了收集雨水,他们大力修建水利设施,兴建水库和蓄水池,同时所有的街道两旁以及居民小区都修建了雨水收集管道,收集雨水加以利用。经过多年努力,新加坡共有15 个蓄水池/ 库和一个在暴雨时启用的防洪雨水收集系统,集雨区域占到了全国面积的2/3,整个城市已经变成了一个巨大的水库。现在,新加坡政府雄心勃勃,正计划将这一范围扩展至国土面积的90%,他们的一位部长曾说:“每滴落在新加坡土地上的雨水,我们都会想办法把它收集起来。”

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我国城市也对雨水收集进行了一些探讨,2010 年的上海世博会便大量利用了雨水收集技术。世博轴安装了发光二极管的巨型玻璃漏斗与白色的帐篷结构建在一起,它与一个7 000立方米的蓄水箱相连,用收集的雨水浇灌地面植物。造型如同帽子的中国馆不仅能够收集太阳能,还能收集雨水,净化后用于冲洗卫生间和车辆。只是像世博会这样的应用,在我们的国家还是太少,规模也太小。希望这些技术能够早日在我们的城市遍地开花,结合城市生态湿地形成生态城市水循环系统,到时,大雨不仅不是灾,还是城市的宝了!

 

暴雨启示录

7 21 日的北京暴雨,造成重大人员财产损失,教训深刻,我们反思这场灾难,当有所启示,有所改变。

一方面,暴雨反映出了城市公共信息传播的不畅。当日,气象台连发5 次预警,级别一路提升到橙色,预警虽然发布了,但是传播的速度和广度都不够,有关部门缺乏协调,有市民根本不知道事态的严重性。暴雨之后,痛定思痛,北京市计划在未来两到三年内,建设起通过报纸、广播、电视、网络、广告屏和手机短信在内的统一的预警发布系统。

另一方面,暴雨也反映出了城市公共排水设施的滞后。整座城市发展规模远远超过了排水设施的建设速度和设计能力,扩大排水系统规模势在必行,此外,加强城市地面的吸水和渗水能力也极为重要。同时,在道路设计时应增强易积水区的排水和截水能力,如下沉式立交桥中有一条道往往是低于地面的,极易积水,这次北京29 处主要积水点中有22 处就是因为立交桥成了“临时湖泊”,结果导致交通瘫痪。

从人的方面来讲,相关工作人员和市民对突发自然灾害重视程度普遍不够。在暴雨中,人们仍在“正常生活”,甚至曝出了当晚北京某奥赛补习班20多个孩子竟无一迟到的消息。面对可能发生的危险,人们普遍缺乏清醒的认识和应对方法,也暴露出了城市公共安全宣传和科普不足的情况。

作为普通市民,我们也应该对暴雨、积水和洪水有所了解,掌握一些基本的自救知识。如雨天保持警惕,注意收听收看气象预报;家中应该常备至少3 天需求的矿泉水(每人每天大约4 升)和不易腐败变质且食用方便的食物,还应备有退烧药、泻药和创伤药等药品;为防止停电,手电筒和备用电池也必不可少;雨具和安全绳,在必须撤离的时候也很有用。一旦需要撤离,要关闭总电源和煤气开关。

在雨天户外行动时,要远离地势低洼的封闭区域,如地下室、地下通道和停车场等;要远离孤立的高大树木,防止雷击和被断枝坠落砸伤。如果涉水,如水深没过脚踝,那一定不要下水,因为我们无法判断浑浊的水下到底有什么,积水处往往都是地势低洼、有沟或者有洞的地方。车中常备安全锤和灭火器。不要试图开车冲过不明深浅的水区或激流,洪水造成的伤亡事故中,有近半数与车辆有关。0.6 米深的流水,就可以冲走大多数小型汽车和货车。如果车在水中熄火,请迅速弃车逃生。

尽量避开河道,一旦看到水位上涨或者河水变浑,迅速撤离到地势较高的安全区域。一旦情况危急,逃跑路线应和河道流向尽量呈90 度角,向高处奔跑,切不可沿着河道方向奔跑。不要试图捞取水流冲下来的木料、家电等物品,水的流速加上漂浮物的自重,会把你直接带到水中。

回到家中后,先不要松一口气,要仔细观察有没有受损的电线、煤气管线,确认地基墙体等是否受损。如果闻到煤气味,或听到气体泄漏的嘶嘶声,请迅速撤离并通知消防队。












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