水与城市：生命之城市中的供水与水处理系统

水是万物的生命基础，人类生存的地球是一个大的水世界，正是因为水的存在，世界才如此丰富和美丽。在浩瀚的宇宙中，到目前为止地球人还没有发现第二个有水和生命的星球。地球表面积5.1亿平方千米，其中3.6亿平方千米为海洋所覆盖，约占地球表面积的71%。水能哺育万物，使世界生机盎然。或泉水叮咚，或溪流潺潺，或浩渺澄明，或汹涌澎湃，水令人心旷神怡，水给人美的体验。老子《道德经》中说：“上善若水。水善利万物而不争，处众人之所恶，故几于道。”奥尔多·利奥波德（Aldo Leopold）在《沙乡年鉴》中写道：“一条河流的歌一般都是指河水在石块、树根和险滩上所弹奏出来的旋律……这时，你就可能听见这种音乐——无边无际的起伏波动的和声，它的乐谱就刻在千百座山上，它的音符就是植物和动物的生和死，它的韵律就是分秒和世纪间的距离。”[9]正是因为水的存在，世界才如此丰富、美丽、悦耳、宜人。

如果说海洋是地球的血液，海水的循环更新促进了地球的演变，那么，大江、大河、大湖就是人类的血液，养育了人类的各个民族，孕育了灿烂的文化，哺育了世间万物。奔流不息的洋流对气候有着重要的影响，这一流动是由其巨大的热容量和惯性决定的。海水可被太阳辐射加热，这种加热作用在热带地区最显著，并使海水产生温跃层。风吹动海面，洋流也能驱动风。空气与水这两个流体的动能都是由太阳提供。但两者的流动又有很大的区别：洋流不能翻越海岸和浅滩，但对像射流这样的大气流动来说却是轻而易举。海水变冷或变咸引起的密度变化可使洋流下沉海面以下，因此洋流是一种三维流动结构。规模最大的洋流被称为温盐环流，它连接五大洋形成了非常稳定的流动结构。

儒勒·凡尔纳把大海比作“大自然最大的水库”。海洋也是生命的摇篮。河流和降水里含有各种悬浮物，淡水被蒸发后通过降水重新回到地面或海洋，形成水循环。海洋容纳了被汇聚到海洋里的污染物，其中一部分用于维持海洋动植物的生存，另一部分被溶解沉降，作为未来某个地质年代的土壤。海水从来都不是静止的，因为它存在规模庞大的洋流，虽然这种流动非常缓慢，尤其是温盐环流。这并不意味着大洋环流不会发挥重要的作用。尽管洋流的速度很慢，但巨大流量所造成的输运效应对大气环流和气象的影响确实可观。这个庞大的海洋环流表面，在重力的影响下既不是平的也不是圆的，而有它自己独特的外形。[10]除了海洋外，还有一个面积广阔的水域即湖泊，由江河溪流汇聚而成，汇入的水流使湖泊水质快速更新。湖泊是陆地表面洼地中的水体，淡水湖为人类生产生活提供水源。

只有河流才能够在人类漫长的进化过程中，持续不断地提供充足的水源，直到孱弱的人类有能力走向更广阔的内陆空间，发展出游牧文明；驰骋于广阔的海洋，把整个地球当成人类的摇篮。水草肥美、灌溉方便的河流自然地成为人类文明的起点。大河文明诞生于大江大河流域，这些区域灌溉水源充足，地势平坦，土地相对肥沃，气候温和，适宜人类生存，利于农作物培植和生长，能够满足人们生存的基本需要，故农业往往很发达。大河文明以农耕经济为基本形态，对自然环境的依赖性较强。

“依山傍水”一直是古往今来人们内心深处理想的人居环境。“凡立国都，非于太山之下，必于广川之上；高毋近旱而水用足；下毋近水而沟防省；因天材，就地利，故城郭不必中规矩，道路不必中准绳。”（《管子·乘马第五》）“山水大聚之所必结为都会，山水中聚之所必结为市镇，山水小聚之所必结为村落。”山，性刚健耿直、挺拔威武，为阳。水，性守柔处弱、善利万物，为阴。山山水水为人类繁衍生息之所。

河水是人类赖以生存的最重要的淡水资源，城市和居民点多临河傍水而建。拥有一条流淌着活水元素的河流，对一座城市来说，是大自然最珍贵的礼物和无上荣耀。巴黎与塞纳河，伦敦与泰晤士河、科隆与莱茵河，新加坡市与新加坡河，首尔与清溪川，东京与隅田川，上海与黄浦江，广州与珠江……河流是城市的生命源泉，千秋万代、灌溉、养殖、航运、饮用，书写出几多美丽与繁华。

陆地上分布了很多河流，它们的长度和流量差异很大，降水、地下水、蒸发与冷凝作用共同决定了河流的流量。泉水、溪流、小河、运河、江河和水库等各种规模的水体共同组成了水循环。江河最常用的衡量标准是从源头至入海口的总长度，沿用这一标准，表3-1列出了世界上15条最主要的河流。

表3-1　以长度来划分的世界上主要的15条河流[11]

“黄河之水天上来，奔流到海不复回。”黄河不仅仅是一条大河。黄河，黄土地，黄皮肤，这一切黄色表征，把这条流经中华心脏地区的河流升华为圣河。“汉族”“汉语”“汉人”“汉朝”“汉字”“汉服”名称起源于另一条清澈浩瀚的河——汉水。印度河、恒河是古印度文明的发源地。底格里斯河和幼发拉底河所冲积而成的美索不达米亚平原创造了苏美尔文明、巴比伦文明和亚述文明。尼罗河——世界第一长河。很久以来，泛滥之后的尼罗河，会给河谷带来上游众多的泥沙和肥料，使得尼罗河两岸一直是棉田连绵，稻花飘香。在撒哈拉沙漠和阿拉伯沙漠的左右夹峙中，蜿蜒的尼罗河犹如一条绿色的走廊，充满着无限的生机，孕育了伟大的古埃及文明。

蜿蜒的河流总要串起一些天然或人工的水泊。这些呈现在不同海拔高度处的湖泊、池塘或湿地，就像大自然的镜子，映出大自然的美丽。湖水来自江河的发源地和降雨，这些水体向自然界的低洼处汇聚形成湖泊。有的湖泊是冰川消融形成的，有的则位于古老的火山口遗迹。决定湖水水位的因素包括：流进湖水的流量、流出的流量、蒸发的水量、通过土壤渗透到地下的水量。水库则是人工建造用于蓄存淡水，以备农业灌溉和能源之需。

贝加尔湖位于俄罗斯东西伯利亚南部，狭长弯曲，好像一轮弯月镶嵌在东西伯利亚南缘，是全世界最深、蓄水量最大的淡水湖，蓄水量占世界淡水总储量的1/5，湖水可供50亿人饮用半个世纪。俄国大作家契诃夫曾描写道：“湖水清澈透明，透过水面就像透过空气一样，一切都历历在目，温柔碧绿的水色令人赏心悦目……”

水是城市支撑系统的关键组成，其一是供水系统；其二是水处理系统。供水包括将水从丰沛的河流、湖泊和地下含水层输送到城市需要的地方。水处理则包括将用过和受到污染的水从使用地经由城市排水系统回注到河流、湖泊和海洋。

（一）城市水流和水循环

大概世界上一半的城市都有一条著名的河流与之相伴，而它们中的五分之一又位于两条河流的交汇处。城市河流提供船只运输功能，同时也携走雨水、生活污水以及工业污染物等废弃物。沿河流动的空气可以减缓城市的热量积聚，有助于清洁城市中的空气污染物。

在水循环或水文循环中，大气中的水蒸气冷却，并以降水的形式降落（以城市中暖空气的降雨为主）。部分降水被建筑、道路和土壤“截留”，这些水分直接蒸发返回到大气中。部分水通过裂缝渗透进入硬质表面，并进入绿地和小范围的植物生长点的土壤。这些渗透水可以被根系吸收，经由植物的汲取再蒸腾到大气中。蒸散发是非生物表面蒸发和植物蒸腾作用的总和，在城市地区通常与植被覆盖度的百分比以及植被大量的叶表面相关。

另外，渗透到土壤中的水分可以通过接近水平的潜流移动到溪流、河流或其他水体中。剩余的渗透水进一步向下流入地下水。然而，大多数的水分降落在城市的硬质表面，特别是下暴雨时，迅速以“地表径流”的形式通过地表，进入管道和沟渠组成的雨水排水系统流走。此地表径流的水分主要注入水体，有时会导致洪水。地面和水体的蒸散发作用将水分以水蒸气的形式传输，进而回到大气中。此外，我们通常用管道将不断流动的清洁饮用淡水输送到城市地区。城市居民接着迅速将大量管道运来的清洁水转化成废水冲入排水管和厕所。一些清洁的水用于灌溉公园、草坪和其他用途。在许多城市外围，废水经过净化系统或化粪池（如装满砾石的坑洞）直接排入土壤，这些液体在土壤中变成潜流。而密集的人口则使用污水管道系统，在此情况下废水迅速输送到污水处理设施。从处理设施出来的清洁水，再被输送到附近的水体。[12]

随着科学技术的进步，水资源的利用逐渐进入“智慧用水阶段”。智慧用水阶段的特点是：以丰富的水资源利用与保护经验为基础，充分利用信息通信技术和网络空间虚拟技术，使传统水资源利用和保护工作向智能化转型。一方面，自20世纪中期以来，水资源利用与保护的理论、方法和应用实践取得了丰硕成果，积累了高质量的水文学、水资源、水环境、水安全、水工程、水生态、水经济、水法律、水文化科技成果，具备了必需的“丰富的水资源利用与保护经验知识”。另一方面，信息通信技术和网络虚拟技术可以实现水资源系统监测自动化、资料数据化、模型定量化、决策智能化、管理信息化、政策制度标准化，能够完成集“河湖水系连通的物理水网、空间立体信息连接的虚拟水网、供水—用水—排水调配相联系的调度水网”为一体的水联网基础平台，实现“水资源实时监测、信息快速传输、水情准确预报、服务优化决策、水量精准调配、水资源综合管理”为一体的功能集成体系。

（二）河流再生开始的城市再生

河流、运河和湾岸等水边的再生以及以此为中心的城市再生理念在全球范围内广泛推行。其中，在欧美具有代表性的再生事例包括：英国的默西河（曼彻斯特通海运河的船坞地区）水边的城市再生和伦敦泰晤士河、美国波士顿湾岸的水边开放和城市再生，德国科隆和杜塞尔多夫莱茵河的河畔和城市再生。在亚洲，有新加坡市的新加坡河河畔城市再生，首尔的清溪川、上海的苏州河、北京的转河（高梁河）再生，还有真正以河流再生为主轴进行城市再生的台湾高雄爱河。还有日本东京的隅田川、北九州的紫川、大阪的道顿堀川和德岛的新町川等再生事例。河流和运河是一个国家立足于历史、文化、环境甚至还包含经济的城市再生进程中重要的也是唯一的素材。[13](www.xing528.com)

东京首都圈从“二战”前就开始构思水和绿色网络化，但在经济高速增长时期和快速城市化进程中，很多绿地、河流和水路逐渐从城市消失。现在，东京东部的隅田川、荒川、中川、绫濑川、小名木川等，东京西部丘陵地区的神田川、涩谷川、古川、目黑川、吞川等这些构成城市框架的河流和水路得以保存下来。于是，在消失的河流和水路及被覆盖于地下的河流开展了再生工程——修建亲水林荫小路，例如目黑川上游的北泽川林荫道和东部的小松川境川林荫道等。传统上背对河流的建筑物开始面向河流而建，这样就创造了河流与城市和谐的水边空间。河流从此不再是分离街道的阻碍，而是城市建设的主轴。或者说，在城市建设的舞台上，河流、道路和街道治理相互融合促进，进而创造出富有魅力和舒适的水景城市。

在道顿堀川，大阪府和大阪市分别在东横堀川和大川的交汇处附近，以及下游木津川交汇处附近设置了水闸，用于维持较为稳定的水位，这样既利于防止水害，还能净化水质。在邻近稳定水位的水面，道顿堀川通过在河流中间设置步道使河流再生。另外，还通过设置水闸等措施复兴了船运，使河流变得更加热闹。河流水质的改善、河流步道的整治、船运复兴等较小规模的河流再生，都是由政府和民间企业共同推进的，这也为大阪整个城市的再生作出了重要贡献。此外，被填埋的堀川以及上空被高架高速公路占据的堀川再生也会逐渐推进。

波士顿大约从100年前开始对被污染河流和河畔进行环境改善，可是到20世纪80年代才对污染依然严重的波士顿湾（以前的查尔斯河河口）进行净化，并对湾岸水边空间进行再生改造。在岸边再生工程推进的同时，还拆除了分割波士顿市中心和湾岸水边空间的高架高速公路。拆除这条20世纪50年代建造的高速公路后，波士顿修建了地下通道，减轻了交通堵塞的压力。与此同时，拆除了分隔城市和岸边的建筑物，达到了城市再生的目的。

波士顿的河流再生和从河流开始的城市再生是以政府为中心、民间开发者和市民为一体制定的城市规划，用于活化水和绿色。波士顿的水边在创造出独特城市风格的同时，在城市经济层面也被当作魅力素材而加以合理运用。譬如，现今波士顿的河流和海湾水边，与游船观光相结合，吸引了大量国内外观光客。

英国是工业革命的发源地。在19世纪之后，伴随工业革命的发展，英国大多数河流都被严重污染，泰晤士河也不例外。在这种背景下，伦敦引入了现代化自来水管道系统和下水道系统。2004年2月，政府发表了新的综合城市规划和政策目标——伦敦计划。在伦敦计划中，政府提出了泰晤士河再生的水边战略城市规划。在这个规划中，把市内的河流、运河，湖泊等水边作为“蓝丝带网络”，目标就是提高水上交通、休闲观光和水运行业的潜力。此外，在帕丁顿车站周边重新开凿运河，进行水边城市的再生，这些也有助于美化伦教的城市形象。

上海市区，是沿着长江支流黄浦江左岸（西岸）发展起来的。特别是在作为英租界地的黄浦江河畔——外滩，形成了领事馆、银行、酒店等鳞次栉比的独特景观。宏伟且细微处也体现出精致的西洋建筑风格，1949年后得以保留原貌并继续使用。黄浦江滨江步道对岸是经济特区浦东新区，现在矗立着作为上海标志的东方明珠电视塔和高层建筑群。上海市区（老城区）里还流淌着一条孕育了这座城市的河流——苏州河（吴淞江）。在上海市中心地带、南京路北侧汇入黄浦江的苏州河，发源于太湖，全长125km。其中超过50km流经上海市9个行政区，约24km流经市区，在郊外则形成海滩区域。伴随着经济增长和人口增加，无节制的生活排水和工厂排污等造成了苏州河的恶臭和污浊。上海市市政府采取的措施是：

第一阶段，1998—2002年，对855km干流和支流河段实行水质改善、土地再生和包括邻近河流网在内的水质改善这三项措施，总投资达到了70亿元。

第二阶段，2003—2005年，规划截断污水、恢复生态系统、促进水环境再生、开发水岸等。总投资额达到40亿元。

第三阶段，从2006年开始实施。在进一步治理苏州河的同时，规划了支流水边地带的再造和开发、河底泥沙疏浚、生态护岸、支流再生、绿化带完善和增大跌水流量等。再生后通过举办划船比赛等，逐步构建了上海市民同河流的新联系。就这样，在上海，伴随着河流再生的城市再生正在迅速推进中。

（三）雨洪内涝与海绵城市

地球绕太阳公转，同时绕与公转轴向呈23°26′的地轴自转，从而出现了两个周期现象，即四季和昼夜。这两种效应相互耦合共同决定了大气流动。但由于大气流动具有不稳定性，湍流总是存在的，其耦合效果也各有不同。我们期望适度的低压气旋，因为它能带来降雨，从而补充地下水以保护我们的淡水资源。然而，如果低压气旋出现过于频繁，则会导致洪水泛滥。

暴雨袭来，城市瞬间变成汪洋，“逢雨必涝”“旱涝急转”的现象经常发生，严重制约了我国城市的空间发展。城市雨洪处理的规划理论和实施效果无法适应城市快速发展的需要，难以形成有效的生态适应机制，且难以与其他城市空间设施协同工作，雨洪生态系统的改善迫在眉睫。面对有限的城市土地资源和资金投入，如何运用设计手段对空间进行复合化利用，在完善雨洪设施配置并实现“渗、滞、蓄、净、用、排”的海绵城市建设目标前提下，同时为市民营造高品质的城市公共空间，成为城市管理者和专业设计师面临的重要课题。

海绵城市既是一种城市形态的生动描述，也是一种关于雨、水及雨洪管理和治理的哲学、理论和方法体系。作为一种方法和技术体系，海绵城市通过建立生态基础设施（Ecological Infrastructure，EI），即“海绵体”，以综合生态系统服务为导向，利用生态学的原理，运用景观设计学的途径和方法，通过“渗、蓄、净、用、排”等关键技术，来实现城市内涝和雨洪管理为主的，同时包括生态防洪、水质净化、地下水补给、土地生态修复、生物栖息地保护和恢复、公园绿地建设及城市微气候调节等综合目标。[14]以“自然积存、自然渗透、自然净化”为特征的海绵城市强调人与水的和谐共生，尤其是人对水的适应性。而生态基础设施是绿色的、综合的、系统的、跨尺度的和跨边界的活的有机体。海绵城市工程是古今中外多种技术的集成。如将中国先民的造田、灌溉、种植和旱涝调节技术如陂塘技术、桑基鱼塘技术、梯田技术，加以科学的升华和艺术的提炼。实现水安全、水环境、水景观、水文化、水经济五位一体的综合功能。

数千年来，中华民族积累了丰富的对水的适应智慧，集中体现在其城市的选址、形态和建造与管理方式上。从“四水归明堂，财水不外流”的四合院和天井的雨水收集智慧，再到水中有城、城中有水的城水交融的景观格局，中国古代的海绵城市智慧作为生存的艺术，给当代海绵城市建设以丰富的智慧营养。国外传统城镇也创造了丰富的水适应性景观，如古玛雅城市遗址奇琴伊察，发展了一整套雨水收集和管理技术；马丘比丘上的山泉引渠及古印加帝国要塞上的引水系统，古罗马人为保障城市供水安全而用当时最先进的工程技术建造引水系统。

国外现代城市雨洪管理的实践及研究起步较早，全球40多个国家和地区相继开展了不同规模的雨水利用与管理的研究和实践。美国、德国、英国、澳大利亚、日本和以色列等国，已形成了相对成熟的雨洪利用技术，开发了多种雨洪管理的水文模型，并建立起了较为完善的保障体系，可为我国海绵城市建设提供参考和启示。作为海绵城市理念和实践的先行者，俞孔坚团队开展了一系列实践案例，如2000年北京中关村生命科学园，设计采用了人工湿地收集雨水和净化水的绿地系统，被称为大地生命的细胞。2002—2003年，在浙江台州永宁江的生态修复中，大胆地砸掉了水泥防洪堤，与洪水为友，并用更具适应性的生态防洪堤和乡土野草护坡取而代之，河床床底也恢复为深潭浅滩的动植物栖息地。

俞孔坚团队秉承着天人合一的水哲学，在《海绵城市——理论与实践》一书中写道“雨来雨去，大地因此不同，生命因此轮回，人文因此而繁盛。雨让大地充满生机，雨是人与其他生命的联系纽带，雨本身就是生命”；“因此，我要呼号，快让那来自天外的雨复活吧！不要再用钢管和水泥捆绑那柔软的雨水了，让她重见阳光和绿荫，给她留下可以回归土地的草滩、可以流向河湖的绿道、可以滞留与净化的洼地，还有那大大小小的湿地，接受她那滋润万物的善良和温存吧”。

规划建立（水）生态基础设施，即海绵系统，是建设海绵城市的第一步。水生态基础设施是一个生命的系统，是用来综合地、系统地、可持续地解决水问题。它提供了人类所需要的最基本的、关键的生态系统服务，因此，是城市发展的刚性骨架。从生态水安全格局到水生态基础设施，它不仅维护了城市雨涝调蓄、水源保护和涵养、地下水回补、雨污净化、生物栖息和迁徙等重要的生态过程的安全和健康，而且是可以在空间上被科学辨识并落地操作的具体景观载体。所以，“海绵”是实实在在的景观系统，构建海绵城市即是建立相应的水生态基础设施或景观系统。

荷兰地处欧洲大陆西北端北海沿岸，26%的国土面积低于海平面，是世界著名的低地之国，其名称“Netherland”的荷兰语原意便是“低洼之地”。由于地势较低且地形平坦，易于受到降水威胁（如雨水倒灌和内涝），荷兰许多城市建设了大量水利基础设施，用于储存、滞留和排出雨水。然而，作为欧洲人口密度最高的国家之一，荷兰的土地资源尤其是可建设用地较为稀缺，城市发展、基础设施建设与有限用地之间的矛盾突出。荷兰人大胆思考并发展了多种创新的解决方案，在消除和缓解降水威胁的同时，有效提升了环境和公共空间品质，造就了海绵城市建设的“荷兰智慧”。“水城”鹿特丹，是荷兰第二大都市和最大的港口城市，有着与水抗争及共生的悠久历史。近年来随着全球性气候变暖，极端暴雨频现，导致了城市内涝现象经常发生，影响了公共安全并加重了城区排水负担。为此，城市决策者和专业设计机构集思广益，策划并实施了一系列针对城市水资源开发管理的创新型战略措施。