浅析中国古代排水系统.pdf

1 浅析中国古代排水系统 浅析中国古代排水系统 余蔚茗 李树平 田建强 同济大学污染控制和资源化研究国家重点试验室 上海 200092 E mail yuyuyuf630 lspwh Tianjian185 摘要 摘要 众所周知 中国古代创造了辉煌的文明 排水系统为人们生产生活提供了便利 保障 了卫生和安全 随着时间的推移 制造工艺不断发展 排水设施的材料和设计不断得到改进 另外 由于人口的增长 城邦的建立以及人们对生活要求的提高 出现在生活区域和娱乐设 施的排水系统也日益完善 本文以考古发现为依据 以不同的排水功能划分 结合古代治水 思想 从城市排水 住宅雨水系统 防水布置以及地下水涵养方面 分类介绍排水系统与设 施在古代文明发展中所起的作用 最后浅议了古代排水对现代的启示 关键词 关键词 排水设施 污水 雨水 地下水 系统 1 引言引言 中国古代的排水系统 同中国古代文化的形成有着密切的联系 在长期的自给自足 以 农业生产为主的封建社会 广大农村的排水设施发展相当缓慢 一般农家仅将粪便排入厕所 坑内 依靠周期性排空作为农作物的良好肥料 而淘米洗菜 盥漱洗濯等日常生活污水 水 量一般很小 通常直接倾倒地面 极少在家庭或建筑内设置污水管道系统 只有在都城或民 居聚集的商邑设有比较完备的排水设施 将污水和雨水排入沟渠 导入自然水体 此外 沟 渠还有防洪排涝的作用 沟渠材料包括砖石砌块和陶土管道 1 城邦的建立对大型排水系统的建立提出了要求 文化审美的提高引发了大规模的建筑和 人造景观的出现 同样 能工巧匠在人工造物的同时创造了和谐的配套排水设施 由于排水 问题同各地的气候 地势 地形 生态条件 土地等自然资源的分布关系密切 因此 通过 研究古代排水技术与设施发展 可以从一个侧面对现代排水有所借鉴 表 按年代先后列出 了考古发现的排水案例 表 1 构筑物分类 Table 1 Classification of construction 年代 材料及构筑物 例子 新石器时代后期 2600 BC 2100BC 陶土管 河南淮阳平粮台古城 夏 2100BC 1600BC 木结构 沟渠 壕池连接天然河湖 商 1600BC 1100BC 石木结构排水沟 全长 800 米 偃师商西亳城 西周 1100BC 770BC 陶瓦 板瓦 平遥古城 春秋战国 770BC 221BC 河卵石斜坡式散水 临淄齐国古城 曲阜孔庙 孔林 孔府 秦 221 BC 207 BC 陶土管道 排水池以及散水阿房宫 秦始皇陵 2 西汉 206BC 25AD 五角形陶管 渗水井 涵道 沟洫 长乐宫 唐 618AD 907AD 砖或石渠壁 暗渠中铁质闸门长安城 乐山大佛 龙门石窟 宋 960AD 1206AD 砖沟墙 条石盖板 福寿沟 东京城 大足石刻 元 1206AD 1368AD 砖顶 底石板涵洞 大都 明清 1368AD 1840AD 龙头出水口 紫禁城 2 城市排水城市排水 古人很早就知道排水对居住地环境卫生 日常生活及人们生命安全的重要性 原始聚落 多位于河崖的高地上 目的是为了把自然降水和生产 生活 废水迅速排入低地或河流中 保持聚居地的清洁 不至影响居民生活和生命安全 排水主要是利用自然冲沟 人工沟渠 人类进入文明之后 排水也由自然冲沟发展到排水管道 最早发现的筒形陶土管道位于洛阳的夏朝排水设施 陶质管道的发明是人类的一大进 步 它标志着排水设施从原始就地散流排水阶段进入了较为先进的规划时代 是人们认识自 然 改造自然的伟大成就 二里头商朝宫殿遗址 西周王城遗址发现的排水设施更加齐全完 整 不但出土了直形管道 而且有大量的弯形管道出土 同时 出现了管道连接使用的子母 口管道 这样就使管与管对接 实现了长距离排水 大多城镇水量充沛 城内有天然河道和 池塘 城外有护城河 雨水就近排放 管道长度较短 表 从排水系统的历史沿革出发 简略地比较三个不同时期的都城排水概况 表 三座古城的比较 2 Table 2 Comparison of three typical ancient cities 基本构件 河渠密度km km 2 附属物 临淄古城 950BC 圆形或三角形陶土管0 8 渗水坑 汉长安 202BC 190BC 圆形或五角形陶土管1 0 渗水井 砖券涵道 沟洫 昆明池 蓄水 紫禁城 1403AD 1424AD 石槽明沟 1 07 涵洞 沟眼 出水口 上表粗略反映了城市排水系统随古代文明发展而壮大 夏商周时期社会生产力还不太发 达 宫殿区出现了排水沟渠 临淄齐故城基本代表了西周至春秋战国时期城市规划建设的最 高水平 位于大城西北部的排水道口 分进水口 过水道和出水口三部分 全长 42 米 宽 7 米 深 3 米 用天然巨石砌垒而成 水口分上 中 下三层 每层 5 个方形水孔 孔内石 块交错排列 水经孔内间隙流出 人却不能通过 这样既能排水 又能御敌的科学建筑 为 世界同时代古城排水系统建筑史上所罕见 3 这个时期管道一般由三条陶管组成 其断面呈 倒 品 字形 每条管道又有许多陶管扣合而成 陶管一头略粗 一头细 细头有榫口 可 以衔接 陶水管为轮制 装入直筒 小口直径为 0 23 0 26 m 大口直径为 0 27 0 33 m 每节长 0 35 0 45 m不等 其上外表拍印篮纹 方格纹 绳纹 弦纹 个别的为素面 每 节小口朝南 套入另一节的大口内 如此节节套扣 4 据汉长安城工作队发现 在长安遗址台基北侧发现了一组完整的排水设施 这组排水设 施由两座沉淀池和数段圆形或五角形排水管道组成 两个沉淀池分别位于西部的两个庭院 中 有管道相通 进出水管道高低计算精准 从房顶下来的雨水先汇入庭院中的沉淀池中 待 杂物沉淀后 清水最后通过压在半地下通道下面的双排水管排到建筑之外 这样就能保证排 水管道不被堵塞 只需定时清理沉淀池就可以了 5 紫禁城 1403 年 1424 年 图 占地 72 公顷 宫殿建筑连檐接栋 地面大都为砖 石铺设 设有完整排水系统 加之历年的掏挖养护 五百余年来几乎不见暴雨积水记载 可 见其排水效果之良好 宫城内利用自然坡降设计营造了纵横交错 主次分明 明暗结合的庞大的人工排水网络 包括干沟 支线 涵洞 沟眼 沟眼 明沟穿过台阶或建筑物等障碍物的出入口 通常为券 洞形式 等众多排水设施 紫禁城内总的排水走向是将东西方向的支线排水汇集到南北干沟内 再流入内金水河 最后汇入护城河 各排水分区既要适应总排水趋势 又要根据具体情况酌情处理 以保障水 流畅通无阻 为此各院落地面多留有 泛水 即预先确定的庭院水流落差坡度 院落正中 南北走向的御路或甬道 其断面多呈 熊背 式样 即庭院正中的南北向御路或甬道断面通 常呈中间略高 两边稍低的形式 工匠以此构造作为院落的分水线 降水时节 雨水首先顺 地面坡度流入房基四周的石槽明沟 明沟若遇有台阶或建筑物 则从 沟眼 穿过 或直接 通过 钱眼 状的雨水石板汇入暗沟 而后依次通过支线 干线排入内金水河 6 除了排水 干渠以外 紫禁城内外还布置有纵横如蜘蛛网般的二级排水沟 大街两旁的沟渠 三级排 水沟 偏街小巷内 7 图 紫禁城排水系统示意图 21 Fig 1 Schematic diagram of drainage system in Forbidden City 3 通过以上分析 可以看出 随时间的推移 宫殿区扩建 附属设施日益精湛复杂 排水 系统日趋完备 出水一般排入自然水体 在这段发展过程中渗透了我国的营国制度理论 即 在城市水利规划思想中含有丰厚的自然主义内涵 崇尚与自然环境的和谐 以工程手段协调 了都城与自然的关系 3 住宅雨水系统住宅雨水系统 我国的雨水利用由来已久 例如余姚河姆渡遗址中出土的160 多把骨耜 证明7000年前 先民已能翻土引水 排水 4000年前的周朝 农业生产中就利用中耕技术增加降雨入渗 提高 作物产量 8 3 1 民居 3 1 民居 古代民居内部遵循的水法主要是处理雨水 屋顶的形式 天沟 瓦槽以及滴水的方向 通常的民居布局的重点 一般雨水从屋檐滴入墙边水沟或天井 后曲折流质屋前水沟 以台湾民居为例 台湾位于亚热带 自然地理多山而平原少 气候潮湿多雨 自古以来 民居排水自然成为设计的重点 硬山式有利于防风与防火 而悬山式或歇山式则有利于防水 与防晒 原住居民多在山坡上建屋 常用干栏式建筑以避潮 南部山区的排湾族多用石板建屋 冬暖夏凉 兰屿雅美则采用半地穴式居住 坡岭以卵石垒成 以利雨水排出 图 新竹长和宫放水图 1742 年 9 图 放水水路转折设湖 湖中有壶 水过壶转 9 Fig 2 Drainage in Xinzhuchanghe Palace Fig 3 Set a pot in cross section of the lake and the pot trans when water goes through 由图 可见 转折处水道略微扩大 其中可置陶壶 图 3 中陶壶在水量充足时随波转动 将沉积物带出 3 2 园林庭院 由于古代园林本身是附属于士大夫宅第之后 因此中国古代园林其走水理念与民居相 似 只是亭台轩榭的屋顶更为考究 其中有代表性的是悬山式与硬山式 硬山式有利于防风 4 5 与防火 而悬山式或歇山式有利于防水与防晒 园林中一般设有池塘 书斋 池塘兼有排除 雨水 美化环境和防火救火的功能 4 防水布置防水布置 工程浩大的秦始皇陵为了适应气候和地形特征 设计了一套立体的防水设施 秦陵地区在两千年前温和多雨 由骊山而下的地表径流和由此而产生的地下潜流也丰 沛 因此 秦始皇陵在建造初期便在墓圹迎水面 即南部和东西两侧 挖设一条超过地宫设计 深度 平面略呈 U 形的人工沟壑 从而汇聚各层地下潜水 并阻拦其进入墓圹 以利于 北部地宫的修筑 由考古发现 778 米长的排水渠环绕墓圹的三侧 是整套系统的前段 后段 排水设施全长 525 米 由位于封土西侧以外类似 坎儿井 的一组明井和暗渠组成 与前段 工程的西北端相接 将前段沟渠汇聚的地下水流排出陵园 这些明井暗渠连成的排水道呈 Z 字形布局 现已探出 8 段明井和 7 处暗渠交替相接 明井都是口大底小 相互之间以 拱顶的地下暗渠相通 前后两段排水渠道能够保障地宫的顺利修建 但工程结束后不再需要 排水渠道 而需要阻水设施 于是利用枯水季节 将加工过的青膏泥 质地细密类似湖底淤 泥 隔水性强 填充在前段沟渠内并逐层夯实 夯层厚达 17 米 在青膏泥之上 再以 21 米 厚的含沙黄土夯填 这样前段的排水沟渠就摇身一变 成为横亘地下的拦水大坝 功能也由 排水转为阻水 用另一种方式隔断了地下潜水对地宫的渗透 10 与地下阻排水工程相呼应的是地上的排水系统 在陵园内不论是墙脚楼旁 封土周围 均列有整齐的排水管道 形成一整套纵横交错的地表排水设施 它们能将生活用水 地表雨 水迅速排到地势低洼处 并引向陵园外 5 其它排水其它排水 古代工匠创作了一个又一个艺术杰作 如龙门石窟 大足石刻等 在此仅以乐山大佛和 北海团城为例介绍工匠创作的排水系统 5 1 乐山大佛 5 1 乐山大佛 位于四川省的乐山大佛背依栖鸾峰 开凿于 713 803 年 11 大佛地处温湿气候区 年 降雨日多 且强度大 年均降雨量为 1386 为防止对大佛的侵蚀 古代工匠在开凿乐 山大佛时 精心设计了排水系统 分为佛身地下水和表水的排引两部分 解决了不同来源水 的问题 乐山大佛 由于岩间裂隙形成了地下水通道 为克服山体地下水渗透影响 古代工匠在 大佛背后开凿了三层排水廊道 并将水导引入岷江 第一层位于大佛耳后 高 4 5 5 宽 1 1 3 主要排引耳部以上的地下水 第二层位于大佛颈后 高 2 5 宽 0 6 规模较小 第三层位于大佛胸后 左侧高 1 2 宽 0 84 深 8 4 对于佛身表水 另一套较完备的排水系统位于大佛的头顶至右臂 它能很好地排除佛身 胸部以上大气降水和深处的地下水 其中 头部的发髻造型构成两层排水渠道 而胸部的袈 裟造型与排水有机结合 将来水导入右腹部排水沟 最后通过大佛右脚外侧直接导入岷江 5 2 团城涵养水源 5 2 团城涵养水源 北京团城闻名于城内古树 始建于辽代 907AD 1125AD 北京地处温带半干旱 半湿 润地区 受季风性气候影响 多年平均降水 595 适合于松柏生长 另外 团城内独特 的雨水渗排系统为古树的生长营造了适宜的环境 团城地面除建筑物与古树外 全由青砖铺筑 极少一部分为非渗水青砖 专供人行走 而大部分为倒梯形青砖 底部有沟槽导水 进入涵洞 以蓄水 据李善征 12 等测定 青砖又 分为两种 一种上表面有致密层 图 铺于城西北 另一种较小 砖内多气孔 吸水性强 铺于城南 此举减少了地面蒸发面积 充分利用城内降雨量 图 渗水青砖 11 Fig 4 Infiltration gray brick 另一重要设施是渗排涵洞 涵洞深埋 其壁及底部均由青砖铺筑 利于与地下水相互渗 透 它在转折处设雨水口 图 便于清淤和地下通风 深埋的涵洞 有助于提高表层土 壤地温 有利于古树生长 整个系统的工作原理见图 雨季时涵洞内积留的雨水渗入土地 而旱季 地下水渗入涵洞 涵洞内水易于流动 以此更易于团城内水源的交流补充 图 石板雨水口 雨箅子 额 图 6 排水工程草图 11 Fig 5 Stone inlet Fig 6 Draft of drainage engineering 6 7 古代工匠精心的设计和安排石雕艺术的同时 综合考虑了地形 气候 审美及整体排水 处理 创造了经久的文化瑰宝 乐山大佛采用的廊道与造像表面排水结合的方法 既防止了 地下水的渗透 又解决了部分地表水对石雕的破坏 这值得我们今人借鉴 13 6 总结总结 以上通过对古代城市排水系统的回顾和探讨 可见古人在不断的试错和经验总结创造了 一个又一个奇迹和辉煌 展示了古代劳动人民的智慧 在排水系统中 古人结合了古代朴素的自然观和辩证观 14 排水系统日益成为综合性很强的一个技术领域 其历史沿革可总结为 第一阶段 污水雨水经由散流 漫流 自然蒸发 渗入或汇流入天然水体 第二阶段 人工精心设计 施工 建设明沟或暗沟 管 式排水道 把污水汇流后排入不 影响人生活的地方或水体 第三阶段 在排水系统中适当的部位 建设污水处理设施 使污水经过适当的处理后再 排放 现阶段 在不断完善排水系统的基础上 把排水系统的最终产物变为可利用的资源 即 实现污水 雨水的资源化 体现可持续发展的目标 使雨污水排放 处理事业成为一种自然 资源再生和再利用的新兴工业 近代以来 人均用水量增加 工业 农业和生活排水水质急剧下降 污染物种类急剧上 升 洪灾及地下水污染带来的问题也日益突出 这些现象引发了近年来对排水 防洪的越来 越深入的研究 15 在这里 希望对中国古代的排水技术沿革的探讨 能给新时代的建设以启 示 扬弃地对待古人尊重自然的思想 树立和谐的人水关系 科学的发展观 参考文献参考文献 李树平 刘遂庆 浅谈中国城市排水工程的发展 上海给水排水 2003 4 14 17 杜鹏飞 钱易 中国古代的城市排水 自然科学史研究 1999 18 2 136 146 吴庆洲 中国古代城市防洪研究 北京 中国建筑工业出版社 1995 原丽华 两千八百年前的卫生工程 中国卫生工程学杂志 1997 6 2 60 61 长安城工作队 汉长乐宫内发现大型建筑遗址 中国社会科学院院报 2006 2 蒋博光 紫禁城排水与北京城沟渠述略 中国紫禁城学会论文集 第一辑 1997 9 金戈 中国古都与水 一 海河水利 2005 1 62 69 奕永庆 雨水利用的历史现状和前景 中国农村水利水电 2004 9 48 51 李乾朗 台湾民居排水法 建筑创作 2000 4 63 65 秦陵的千古之迷 下锢三泉 地下排水系统 DEEP 中国科学探险 2005 11 袁金泉等 乐山大佛的现状及地质研究 1991 李善征 曹波等 团城古代雨水利用工程简介 北京水利 2003 8 张俊芳 黄继忠 石窟寺中的古代排水系统 雁北师院学报 文科版 1995 41 42 张家诚 中国古代治水的科学思想 水科学进展 1996 7 158 161 Sieker and Klein Best management practices for stormwater runoff with alternative methods in a large urban catchment in Berlin Germany Water Science and Technology 1998 10 91 97 Gordon Mitchell Mapping hazard from urban non point pollution a 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