北京一方面因城市规模扩张带来水资源绝对短缺问题，另一方面由于极端天气频发又常常出现逢雨必涝现象。“一少一多”现象都因水祸起，这就使得人们开始构思是否能在时间和空间上人为调节水量，将暴雨季过多的水量在城市内滞留、储存，既能避免城市内涝现象又可有效保存宝贵的水资源。
通过对自然水循环的深刻认识，揭示人类只能在水循环的某些环节上(地下、地表径流)顺应自然去利用水，采取“用后即还(Use it and let it go)”方式让水以它本来的面目流归大海。城市聚水/排涝应从区域、甚至流域的“面”上考虑问题，而不应仅仅聚焦城区单一“点”上。
作者简介：郝晓地(1960-)，山西柳林人，教授，从事市政与环境工程专业教学与科研工作;主要研究方向为污水生物脱氮除磷技术;污水处理数学模拟技术;可持续环境生物技术，现为国际水协期刊《Water Research》区域主编。
地下水位下降、河流污染、湖泊干涸，种种迹象都给北京这座每年用水缺口高达15 亿m3/a的古都贴上了“旱城”的标签。与此同时，近年来极端天气在夏季之时接连引发城市内涝、逢雨看海的现象又让人们不禁要问，为何不变雨为宝，既可缓解旱情，又能抑制内涝?于是，人们渴望能通过某种方式在有效解决聚集雨水的同时又可防止内涝。
1 自然水循环与蓄意截水
自然水循环(见图1)的存在，使人类赖以生存的水资源得到不断更新，使其成为一种可再生资源，保证了地球上一切生命的生存基础。然而，在人类进化与演变过程中，为方便和舒适自己，往往出现一些有意识的筑坝拦水、甚至肆意调水行为，蓄意截留本应回归大海的部分水量。
这种行为如果规模不大且未形成气候，不至于过多影响自然水循环以及生态环境。遗憾的是，人类这些行为有时变得肆无忌惮，随心所欲!更有甚之，还有截留每一滴降水之蠢动趋势。逆生态所带来的灾难想必是人类首先自食其果，因此人类必须顺水而行，在水资源利用上应顺应自然，回归“用后即还(Use it and let it go)”原生态方式。
图1 自然界水循环简图(各部分水量百分比均以陆地降水量为基准)
2 北京水资源现状
北京市主城区位于东南部小平原，地势较为平坦。北京位于华北平原西北边缘，属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均降雨量585 mm，陆面和水面蒸发量分别为467和1023 mm。
因此，按水资源总量定义，若不计潜水蒸发量，则降雨量减去地表蒸发量(按99.15%陆面与0.85%水面计算)即为降雨给北京地区带来的水资源总量(亦即地表、地下总产水量)，平均约为19 亿m3/a。
而一年当中，北京降水主要集中在6、7、8、9四个夏季月份，占到全年总降雨量的85%。这就是说，北京要想临时性滞留、储存全部降雨，夏季需有约16.15 亿m3/a的消纳(滞留、储存)空间和容量，即，从宏观角度讲，平均到北京全区面积，每一寸土地需有100 mm的渗水能力或储水深度(径流深)。
具体到北京不同区域，因山形地貌、地势走向不同，明显影响各地块渗水、储水能力。北京山区面积约占全市区域面积的76%，而山区地形受植被、坡度影响导致地表径流系数很大，肯定难以完成在夏季滞留、储存100 mm的径流深之目标。
与此同时，改革开放以来，北京城市化进程加快，城市/城镇内越来越多建筑、道路等不透水下垫面侵占了原生态裸露、透水地面，使平原城区原始地表径流系数也大大增加，进一步导致城区土壤渗水和土地储水能力下降。
北京山区内的建筑与路面硬化因规模小而对原始径流量的影响不大，但平原区城区硬化地面不断扩张则是人为造成雨水下渗量减少、路面径流加大、甚至产生内涝的元凶。
目前北京城市建设用地区域，与北京市疆域总面积相比，所占比例并不是很大，即使把这部分城区硬化地面全部“退屋还地”，能够恢复的水资源滞留、储存容量和空间也不是特别大。为此，有必要从北京土地构成现状出发，计算分析北京水资源聚水、排涝总径流量，从而提出应对策略。
3 北京聚水、排涝总径流量计算
2010年北京市土地构成现状(图2)显示北京山区与平原交界地带基本以林、草地(绿色)和耕地(黄色)为主，城区硬化地面主要集中在北京市中心范围之内，以城市建设用地(建筑、道路)为主(红色区域)。
参照图2，研究人员进一步对北京市近30年城市用地与各城区硬化地面(不透水下垫面)表面积进行了详细计算，数据列于表1。
图2 2010年北京地区土地构成现状
表1 近30年北京城市用地与不透水地表面积比例
以上述硬化地面比例及其径流系数0.9为依据，可以计算得出2010年和2020年夏季从各城区硬化地面流失的水资源量分别为0.74 亿m3和0.95 亿m3，平均每寸城区土地分别损失88 mm和89 mm降水量。
换句话说，2010年和2020年各城区所有硬化地面上可能导致的夏季水资源流失量分别仅占夏季水资源总量的4.6%和5.9%，若换算为占北京市全年用水量(36 亿m3)的百分比则只有2.1%和2.6%。
如此看来，因城市地面硬化而导致的水资源可能流失量占比并不是很大，况且，这部分水量即使全部流出城外，还有机会在郊外透水土壤或水库予以暂时性拦截、滞留，所需要的雨水滞留、储存成本肯定比在城内要低得多。
其实，可能流出城区的这部分水资源的最大缺点就是在雨季时会因城市排水设施不足而引发城市内涝。
从另一角度看，受长期干旱、缺水而超采地下水影响，北京地区地下水位不断下降(平均每年>1 m)，导致透水地表土壤含水率大为降低。在此情况下，土壤吸水能力反而变强，会有更多雨水被土壤吸收而渗入地下，进而致使透水地面地表径流系数显著减少。
研究表明，密云水库从建库以来因汇水区流域面积内径流系数不断减小而致蓄水量持续减少。目前，密云水库流域内径流系数已从上世纪60年代的0.2~0.3已基本减至上世纪末的0.03左右，即，40年间减少了近10倍，如图3所示。
图3 密云水库多年径流系数变化趋势
在此基础上，研究人员又分析了北京近50年来水文要素变化数据如表2所示，结论也与上述分析相同。
表2 北京近期水文要素变化
表2数据显示，尽管城市不透水路面比例近十多年来不断增加，但是，北京疆域综合径流系数却在显著减少，从1956~2000年间的0.18降到了2001~2009年的0.09。
与此同时，北京疆域土地的整体透水能力并未因路面硬化而导致下降，反而是上升趋势，入渗的地下水量占水资源总量的比例竟提升了约13%(由52.69%增加到了65.40%)。
这就是说，以径流形式流失北京域外的实际水量正在减少，而蓄存本地的水量逐渐增加，相当于每年夏季大约有10.56 亿m3雨水通过下渗而补给地下水，即，在目前现状下65 mm的降雨可以补充地下水。
这对夏季<90 mm的降雨径流深来说已完成>70%的滞留、储存量，只需考虑将剩余<25 mm(即，1英寸)降雨深储存或排放。
其实，储蓄仅25 mm的降雨深对于北京疆域内广阔的非硬化路面来说还是很容易实现的。
北京地形在整体向东南倾斜的地貌作用下，山区降雨顺坡形成的径流将逐渐转移到平原地带，与平原地表径流汇合后无疑最终将会被永定河、潮白河等天然河道水体所接纳，只要人类秉承“用后即还”的理念，这部分径流量则有可能在下游因地制宜地储蓄并加以利用。
即使下游无储水空间可用，直接放总水资源量不足6%的雨水归海也是自然归宿，难道不应该吗?相比之下，在木已成舟的城市区域以自然或人工吸水方式截留这部分水资源与巨额投入(约1~1.5亿元/km2)相比，便显得投入与产出不成比例，只不过暴雨时节被“吸”走的这部分降雨深理论上可缓解城市内涝而已。
显然，与其在木已成舟的城市区域费九牛二虎之力在大都已经硬化了的路面拆、建渗水、储水设施，倒不如强化各类排水基础设施，将城市暴雨形成的短时强径流量及时引出城外，在城市以外的非硬化区域利用地形，因地制宜地截流、下渗、储水，甚至可以直接放水归海。因此，以快速排涝为主、郊外储存为辅的策略应该是北京聚水、排涝的上策。
4 北京聚水、排涝策略分析
从自然水循环的“面”上来说，陆面降雨经过蒸发/蒸腾、入渗之后的剩余水量才是地表径流产生的原因，也是上述北京聚水、排涝总径流量计算的根本出发点。但是，从单次降雨过程的“点”上来看，雨水蒸发与下渗则是一个相对缓慢的过程，尤其遭遇降雨历时短，雨量大的极端天气时这一弊端便显得尤为突出。
这就是说尽管上述平均25 mm径流深才是北京需要消纳的水资源量，但是，在城区硬化地面上短时内产生的径流总量几乎等于全部瞬时降雨量，这就造成一场暴雨需要消纳的径流深就远远大于25 mm。
在此情形下，排水设施欠缺或滞后于城市地上建筑的发展规模与速度，必然导致“逢雨必涝”与“城中看海”现象。因此，有必要在上述总径流量计算的基础上，再以单次降雨过程对上述北京聚水、排涝策略进行分析。
表3列出了北京近30年来单次降雨强度、降雨场次以及降雨频次等数据;
表3 北京近30年单次降雨信息统计
表3数据显示，90%以上的单次降雨强度都在40 mm/d以下。对多数中小强度降雨而言，因降雨强度不高、短时内形成的洪峰流量较低，所以一般并不会对城市排水系统造成冲击，均能通过地下排水管网和天然河道有效排除。
然而，城市内涝问题都出在高强度降雨的暴雨之时，往往是在50~100 mm/d的情况下。北京地区过去5年中就连续遭遇两次极端降雨事件;2011年6月23日大暴雨，局部降雨强度超过100 mm/d;2012年7月21日更遭遇北京61年来的最强大暴雨，全市平均降雨量达170 mm/d，受灾面积达1.6 万km2，死亡77人，造成的经济损失达上百亿。
因此，对高强度单次降雨而言，雨水蒸发、下渗需时缓慢的特点就被无限放大，上述计算的平均径流量便显得不具实际意义，结果是直接导致城市因排水能力受限而诱发城市内涝。可见，在短时间内有效排出大量积存的雨水才是城市聚水、排涝的关键。
显然，即使依靠人工渗水、储水方式，短时消纳100 mm/d以上强降雨也几乎是不可能的，除非是在城市下方存在一个平均大于等于90 mm深的“黑洞”。
其实，近年来极端降雨事件造成北京城市内涝的根本原因是老城区市政管网普遍老化(一些原本仅为胡同、四合院设计)，与突飞猛进的地上高楼大厦建设已完全不相匹配。如果一座城市排水等基础设施能像欧美等国那样考虑到成百、上千年的规划预期(如荷兰水利设施及城市防洪标准最低为4000年一遇)，那还会存在城市内涝问题吗?!
欧洲伦敦、巴黎、柏林等大城市百年前兴建的下水道里面竟然能够开车、划船，甚至二战时还用于打仗;如今这些欧洲城市百年后的发展规模仍未超出最初的规划设计，罕有听说这些城市有内涝现象发生。
中国城市建设规划往往“与时俱进”，不断变化，常常导致最初规划铺垫的基础设施在后发扩张的城市发展中捉襟见肘;特别是在新城市建设规划中目光短浅，即使看到未来城市的发展规模，也不愿前人栽树而让后人乘凉，铺就百年大计、甚至千年大计的排水管网。
以北京为例，北京市中心城区(即，二、三环以内)雨水管网仍然只有1~3年一遇排水标准，相当于只能够应对36~45 mm/h的降水，仅天安门广场和奥林匹克公园附近排水管线能达到5年一遇标准，而巴黎则是5年一遇，东京是5至10年一遇，纽约则是10至15年一遇标准。因此，单就防患于未然、抑制城市内涝问题而言，这并不是一个技术问题，只不过一个经济问题而已。
综上所述，对北京这等木已成舟的城市而言，在城市中拆、建渗水、储水设施似乎并不恰当。与其花巨额投资费去拆、建渗水、储水设施，还不如尽可能将钱花在更新和扩容排水设施上，以快排方式解决城市内涝问题，以郊外非硬化地面土壤、水体来吸纳从城市中排除的多余水量，或干脆直排，放水归海。
5 结语
北京全区域面积近年因降雨而形成的平均水资源量约为19 亿m3/a。北京因地下水超采而导致地下水位下降的同时地表综合径流系数减少了约50%(0.09)，反而使19 亿m3/a的水资源量中约2/3(12.4 亿m3/a)下渗地下而补充地下水。
剩余6.6 亿m3/a的水资源才是形成的地表径流量，也就是我们想要临时滞留、储存可使用的地表水量。单就各城区所有硬化地面而导致的不可下渗、转而形成地表径流量的水资源量来说仅占夏季总水资源量的5.9%，才相当于全市总用水量(36 亿m3/a)的2.6%。
因此，如果在城区内花很大的代价滞留、存储这部分水量显然投入产出不成比例。即使从防洪、控制内涝角度看，这样的作法也未必妥当，还不如完善城市排水设施，将水快排至郊外非硬化地面，因地制宜地滞留、储存，甚至直接排放，放水归海。
原标题：北京聚水/排涝策略：以快速排涝为主、郊外储存为辅
