科普丨科学精妙的古代城市防洪排涝系统

科学精妙的古代城市防洪排涝系统

近年来，极端天气频发，暴雨成灾，洪水肆虐，国内众多大中型城市先后遭遇了不同程度的水灾害，城市内涝已经成为城市发展的软肋。2021年7月下旬，河南省遭遇历史罕见特大暴雨，尤其是郑州市遭受了重大人员伤亡和财产损失。城市的防洪减灾问题又再次得到社会和学界的关注。

在我国古代，有许多城市防洪排涝系统的经典案例，体现了朴素的自然观和辩证观，展示了古代劳动人民的智慧。下面以江西赣州福寿沟、安徽寿县古城墙、明清北京紫荆城等为例，展示我国古代科学精妙的城市防洪排水系统，希望能从中得到借鉴和启示。

一、福寿沟：

“千年不涝”的地下排水系统

地下排水是城市减轻洪涝灾害的重要方式，在江西赣州，有一套始建于宋代的地下排水系统，延续千年至今仍能使用，这就是福寿沟。

赣州，古称南康郡、虔州，位于江西省南部，赣江上游章、贡两江汇合处，赣州之名由此而得之,素有“千里赣江第一城”之称。赣州地形以山地、丘陵为主，属亚热带季风气候，四季分明，雨热同期，每年春夏之交都是赣州洪涝灾害的高发期，历史上防洪和排涝是赣州城需要面对和解决的重大问题。

从宋代开始，赣州陆续建立了一个以福寿沟排水干道为主，水塘、水窗相互支撑的地下排水系统。

北宋熙宁年间，时任“都水丞”的知州刘彝根据赣州城西南高东北低的龟背形地貌特征，采取分区排水的原则，建成了两个排水干道系统，因为两条沟的走向形似篆体的“福”、“寿”二字，故名福寿沟。

寿沟位于城西北部，福沟位于城东南部，城北区域的雨水、污水由各支沟汇集至寿沟，从东部、北部水窗排出；城南区域的雨污则由福沟汇集，从东南水窗排出。同时在主排水干道之外，还建有许多纵横交错的分支与浅地表排水沟与之相连。

同治《赣州府志》中的福寿二沟图

福寿沟的沟道设计也十分合理。首先，排水沟渠的尺寸相当大，其主干宽可达1米，最高处为1.6米，可容一人行走。大尺寸是其拥有大水量排水功能、保证雨水及时流出的关键。其次，沟道下半部分用花岗岩修砌，坚硬抗压防腐，上半部分为砖拱结构，抗震抗压，此结构还便于维修，当一处砖石破损，就可以随时更换，继续发挥功效。此外，沟道建筑材料天然环保，多用桐油、黄泥、沙石（俗称三合土）和青砖、麻条石等材料，渗透性和可持续性都比较强。福寿沟在清代同治年间总长约12.6公里，至今还有部分仍在使用。

福寿沟内部砖拱结构（图片来自网络）

水窗是福寿沟防洪排水系统的重要组成部分。建造者根据水力学原理，在福寿沟的出水口处建造水窗12个，水窗利用了杠杆原理和水压原理，能够有效地避免洪水倒灌的危险。当洪水水位高于沟内水位时，江水的压力会将水窗压紧。等江水水位低于出水口水位之时，水窗会被沟内水冲开。这样江水就无法通过水沟灌城，同时也不影响沟内水外排。

赣州福寿沟排水水窗

赣州城内还分布有众多水塘，水塘在整个排涝系统中，起着调节城内排水量的作用。城内的大量积水无法及时排出时，就流向与福寿沟相连的凤凰池、金鱼池、嘶马池、清水塘、荷包塘等几十口池塘，雨、污水通过福寿沟流向池塘，组成了巨大的蓄水库，待河水水位降低再慢慢排出，起到了调节旱涝的作用。

此外，福寿沟的设计者还十分重视细节，为避免泥砂淤积，设有许多防堵、利于清通的设施，在地表安装有铜钱状的雨水篦子，在福寿沟各个转弯处建有石狮爪子可以扒开污水中的垃圾，在各检查井中设有沉井，泥砂垃圾等流经此处会滞留在沉井中，极大减少了清通维护的工作量，可见设计时的创意与用心。

值得一提的是，福寿沟排水系统在承担暴雨时调蓄的功能时，还肩负民生使命，遍布古城的大小水沟与居民院子和厨房的各类排水设施相连，污水从居民家中便可排到福寿沟，虽然雨污合流的机制在今天看来并不科学，但是在一千多年前，这种设计与布局，使古城居民们便享受到了建筑给排水设施带来的便利，也是一项伟大的民生工程。

二、寿县城墙：

智能挡水工程的典范

寿县位于安徽省中部、淮河中游南岸，古称寿阳、寿春、寿州，曾为楚国都城。寿县地形险要，自古以来就是重要的水陆交通枢纽。由于自然地理环境原因，寿县历史上多次经受洪涝灾害，其以城墙为代表的智能挡水系统，固若金汤，是我国城市防洪减灾的典范。

寿县城墙挡水工程包括城墙、护城石岸、瓮城、涵洞、月坝，以及城内的水塘和地下排水系统。

城墙

古城墙构筑于北宋熙宁年间，南宋嘉定年间重修，呈方形，建有东、西、南、北门四门，墙体内以粘土夯筑，外壁下砌石基，上砌青砖，砖石缝隙以桐油、糯米汁和石灰为浆泥，十分牢固。

寿县三面环水，每当淮、淝洪水泛滥时，古城宛在水中，因而城墙的防洪功能十分重要。古人在修建城墙时充分考虑到这一特征，将城墙最低高度建得比淮河干流凤台硖石口最高水位略高出一些，当淮河洪水快要涨至城墙顶时，就会从峡石口一泄而下，不会漫进城里，确保寿州城的安全。此外，为减少洪水的冲击，城墙的转角处还特意修建为弧形。

寿县古城墙

护城石岸

护城石岸。是在城墙壁脚处修筑的高3米、宽8米的堤岸，又叫护城泊岸，始建于明嘉靖年间，它的内口与墙根基连为一体，外口则以条石叠砌。护城石岸为整个城墙增加了一道坚固的防线，顶住了洪水对城墙根基的直接冲击。

寿县城墙护城石岸

瓮城

城门之外还修有瓮城，瓮城是古代为了加强防守或者防御洪水，在城门之外再修建的小型城池，有半圆形或者方形。寿县东、西、南、北4座城门历史上均建有瓮城，成内、外二门之势，洪水若入瓮城，便成涡流，可减轻洪水对内门和城墙的压力。20世纪60年代，因市政交通不便，拆除了西、南门的瓮城，现存东、北两门瓮城。

寿县古城墙和瓮城

涵洞和月坝

寿县城涵最早有3个，现仅存东北和西北两个涵洞，作用是及时排泄城内积水。月坝，实际上是在涵洞之上修建砖石结构的圆桶状坝墙，高于城墙，周围又围护以厚实的堤坡，远远看去像个小山包。内壁设有石阶，可以通向坝底的涵沟，涵沟上封有石板，设闸五道，可以随时进坝启闭闸门，控制流量。

月坝和涵洞联合起到防洪排水的作用，月坝保护涵沟和附属闸门，避免被内河积水毁坏。涵沟经过月坝横穿城墙、护城石岸，中间设有一木塞，木塞小头朝向城内，当城内水位高于城外时，内河水通过涵道冲开木塞，进入涵体，将水排向城外护城河。当城外水位高于城内时，外城水通过水压将木塞塞紧内河涵管，月坝内水位也跟着升高，起到蓄水的作用，从而防止外城水倒灌入城，这就起到了防洪排涝的重要作用。

寿县涵洞和月坝

除了城门口的涵洞、月坝外，在城内四角处设置有内城河的蓄水塘，在不同的区域也建有大小不等的众多水塘，如南塘、鸭子塘、撒金塘等，这些陂塘在城内积水时，能起到蓄水的作用，日常种有莲藕等水生植物，净化水质，美化生态，还能调节城内的气温和湿度。此外城内还建有许多明沟暗渠，这些明沟暗渠都流向地势偏低处的城西北、东北角的内河，再由内城河通过两个涵洞排到城外。

月坝和涵洞排水系统

（当城内水位高于城外时）

月坝和涵洞排水系统

（当城内水位低于城外时）

寿县古城墙挡水工程设置了重重屏障，可谓固若金汤，是我国古代劳动人民在长期与洪水灾害做斗争的过程中总结出来的宝贵经验，对现代城市防洪治理具有重要的借鉴意义。

三、明清紫禁城：独具匠心的宫廷排水系统

北京三面环山，境内河流众多，古时，每到夏季，一遇暴雨加上河道阻塞，便深受水灾困扰。然而位于北京中轴线上的紫禁城，作为明清两代的皇家宫殿，建成后六百余年来，几乎不见暴雨积水成灾的记载，这得益于其独具匠心的排水系统。

精湛的测量、规划和营造

紫禁城建造之初，设计者对排水系统进行了精准测量、精密设计和精细施工。京城北依燕山、东临渤海，地形北高南低，因此水向东南流。

紫禁城的地面顺应北京地理环境，整体走势亦呈北高南低、中间高两边低，而且略有坡度。其中紫禁城北门神武门地平标高46.05米，南门午门地平标高44.28米，竖向地平高差约2米，整体形成约2‰的排水坡度，降水易于向南流。同时宫殿广场的地面设计中间高、两边低，形成“熊背”，降雨时由北向南的雨水又由中间向东西两侧排水。这种坡降为自然排水创造了有利条件。

科学完善的排水系统

紫禁城的人工排水系统由明沟、暗渠（暗渠又有干支沟）、涵洞、沟眼等众多排水设施组成。降雨时，雨水由坡面形式的建筑屋顶迅速落到地面，流到明沟后，再汇到地面暗渠，一些形成地面径流的雨水，顺地面坡度流入院落和房基四周的雨水口（水由地面流进暗渠的入口，多为方石板镂雕成明清铜币形，也叫“钱眼”）和石槽明沟，若遇有台阶或建筑物，则从“沟眼”穿过汇入暗沟(明渠遇到台阶或者墙等障碍物，则在其下开一圈洞，被叫作“沟眼”)。

地下暗沟纵横交错、四通八达，雨水排入暗沟以后，再由支沟汇集到干沟，经干沟排入内金水河。内金水河从紫禁城东南角出宫，与紫禁城城墙外侧52米宽的护城河相连，之后同周边的外金水河、中南海等水系相通，消纳紫禁城的雨水。

故宫铜钱眼排水口（图片来自网络）

“千龙出水”的奇观

前三殿的“千龙出水”是紫禁城排水系统中最精彩的部分。故宫设计之初，为了防止积水，在太和殿、中和殿和保和殿三层台基的四周栏杆底部，设计了1142个排水龙头，龙头也被称为“螭首”，雕琢精美，内为凿通的圆孔，是主要的排水口。

雨水顺着台基逐层下落，每层台基的地面都有3%—5%的坡度，四周散水都有石槽明沟，台阶下还有石券涵洞接通干沟，使流水顺利进入地下，最后排入内金水河。如遇大雨，屋顶流下来的水与台面的雨水一同顺地势向四面流，从沟眼渗下，经龙头吐出，一层一层流向地面，呈现“千龙出水”景象，蔚为壮观，即装饰又实用。

“千龙出水”的奇观（图片来自网络）

历代对紫禁城排水系统的维护和保养也非常重视。每年春季，太监们都会定期清扫、掏挖，以确保雨季到来前紫禁城排水系统的通畅。在暴雨过程中，有专门的太监负责宫内外积水情况，必要时打开金水河，开闸放水，适时调节内金水河水量水位。

正是这样一套功能完备、设计精密的排水系统，加上定期维护、及时疏浚，才保证了紫禁城600年不涝，无论雨量多大，从无积水之弊，成为古建筑史上的奇迹。

古代城市防洪排水系统的成就，是劳动人民在长期实践中尊重自然、利用自然的科学成果，也为后人积累了丰富经验。今天中国城市面临的防洪问题虽然已不同于古代，但是我们依然可以从古人的经验中受到启发并得到借鉴：

（一）系统考虑“堵”与“疏”的关系

在城市规划之初做好顶层设计。治水是一个系统复杂的问题，面对洪水，不单纯是“堵”或“疏”的问题，需要综合考虑。

（二）统筹处理“排”与“蓄”的关系

城市内涝多与强而集中的降雨有关，在增强城市排水能力的同时，要加强雨污分流，提高城市铺装的透水率，更要增加蓄水塘、湿地和绿地，使其充分发挥涵养水源、美化生态的作用，提高城市蓄洪的能力。

原标题：《科普丨科学精妙的古代城市防洪排涝系统》

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