关于作者

李皓,环境科普志愿者,“中科院老科学家科普演讲团”成员。 1982年毕业于四川大学生物系生物化学专业。1983年至1986年先后在西南农业大学土壤化学系、中国科学院成都生物研究所生化室工作。1986年至1994年在德国弗朗霍夫(Fraunhofer)研究院汉诺威毒理研究所从事免疫生物学研究,1994年获得德国汉诺威大学自然科学博士学位。1995年回国到北京医科大学免疫系做博士后,研究中草药成分的免疫调节作用。出于对当时中国环境状况的极度忧虑,1996年辞职走向社会成为环境科普志愿者。1997年至2007年主要从事引进和翻译国际环境教育影视片的工作。2000年至2004年为国家环保总局环境使者。2008年成为“中科院老科学家科普演讲团”成员。

在故宫看古建筑的防洪设计

李皓
2010年12月08日

“洪灾”又名“水淹”。有文献指出:故宫修建于1406-1420年,建成后至今五百多年了,却几乎不见“水淹”的记载。即使下暴雨,雨水也会很快排走,地面不会出现积水。为此,笔者花了两天时间,两次入宫,想把故宫从不发生“洪灾”的设计看个明白。

洪灾通常在天降大到暴雨之后出现。水淹地面,造成行路困难、交通阻断、水倒灌入房,致使百姓生存受到威胁,故称之为“灾”。今年我国多地“水淹”报道频频,受灾民众达数千万。此时,去认真观看中国古建筑中的防洪设计,是件必须做的事。
多大的降雨强度会导致洪灾?首先让我们记住有关降雨量的几点知识。降雨量指的是,在一定时间内降落到地面的水层深度,以毫米表示。单位时间内的降雨量就是降雨强度,分小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6个级别。在24小时之内,降雨量在9.9毫米以下是小雨,10-24.9毫米是中雨,25-49.9毫米是大雨,50-99.9毫米是暴雨,100-250毫米是大暴雨,大于250毫米是特大暴雨。
在故宫看了古人多种防洪设计之后,笔者明白了一个道理:只要在建筑的设计与建造时做好五件事,就能基本消除水淹问题。遗憾的是,这五件事却在当今中国的城市建筑设计中被忽视了。或许,这正是今年我国多个城乡发生洪灾的原因之一。那么,让我们来看看中国古人在故宫中留下的五大防洪招数吧。
防洪招数一:让地面具有透水功能
故宫有大面积的室外场地。这些场地多用砖石铺设。砖块之间的缝隙较大。这些缝隙与土壤相通。因此,下雨时,砖缝可以将雨水直接吸收入地。这就是透水地面的一种简单铺设方法。晴天时,能通透雨水的砖石地面显得较为潮湿。在故宫的大小院落中,潮湿的地面比例几乎占到80%以上。而这种大面积铺设透水地面的做法正是当今世界上发达国家的城市广泛采用的防洪措施之一。

图01-故宫中的透水地面和排水石槽与通往干沟的钱眼排水孔(李皓摄)

防洪招数二:建坡形路面自然排水

故宫中的御路、甬道和甬路的断面多呈中间高、两边低的形状,称为“熊背”样式。这样的设计十分有利雨水自然流向低处。在院落中,有些低处是园林绿地,雨水的流入正好能为绿地补水。有些低处是石槽明沟,能把雨水输送到建造在地下的排水暗沟中。还有的低处直接就是盖在暗沟上石板。盖板上有铜钱样的五个洞,称为“钱眼”。通过这些钱眼,雨水直接流入地下暗沟中。

图02-故宫中熊背样式的中间高两边低的道路有利自然排水(李皓摄)

防洪招数三:在隔挡处开洞及时排水
故宫的每个庭院几乎都是封闭式的。但在这些庭院的门槛角、墙角、石阶下,总能看到做工细致的排水孔洞,洞高常在10公分以上,以石材制成,能经受水的冲力。这些洞孔叫“券洞”,也称为“沟眼”。下大雨时,券洞能保障庭院中地面积水顺利排到庭院之外。

图03-故宫中能有效排出庭院积水的券洞(李皓摄)

故宫所有的石栏杆的底座部都凿有排水孔。孔与孔之间的距离约为95公分。这些排水孔的形状有点像单片花瓣,孔高约6公分,孔底宽约12公分。可以想见,降雨时,雨水容易在石栏杆的底座形成积水,而这些分布密集的排水孔能把积水迅速排空。

图04-故宫汉白玉石栏杆底部均匀分布的排水孔(李皓摄)

防洪招数四:造与河流相通的排水干沟
故宫城墙外环绕着一条护城河,河水与故宫里的金水河相通。由于故宫的地势北高南低,护城河水从西北角的城墙下流入故宫,在金水河里一直流到东南角,在那里的城墙下回到护城河。

图05-故宫外的护城河与故宫内的金水河相通之口(李皓摄)

下雨时,故宫自身吸收不了的雨水都通过金水河排向护城河。笔者在北门神武门的南部看到一条东西向使用长方形石板铺设的路,石板上有多处可让雨水流入的洞。一查资料才知,石板下是故宫排雨的大干沟,干沟深约1.5米,宽约0.6-0.7米。这条大干沟的西端与城隍庙的金水河相通,东端向南延伸为故宫的一条纵向干沟,在清史馆处流入金水河。这样的排水大干沟在故宫中有好几条,它们可接纳故宫所有暗沟排出的雨水,在不同的位点将水注入金水河。

图06-故宫中的金水河能收集雨水并输往墙外的护城河(李皓摄)

图07-故宫内的雨水大干沟通向金水河(李皓摄)

防洪招数五:修筑台基防止水淹
故宫的房屋都建在高出庭院地面的台基上。在储秀宫的庭院里,笔者看到,房屋台基的高度从0.35米到0.85米不等。此外,故宫的水井台也都建得比地面高。哪怕降再大的雨,这些台基能消除地面径流进入房屋的可能性,也能阻止径流漫入水井口,避免饮用水被污染。

图08-故宫里的房屋和水井都建在高于地面的台基上(李皓摄)

在防灾、减灾方面,中国的城市建筑设计师们需多向自己的祖先学习。
(写于2010年7月)