智慧城市（一）：地下层

一个城市的地底下最深的一层是“下水道”。

“下水”分两类：雨水和污水。雨水一般是用地面上的沟渠来排，也可以放在地下，但都不是密封的。从古以来，污水也排到这些沟渠去。当初人少，问题不太大。工业革命后，城市人口急增，才出现严重的污染问题。城市污水的来源主要是抽水马桶（当然也包括厨房和浴室），但雨水或地表水也可能是非常污染的。试想想，屋顶上、马路上有多少沙尘、树叶、汽车漏出来的油、排出来的气、人的垃圾、动物的残骸等等。

解决的办法有两种。长久以来都是雨水和污水通过密封的管道合排。问题是，在旱季，水量不足，秽物淤塞管道；在雨季(或融雪)，水量太大，管道承受不了，未经处理的污水直接灌入河、湖或海里，扩大了污染范围。另一个做法，是雨水和污水分排。雨水直接排到河、湖或海里；污水则由密封的管道，集中输送到污水处理厂，经处理后再排出。当然，这比合排的成本高很多，而且，随着设施老化，渗入污水管道的雨水量会大幅度增加。无论是分流还是合流，下水管道的部署和管控是大学问。

最大的挑战来自地心引力（“水向低流”）。污水在管道流，有两个参数：流速和流量。流速过低，管道会淤塞；流速过高，管道会破裂。流速则取决于流量和管道的坡度。坡度是工程决定，流量主要是冲厕所用的水量和洗澡次数决定，也就是生活方式决定（美国人平均每户人家每日用水1200多公升，包括冲厕、洗澡、洗手、洗碗碟等）。

且看看马路底下“污水主管道”（每家的厕所、厨房排出的先进入“支管道”然后接驳到“主管道”）的设计标准（我用的是加拿大亚尔伯大省爱蒙顿市，人口不足100万）。管道切面直径最小是20cm，最小坡度是0.4%（即每公里下降4m），如果直径超过50cm，最小坡度可能降至0.1%（即每公里下降1m）。管道的顶部与地面距离不能少于2.75m；管道交叉处的上下间距不能少于0.3m；平行管道的左右间距不能少于3m。所有污水管道只可能置设在马路的一边（不能两边都用）；如果有其他公共设施（如水管、气管、油管、电缆等）用同一地坑，污水管道要放在最底。当然，最厉害的一条是，所有管道都不能设置在私有土地，尤其是楼房的下面。可以想象一下部署的难度。

上面说的是“标准”。实际情况更复杂。一个城市底下各型各类管道已经是纵横交错，而污水管道还要“服从”地心引力。也就是地势决定一切。盖房子，平地最好；铺污水管道，平地最差。试想，最小的坡度都要0.1%，如果是一个沿河岸纵深式发展5公里的中小城市，污水管铺到河边就已经是河面下的7-8m（5m来自坡度、2-3m来自管道起点与地面的最小距离）。不要忘记，这是“设计”。在施工中，铺设污水管道不可能像外科医生在手术室的精细。在实际工程里，0.1%坡度是妄想，施工时需要有很多“将就”，也即是最后的出口不止7-8m的深度，而管道的途中也不能保证最小的坡度。

比河、湖、海面低的污水怎样“排出”？当然，可以把污水泵上去，花钱不是最大的问题，机器失灵才是最大的担忧。污水倒灌对城市生产、生活、生态的破坏可以很惊人的，所以绝大部分的污水系统都尽量避免用泵，都尽量迁就地心引力。让我们想想挖坑的工程。刚才的7-8m是指污水管的顶部与地面的距离，还要加上管道本身的体积。这就是一条5公里长、2m宽、从4-5m到10m深的土坑，花费多大？还未考虑碰上岩石、树根、地下水等等。还有，管道拐弯不像马路拐弯。马路上的车辆可以用交通灯控制，管道里的秽物就必需按污水的流速和流向来保持畅顺。拐个弯可不容易。还有，上面谈到的只是一条管道的考虑。任何一个城市里都会有几十到几百条污水管，每条要与其他的公共设施管道配合来部署。为此，马路的设计与污水管道的设计是要同步进行的，马路部门和渠务部门往往是合一的。城市土地的布局（土地用途与发展密度）也是按路网和渠网成形的。

以美国为例。全国的城市下水管道达120万公里，三分之二已超过了60年寿命，大部分是污水与地表水合排。最大的问题是整个系统的容量不足，逢雨季和雪融，大量未经处理的污水直接灌入河、湖和海里，又或者倒灌上地面。智能管道的理念遂生，主要是一个能够按感应器的数据即时控制管道内部活门开关的系统，这不是什么新的理念，上世纪末，加拿大的魁比克市、德国的柏林、丹麦的根本哈根、意大利的热那亚都开始安置感应器去量度管道内污水的深度和流速。但美国印第安纳州的南湾市（South Bend）是首先实施全面性的网络监控。

该市之前的做法是每周一次派出工人视察全市下水道的地面入孔(manholes,也称沙井,通常在马路上都可以见到它们的密封孔盖——一般是在下水道拐弯的地方) ,撬开孔盖,用肉眼下望去“估算”水流的速度。如果看见有杂物或污物阻塞水流，就用钩去把它拉上来。下大雨时、工人要开车去关闭外渗活门，但突然而来的大暴雨就往往赶不及了。该市在2008年开始安裝感应器系统，两年间，污水外溢降了6倍。

先说说这些感应器。在美国，很多的科技都是从军事用途开始的。位于南湾市有名的圣母院大学有一位教授在2001年911事件后得国防部资助去研发一种信用卡大小、用无线电控制的微型感应器去协助搜索躲在山洞里的恐怖分子。这位教授的一个学生助手很有商业头脑，拿到博士后就创立一间公司去推销产品，走访该市的公共设施处长。处长早觉得滂沱大雨之际，站在车来车往的马路上，打开沙井盖去瞥看下水道是否满溢，确是落后的做法。感应器非但会提供数据去防止污水外溢，更可以测到管道的阻塞去防止污水倒灌。双方一拍即合。

安装感应器可不容易，沙井里头湿度极高，温度又是不停地变化和极端化，特别是洗衣机和淋浴排出的热水混上冷的雨水，而且还有易燃和易爆的沼气和硫酸气。敏感的电子仪器很容易就被分解。市面上可以买到的平价仪器容易失灵。就算用较昂贵而又是比较准确的感应器，充斥在污水里的厕纸把他们一包起来就成为废物。

最后的解决办法是把“感应包”倒挂在沙井盖下面。每个包有一个感应器，一个微处理器，一条天线和一个锂离子电池。感应器是暴露的、其他（除天线外）则放在一个防爆炸、防腐蚀的小盒子，安置在沙井盖底，方便工作人员维修。

未装置感应器系统之前，该市是通过预测污水量和流速去调控活门以防污水外溢。这方法（称“水力法”hydraulic method，是常用的方法）的基础假设是在整个排水系统范围内（往往是整个城市），降雨是平均一致的。实情是在同一时间内，某区的雨量可能很大，但其他地区的降雨会很小。也就是某些地区的管道会满，但其他地区的管道会空。虽然，整个系统的承载能力未曾用尽，但满溢的管道已经外泻。感应器的作用就是帮助系统管理者去利用未满的管道作为“临时”的“储水池”（这里谈的是几十到几百里的管道）。

当然，单凭“智能”不能彻底解决污水外溢的问题。只是把现存的承载力提升，最终还是要加大承载，包括建新的储水池（去应付雨季和融雪）。有关建新储水池，装在现存管道的感应器仍有作用。首先，在设计新的储水管理时，一般的做法仍是采用“水力模型”（也就是假设全市降雨量是平均和一致的），然后再加上“安全致上”的考虑，如雨水渗入、超大降雨等等。结果是大大的增加了成本。但是，如果现有系统已经安置了感应器，这些仪器会提供大量的“真实”数据，那么在设计新管道时就可以更有针对性的处理实际情况。

城市人口不断增长，智慧的管理可以为我们延伸基础设施的寿命和提升它的承载力，但终有一天要增建。问题在于是简单增建同样的东西还是考虑新的方法去处理老的问题？

就以污水为例。我在《人类居住》一文谈抽水马桶是这样写的。这么大的工程为的是什么？为的是我们不想“与粪便为伍”，而我们又刚巧发明了抽水马桶。前者是目的，后者是工具。目的可以不变，但抽水马桶是不是唯一的工具、合适的工具？我们用抽水马桶是因为它代表现代化。但是这个现代化是有着英国工业革命的背景和意识——大量的水资源和规模化的生产模式。这个工具的安装和使用成本庞大，还未曾算“被浪费”的水（一般情况是以98%干净的水去清除2%的污秽物）。

其实，西方已经发明了无水或少水的马桶（飞机上用的就是最简单的例子）和小区范围（也就是非集中）的污水处理系统。但是，抽水马桶和集中处污已经定型，已投入的成本确实难放弃。为此，新方法和新科技的发展空间极度有限，加上使用者积习难改，看不出有改变的必要。

唯一的机会可能在中国。如果我们对环境保护是认真的、对绿色发展是诚意的，我们确实有需要去探索一套生态上可持续的粪便处理科技，而我们又确实有足够的规模去开发一个经济上可持续的粪便处理市场。抽水马桶是18世纪英国发明的科技，经19世纪英国精英的推广，成为全球“现代化”城市生活的象征。但是，它不可能持续下去了，肯定不可能作为全球使用模式持续下去。今天，我们需要的是生态城市、绿色经济，中国的科技、中国的专家，会有贡献吗？