纽约市脚下有什么？

# 纽约市脚下有什么？——实用工程学 来源：https://practical.engineering/blog/2026/7/21/whats-under-your-feet-in-new-york-city *\[请注意，本文是上方嵌入视频的文字转录。\]* 纽约市在美国独一无二。它是全美人口最稠密的地区，建筑、商业、住宅和人口密集至极。但当你漫步街头或从空中俯瞰时，地表之下还有另一个完整的基础设施世界，正是它让这座城市成为可能。如果你能掀开路面和土壤，看看我钟爱的一位作家大卫·麦考利所说的城市“庞大的根系”会怎样？让我们来参观一下大苹果的地下世界。我是格雷迪，这里是实用工程学。 让我们随便选一个曼哈顿的十字路口开始这趟旅程。这里有汽车、公交车、自行车、建筑、人行道、交通灯、消防栓、热狗摊、井盖等等。但打开地表，下面是另一个完整的世界。我们先从水管说起。 仔细想想，水管其实可以像电线一样架在空中。毕竟挖沟槽是项大工程，而且修理地下管道对街道的干扰很大。当然，纽约并非独有地将水管埋在地下。这其实是全球大部分地区的标准做法，原因很简单：水很重，因此沿管道全长提供连续支撑在结构上很方便。水还会结冰，所以把管道埋在地下冻土层以下，可以防止寒冬里结冰。此外，埋在地下还能让管道避免一系列自然和人为危害，比如车祸和失控的游行气球。这一点很重要，因为一条主水管破裂可能会造成大问题。 当你看到街道上喷出巨大的水花时，很容易纳闷为什么主水管需要以如此高的压力运行。当然，压力有助于将水通过管道输送到城市各处需要的地方。但更重要的是，向外的压力可以防止污染物进入。我们希望主水管上的任何裂缝、孔洞或破裂处都能成为“单向通道”。如果有东西从管道壁的一侧移到另一侧，那么从内向外移动是至关重要的。 和电力一样，水管通常也呈网格状分布。这增加了冗余性，为水到达目的地提供了多条路径，这样即使一条管线停运也不会影响居民的供水。同时还能确保管道中的水持续流动。如果像树枝一样建造供水系统，最终会形成许多死胡同，水在那里流速变慢甚至停滞，导致饮用水不安全。 纽约市的供水系统以重力供水而闻名，大部分水源来自海拔更高的上州地区。而且无需过滤，因为水源流域受到严格保护以防止污染。但市政府并不只是假设水质没问题。街道上散布着900多个水质采样站，让工作人员能够在供水系统末端收集并检测水质，确保饮用水安全。 如果你能掀开土壤，观察城市的供水系统，你会看到几乎每条街道下面都有主水管；用于隔离个别管线进行维护或修理的截止阀；连接街道和墙壁消防栓的接口，消防员可以在此接上消防泵；以及接入主水管、为每栋建筑供水的入户管线。你会注意到，很少有公用设施直接从建筑物下方穿过。主要原因是我们需要能够接触到它们以便进行修理。另一个原因是，建筑物通常有自己的地下结构，特别是桩基、墩基或钻孔桩作为基础。我有一整期关于深基础视频，如果感兴趣可以之后看看。 与水管不同，在世界各地，我们经常能看到电线杆上架空的配电线路。但在纽约市大部分地区你看不到这种情况。大约85%的电力线路埋在地下。部分是为了美观：电线会占用空间，需要专用的通行权，限制了空间的使用。另一部分是出于安全考虑：让人和车辆远离配电级别的电压。当然，还有可靠性问题。当一场大风暴摧毁了郊区社区的地面电线杆，随之而来的停电是个不便。同样的停电在曼哈顿可能会影响更多人。 关于地下电力服务存在很多误解。你可以大致将电网分为三个按电压范围定义的明确类别：输电（电力以数十万伏特电压远距离传输）、配电（以几千伏特电压在人口稠密区域传输），最后是服务（插头处的电压）。将服务线路埋入地下相当直接。你家可能就有通到路灯或独立车库的地下线路。将数十万伏特的输电线路埋入地下是一个极端的工程挑战，因为涉及绝缘、热量积聚和电容问题。将配电线路埋入地下则介于两者之间。 架空线路的一大优势是有空气可用。空气是免费的，只要在带电导体周围保持足够的空间，它就能很好地充当绝缘体，只有在电线杆处才需要实际的绝缘体。将数万伏特的线路埋入地下需要相当昂贵的绝缘材料，以防止对地或其他相位的电弧放电，并抵抗水的侵蚀——这是每个地下公用设施都无法避免的危害。 我们常把电力互联称为“电网”，但这个术语主要适用于覆盖整个州或国家的高压大容量电力系统。在城市规模上，这个描述并不贴切。大多数城市地区使用所谓的径向系统进行配电，这更像树枝而不是网状。对于独栋住宅，你可能与几户人家共用一个变压器。它连接到配电馈线，你可以沿着那条线一直追溯到变电站。每条馈线基本上都是电力流动的单向死胡同。可能在某处有交叉连接以提供冗余，但这不是径向架构的固有部分。而在纽约市，情况完全不同。 在整个五个行政区，纽约市运营着大约70个独立的所谓“二级网络”，每个网络由区域变电站的8到28条馈线供电。不是使用服务于一两栋建筑的单个变压器，而是遍布城市各处的网络变压器，通常位于地下的混凝土拱顶中，每个都连接到变电站的冗余馈线之一。由于位于地下，这些变压器必须能在完全浸没在水中时运行。 这些变压器将电压降至服务级别，然后由一组导体线网分散到该区域的所有建筑。这是真正的网络，是服务级电压的实际网格，具有多条冗余的能量传输路径（完全不像树枝）。而且还有另一方面与北美其他地方不太一样。 美国典型服务变压器提供“分相电力”。它从电网取一相，提供两根我们称为“火线”的带电线路。每根火线与中性线之间的电压正弦波相位差180度。所以在一根火线和中性线之间，你得到120伏。这是典型的墙上插座。较大的电器和电动汽车充电器使用两根火线得到240伏。在纽约市，服务网络有所不同。它们使用与电网其他部分一样的三相系统。每相相位差120度。大多数单套公寓或房屋会得到三相中的两相。所以在纽约市，从火线到中性线仍然得到120伏，但火线之间只能得到208伏。在美国，大多数大型电器设计为既能工作在240伏也能工作在208伏，因为单相电和三相电会混合匹配。 像摩天大楼这样的大型建筑通常直接从馈线获取更高电压的电力，并在设备层使用自己的变压器为整栋建筑提供服务。因此，爱迪生联合电力公司维护着基本上两个地下电网，一个是13,000到27,000伏之间的馈线，另一个是低压服务。它们都通过铺设于街道和人行道下的管道运行，并通过全市数千个地下人孔和拱顶进行维护。由于所有设备都埋入地下并具有大量冗余路径，纽约人享受着全美最可靠的电力服务之一，但显然这种可靠性是有代价的。“服务网络”架构是纽约市电价全美最高的原因之一。但电线并不是纽约人获取电力的唯一方式。 回到我们那个普通十字路口，你会看到大多数其他城市没有的东西，尤其是在我们这里看到的规模。纽约市有一个区域供暖网络，将蒸汽作为公共事业提供。它不像电力系统那么广泛，管道主要局限于曼哈顿，但它是同类系统中迄今为止世界上最大的。约有1500个蒸汽服务客户通过地下管线获得蒸汽。它主要用于建筑供暖和热水，但也可用于医院的消毒、餐厅的餐具清洗、干洗店的熨烫机，以及有点反直觉的是，通过蒸汽驱动的压缩机进行空调制冷。 当然，将蒸汽管道埋入地下运行存在许多工程挑战。热膨胀是一个大问题。如果你关闭其中一条管线，它的温度变化大约为300华氏度或170摄氏度。你需要常规的膨胀环或重型滑动接头来吸收这些巨大温度波动产生的物理位移。你还得处理冷凝水。部分蒸汽会自然凝结成水，如果不将其排出管道，这些液体会像子弹一样在高速蒸汽流中飞溅。很早以前我做过一期关于这个的视频，如果你想知道更多可以看看。蒸汽疏水阀可以排出冷凝水，同时将蒸汽留在管内。偶尔会出现蒸汽泄漏，或者地下水接触到热管道的地方，通过人孔向街道冒出一团蒸汽。爱迪生联合电力公司会放置这些橙色烟囱来将蒸汽引离公众，直到他们修复潜在问题。这些蒸汽管线有隔热层以保持热量，并且通常比其他公用设施埋得更深，以避免加热地表或其他管线。 其中你绝对不想加热的一条管线是天然气。纽约市很大比例的建筑和家庭使用天然气供暖、做饭和提供热水。部分燃气管道是低压主管，通过燃气表直接连接到建筑。较新的管道以更高压力运行，需要一个建筑调压器。出于安全原因，这些通常安装在室外，所以很容易看到。纽约已经对新建建筑中使用天然气设定了限制，因此这些管线可能成为历史，加入地下其他废弃管线的行列。由于退役公用设施的成本和复杂性，将其就地废弃并不罕见。事实上，地下有许多管线已经毫无用处，包括曾经精密的气动管道邮件递送系统，该系统全长27英里，在全城递送邮件，直到1950年代因维护成本超过收益而关闭。 和其他地方一样，纽约市也需要电信设施：电话、电缆和光纤线路。与所有其他公用设施一样，这些线路也铺设在地下，在靠近地表处与其他设施交织缠绕。但与许多公用设施不同，电信设施在一定程度上是标准化的。这是因为在1891年，纽约市授予了一家公司特许经营权，名为“帝国城市地铁”。这里的“地铁”用的是更通用的含义，即地下通道，而不是你想到的那个更著名的地铁（我们稍后会讲到）。帝国城市地铁的全部工作过去和现在都是建造和维护一个庞大的地下公用管道网络。任何想在曼哈顿或布朗克斯铺设电话、电缆或光纤线路的人都必须租用这些管道内的空间，而不是自己挖渠道。 但即使有了这种标准化，你可以看到情况开始变得非常拥挤。在许多情况下，尤其是城市的老旧区域，这些基础设施很少有全面规划。随着每一项服务的安装，它都必须在其他设施中寻找空间。而且由于很多设施相当陈旧，大多数街道要么测绘不完善，要么根本没有测绘。进行维修本身就是一种寻宝游戏。公用设施工人和工程师经常称之为“意大利面条”，因为它可能是一团乱麻。为了解决他们比喻中的“意大利面问题”，纽约市正在建立一个综合性的地下公用设施三维数据库，以帮助施工、维修和应急响应，但将有时超过百年的记录整合起来是一项巨大的挑战。 真空挖掘在安全地在公用设施周围挖掘方面发挥了巨大作用。用水或压缩空气打碎土壤，卡车可以将其吸走。这使得暴露埋地公用设施的速度更快，而且不会损坏它们，尤其与挖掘机或反铲挖斗相比。在修理过程中，通常需要从上方支撑公用设施，以防止它们下垂和弯曲，这可能导致断裂和服务中断。旧材料如铸铁和陶土用于管道时脆性大且强度相对较弱。为了修理下面的东西而移除连续的底部支撑需要格外小心。与埋地公用设施密度较小的城市相比，这简直是大量的工作。但这还不是街道下的全部。 当然还有将废水带走的下水道。它们通常比其他公用设施埋得更深，原因有几个：下水道依靠重力维持流动，所以坡度使其埋得更深。通常还希望将下水道置于水管下方，以确保污水泄漏不会通过土壤渗入淡水。当然，所有美国城市都有下水管道，但纽约有一些大型的。它们并不完全是卡通风格那种带有方便壁架、可供犯罪斗士爬行的隧道，但一些手工铺设的砖砌管道仍在运行。这是一个产生大量废水的大城市，当所有这些管道开始汇聚并集中流向处理厂时，需要大管道来容纳所有废水。它们可能看起来不像卡通片里那样，但有些实际上大到可以直立行走。