王 瑋

王 浩

田曉冬*

李衛(wèi)正

孔祥炎

1 海綿校園建設(shè)的背景及發(fā)展現(xiàn)狀

在南京突發(fā)暴雨的時(shí)候，南京各大校園內(nèi)總是容易發(fā)生洪澇災(zāi)害。大學(xué)校園是一個(gè)國(guó)家、城市的學(xué)術(shù)中心，為了能使校園的學(xué)習(xí)生活有條不紊地進(jìn)行，校園雨洪管理體系亟待提升。雨洪屬于大自然的正?，F(xiàn)象，近年來(lái)，以海綿系統(tǒng)為主導(dǎo)的雨洪系統(tǒng)理念得到了人們的關(guān)注，尤其在一些較為發(fā)達(dá)，人口密集的城市，如美國(guó)早期著名的生態(tài)社區(qū)——Village Home，其廣受推崇的原因是其注重自然排水系統(tǒng)與多方面的環(huán)境友好機(jī)制，并進(jìn)入社區(qū)自治與管理層面，反映出良好社區(qū)的營(yíng)造實(shí)際應(yīng)是經(jīng)濟(jì)、文化、環(huán)境目標(biāo)并重的[1]。因此，國(guó)務(wù)院頒布了《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》[2]，以期能夠充分發(fā)揮校園景觀結(jié)構(gòu)的實(shí)際功能，從而綜合有效地排水、泄洪。

大學(xué)校園是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，其中，校園景觀自然式雨洪管理是海綿校園的主要建設(shè)工作。海綿校園是指校園能像海綿一樣具有自然適應(yīng)環(huán)境變化的能力，從而達(dá)到最大化合理利用校園水資源的目標(biāo)。然而，為了打造良好的校園景觀環(huán)境，還要突出以人為本的設(shè)計(jì)原則，挖掘校園文化特色，巧妙運(yùn)用喬灌草的搭配[3]，創(chuàng)造良好的水循環(huán)系統(tǒng)。

國(guó)外的海綿校園設(shè)計(jì)起步較早，如美國(guó)的哈佛大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、麻省理工學(xué)院、耶魯大學(xué)均制定了一系列校園雨洪管理規(guī)劃并建設(shè)實(shí)踐了一些生態(tài)雨水景觀項(xiàng)目，取得了一定的成果，目前海綿校園建設(shè)正在國(guó)內(nèi)外的高校園區(qū)內(nèi)緊鑼密鼓地進(jìn)行著。鑒于“海綿城市”理論始于國(guó)外，所以在國(guó)內(nèi)起步較晚。繼“海綿城市”理論之后，王鈺、唐洪亞[4]首次提出“海綿校園”這一概念，即總結(jié)海綿城市的相關(guān)理論研究，把海綿的“滲透”和“吸收”結(jié)合大學(xué)校園原有的生態(tài)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)校園雨洪系統(tǒng)的完善與改進(jìn)，確保校園內(nèi)部的學(xué)習(xí)和生活能夠日常有序進(jìn)行。海綿校園的實(shí)質(zhì)是在源頭上控制雨水徑流，配合校園的排水系統(tǒng)，解決過(guò)量的雨水給校園工作和學(xué)習(xí)帶來(lái)的不便。因此，海綿校園只是對(duì)校園的內(nèi)澇災(zāi)害起到緩解作用。王卿卿[5]以東南大學(xué)四牌樓校區(qū)為例著重介紹了校園水資源的入滲方式，在海綿校園的設(shè)計(jì)過(guò)程中，雨水入滲可通過(guò)綠地入滲、透水鋪裝入滲、屋頂景觀入滲、淺溝洼地入滲、滲透管道入滲、池井入滲等多種入滲方式，呈現(xiàn)出一個(gè)三維立體化的滲透系統(tǒng)。此外，在東南大學(xué)水資源綜合利用設(shè)計(jì)中，水資源設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅考慮到了校園內(nèi)部的河道、水系，還把校園旁邊的玄武湖、秦淮河也考慮到校園水資源綜合利用之中。從而利用校園有利的地理位置，借助外力更好地實(shí)現(xiàn)了海綿校園吸水、儲(chǔ)水最大化。李滿(mǎn)園[6]提出大學(xué)校園就好像海綿一樣，借助自身的彈性，不僅要對(duì)雨水進(jìn)行蓄水和滲水，還需要凈水和用水，進(jìn)而合理地運(yùn)用校園內(nèi)部的水資源，不僅改善了校園的水利系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)校園景觀生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展[7-10]。曾彥欽等[11]以“海綿城市”的理念為前提，強(qiáng)調(diào)校園水資源低影響開(kāi)發(fā)理念。低影響開(kāi)發(fā)理念應(yīng)減少對(duì)校園環(huán)境的沖擊，其核心是基于水資源源頭控制和減少暴雨對(duì)校園生態(tài)系統(tǒng)過(guò)度沖擊的理念，構(gòu)建與校園環(huán)境相符合的綜合排水系統(tǒng)，合理利用校園景觀地帶和“吸”“蓄”“滲”“凈”為一體的排水系統(tǒng)對(duì)暴雨徑流進(jìn)行控制，減少雨洪對(duì)校園景觀環(huán)境造成的負(fù)面影響。劉海龍[12]以清華大學(xué)勝因院校園景觀環(huán)境改造項(xiàng)目為例，提出了景觀水文這一綜合各學(xué)科的設(shè)計(jì)理念。提倡從地域景觀和場(chǎng)所精神入手，通過(guò)對(duì)場(chǎng)地水資源區(qū)域的劃分、雨洪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理以及區(qū)域性景觀特征的綜合分析，探討海綿系統(tǒng)在不同場(chǎng)所和地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用。這一理念既是景觀水文未來(lái)的努力方向，也是校園水資源系統(tǒng)綜合管理的借鑒范本。

3S技術(shù)(GIS、RS、GPS)用于景觀規(guī)劃及評(píng)價(jià)功能。通過(guò)RS遙感技術(shù)對(duì)地面景觀的數(shù)據(jù)和影像進(jìn)行采集，再借助GPS衛(wèi)星定位進(jìn)行地面景觀監(jiān)控，最后再用GIS對(duì)地面景觀進(jìn)行空間數(shù)據(jù)處理[13-16]。從宏觀到微觀，大到校園與外界環(huán)境的聯(lián)系，小到局部路面的坡度變化，都要建立模型進(jìn)行系統(tǒng)化分析。

圖1 南京林業(yè)大學(xué)校園地區(qū)無(wú)人機(jī)航空拍攝曝光點(diǎn)示意圖

圖2 研究區(qū)圖像重疊度圖

圖3 南京林業(yè)大學(xué)航空影像圖

表1 南京林業(yè)大學(xué)地區(qū)GCP采集結(jié)果誤差分析表(單位：m)

2 海綿校園設(shè)計(jì)案例

2.1 概況

研究區(qū)位于江蘇省南京市南京林業(yè)大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“南林”)。地理上屬于華東地區(qū)，長(zhǎng)江下游中部(31°13'～32°36'N，118°19'～119°24'E)，氣候類(lèi)型屬亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季溫和少雨、夏季高溫多雨。校園坐落于山水秀麗的紫金山腳下、玄武湖畔，占地面積1.713 2km2，是景觀資源綜合利用的主要研究對(duì)象。

2.2 海綿校園構(gòu)建方法

2.2.1 UAV數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

研究區(qū)低空航拍影像數(shù)據(jù)采集利用小型四旋翼無(wú)人機(jī)作為遙感平臺(tái)，為了自動(dòng)獲取高精度的航拍數(shù)據(jù)，航線設(shè)計(jì)時(shí)使航拍影像之間達(dá)到足夠的重疊度，因此航拍共設(shè)置25條航帶(圖1)。無(wú)人機(jī)航拍結(jié)束后，需要對(duì)拍攝的航空影像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，根據(jù)所得到的拍攝點(diǎn)、時(shí)間、飛機(jī)的航向角、橫滾角等姿態(tài)數(shù)據(jù)以及拍攝點(diǎn)的三維坐標(biāo)對(duì)所拍航片進(jìn)行有效篩選。

2.2.2 無(wú)人機(jī)成圖精度檢驗(yàn)及成圖及地面控制點(diǎn)精度檢驗(yàn)

精度檢驗(yàn)是制作低空航拍影像不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，以便判斷生成影像是否滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)范要求。Pix4Dmapper軟件運(yùn)行完全檢測(cè)完成后，會(huì)生成一份檢驗(yàn)報(bào)告，可以對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)與誤差分析(圖2)。

地面控制點(diǎn)的平面位置坐標(biāo)偏移量平均誤差約為0.672，檢查點(diǎn)平均誤差為1.397(表1)。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，生成三維點(diǎn)云與數(shù)字正射影像(圖3)。

3 南京林業(yè)大學(xué)海綿校園景觀設(shè)計(jì)分析

3.1 暴雨淹沒(méi)動(dòng)態(tài)模擬

通過(guò)建立南林正射影像圖，實(shí)現(xiàn)南林在不同的暴雨雨量情況下區(qū)域的淹沒(méi)范圍。根據(jù)南京雨量站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)雨量，計(jì)算該研究區(qū)徑流模型。通過(guò)GIS導(dǎo)出南林水文分析，依據(jù)集水區(qū)的內(nèi)澇積水量，計(jì)算出淹沒(méi)區(qū)域和淹沒(méi)深度，得出淹沒(méi)區(qū)嚴(yán)重的3個(gè)區(qū)域(圖4)。

3.2 控制雨量日值

南京市年降雨總量為1185.1mm，因此本項(xiàng)目雨水徑流設(shè)計(jì)控制雨量參照南京市指標(biāo)。根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[17]計(jì)算出南京市年徑流總量(Q為凈雨量，即徑流量)控制率70%的設(shè)計(jì)控制雨量為18.9mm。在徑流計(jì)算過(guò)程中，暴雨內(nèi)澇情景模擬的實(shí)際徑流量公式表示為：

式中，W為內(nèi)澇積水量，mm；Q為徑流量，mm/h；V為排水量，mm/h；S為集水區(qū)面積，m2。

圖4 南京林業(yè)大學(xué)暴雨淹沒(méi)動(dòng)態(tài)模擬易澇點(diǎn)

圖5 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)校功能分區(qū)值

通過(guò)研究區(qū)水文分析及學(xué)校功能分區(qū)值(圖5)，根據(jù)GIS得出CN值(反映降雨前流域特征的綜合參數(shù)，與前期土壤濕潤(rùn)程度、土壤類(lèi)型和土地利用狀況等有關(guān))為81.20。因此計(jì)算出，研究區(qū)1.7km2的內(nèi)澇積水量為1984.06m3，對(duì)此南林?jǐn)M采用下凹式綠地與生物滯留池技術(shù)。下凹式綠地即一種高程低于周?chē)访娴墓簿G地，也稱(chēng)低勢(shì)綠地，與“花壇”相反，其理念是利用開(kāi)放空間承接和貯存雨水，達(dá)到減少?gòu)搅魍馀诺淖饔茫c植被淺溝的“線狀”相比其主要是“面”能夠承接更多的雨水，而且其內(nèi)部植物多以本土草本為主[18]。生物滯留池技術(shù)不但能滯蓄雨水徑流，還能通過(guò)植物、土壤和微生物的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來(lái)凈化水質(zhì)，是海綿城市建設(shè)的重要技術(shù)手段[19]。在氣候溫和、雨量充沛、地形較平坦的城市，生物滯留池可以發(fā)揮重要作用。因此，為解決南林1984.06m3的調(diào)蓄雨量，下凹式綠地與生物滯留系統(tǒng)的調(diào)蓄深度定為0.10m，所需面積為198 406m2，占總綠地面積比例為13.5%，其中下凹式綠地與生物滯留系統(tǒng)面積比按1:6進(jìn)行分配[20]，即12%綠地采用下凹式綠地，2%綠地采用生物滯留池。

3.3 景觀安全格局的構(gòu)建

從宏觀、中觀、微觀的角度來(lái)分析南林校園生態(tài)系統(tǒng)，從而提出最佳的海綿校園設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建校園景觀安全格局。宏觀來(lái)看，南林校園選址位于紫金山西南麓，玄武湖東北部，位于城市兩大生態(tài)區(qū)域的連接處。南林校園內(nèi)的綠化覆蓋率也是南京城區(qū)的一大特色，再加之校園的優(yōu)美環(huán)境，無(wú)疑是南京城市綠地系統(tǒng)中必不可少的一塊區(qū)域。南林作為南京城市綠地系統(tǒng)中的重點(diǎn)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，在校園雨洪管理系統(tǒng)中起到主要的雨水徑流控制作用。此外，南林有一條連接校園外紫金山和玄武湖的紫湖溪，校園雨洪系統(tǒng)可以充分利用玄武湖這一天然水體對(duì)大范圍流域雨水徑流集中調(diào)蓄，因此可以直接將過(guò)濾檢測(cè)的潔凈雨水匯入自然河流。從中觀來(lái)看，南林的核心區(qū)域是校園入口林蔭大道景觀軸的教學(xué)區(qū)，因?yàn)槭墙虒W(xué)區(qū)，所以多為建筑和硬質(zhì)鋪裝。因此透水性鋪裝和綠色屋頂在這一片區(qū)域成為校園雨洪系統(tǒng)中的主要規(guī)劃措施。

圖6 主雕塑區(qū)雨洪分析解決圖

圖7 田徑場(chǎng)雨洪分析解決圖

圖8 學(xué)生生活區(qū)雨洪分析解決圖

位于校園東北部和東南部的生態(tài)林地綠核，被南林的師生稱(chēng)為北大山和南大山，一直伴隨校園生態(tài)空間的發(fā)展。因?yàn)橛兄烊坏纳指采w區(qū)，南林擁有大面積的天然植被緩沖區(qū)，是海綿校園的建設(shè)中難能可貴的因素[21]，因?yàn)檫@是水資源綜合利用中吸水和滲水的重要環(huán)節(jié)，可以在暴雨時(shí)段通過(guò)引流成為校園雨水吸收、下滲和凈化的主要場(chǎng)所。紫湖溪生態(tài)景觀帶把南林點(diǎn)狀的生態(tài)綠地部分串聯(lián)了起來(lái)，是南林的生態(tài)駁岸。根據(jù)紫湖溪周邊地形設(shè)置植被緩沖帶、下凹式綠地、生態(tài)滯留池和植被淺溝等，并結(jié)合駁岸對(duì)水體內(nèi)的植物進(jìn)行綜合選取，保持駁岸生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而強(qiáng)化駁岸的滲透、調(diào)蓄能力。微觀來(lái)看，南林校園內(nèi)有許多公共活動(dòng)空間，這些活動(dòng)空間會(huì)設(shè)置一些樹(shù)池、活動(dòng)廣場(chǎng)、花園等景觀小品，然而這些草坪的高度要高于路面的高度且路牙石阻擋了雨水排入公共花園綠地，因此可以把路牙石用藝術(shù)的手法進(jìn)行分段、打孔處理，讓生態(tài)草坪和路面盡可能得到充分連接；生態(tài)花園采用生物滯留技術(shù)，主要通過(guò)植被過(guò)濾、土壤吸附和微生物作用吸收、過(guò)濾雨水，可以起到減少地表雨水滯留和凈化地下徑流的作用。

3.4 場(chǎng)地重點(diǎn)淹沒(méi)區(qū)域

南林雖然有著得天獨(dú)厚的地理位置和大面積的生態(tài)綠地，但是在暴雨時(shí)路面仍然會(huì)積水，部分嚴(yán)重區(qū)域的水位甚至?xí)蜎](méi)膝蓋，嚴(yán)重影響著學(xué)生們的學(xué)習(xí)和生活。南林的生態(tài)綠地和發(fā)達(dá)的水網(wǎng)系統(tǒng)沒(méi)能及時(shí)地對(duì)雨洪進(jìn)行調(diào)蓄和下滲，是目前校園雨洪系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。通過(guò)GIS暴雨淹沒(méi)動(dòng)態(tài)模擬出南林校園內(nèi)最容易淹沒(méi)的3個(gè)區(qū)域，分別是入口林蔭大道的主雕塑區(qū)域、運(yùn)動(dòng)區(qū)的老田徑場(chǎng)和學(xué)生生活區(qū)的玄武公寓。這3處區(qū)域地勢(shì)較低洼，所以在暴雨時(shí)期會(huì)重度淹沒(méi)。因此需要用場(chǎng)地內(nèi)低影響開(kāi)發(fā)的雨洪管理系統(tǒng)加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域的“吸”“蓄”“滲”“凈”，減輕雨洪對(duì)這些區(qū)域帶來(lái)的不良隱患。

1)第一區(qū)域，校園入口林蔭大道的主雕塑區(qū)域是南林的“迎賓區(qū)”，也是進(jìn)出南林的必經(jīng)之路。但是這片區(qū)域的排水性能極差。經(jīng)過(guò)分析，改良的核心規(guī)劃措施為以下2個(gè)方面(圖6)。

(1)因?yàn)樾@入口處路面為柏油路面，所以規(guī)劃采用透水性鋪裝技術(shù)，提高場(chǎng)地雨水自然滲入能力。

(2)主雕塑區(qū)域被紫湖溪生態(tài)景觀帶所環(huán)繞，所以規(guī)劃要充分利用這些生態(tài)景觀帶的植物、卵石、細(xì)沙和土壤進(jìn)行雨水凈化、下滲，把干凈的雨水匯入紫湖溪，通過(guò)河道快速地把場(chǎng)地雨水帶走。

2)第二區(qū)域，運(yùn)動(dòng)區(qū)多數(shù)為空曠地帶，因此，不僅規(guī)劃采用透水性鋪裝技術(shù)，還多設(shè)置一些人工樹(shù)池花壇協(xié)助雨水的下滲。具體規(guī)劃措施為以下2個(gè)方面(圖7)。

(1)人工生態(tài)景觀需要樹(shù)池和花池來(lái)規(guī)范植被，所以雨水下滲會(huì)受到阻礙，因此需要設(shè)置路牙入水口，讓雨水快速匯入樹(shù)池。

(2)規(guī)劃設(shè)置生物滯留池，把景觀隔離帶設(shè)置成雨水花園；把跑道中心區(qū)域設(shè)置成下凹式綠地。通過(guò)覆蓋物、土壤、粗砂和礫石快速吸收和凈化雨水，然后匯入地下水位。

3)第三區(qū)域，學(xué)生生活區(qū)多被建筑所覆蓋，因此，不僅規(guī)劃采用透水性鋪裝技術(shù)和路牙入水口，還充分利用建筑和地下車(chē)庫(kù)加速雨水下滲。具體規(guī)劃措施為以下2個(gè)方面(圖8)。

(1)因?yàn)閷W(xué)生生活區(qū)建筑林立，所以規(guī)劃采用綠色屋頂海綿策略。由于屋頂所占地域面積很大，建筑屋頂產(chǎn)生的徑流會(huì)增加校園的內(nèi)澇，因此，規(guī)劃設(shè)置屋頂花園設(shè)計(jì)，并設(shè)置雨水收集設(shè)施，既能通過(guò)植物根系收集、凈化雨水，還能將雨水收集到雨水桶，回收再次利用。

(2)考慮到地下車(chē)庫(kù)的存在，規(guī)劃設(shè)置地庫(kù)頂板綠地廣場(chǎng)。地庫(kù)板上的水泥地設(shè)置成透水路面；綠地做成下凹式雨水花園；透水路面和雨水花園之間根據(jù)路牙石的走向設(shè)施明溝排水，也就是線性排水。最終把“吸”“蓄”“滲”“凈”后的雨水匯入地下車(chē)庫(kù)的地下水箱，等待再次利用。

4 結(jié)語(yǔ)

校園的水資源綜合利用通過(guò)UAV攝影測(cè)量技術(shù)和3S分析技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)對(duì)校園地形、建筑、綠地、河流等的采集與分析，用最客觀的方式展現(xiàn)出校園水資源綜合管理的弊病和解決方案。運(yùn)用“海綿校園”的建設(shè)理念，結(jié)合南林校園生態(tài)現(xiàn)狀，對(duì)校園雨水基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃再設(shè)計(jì)。應(yīng)用校園水資源低影響開(kāi)發(fā)理念，分別落實(shí)在道路、場(chǎng)地和綠地等現(xiàn)有地貌上面。通過(guò)建設(shè)綠色屋頂、透水性鋪裝、生態(tài)滯留池、下凹式綠地雨水花園和河道生態(tài)化駁岸，綜合管理校園水資源，從而打造出滲水、滯水、凈水為一體的雨洪管理系統(tǒng)，解決南林5年、10年甚至50年一遇的洪澇災(zāi)害，使其真正成為一個(gè)示范性的“海綿校園”。

然而，水資源綜合利用不僅要考慮到滲水、凈水等問(wèn)題，還要運(yùn)用地下管道等現(xiàn)代化設(shè)施蓄水、用水，在對(duì)水資源徑流總量進(jìn)行有效控制的同時(shí)，還可以?xún)?chǔ)蓄干凈雨水，等待“釋放”并循環(huán)利用，這將對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)都帶來(lái)顯著效益。自然途徑與人工設(shè)施相結(jié)合，尊重生態(tài)環(huán)境和地域景觀特色，讓“海綿校園”體系在不同場(chǎng)地都可以最大化地應(yīng)用，這是景觀水文未來(lái)重要的探究方向。

注：文中圖片均由王瑋繪制。