蒲曉娟 雷喬 李歡 楊濤

(陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 陜西漢中 723001)

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)于“海綿城市”研究大多集中于市政道路、住宅小區(qū)、城市區(qū)域規(guī)劃等方面，涉及校園內(nèi)容較少。校園，尤其是高校校園擁有較大面積的綠地，建筑密度低等特點(diǎn)，是城市中不可多得的綠色廊道，實(shí)施“海綿化”建設(shè)，有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本課題研究高校的“海綿化”建設(shè)，對(duì)促進(jìn)在城市雨洪管理和生態(tài)化建設(shè)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本次研究以陜西理工大學(xué)校校園作為研究對(duì)象，并基此提出適合高密度校園的LID優(yōu)化策略。為了更好地判斷LID效果，本次研究利用SWMM模型對(duì)采取LID措施前后的校園水文情況進(jìn)行比較分析。

1 研究項(xiàng)目概況

本研究對(duì)象陜西理工大學(xué)，位于陜西省漢中市，全年平均降水量893mm，夏季為一年中降水最充沛季節(jié)，降水量占全年降水量的46%～52%[1]。進(jìn)行LID措施優(yōu)化的區(qū)域，選擇在陜西理工大學(xué)南校區(qū)校園內(nèi)的知行路附近。該區(qū)域全長(zhǎng)819m，沿線布局有教師公寓、食堂、學(xué)生公寓、學(xué)生服務(wù)中心、大禮堂等建筑。區(qū)域總面積為295 050 m2，不透水區(qū)域面積約為224 000m2，約占總用地面積76%。

研究區(qū)域內(nèi)不透水下墊面類型，主要為混凝土道路和地面磚覆蓋的廣場(chǎng)區(qū)域。區(qū)域內(nèi)建筑密度較高，只有部分線狀綠化帶。這些綠化帶標(biāo)高高于道路標(biāo)高，不具備雨水蓄積功能。

2 現(xiàn)狀水文模型的建立

為了更好地分析采取LID措施的效果，本次研究通過 SWMM(Storm Water Management Model)建立研究區(qū)域的水文模型。未采用 LID 措施的模型稱為現(xiàn)狀模型，增設(shè) LID 措施后的模型稱為L(zhǎng)ID模型。

現(xiàn)狀模型建立，首先根據(jù)學(xué)校平面圖及管網(wǎng)圖，將研究區(qū)域排水系統(tǒng)概化為24子匯水區(qū)，24條排水管道，24個(gè)節(jié)點(diǎn)，1個(gè)出水口。如圖1所示，黑色細(xì)實(shí)線為排水管道、黑色圓點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)、黑色三角形為出水口。其次，確定匯水區(qū)的滲入情況的相關(guān)參數(shù)。

圖1 研究區(qū)域子匯水分區(qū)圖

根據(jù)實(shí)際調(diào)研情況，確定子匯水區(qū)不滲透性百分比76%。結(jié)合研究區(qū)域下墊面情況，參考模型用戶手冊(cè)選取透水地表和不透水地表的洼蓄量典型值分別為15mm和5mm。透水地面、不透水地面和管道的曼寧系數(shù)分別取0.24、0.012和0.012。將學(xué)堂路概化為深0.15m、寬7m矩形明渠，曼寧系數(shù)取0.012[2]。本次研究采用5年一遇暴雨設(shè)計(jì)(P=20%)，利用漢中市暴雨強(qiáng)度公式[3]計(jì)算本模型24h內(nèi)降雨量為319mm。最后，通過SWMM模型模擬出現(xiàn)狀水文模型相關(guān)參數(shù)：地表徑流為268mm，徑流系數(shù)為0.84。

3 研究區(qū)域LID優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化策略

本次研究區(qū)域知行路，為陜西理工大學(xué)內(nèi)高密度區(qū)域的典型，現(xiàn)狀存在如下問題：

(1)校園建筑密度大。教學(xué)樓、宿舍樓等建筑在校園中所占比例大，提供給綠化或景觀設(shè)計(jì)的面積較小，對(duì)景觀設(shè)計(jì)有很大的局限性；

(2)不透水下墊面面積過大，這也是高密度校園易產(chǎn)生積水的主要原因。

基于以上原因，在高密度校園中進(jìn)行LID優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，是有針對(duì)性地采用占地面積小、透水效果好且利于分散布局的景觀設(shè)施。符合此3個(gè)特點(diǎn)的LID設(shè)施有：綠色屋頂、簡(jiǎn)易型生態(tài)滯留池、干式植草溝和濕式植草溝。將這4種LID設(shè)施根據(jù)研究區(qū)域地形特征布置并進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)。

3.2 優(yōu)化措施

本次研究選取年徑流總量控制率為低影響開發(fā)控制目標(biāo)。根據(jù)海綿城市技術(shù)指南中的規(guī)定，漢中市所處的Ⅲ區(qū)的徑流控制總量最低需要降低為原排放量的75%[4]。因此，在此次模擬中，加入LID設(shè)施后的研究區(qū)域地表徑流應(yīng)降低至201mm。

結(jié)合研究區(qū)域特征以及場(chǎng)地地表徑流控制目標(biāo)，本次研究提出在研究區(qū)域內(nèi)增加以下LID優(yōu)化措施。

(1)綠色屋頂，主要用于高密度校園的建筑屋頂，可以有效減少屋頂雨水徑流并延緩雨水排入排水系統(tǒng)的速度。圖2為研究區(qū)域中6號(hào)公寓樓屋頂，屋頂種植層由下至上分別為防水層、隔離層、防根層、排水組織系統(tǒng)、過濾層和種植土層。雨水流經(jīng)種植層，經(jīng)由草木根部、過濾層凈化緩慢排入排放設(shè)施。綠色屋頂是高密度校園最主要的LID優(yōu)化措施。

(2)簡(jiǎn)易型生態(tài)滯留池，主要用于高密度校園中各建筑雨落管落水出，減少地表徑流。圖3為6號(hào)宿舍樓下的生態(tài)滯留池。在雨落管落水口小范圍設(shè)置簡(jiǎn)易型生態(tài)滯留池，一來(lái)將雨水在滯留池暫存或下滲，減少路面地表徑流壓力，二來(lái)這樣小范圍布置的滯留池緊鄰建筑，在不干擾人流的前提下取得很好的景觀效果。

圖3 節(jié)點(diǎn)b示意圖

(3)干式植草溝，主要用于校園中各宿舍樓之間的自行車棚，收集地面雨水并下滲。如圖4所示，節(jié)點(diǎn)c為研究區(qū)域6號(hào)宿舍樓和5號(hào)宿舍樓之間的自行車棚，在自行車棚地面設(shè)置分散式的干式植草溝，將原本流向道路的雨水導(dǎo)向植草溝中，進(jìn)而下滲或滯留，減少地表雨水徑流。

圖4 節(jié)點(diǎn)c示意圖

(4)濕式植草溝，主要用于校園中不透水地面的廣場(chǎng)，減少?gòu)V場(chǎng)地面徑流。如圖5所示，節(jié)點(diǎn)d為研究區(qū)域大禮堂東側(cè)、6號(hào)宿舍樓西側(cè)的廣場(chǎng)，在廣場(chǎng)兩側(cè)設(shè)置植草溝，將廣場(chǎng)雨水引流至兩側(cè)植草溝中，減少地表徑流壓力。干式植草溝與濕式植草溝具有前期建造與后期維護(hù)費(fèi)用低、施工難度小且景觀效果好等優(yōu)點(diǎn)，一般分散布置，適合在高密度校園中進(jìn)行小點(diǎn)布置。

圖5 節(jié)點(diǎn)d示意圖

4 研究區(qū)域LID優(yōu)化設(shè)計(jì)后效果分析

將增設(shè)了LID措施的研究區(qū)域建立SWMM模型，實(shí)現(xiàn)LID技術(shù)措施對(duì)場(chǎng)地徑流量、峰值流量控制效果的模擬。根據(jù)2014年新版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，規(guī)定每條道路至少應(yīng)有一條車道的積水深度不超過15cm[5]，因此，將節(jié)點(diǎn)積水深度作為輔助對(duì)比項(xiàng)。

從圖6中現(xiàn)狀模型中知行路普遍積水深度超過0.20m(節(jié)點(diǎn)顏色多為綠、黃)；而加入LID措施后模型中積水點(diǎn)顏色普遍由之前的黃、綠變成深藍(lán)、天藍(lán)，即積水深度下降到0.2m以下。大部分管道由現(xiàn)狀模型中的紅、黃變?yōu)榱怂{(lán)、深藍(lán)，說明管段流量減少，增設(shè)的LID設(shè)施對(duì)減少管段流量和節(jié)點(diǎn)深度起到了較大的作用。

圖6 節(jié)點(diǎn)深度、管段流量對(duì)比圖

對(duì)比圖7(a)、(b)在LID措施的影響下，峰值時(shí)管道內(nèi)流量明顯降低，說明概化的知行路渠道內(nèi)的富余空間很大，LID措施效果明顯[6]。

圖7(a) 現(xiàn)狀-節(jié)點(diǎn)DLD28 至節(jié)點(diǎn) DLD63 峰值流量

圖7(b) LID措施后節(jié)點(diǎn)DLD28 至節(jié)點(diǎn) DLD63 峰值流量圖7 節(jié)點(diǎn)DLD28 至節(jié)點(diǎn) DLD63 峰值流量剖面對(duì)比圖

根據(jù)增加LID設(shè)計(jì)前后的地表徑流與徑流系數(shù)對(duì)比，增加LID設(shè)計(jì)后，研究區(qū)域地表徑流降低為210mm，達(dá)到場(chǎng)地LID地表徑流控制目標(biāo)。

研究通過建立知行路SWMM雨洪模型，對(duì)比分析了增設(shè)LID措施前后變化，驗(yàn)證了在高密度校園中增設(shè)小面積LID措施可削減一定程度的暴雨徑流，并對(duì)雨水進(jìn)行收集。

5 高密度校園LID景觀系統(tǒng)優(yōu)化策略

圖8給出了高密度校園LID景觀系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，主要加入了綠色屋頂、生態(tài)滯留池、植草溝等措施，雨水流經(jīng)高密度校園時(shí)，首先由綠色屋頂滯留，隨后流至植草溝等小面積LID措施并入滲，補(bǔ)充地下水或收集至地下蓄水設(shè)施，最后匯入道路雨水大大減少，且道路雨水流向生態(tài)滯留池，形成雨水循環(huán)系統(tǒng)，為人們?cè)诟呙芏刃@開發(fā)和改造時(shí)考慮低影響開發(fā)提供一些思路。

圖8 LID景觀系統(tǒng)優(yōu)化策略

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)陜西理工大學(xué)校園的校園LID優(yōu)化表明高密度校園內(nèi)采用的綠色屋頂、植草溝、生態(tài)滯留地等小面積分散的措施是有效的，可以大大削減校園內(nèi)道路的峰值流量和節(jié)點(diǎn)積水深度，對(duì)于海綿城市的建設(shè)具有一定的借鑒意義。