張 瀟，邱蘭清，余 萍，康 滿

（天津農(nóng)學(xué)院，天津300384）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快， 近些年許多城市不斷發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害， 傳統(tǒng)的雨洪管理系統(tǒng)是通過(guò)下水道、河流等手段將雨水排入江河，導(dǎo)致水資源流失，無(wú)法進(jìn)行有效利用，還易引發(fā)一系列的水污染、水短缺及水生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題。

大學(xué)校園是城市建設(shè)中具有代表性的系統(tǒng)，同時(shí)作為城市海綿建設(shè)的一個(gè)縮影， 海綿校園建設(shè)為探索海綿城市建設(shè)的方法和意義， 提供微觀層面的參考與建議。海綿校園源于雨洪管理的概念衍生，是指讓校園具有靈活應(yīng)對(duì)雨水災(zāi)害和環(huán)境改變的能力，使得雨水在海綿校園中被充分利用。本項(xiàng)目基于海綿城市的建設(shè)理念，以天津農(nóng)學(xué)院為例，將LID技術(shù)應(yīng)用于校園， 最大程度地解決雨天校園內(nèi)部積水嚴(yán)重的問(wèn)題，并對(duì)雨水進(jìn)行凈化、儲(chǔ)存，使其校園利用率實(shí)現(xiàn)最大化。

1 現(xiàn)狀調(diào)研及特點(diǎn)

天津臨近渤海灣， 近30年天津年降雨量平均值約578.2mm。 受到海洋氣候的影響，春冬季節(jié)干旱少雨，夏季炎熱，雨水集中，約占年總降水量64%。 年平均氣溫在11.4～12.90 ℃， 其中7月平均溫度最高，約26.5 ℃；1月平均溫度最低，約為-3.8 ℃。［1］如圖1～圖4。

圖1 近30年天津市平均氣溫及降水

圖2 綠化與非綠化屋頂溫差對(duì)比

圖3 典型地質(zhì)材料孔隙率經(jīng)驗(yàn)值

圖4 單位雨水資源潛力與滲透能力

天津農(nóng)學(xué)院位于西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)津靜公路22 號(hào)，校園占地面積約86.13hm2，校舍建筑面積約38hm2，其中包括運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、籃球場(chǎng)、網(wǎng)球場(chǎng)、宿舍樓、教學(xué)樓、圖書(shū)館、停車(chē)場(chǎng)及花園綠地。 校園內(nèi)地勢(shì)東高西低，一旦降雨較大，雨水向西流，且教學(xué)樓、食堂、宿舍樓、操場(chǎng)等區(qū)域內(nèi)都為不透水磚，排水較慢，造成內(nèi)澇。 調(diào)研發(fā)現(xiàn)校區(qū)內(nèi)水系較多， 正門(mén)東側(cè)的硯池、 敏學(xué)樓后的荷花池， 設(shè)施較完善且綠化面積較大，可利用率較高。 基于此，本文重點(diǎn)研究通過(guò)具體的LID技術(shù)和校園景觀設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)天津農(nóng)學(xué)院區(qū)域內(nèi)雨洪的“自然積存、自然滲透、自然凈化”，維持或恢復(fù)校園自然水文功能， 發(fā)揮校園在改善周邊水生態(tài)和水環(huán)境應(yīng)有的生態(tài)功能［2］。

2 低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施技術(shù)選擇

為構(gòu)建天津農(nóng)學(xué)院的低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)，結(jié)合雨洪管理的概念，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)部的自然水文循環(huán)。海綿校園著重強(qiáng)調(diào)“綠色校園” 的建設(shè)模式研究理念，應(yīng)用LID技術(shù)，充分發(fā)揮校園內(nèi)澇的源頭分散控制作用，在涵養(yǎng)地下水的同時(shí)，補(bǔ)給景觀用水，進(jìn)行有效收集儲(chǔ)存。

本項(xiàng)目主要采用滲透技術(shù)， 儲(chǔ)存技術(shù)、 調(diào)節(jié)技術(shù)、轉(zhuǎn)輸技術(shù)、截污凈化技術(shù)等，結(jié)合天津農(nóng)學(xué)院地表排水區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)校園道路、停車(chē)場(chǎng)、建筑、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，控制校園內(nèi)的地表徑流，解決校園雨天內(nèi)澇的問(wèn)題， 并在水資源利用方面為校園建設(shè)提出合理性建議。

3 控制目標(biāo)

本項(xiàng)目應(yīng)用在天津市西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)天津農(nóng)學(xué)院東校區(qū)， 占地面積約25.93hm2， 總建筑面積約13.4 hm2，由住宿區(qū)、體育場(chǎng)、食堂浴室區(qū)、教學(xué)區(qū)、圖書(shū)館組成，建筑密度42%，并計(jì)算出改造區(qū)總雨量徑流系數(shù)。 旨在通過(guò)徑流控制目標(biāo)總量與校園景觀結(jié)合，綜合確定出低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施的類(lèi)型與布局，區(qū)域按功能劃分為：道路區(qū)域、廣場(chǎng)區(qū)域及屋頂區(qū)域［3］。在低影響開(kāi)發(fā)理念的指導(dǎo)下，以天津農(nóng)學(xué)院為例進(jìn)行校園雨水花園景觀改造，通過(guò)雨水花園景觀中運(yùn)用的設(shè)計(jì)手段和技術(shù)設(shè)施， 將雨水管理設(shè)施與景觀環(huán)境融為一體，解決對(duì)校園雨水的內(nèi)澇困擾，改善校園的水生態(tài)和水環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)校園建設(shè)的同時(shí)，從微觀層面為海綿校園建設(shè)提供參考依據(jù)和建議［4］。

4 低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施布局

4.1 校園內(nèi)道路低影響開(kāi)發(fā)生態(tài)改造

4.1.1 校園道路建設(shè)存在的問(wèn)題

（1）滲水性差。由于校園道路多為水鋼筋混凝土路面與傳統(tǒng)的不透水磚結(jié)合，使得校園內(nèi)部硬化鋪裝面積較大，是造成校園內(nèi)澇的原因之一。如圖5，圖6。

圖5 籃球場(chǎng)道路積水情況

圖6 宿舍樓道路積水情況

（2）滲水問(wèn)題。 天津農(nóng)學(xué)院整體地勢(shì)較低，遇到強(qiáng)降雨時(shí)，排水系統(tǒng)不理想，導(dǎo)致雨水倒灌，污水下水道反水等問(wèn)題，如圖7，圖8。

圖7 網(wǎng)球場(chǎng)積水情況

圖8 操場(chǎng)積水情況

（3）凈水問(wèn)題。目前校園內(nèi)缺少比較完善的凈化系統(tǒng)，無(wú)人工濕地凈化等凈水系統(tǒng)，無(wú)法過(guò)濾掉污染物質(zhì)。

4.1.2 改造方案

由于道路是連通著校園區(qū)域內(nèi)的各種空間，是師生使用頻率極高的場(chǎng)所， 同時(shí)也匯聚了大量的雨水等地面徑流，因此，校園內(nèi)道路建設(shè)的生態(tài)化設(shè)計(jì)改造可以同時(shí)融合低影響開(kāi)發(fā)理念和景觀質(zhì)量的提升［2］。 主要采用滲透技術(shù)、截污凈化技術(shù)。 其中滲透技術(shù)的單項(xiàng)設(shè)施為透水鋪裝、下沉式綠地、簡(jiǎn)易型生物滯留設(shè)施［5］。 透水鋪裝既能緩解道路的滲水問(wèn)題，還起到吸音作用，可減少噪音，為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)氛圍。 截污凈化技術(shù)主要為植被緩沖帶、 雨水花園， 可用來(lái)吸收一部分由暴雨所帶來(lái)的降水和過(guò)濾掉污染物質(zhì)。 將對(duì)路面及其兩側(cè)人行道采用透水式鋪裝，使行車(chē)中分帶適當(dāng)下沉，考慮道路和綠化的橫縱向關(guān)系，在靠近排水口的人行道路設(shè)置斜坡凹槽，將雨水引流到排水口處，提高排水效率。

4.2 校園廣場(chǎng)低影響開(kāi)發(fā)生態(tài)改造

4.2.1 校園停車(chē)場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)區(qū)域建設(shè)存在的問(wèn)題

校園停車(chē)場(chǎng)面積較大，均是不透水硬質(zhì)鋪裝，排水效果差，雨水來(lái)臨無(wú)法起到雨洪管理的作用，在雨后常常積水嚴(yán)重， 影響使用， 通過(guò)低影響措施的實(shí)施，爭(zhēng)取達(dá)到雨后不留水的效果。運(yùn)動(dòng)場(chǎng)整體采用不透水塑膠跑道和不透水人工草坪， 減少了雨水的滲透。 由于采用的是點(diǎn)式排水系統(tǒng)，一旦下雨，雨水不能盡快排出，積水嚴(yán)重，留存在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)內(nèi)，影響了同學(xué)們的生活和學(xué)習(xí)， 所以對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)區(qū)域的開(kāi)發(fā)既要體現(xiàn)低影響生態(tài)開(kāi)發(fā)改造， 又要滿足人們的日常需要，如圖9。

圖9 校園低影響開(kāi)發(fā)生態(tài)改造布局

4.2.2 改造方案

4.2.2.1 圖書(shū)館區(qū)域改造

地面鋪裝如果考慮雨水滲透設(shè)施， 可以選擇保留一定滲透縫隙的傳統(tǒng)鋪裝，縫隙可由草、石子等進(jìn)行填充，在縫隙下面埋入排水管，同時(shí)也結(jié)合植草溝的雨水凈化作用， 將雨水排入圖書(shū)館附近的硯池或荷花池， 儲(chǔ)蓄的雨水可以用來(lái)澆灌周?chē)G化中的植物以二次利用，既不會(huì)影響圖書(shū)館門(mén)前的整體感，也可以增強(qiáng)其景觀性，使其與雨水和諧共生。

4.2.2.2 停車(chē)場(chǎng)區(qū)域改造

改造方式為將停車(chē)場(chǎng)的硬質(zhì)不透水地面改為透水鋪裝結(jié)合下凹綠地、植草溝與雨水花園系統(tǒng)布置。雨水徑流經(jīng)過(guò)地面下滲，其余部分流入下凹綠地、植草溝與雨水花園，實(shí)現(xiàn)雨水的滲透，通過(guò)植草溝可將雨水排到下凹綠地或雨水花園中， 起到雨水的儲(chǔ)存效果，使得校園中的雨水及時(shí)排出，既可達(dá)到雨水儲(chǔ)蓄的效果，也可減輕校園排水系統(tǒng)的壓力，使得停車(chē)場(chǎng)不再大面積積水，并在下雨時(shí)仍能正常使用，經(jīng)過(guò)低影響開(kāi)發(fā)改造后的停車(chē)場(chǎng)由原來(lái)的不透水鋪裝及周?chē)?jiǎn)單植草溝、 下凹式綠地變?yōu)榉纼?nèi)澇系統(tǒng)綠化景觀，如圖9。

4.2.2.3 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)區(qū)域改造

在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)周?chē)O(shè)線性排水溝，未下滲部分流入線性排水溝中，收集至PP蓄水模塊中［3］。 即若干個(gè)模塊匯聚組成蓄水設(shè)施，擁有較大的儲(chǔ)水孔隙率，其中線性排水溝的排水量比普通的點(diǎn)式排水更好，不會(huì)出現(xiàn)局部積水［6］。 雨水可由排水盲管流至蓄水模塊中進(jìn)行儲(chǔ)水。運(yùn)動(dòng)場(chǎng)其他部分雨后積水嚴(yán)重，采用可透水鋪裝，其孔隙滲透能力較強(qiáng)。 雨量小時(shí)，可直接下滲；雨量較大時(shí)，未下滲的部分或流入旁邊的下凹式綠地，在一定程度上能補(bǔ)充地下水，如圖9。

4.3 校園建筑低影響開(kāi)發(fā)生態(tài)改造

4.3.1 校園建筑建設(shè)存在的問(wèn)題

校園內(nèi)部主要建筑為教學(xué)樓、宿舍樓、食堂、圖書(shū)館、體育館等，由于建筑設(shè)施的屋頂多為鋼筋混凝土屋面，對(duì)于雨水的徑流利用率很低，造成這一資源的浪費(fèi)。又由于屋頂對(duì)雨水的儲(chǔ)存能力差，使雨水經(jīng)過(guò)屋頂流到地面，加大了地面排水的壓力，使得地面積水嚴(yán)重，造成校園內(nèi)澇。

4.3.2 改造方案

校園內(nèi)的大多數(shù)建筑屋頂都是面積較大的平頂屋，因此可以將屋頂建設(shè)成綠色屋頂。 綠色屋頂增加校園的綠地面積，具有節(jié)能減排的功能，并且對(duì)于減少屋項(xiàng)面徑流污染和徑流總量有著良好的效果。 在改善人們的生活條件的同時(shí)，提高生活質(zhì)量，最重要的是促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的平衡［7］。

綠色屋頂適用于符合屋頂荷載、 防水等條件的屋頂建筑， 在進(jìn)行綠色屋頂建設(shè)時(shí)需要注意規(guī)范地設(shè)置相應(yīng)的排水系統(tǒng)和流水系統(tǒng)， 保證綠色屋頂?shù)呐潘占谀軌蛴行У貙⑽蓓敱砻娴挠晁屯寥乐械挠晁占谟晁占瘻侠?。需要注意的是，在進(jìn)行綠色屋頂建設(shè)時(shí)，要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚝铜h(huán)境，設(shè)計(jì)適合校園減少雨水緩沖力的建設(shè)。

校園中一般建筑密度高、功能多樣，對(duì)于校園中海綿建設(shè)來(lái)說(shuō)，建筑屋面徑流雨水的處理是很重要的一部分。利用LID的轉(zhuǎn)輸技術(shù)，即雨水滲管引入蓄水設(shè)施中，利用收集水井，雨落管等收集雨水。如在較低樓層設(shè)置雨水儲(chǔ)存設(shè)施以收集較高樓層的徑流雨水，處理后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)可以用于澆灌噴灑、衛(wèi)生回用；水質(zhì)凈化裝置則根據(jù)使用水質(zhì)需求與徑流雨水水質(zhì)決定。

由北京建筑大學(xué)關(guān)于雨水回收利用的研究得出，徑流雨水量的公式計(jì)算：V=φ×α×P×A，加權(quán)平均法得出分各個(gè)區(qū)域的綜合雨量徑流系數(shù)， 根據(jù)天津雨水集中的夏季降雨量模擬計(jì)算， 得出式中α可取0.75，年平均降雨量為600mm，校區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)屋頂面積根據(jù)CAD圖紙測(cè)繪得出匯水面積， 計(jì)算后可得屋頂雨水徑流量［2］。

研究表明，綠色屋頂可使得屋頂夏季的地表溫度維持在22.5 ℃左右， 既可隔絕由于溫度對(duì)屋頂造成的損害，又可以使得建筑內(nèi)部美觀的同時(shí)，人員可感溫度舒適，如圖2。同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨雨水的收集工作，還可以在建筑物下方放置雨水桶，一般放置個(gè)數(shù)控制在每棟建筑物4～6個(gè)。由于研究校區(qū)所在地冬季氣溫較低， 本次設(shè)計(jì)可以把雨水桶作為雨洪管控的主要設(shè)施之一，雨水桶造價(jià)低廉而且便于安裝，適合對(duì)已建成校區(qū)的改造， 在上文的雨水徑流量計(jì)算中， 以總徑流量較大的區(qū)域內(nèi)建筑物作為主要設(shè)計(jì)對(duì)象，同時(shí)在對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行實(shí)地調(diào)研后，排除部分不適宜設(shè)置雨水桶的建筑物外， 選擇屋頂適合進(jìn)行排水改造、屋頂面積較大的教學(xué)樓、公寓樓等建筑物，最終雨水桶的空間分布如圖9。

雨水桶容量的選擇， 可以根據(jù)上文計(jì)算的雨水徑流量而定， 多余的雨水可以排放到建筑物周邊的下凹式綠地中。下凹式綠地，即低于周邊的地面或者道路具有功能性的綠色景觀， 可以有效集結(jié)周?chē)挠晁畯搅鳎⒗弥脖缓屯寥?，將雨水有效?chǔ)蓄，主要起地表水的引流作用。 無(wú)論是雨水季節(jié)的大量降雨，還是干旱時(shí)節(jié)的少雨悶熱，都會(huì)在大片綠地的調(diào)節(jié)作用下，優(yōu)化小范圍的環(huán)境空間［5］。 下凹式綠地在建設(shè)過(guò)程中， 應(yīng)該充分根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥赖臐B透性能來(lái)計(jì)算，再結(jié)合當(dāng)?shù)匦@的植物特征，選擇耐澇抗旱性強(qiáng)的植物， 并保證下凹式綠地建設(shè)的下凹深度為50～100mm，保證不超過(guò)200mm。

5 改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

5.1 公式計(jì)算

5.1.1 透水鋪裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

從上至下依次為：60～80mm厚透水面磚、30mm厚中砂、100～200mm壓實(shí)級(jí)配碎石、0～60mm厚砂墊層。 綜合各材質(zhì)吸水性能，取有效蓄水厚度為75mm（各種地質(zhì)材質(zhì)的孔隙率如圖3）。透水鋪裝的設(shè)計(jì)單位面積徑流量為：

Q=0.75+0.08×15%+0.03×40%+0.2×15%+0.06×40%=0.15

5.1.2 雨水花園草坪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

蓄水層、枯木覆蓋層、種植土層，其中種植土層為砂土，平均厚度大致為500mm；下層為人工填料層，填料層以石英砂為主，厚度為1200mm；最后為礫石層，采用帶有填充的粗礫石，厚度為80mm。綜合蓄水層厚度和各材質(zhì)吸水性能，取有效蓄水厚度為400mm。 草坪的設(shè)計(jì)單位面積徑流量為：

Q=0.4+0.5×0.35+1.2×0.4+0.08×0.28=1.08

整體徑流量（V，m3）：

V=V1+V2=SH+SN1h1+SN2h2+…+SNnhn

式中 V為某地塊的整體徑流量（m3）；SH為該地塊的面積（m2）；H為有效蓄水深度（m）；h為每層材質(zhì)的厚度（m）；N為每層材質(zhì)孔隙率（%）；n為該地塊內(nèi)部材質(zhì)的層數(shù)。

那么，該海綿體的單位面積徑流量（Q，m3/s），則可用下式來(lái)表示：

Q=VS=SH+SN1h1+SN2h2+…+SNnhn=H+N1h1+N2h2+…+Nnhn［2］

式中 Q為某地塊的單位面積徑流量 （m3/s）；H為有效蓄水深度（m）；h為每層材質(zhì)的厚度（m）；N為每層材質(zhì)孔隙率（%）；n為該地塊內(nèi)部材質(zhì)的層數(shù)。

雨水資源潛力按下式計(jì)算：

式中 V為年平均可利用雨量（m3）［2］；φ為徑流系數(shù)；α為季節(jié)折減系數(shù)；A為匯水面積（m2）；P為年平均降雨量（mm）。

Ψ在建筑屋頂、道路、停車(chē)場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)取值分別為0.7，0.8，0.9，0.15； 根據(jù)天津市地區(qū)降雨時(shí)間分布特點(diǎn)，α取0.80。

滲透設(shè)施的滲透能力按下式計(jì)算：

式中 Wp為滲透量（m3/s）；K為土壤滲透系數(shù)（m/s）；J為水力坡度，（一般可取J=1）；As為有效滲透面積（m2）。

天津農(nóng)學(xué)院建筑屋頂、公共停車(chē)場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和路面的滲透系數(shù)分別取：0.1×10-3，1.2×10-3，0.4×10-3，0.4×10-3。

下凹式綠地有效貯水容積按下式計(jì)算：

式中 Va為下凹綠地的有效存貯容積（m3）；Fa為下凹綠地面積（m2）；h1為下凹綠地下凹深度（m）。

5.2 改造前后對(duì)比分析

由計(jì)算得出：透水鋪裝單位徑流量為0.15，雨水花園單位徑流量為1.08。 由此得到改造后的兩組數(shù)據(jù)（如圖4）。

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

校園低影響開(kāi)發(fā)措施有效控制了區(qū)域內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)，最大程度解決雨天校園內(nèi)部積水、洪澇情況嚴(yán)重的問(wèn)題，并對(duì)雨水進(jìn)行凈化、儲(chǔ)存，使雨水實(shí)現(xiàn)了資源化循環(huán)利用，同時(shí)有效緩解校園排水系統(tǒng)的壓力，增加校園排水能力。 在一定程度上減少校園排水系統(tǒng)的維修和更換費(fèi)用。

6.2 環(huán)境效益

低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施選擇將綠色景觀和天津農(nóng)學(xué)院特色建筑有效融合， 模擬改造在使得環(huán)境美觀的同時(shí)，提高了校園整體美感，更能提供人文景觀和學(xué)習(xí)場(chǎng)所結(jié)合的氛圍，達(dá)到環(huán)境育人、時(shí)勢(shì)造人的作用。

6.3 社會(huì)效益

大學(xué)校園屬于城市建設(shè)中一個(gè)具有代表性的系統(tǒng)，同時(shí)作為天津市海綿城市建設(shè)的一個(gè)縮影，天津農(nóng)學(xué)院的海綿校園建設(shè)模式研究為今后探索海綿城市的建設(shè)方法和建設(shè)意義提供更多微觀層面的建議和參考。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）“海綿” 吸附功能是解決生態(tài)問(wèn)題的有效途徑。校園像“海綿”一樣具有吸納和釋放雨水功能，充分利用草地、泥地、雨水桶、蓄水池等，在下雨時(shí)能將雨水短暫存儲(chǔ)起來(lái)， 需用水時(shí)能將海綿體的水釋放出來(lái)并再利用。

（2）在天津農(nóng)學(xué)院海綿校園的建設(shè)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)屋頂?shù)母脑?，有效地提高了雨水資源的利用率，減少了屋頂徑流雨水的流失。 采用綠色屋頂及雨水桶這兩個(gè)低影響改造措施，留存了大量雨水資源，通過(guò)循環(huán)利用，補(bǔ)充了校園內(nèi)的景觀用水量，減少了校內(nèi)景觀用水的開(kāi)支。 同時(shí)，屋頂高覆蓋率的綠色植物，有效地緩解了校園內(nèi)的溫室效應(yīng)，通過(guò)植物的吸收，凈化了校園內(nèi)的空氣，減少了空氣中污染物的含量，為師生們提供了一個(gè)更加舒適宜人的學(xué)習(xí)生活場(chǎng)所。