李 愫

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院 ，河南 鄭州 450012)

1 引言

2020年河南省人民政府發(fā)布《“三線一單”生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控的意見》，明確提出不僅要推進(jìn)生產(chǎn)生活方式的綠色轉(zhuǎn)型，還要推進(jìn)水資源節(jié)約利用的比例。在當(dāng)代社會綠色發(fā)展的背景下，海綿校園建設(shè)概念逐步興起。由于當(dāng)代高校校園具有大面積的開放空間、植被綠化比例高，在一定程度上具有良好的環(huán)境變化適應(yīng)能力，將海綿的“滲透、吸收”等特點(diǎn)應(yīng)用到校園建設(shè)上來，不僅可以收集凈化雨水，還可以更加高效的應(yīng)對極端氣候帶來的影響，保障師生和設(shè)施的安全，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處的綠色發(fā)展[1]。目前針對河南省海綿高校的研究處于萌芽階段，本文旨在以河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院龍湖校區(qū)為研究對象，對校園雨水徑流的回收利用途徑進(jìn)行可行性分析，提出海綿校園建設(shè)的優(yōu)化建議。

2 校園概況

河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院龍湖校區(qū)位于鄭州市新鄭市龍湖大學(xué)城，占地面積約20萬m2。主要建筑有位于校園中央的圖書館，西側(cè)的實(shí)訓(xùn)樓，教學(xué)樓與報告廳，東側(cè)的行政樓和教學(xué)樓，以及東北側(cè)的宿舍群。校園中以圖書館為主要標(biāo)志性建筑，其余建筑呈放射性分布在校園中，四條垂直主干道貫穿整個校園，其中，西側(cè)主干道用于車輛行駛，其余道路用于師生等日常步行需求(圖1)。

圖1 河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院區(qū)域示意

3 校園場地現(xiàn)狀分析及設(shè)計

3.1 校園建筑

校園建筑主要以硬質(zhì)屋面為主，其主要通過雨水斗和排水立管等結(jié)構(gòu)對降雨徑流進(jìn)行收集。考慮到校園場地有限和現(xiàn)有綠地空間不足的情況，將原有屋頂改為綠色可持續(xù)發(fā)展屋頂，達(dá)到雨水儲存和美化屋頂?shù)男Ч部梢栽黾涌諝庵械臐穸?，減少周邊建筑工地帶來的污染。糧食工程專業(yè)為該校的特色專業(yè)，將教學(xué)樓或?qū)嶒?yàn)室屋頂設(shè)計成糧食耕作園區(qū)，與課程的實(shí)踐教學(xué)合理結(jié)合。除了教學(xué)樓以外，該校的宿舍區(qū)域是以整合片區(qū)存在的，考慮采用墻體垂直綠化來豐富學(xué)生的生活場所。

3.2 道路

現(xiàn)有道路以混凝土地面為主，道路兩旁設(shè)置路緣石，為了將綠地與道路區(qū)分開，路緣石高于普通地面和綠地，此種設(shè)置容易出現(xiàn)積水等現(xiàn)象。在校園的道路設(shè)計中，應(yīng)少設(shè)置地下排水管網(wǎng)和路緣石，可采用線性排水溝或植草溝的方式，有秩序地將雨水進(jìn)行傳輸和分散。校園左側(cè)的文化宣傳長廊和人行道，應(yīng)采用透水鋪裝替代封閉性路面，將雨水滲透地面或澆灌周圍的綠植花園，也可滲入地下進(jìn)行地下水補(bǔ)給，防止校園出現(xiàn)大面積積水問題。

3.3 操場

該校操場區(qū)域位于校園西北角，是校園中最大的下沉空間，沿操場周圍的階梯觀看區(qū)可通過設(shè)置植草溝進(jìn)行觀看區(qū)域的劃分，且起到緩沖雨水的作用。沿跑道外圍設(shè)置線性排水溝，傳輸雨水徑流到蓄水池中[2]。

3.4 綠地

校園中成片的綠地區(qū)域并不多，主要以散條狀出現(xiàn)在道路兩旁。綠地對雨水具有良好的凈化功能，大多情況下新鄭市的降水量能被綠地直接吸收，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r，植物的選擇應(yīng)以耐寒、耐旱、耐淹的種類為主[3]。

4 降雨徑流水質(zhì)分析

從鄭州市氣象局的統(tǒng)計資料可知，鄭州市夏季6～9月份降雨量占全年降雨量的約65%，多年平均降雨量625 mm[4]。根據(jù)北方地區(qū)雨水徑流污染物變化的研究成果，選擇大雨、中雨和小雨等三種典型情景模式[5]，依據(jù)水環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)方法，對懸浮物(SS)、總磷(TP)和總氮(TN)三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析[6]，探究其污染物濃度與降雨時間的變化關(guān)系，判斷雨水資源化利用的可行性。

4.1 懸浮物(SS)

SS是衡量雨水污染程度的重要指標(biāo)，其主要來自于空氣中的固體顆粒物，當(dāng)雨水中的SS濃度過高，會導(dǎo)致雨水渾濁，在地面沉積后引起水體狀況惡化[7]。相關(guān)研究顯示，雨水中的SS濃度與降雨強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，小雨中SS濃度約為280 mg/L是大雨中SS濃度的2倍。當(dāng)降雨時間從0min持續(xù)到60 min，SS濃度整體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，從平均243 mg/L(升至10 min時的峰值253 mg/L，再降至60 min時的150 mg/L，具體見圖2。

圖2 SS濃度與降雨時間的變化關(guān)系

4.2 總磷(TP)

降雨中的TP主要是以磷酸鹽的形式存在， TP吸附的主要載體是降塵[8]。當(dāng)?shù)乇硭蠺P濃度過高會導(dǎo)致富營養(yǎng)化現(xiàn)象的出現(xiàn)。根據(jù)圖3可知，降雨強(qiáng)度越大，強(qiáng)降雨裹挾污染物的能力越強(qiáng)，水中TP濃度相對越高，大雨中TP濃度約為2.4 mg/L是小雨中TP濃度的2.2倍。降雨初期，小雨中TP含量(1.4 mg/L)高于中雨的TP含量(1.2 mg/L)，說明降雨徑流的增加導(dǎo)致污染物濃度被稀釋。隨著降雨時間的延長，TP濃度整體呈現(xiàn)先升后降的趨勢。

圖3 TP濃度與降雨時間的變化關(guān)系

4.3 總氮(TN)

TN也是衡量水體富營養(yǎng)化的重要參數(shù)之一。從圖4可以看出，降雨初期，TN的濃度與降雨強(qiáng)度沒有顯著的線性關(guān)系，大雨和小雨中的TN含量差別不大。與SS和TP相比，在中雨條件下TN濃度最高。隨著降雨時間的延長，不同降雨強(qiáng)度下TN濃度呈現(xiàn)先降后升，最終趨于平穩(wěn)的趨勢。

圖4 TN濃度與降雨時間的變化關(guān)系

根據(jù)降雨徑流污染物分析結(jié)果可知，降雨強(qiáng)度越大，降雨時間越長，降雨徑流的污染程度越小，經(jīng)過簡單收集處理的雨水，其水質(zhì)基本滿足《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)(GB/T 18921-2002)》和《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 5084-2005)》中的相關(guān)要求，校園降雨徑流具備水資源化利用化的潛力。

5 校園雨水資源化利用潛力

5.1 水資源化利用量

根據(jù)校園場地現(xiàn)狀分析，建筑物屋面、道路和綠地是其主要的下墊面，其面積分別為38000 m2，26000 m2和17800 m2，見圖1。由于降雨在綠地上以滲透為主，收集難度較高，收集量較小，因此建筑物屋面、道路是雨水資源化利用的主要來源。根據(jù)計算公式可得，校園年降雨可收集量約為19000 m3，其中建筑物屋面降雨收集量占59.6%；道路降雨收集量占35.2%，詳見表1。降雨可收集量計算公式[9]：

表1 龍湖校區(qū)降雨可收集量

Q=q×α×β×P×A×10-3

(1)

式(1)中：Q：年降雨可收集量(m3)；q：徑流系數(shù)；α：季節(jié)折減系數(shù)為0.65；β：初期棄流系數(shù)=1-初期棄流雨量(建筑、道路和綠地分別取2 mm、4 mm和1.5 mm)×年均降雨次數(shù)(約40次)/年均降雨量；P:年均降雨量(mm)；A:匯水面積(m2)。

目前校園雜用水主要有三個使用途徑：植被灌溉、道路降塵和景觀用水。根據(jù)我國目前執(zhí)行的雜用水標(biāo)準(zhǔn)，校園植被和道路降塵噴灑的灌溉需水量均為1.5 L/m2[10]，年均灌溉和噴灑天數(shù)180 d。龍湖校區(qū)全年雜用水量約13300 m3，所需水費(fèi)約5.8萬元(表2)。

表2 龍湖校區(qū)雜用水量情況

5.2 效益分析

降雨收集的資源化再利用是綠色發(fā)展理念的主要組成部分，也是綠色校園可持續(xù)發(fā)展的重要體現(xiàn)。從生態(tài)效益上看，河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院通過收集凈化降雨徑流來灌溉植被、道路降塵和景觀水體補(bǔ)水，不僅可以降低對黃河水資源的消耗，還可以緩解校園內(nèi)澇和積水現(xiàn)象[11,12]，提升校園居住環(huán)境。從經(jīng)濟(jì)效益上看，鄭州市當(dāng)期水價4.4元/ m3，收集利用降雨的費(fèi)用約為0.1元/ m3[13]，每年可節(jié)約經(jīng)費(fèi)5.6萬元。從社會效益上看，通過實(shí)際行動上的降雨收集再利用，可以起到良好的綠色生態(tài)理念宣傳作用，提高學(xué)生和教師的節(jié)水意識[14]，符合當(dāng)前的時代背景和要求[15]。

6 結(jié)語

本文通過對河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院場地現(xiàn)狀和降雨徑流水質(zhì)進(jìn)行分析，經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計改造后的校園具有很好的雨水徑流收集、再利用的潛力。從水資源化利用量的角度進(jìn)行核算，平均每年可以節(jié)約雜用水量約13300 m3，節(jié)省經(jīng)費(fèi)5.6萬元。從生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的角度來看，雨水的合理化利用不僅符合社會綠色生態(tài)發(fā)展的理念與要求，更加推動生態(tài)校園的建設(shè)。