張 瀟，邱蘭清，余 萍，康 滿

（天津農(nóng)學院，天津300384）

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

大學校園是城市建設中具有代表性的系統(tǒng)，同時作為城市海綿建設的一個縮影， 海綿校園建設為探索海綿城市建設的方法和意義， 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對雨水災害和環(huán)境改變的能力，使得雨水在海綿校園中被充分利用。本項目基于海綿城市的建設理念，以天津農(nóng)學院為例，將LID技術應用于校園， 最大程度地解決雨天校園內(nèi)部積水嚴重的問題，并對雨水進行凈化、儲存，使其校園利用率實現(xiàn)最大化。

1 現(xiàn)狀調(diào)研及特點

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比

圖3 典型地質(zhì)材料孔隙率經(jīng)驗值

圖4 單位雨水資源潛力與滲透能力

天津農(nóng)學院位于西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)津靜公路22 號，校園占地面積約86.13hm2，校舍建筑面積約38hm2，其中包括運動場、籃球場、網(wǎng)球場、宿舍樓、教學樓、圖書館、停車場及花園綠地。 校園內(nèi)地勢東高西低，一旦降雨較大，雨水向西流，且教學樓、食堂、宿舍樓、操場等區(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， 正門東側(cè)的硯池、 敏學樓后的荷花池， 設施較完善且綠化面積較大，可利用率較高。 基于此，本文重點研究通過具體的LID技術和校園景觀設計相結(jié)合，實現(xiàn)天津農(nóng)學院區(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)境應有的生態(tài)功能［2］。

2 低影響開發(fā)設施技術選擇

為構(gòu)建天津農(nóng)學院的低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)，結(jié)合雨洪管理的概念，實現(xiàn)校園內(nèi)部的自然水文循環(huán)。海綿校園著重強調(diào)“綠色校園” 的建設模式研究理念，應用LID技術，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，補給景觀用水，進行有效收集儲存。

本項目主要采用滲透技術， 儲存技術、 調(diào)節(jié)技術、轉(zhuǎn)輸技術、截污凈化技術等，結(jié)合天津農(nóng)學院地表排水區(qū)的實際情況，對校園道路、停車場、建筑、運動場等進行規(guī)劃設計，控制校園內(nèi)的地表徑流，解決校園雨天內(nèi)澇的問題， 并在水資源利用方面為校園建設提出合理性建議。

3 控制目標

本項目應用在天津市西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)天津農(nóng)學院東校區(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、食堂浴室區(qū)、教學區(qū)、圖書館組成，建筑密度42%，并計算出改造區(qū)總雨量徑流系數(shù)。 旨在通過徑流控制目標總量與校園景觀結(jié)合，綜合確定出低影響開發(fā)設施的類型與布局，區(qū)域按功能劃分為：道路區(qū)域、廣場區(qū)域及屋頂區(qū)域［3］。在低影響開發(fā)理念的指導下，以天津農(nóng)學院為例進行校園雨水花園景觀改造，通過雨水花園景觀中運用的設計手段和技術設施， 將雨水管理設施與景觀環(huán)境融為一體，解決對校園雨水的內(nèi)澇困擾，改善校園的水生態(tài)和水環(huán)境，促進生態(tài)校園建設的同時，從微觀層面為海綿校園建設提供參考依據(jù)和建議［4］。

4 低影響開發(fā)設施布局

4.1 校園內(nèi)道路低影響開發(fā)生態(tài)改造

4.1.1 校園道路建設存在的問題

（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 籃球場道路積水情況

圖6 宿舍樓道路積水情況

（2）滲水問題。 天津農(nóng)學院整體地勢較低，遇到強降雨時，排水系統(tǒng)不理想，導致雨水倒灌，污水下水道反水等問題，如圖7，圖8。

圖7 網(wǎng)球場積水情況

圖8 操場積水情況

（3）凈水問題。目前校園內(nèi)缺少比較完善的凈化系統(tǒng)，無人工濕地凈化等凈水系統(tǒng)，無法過濾掉污染物質(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所， 同時也匯聚了大量的雨水等地面徑流，因此，校園內(nèi)道路建設的生態(tài)化設計改造可以同時融合低影響開發(fā)理念和景觀質(zhì)量的提升［2］。 主要采用滲透技術、截污凈化技術。 其中滲透技術的單項設施為透水鋪裝、下沉式綠地、簡易型生物滯留設施［5］。 透水鋪裝既能緩解道路的滲水問題，還起到吸音作用，可減少噪音，為學生提供良好的學習氛圍。 截污凈化技術主要為植被緩沖帶、 雨水花園， 可用來吸收一部分由暴雨所帶來的降水和過濾掉污染物質(zhì)。 將對路面及其兩側(cè)人行道采用透水式鋪裝，使行車中分帶適當下沉，考慮道路和綠化的橫縱向關系，在靠近排水口的人行道路設置斜坡凹槽，將雨水引流到排水口處，提高排水效率。

4.2 校園廣場低影響開發(fā)生態(tài)改造

4.2.1 校園停車場、運動場區(qū)域建設存在的問題

校園停車場面積較大，均是不透水硬質(zhì)鋪裝，排水效果差，雨水來臨無法起到雨洪管理的作用，在雨后常常積水嚴重， 影響使用， 通過低影響措施的實施，爭取達到雨后不留水的效果。運動場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。 由于采用的是點式排水系統(tǒng)，一旦下雨，雨水不能盡快排出，積水嚴重，留存在運動場內(nèi)，影響了同學們的生活和學習， 所以對運動場區(qū)域的開發(fā)既要體現(xiàn)低影響生態(tài)開發(fā)改造， 又要滿足人們的日常需要，如圖9。

圖9 校園低影響開發(fā)生態(tài)改造布局

4.2.2 改造方案

4.2.2.1 圖書館區(qū)域改造

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

4.2.2.2 停車場區(qū)域改造

改造方式為將停車場的硬質(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)過地面下滲，其余部分流入下凹綠地、植草溝與雨水花園，實現(xiàn)雨水的滲透，通過植草溝可將雨水排到下凹綠地或雨水花園中， 起到雨水的儲存效果，使得校園中的雨水及時排出，既可達到雨水儲蓄的效果，也可減輕校園排水系統(tǒng)的壓力，使得停車場不再大面積積水，并在下雨時仍能正常使用，經(jīng)過低影響開發(fā)改造后的停車場由原來的不透水鋪裝及周圍簡單植草溝、 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 運動場區(qū)域改造

在運動場周圍設線性排水溝，未下滲部分流入線性排水溝中，收集至PP蓄水模塊中［3］。 即若干個模塊匯聚組成蓄水設施，擁有較大的儲水孔隙率，其中線性排水溝的排水量比普通的點式排水更好，不會出現(xiàn)局部積水［6］。 雨水可由排水盲管流至蓄水模塊中進行儲水。運動場其他部分雨后積水嚴重，采用可透水鋪裝，其孔隙滲透能力較強。 雨量小時，可直接下滲；雨量較大時，未下滲的部分或流入旁邊的下凹式綠地，在一定程度上能補充地下水，如圖9。

4.3 校園建筑低影響開發(fā)生態(tài)改造

4.3.1 校園建筑建設存在的問題

校園內(nèi)部主要建筑為教學樓、宿舍樓、食堂、圖書館、體育館等，由于建筑設施的屋頂多為鋼筋混凝土屋面，對于雨水的徑流利用率很低，造成這一資源的浪費。又由于屋頂對雨水的儲存能力差，使雨水經(jīng)過屋頂流到地面，加大了地面排水的壓力，使得地面積水嚴重，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，并且對于減少屋項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，提高生活質(zhì)量，最重要的是促進生態(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， 在進行綠色屋頂建設時需要注意規(guī)范地設置相應的排水系統(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，在進行綠色屋頂建設時，要根據(jù)當?shù)氐臍夂蚝铜h(huán)境，設計適合校園減少雨水緩沖力的建設。

校園中一般建筑密度高、功能多樣，對于校園中海綿建設來說，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，即雨水滲管引入蓄水設施中，利用收集水井，雨落管等收集雨水。如在較低樓層設置雨水儲存設施以收集較高樓層的徑流雨水，處理后達到標準可以用于澆灌噴灑、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。

由北京建筑大學關于雨水回收利用的研究得出，徑流雨水量的公式計算：V=φ×α×P×A，加權(quán)平均法得出分各個區(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算， 得出式中α可取0.75，年平均降雨量為600mm，校區(qū)內(nèi)設計屋頂面積根據(jù)CAD圖紙測繪得出匯水面積， 計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屋頂造成的損害，又可以使得建筑內(nèi)部美觀的同時，人員可感溫度舒適，如圖2。同時，為了應對強降雨雨水的收集工作，還可以在建筑物下方放置雨水桶，一般放置個數(shù)控制在每棟建筑物4～6個。由于研究校區(qū)所在地冬季氣溫較低， 本次設計可以把雨水桶作為雨洪管控的主要設施之一，雨水桶造價低廉而且便于安裝，適合對已建成校區(qū)的改造， 在上文的雨水徑流量計算中， 以總徑流量較大的區(qū)域內(nèi)建筑物作為主要設計對象，同時在對研究區(qū)域進行實地調(diào)研后，排除部分不適宜設置雨水桶的建筑物外， 選擇屋頂適合進行排水改造、屋頂面積較大的教學樓、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)周圍的雨水徑流，并利用植被和土壤，將雨水有效儲蓄，主要起地表水的引流作用。 無論是雨水季節(jié)的大量降雨，還是干旱時節(jié)的少雨悶熱，都會在大片綠地的調(diào)節(jié)作用下，優(yōu)化小范圍的環(huán)境空間［5］。 下凹式綠地在建設過程中， 應該充分根據(jù)當?shù)赝寥赖臐B透性能來計算，再結(jié)合當?shù)匦@的植物特征，選擇耐澇抗旱性強的植物， 并保證下凹式綠地建設的下凹深度為50～100mm，保證不超過200mm。

5 改造前后數(shù)據(jù)對比

5.1 公式計算

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壓實級配碎石、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）。透水鋪裝的設計單位面積徑流量為：

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。 草坪的設計單位面積徑流量為：

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、停車場和運動場取值分別為0.7，0.8，0.9，0.15； 根據(jù)天津市地區(qū)降雨時間分布特點，α取0.80。

滲透設施的滲透能力按下式計算：

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)學院建筑屋頂、公共停車場、運動場和路面的滲透系數(shù)分別?。?.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 改造前后對比分析

由計算得出：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)濟效益

校園低影響開發(fā)措施有效控制了區(qū)域內(nèi)澇的風險，最大程度解決雨天校園內(nèi)部積水、洪澇情況嚴重的問題，并對雨水進行凈化、儲存，使雨水實現(xiàn)了資源化循環(huán)利用，同時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)的維修和更換費用。

6.2 環(huán)境效益

低影響開發(fā)設施選擇將綠色景觀和天津農(nóng)學院特色建筑有效融合， 模擬改造在使得環(huán)境美觀的同時，提高了校園整體美感，更能提供人文景觀和學習場所結(jié)合的氛圍，達到環(huán)境育人、時勢造人的作用。

6.3 社會效益

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

7 結(jié)語

（1）“海綿” 吸附功能是解決生態(tài)問題的有效途徑。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，在下雨時能將雨水短暫存儲起來， 需用水時能將海綿體的水釋放出來并再利用。

（2）在天津農(nóng)學院海綿校園的建設過程中，通過對屋頂?shù)母脑欤行У靥岣吡擞晁Y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低影響改造措施，留存了大量雨水資源，通過循環(huán)利用，補充了校園內(nèi)的景觀用水量，減少了校內(nèi)景觀用水的開支。 同時，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，通過植物的吸收，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更加舒適宜人的學習生活場所。