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。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LID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)置簡易型生態(tài)滯留池，一來將雨水在滯留池暫存或下滲，減少路面地表徑流壓力，二來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，減少廣場地面徑流。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，在廣場兩側(cè)設(shè)置植草溝，將廣場雨水引流至兩側(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)，為人們在高密度校園開發(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

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。