賈培文 付士磊 宮 琪 何 歡

1 LID理念下的寒地校園景觀設(shè)計(jì)

低影響開發(fā)（LID）技術(shù)是建設(shè)海綿城市的核心技術(shù)之一，通過源頭分散的小型控制設(shè)施，維持和保護(hù)場(chǎng)地自然水文功能、有效緩解城市不透水面積增加造成的洪峰流量增加、徑流系數(shù)增大、面源污染負(fù)荷加重的城市問題[1]。寒地城市獨(dú)有的嚴(yán)寒氣候特征，對(duì)海綿城市基礎(chǔ)設(shè)施造成損傷，同時(shí)寒冷的氣候造成綠色植被景觀單調(diào)，降水形式多變，還影響城市下墊面空間結(jié)構(gòu)，造成城市雨水利用設(shè)施無法持續(xù)運(yùn)行[2]。

高校是城市的一個(gè)重要組成部分，作為一個(gè)特殊的社會(huì)子系統(tǒng)，具有人口密度高，功能分區(qū)全，與城市系統(tǒng)具有高度相似性，因此在校園內(nèi)開展海綿校園相關(guān)研究，運(yùn)用先進(jìn)的理念和規(guī)范的管理會(huì)在雨水綜合利用方面起到帶頭示范作用[3]。

國外對(duì)校園雨水利用景觀設(shè)計(jì)的研究較早。美國亞利桑那立大學(xué)生物設(shè)計(jì)研究所在沙漠中構(gòu)建新的機(jī)構(gòu)，通過蓄水池與透水下墊面的設(shè)計(jì)，收集雨水與雪水灌溉當(dāng)?shù)刂脖?，形成自然—人工耦合的水循環(huán)系統(tǒng)，形成具有當(dāng)?shù)靥厣男@景觀[4]。隨著國內(nèi)學(xué)者對(duì)低影響開發(fā)研究的深入，校園內(nèi)的雨水利用景觀設(shè)計(jì)也有了較大的進(jìn)步。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)采用隱形蓄水排水設(shè)施，將校園景觀和雨水利用設(shè)施完美融合在一起，形成特色校園景觀[5]；北京工業(yè)大學(xué)更多采用透水鋪裝收集雨水進(jìn)行校園水景設(shè)計(jì)和植被灌溉[6]；深圳大學(xué)則通過生態(tài)屋頂建設(shè)和教學(xué)樓周邊的綠化工程構(gòu)建校園雨水利用景觀設(shè)計(jì)，2014年深圳遭受50年一遇的強(qiáng)降雨時(shí)，深圳大學(xué)校園沒有受到內(nèi)澇災(zāi)害，具有較好的實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值[7]。

北方嚴(yán)寒地區(qū)屬于季風(fēng)氣候，造成降雨集中在夏季和秋季，大規(guī)模降雨量的集中使北方城市在夏季城市水災(zāi)害發(fā)生幾率較大，由于“灰色下墊面”較多，而且大多以雨水直排的排放方式，導(dǎo)致大部分的雨水流入雨水管道，排入河道，沒有補(bǔ)給地下水，造成城市內(nèi)澇和干旱雙重問題[8]。本文以沈陽建筑大學(xué)為研究對(duì)象，通過對(duì)其雨水利用的景觀優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)校園較好的“人工—自然”水循環(huán)，以期對(duì)寒地同類型院校低影響開發(fā)建設(shè)的實(shí)踐有所助益。

2 沈陽建筑大學(xué)雨水利用景觀設(shè)計(jì)

2.1 雨水景觀利用潛力

沈陽建筑大學(xué)位于沈陽市渾南新區(qū)，地勢(shì)平坦，東北部地勢(shì)偏高。沈陽地處中緯度，為溫帶半濕潤大陸性氣候，降雨有明顯的季節(jié)性，6—9月降雨強(qiáng)度較大，大雨分布較為集中，暴雨、大暴雨歷年出現(xiàn)在7—8月，占全年降雨量的47%，年均降雨量多年為600～800mm，適宜采用雨水收集利用系統(tǒng)。冬季寒冷天氣持續(xù)時(shí)間較長，一般為6個(gè)月，降雪較少，平均最大積雪為28cm[9]。

沈陽建筑大學(xué)渾南校區(qū)于2001年建設(shè)，一直采用快排式的排水方式，未采用雨水收集利用措施，造成水資源未能循環(huán)利用，而且排水管道系統(tǒng)運(yùn)行超過10年，已經(jīng)出現(xiàn)老化，應(yīng)對(duì)暴雨等極端天氣壓力較大；研究區(qū)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1年，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)狀排水要求，且管網(wǎng)布置不均，雨水口多集中于建筑物和校園交通干道，而體育場(chǎng)、停車場(chǎng)等下墊面主要為硬質(zhì)鋪裝的區(qū)域，雨水口較少，積水情況較嚴(yán)重。

2.2 研究區(qū)概況

研究區(qū)占地面積約為83.8hm2，其中建筑面積為11.3hm2，路面面積為25.8hm2，綠化面積為37.3hm2，水景面積為3.5hm2，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)面積為5.9hm2，根據(jù)各功能區(qū)所承擔(dān)的功能、徑流特征和排水管網(wǎng)設(shè)置將校園分為5個(gè)區(qū)域，分別為學(xué)生生活區(qū)、運(yùn)動(dòng)休閑區(qū)、科研教學(xué)區(qū)、校前廣場(chǎng)開放區(qū)及中央水系區(qū)域（圖1）。校園綠化率較高，綠地面積占研究區(qū)總面積的45%，主要為校園防護(hù)綠地，位于校園四周，景觀綠地較少，主要配置為喬、灌、草、喬木主要為香花槐、垂柳、蒙古櫟、加楊；灌木主要為忍冬、丁香、榆葉梅；地被植物以早熟禾、高羊茅為主要草種。研究區(qū)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是都市農(nóng)業(yè)與生態(tài)校園的結(jié)合，中央水系、稻田景觀、八王寺濕地及西北側(cè)的水池為校園主要水體景觀，占總面積的4.2%。

圖1 校園總平面圖

2.3 雨水利用景觀規(guī)劃

根據(jù)沈陽建筑大學(xué)校園排水管道老化、雨水口設(shè)置不均、灰色基礎(chǔ)設(shè)施面積占比較大等問題，并綜合考慮校園景觀現(xiàn)狀、景觀設(shè)計(jì)費(fèi)用等方面，提出“以滲為主、以蓄為輔、徑流控制、污染防治”的雨水利用景觀規(guī)劃策略，達(dá)到對(duì)水質(zhì)和水量的雙重控制。

（1）滲透減排景觀規(guī)劃

校園土質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土，其土壤滲透性較差，另外校園內(nèi)有大面積廣場(chǎng)及瀝青路面的滲透性能均較差，且雨水口分布不均，在降雨重現(xiàn)期內(nèi)造成積水嚴(yán)重?，F(xiàn)根據(jù)校園景觀現(xiàn)狀、綠地分布及土地利用類型構(gòu)建雨水自然下滲和鋪裝下滲雙重下滲機(jī)制，以期在降雨期間雨水能夠全部通過滲透裝置，能夠有效減輕排水管道壓力[10]。自然下滲設(shè)施主要包括校園內(nèi)的綠地系統(tǒng)，包括景觀綠地、防護(hù)綠地、廣場(chǎng)綠地、中央水系的濱水綠地等，適當(dāng)通過設(shè)置下凹式綠地、雨水花園、屋頂綠化和生物滯留帶設(shè)施等，增加綠地面積，提高校園自然下滲和凈水能力，相比排水管道直排方式能夠有效地補(bǔ)充地下水資源；鋪裝下滲設(shè)施主要設(shè)置在廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等灰色下墊面為主的場(chǎng)地，在停車場(chǎng)內(nèi)設(shè)置透水鋪裝，周邊設(shè)計(jì)下凹式綠地，廣場(chǎng)上部分設(shè)置透水鋪裝，樹池設(shè)置成為生態(tài)樹池，將收集到的雨水通過管、溝、渠等設(shè)施轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)存、滲流或利用部分的工程[11]（圖2）。

圖2 滲透減排景觀規(guī)劃

（2）集蓄利用景觀規(guī)劃

雨水的集蓄主要通過校園的水系、濕地等作為雨水的儲(chǔ)水設(shè)施[12]。地面的雨水通過校園內(nèi)原有排水管道、溝渠等，使雨水凈化后引入學(xué)校主要景觀水系和濕地，作為主要儲(chǔ)水設(shè)施；道路上的降雨通過道路雨水管道凈化后引入水系和濕地；校園內(nèi)采用外排水的建筑，通過設(shè)置雨水桶、雨水儲(chǔ)水池將雨水儲(chǔ)存起來，以待利用。以三個(gè)部分構(gòu)建校園集蓄利用設(shè)施，能夠有效減少雨水排放量，提高水資源利用率，以期達(dá)到較好的“人工—自然”水循環(huán)系統(tǒng)（圖3）。

圖3 集蓄利用景觀規(guī)劃圖

（3）峰值調(diào)控景觀規(guī)劃

徑流量的峰值調(diào)控是降低排水管道壓力的有效措施之一。通過利用雨水調(diào)蓄設(shè)施和雨水集蓄系統(tǒng)，降低進(jìn)入排水管道的雨水量和控制雨水進(jìn)水排水管道的時(shí)間，從而達(dá)到對(duì)雨水的“錯(cuò)峰和延峰”，降低排水管道壓力。通過測(cè)量景觀水體、濕地等調(diào)峰設(shè)施的容量及位置，以期在不增加排水管網(wǎng)壓力的情況下達(dá)到校園防洪排澇的要求，同時(shí)在雨季，通過調(diào)峰設(shè)施蓄積水量能夠保證這些天然或人工水體的生態(tài)補(bǔ)水問題，也避免了除夏季外的其他幾個(gè)季節(jié)因缺水而影響到調(diào)峰設(shè)施景觀效果的問題[13]。

（4）污染控制景觀規(guī)劃

根據(jù)徑流水質(zhì)研究分析，徑流污染較為嚴(yán)重的是路面和停車場(chǎng)地表雨水徑流，考慮徑流污染現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)條件以及控污染效果，分別建立路面污染控制設(shè)施和LID污染控制設(shè)施，主要通過植被緩沖帶和生物滯留設(shè)施來控制徑流污染。路面污染控制設(shè)施是將原有道路、停車場(chǎng)周邊綠化帶改造成生物滯留設(shè)施，凈化排向綠地的地表雨水。LID污染控制設(shè)施指利用水系周邊的植被緩沖帶作為徑流水質(zhì)凈化設(shè)施對(duì)從雨水收集系統(tǒng)收集到的屋面徑流進(jìn)行凈化處理，校園內(nèi)原有人工濕地也是較好的徑流污染控制措施[14]（圖4）。

圖4 污染控制景觀規(guī)劃

綜合以上設(shè)計(jì)方案，形成完整校園低影響開發(fā)雨水利用景觀技術(shù)方案（圖5）。

圖5 雨水利用總體景觀規(guī)劃平面圖

3 校園低影響開發(fā)雨水利用景觀模擬分析

本研究利用SWMM軟件構(gòu)建雨水徑流模型，對(duì)校園徑流量、積水厚度和雨水口排放量進(jìn)行模擬，并對(duì)方案進(jìn)行定量驗(yàn)算。

3.1 SWMM模型建立

（1）子匯水區(qū)域劃分

子匯水區(qū)域劃分是進(jìn)行SWMM模型建立的基礎(chǔ)本文根據(jù)校園用地現(xiàn)狀、地形和雨水管網(wǎng)的分布將研究區(qū)分為35個(gè)子匯水區(qū)（圖6），各匯水區(qū)占地面積為0.22～8.35hm2，不透水面積變化范圍為0～90.90%。模型中設(shè)定校園內(nèi)降雨強(qiáng)度相同，各匯水區(qū)選一個(gè)進(jìn)水口，且只計(jì)算道路倆側(cè)的干路雨水管網(wǎng)徑流量，支路排水管不在計(jì)算范圍內(nèi)[15]。

圖6 子匯水分區(qū)

（2）參數(shù)確定

根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀，需確定的參數(shù)有子匯水區(qū)域面積、特征寬度、平均坡度、不透水面積率等模型參數(shù)。其中匯水區(qū)域面積、不透水面積率及坡度通過實(shí)際測(cè)量或查閱相關(guān)資料獲得。但由于特征寬度無法實(shí)際測(cè)量，因此需要根據(jù)地形資料進(jìn)行估測(cè)，在本論文中選擇匯水區(qū)域特征寬度：

Width=Area/Flow Lenght

即特征寬度=匯水區(qū)域面積/地表漫流長度。模型中其他主要參數(shù)根據(jù) SWMM模型用戶手冊(cè)及相關(guān)文獻(xiàn)中的典型值確定[16]。

模型在進(jìn)行產(chǎn)匯流模擬分析時(shí)，選取Horton入滲模型模擬各子匯水面的降雨入滲過程：

式中：fc為穩(wěn)定入滲率；f0為初始滲透率；K為衰減常數(shù)[17]。

3.2 模擬分析

（1）徑流量

根據(jù)校園雨水利用景觀規(guī)劃方案中選用的雨水收集調(diào)蓄措施，確定LID控制模擬參數(shù)，運(yùn)用設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為1a，3a，5a，10a的降雨數(shù)據(jù)，表1為雨水收集調(diào)蓄方案在不同設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期下的降雨徑流效應(yīng)。從表中可以看出，校園徑流總量隨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的增大而增大，設(shè)計(jì)方案可以有效減少校園徑流總量且徑流削減量隨著設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的增大而增大，可知設(shè)計(jì)方案可以有效減少地表徑流量，并能降低校園內(nèi)綜合徑流系數(shù)[18]。

表1 不同重現(xiàn)期徑流量模擬

（2）積水厚度

本研究根據(jù)模擬結(jié)果中各子匯水區(qū)徑流系數(shù)和峰值徑流量，對(duì)校園內(nèi)積水厚度加以分析。本文根據(jù)超過雨水管排放能力、重力溝調(diào)洪能力來計(jì)算校園積水厚度。公式為：

W0=W?V'

式中：W0為地面積水量（m3）；W為超過雨水管排水能力的積水量（m3）；V'為重力流溝道的調(diào)洪容量（m3）。

經(jīng)計(jì)算，得出校園內(nèi)積水厚度情況。根據(jù)模擬結(jié)果，在雨水利用景觀設(shè)計(jì)前，當(dāng)降雨重現(xiàn)期增加時(shí)，積水厚度不斷增加，而且不同的下墊面由于透水性不同，造成各個(gè)區(qū)域積水存在差別。以10年一遇120min降雨為例，各匯水區(qū)積水厚度變化范圍是23～100mm，積水較為嚴(yán)重的區(qū)域分別是校前廣場(chǎng)和學(xué)生生活區(qū)中的鐵石廣場(chǎng)。模擬結(jié)果顯示，雨水利用景觀設(shè)計(jì)有效改善了校園積水情況，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為1年時(shí)，校園內(nèi)80%以上區(qū)域積水厚度保持在20mm以內(nèi)。積水狀況改善效果最為明顯的東側(cè)的學(xué)生生活區(qū)，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為10年時(shí)，積水厚度從88mm降低為67mm[19]。

（3）雨水排放口流量

根據(jù)模擬結(jié)果，雨水利用景觀設(shè)計(jì)可以降低排水口峰值流量，采用雨水收集調(diào)蓄方案后，各重現(xiàn)期下排放口進(jìn)流量均有一定程度的降低。降雨重現(xiàn)期為1年時(shí)，排放口峰值流量從0.97m3/s降至0.8m3/s；降雨重現(xiàn)期為3年時(shí)，排放口峰值流量從1.20m3/s降至1.05m3/s；降雨重現(xiàn)期為5年時(shí)，排放口峰值流量從1.61m3/s降至1.42m3/s；降雨重現(xiàn)期為10年時(shí)，排放口峰值流量從1.95m3/s降至1.7m3/s[20]（圖7）。

圖7 雨水口排放量

3.3 雨水利用景觀方案設(shè)計(jì)定量驗(yàn)算

（1）下凹式綠地

下凹式綠地規(guī)模根據(jù)水量平衡分析法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

Q0+U0=S+Z+D+U1+Q2

式中：Q0是進(jìn)入下凹式綠地的雨水徑流量；U0是開始時(shí)下凹式綠地的蓄水量；S是下凹式綠地的雨水下滲量；Z是下凹式綠地的雨水蒸發(fā)量（不包括植物的蒸騰量）；D是下凹式綠地的植物蒸騰水量；U1是結(jié)束時(shí)下凹式綠地的最大蓄水量；Q2是下凹式綠地的雨水溢流外排量，單位為m3。

通常假設(shè)開始時(shí)下凹式綠地內(nèi)無蓄水量、計(jì)算時(shí)段內(nèi)無溢流外排量，忽略下凹式綠地內(nèi)植物和土壤的蒸騰量。故下凹式綠地水量平衡分析計(jì)算公式簡(jiǎn)化為：

Q0=S+U1

下凹式綠地雨水滲透量：

S=60K·J·F2·T

式中：K為土壤穩(wěn)定入滲速率（m/s）；J為水力坡度，一般取J=1；T為計(jì)算時(shí)段（min）。

下凹式綠地雨水存蓄量：

U1=F2·△h

式中：Δh為下凹深度（m）。

經(jīng)計(jì)算，校園內(nèi)下凹式綠地具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 校園下凹綠地設(shè)計(jì)規(guī)模

（2）雨水花園

雨水花園滲透及存蓄能力的計(jì)算方法是基于水量平衡分析法來確定的雨水花園面積規(guī)模的方法，其計(jì)算公式如下：

式中：Af為雨水花園的面積（m2）；Ad為匯流面積（m2）；H為設(shè)計(jì)降雨量（≤0.3m）；Ф為匯流面的徑流系數(shù)；K為土壤的滲透系數(shù)（粉質(zhì)黏土為1.16×10-6～2.89×10-6m/s）（表3）；df為雨水花園深度（m）；T為降雨歷時(shí)（min）；h為蓄水層平均水深，取最大水深的1/2（m）；n為植被土層和人工填料層的平均孔隙率（取0.3）；fv為植物面積占蓄水層面積的百分?jǐn)?shù)。

雨水花園主要分布在校前開放區(qū)和學(xué)生生活區(qū)，主要消納校前廣場(chǎng)、生活區(qū)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)及網(wǎng)羽中心屋面徑流量，占地面積分別為60m2、20m2和592m2，針對(duì)沈陽市冬季溫度較低、夏季雨量較大且集中的特點(diǎn)，主要選擇一些本土耐寒、耐高溫、耐旱、耐水淹的本土植物，像鳳尾蘭、玉蘭、垂柳等種植在雨水花園中。

（3）調(diào)蓄池

雨水調(diào)蓄池和雨水桶規(guī)模設(shè)計(jì)方法采用容積法。容積法的計(jì)算原理是將收集到雨水的體積作為自身容積計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：V 為設(shè)計(jì)雨水收集設(shè)施容積（m3）；H為設(shè)計(jì)降雨厚度（mm）；ψ為綜合徑流系數(shù)，根據(jù)各類下墊面徑流系數(shù)加權(quán)進(jìn)行計(jì)算；F為匯水區(qū)域面積（hm2）。

調(diào)蓄池收集校園內(nèi)建筑屋面徑流量，以重現(xiàn)期為5年的降雨為例，調(diào)蓄池容積應(yīng)為9863.8m3。對(duì)校園中央水系容積進(jìn)行測(cè)算，其容積約為35565.8m3，故可以實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)屋面雨水收集目的。

（4）徑流控制效果核算

根據(jù)校園雨水收集調(diào)蓄系統(tǒng)方案對(duì)其徑流控制效果對(duì)雨水收集、雨水滲透和雨水棄流量等方面分別進(jìn)行計(jì)算分析（表3）。根據(jù)計(jì)算可知校園雨水利用景觀設(shè)計(jì)后，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為一年時(shí)，雨水收集率從9.8%提升至35.96%，徑流滲透率從26.25%提升至49.77%，棄流率從63.95%降低到14.27%。各重現(xiàn)期下降雨棄流率分別為14.27%，14.87%，14.98%，15.04%，基本可以實(shí)現(xiàn)徑流控制率85%的控制目標(biāo)。

表3 校園雨水利用景觀規(guī)劃效果

結(jié)語

雨水綜合利用景觀優(yōu)化與低影響開發(fā)技術(shù)相結(jié)合是一個(gè)重要的課題，在校園開展低影響開發(fā)雨水綜合利用景觀設(shè)計(jì)項(xiàng)目是極為重要的，涉及到校園的總規(guī)劃、雨水利用規(guī)劃、雨水徑流的污染控制、用各種滲透設(shè)施將雨水進(jìn)行地下回灌、環(huán)境景觀設(shè)計(jì)、市政工程等多方面。本論文以沈陽建筑大學(xué)校園為研究對(duì)象，為其雨水資源有效利用提出切實(shí)可行的方案，有效降低校園雨水徑流量、緩解校園面源污染，基本可以實(shí)現(xiàn)徑流控制率85%的控制目標(biāo)，對(duì)未來城市的海綿城市規(guī)劃起到了指導(dǎo)和借鑒作用。

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