基于低影響開發(fā)的清華學堂路雨洪管理與景觀設(shè)計研究

劉一瑤　郭國文　孟真　劉海龍*

基于低影響開發(fā)的清華學堂路雨洪管理與景觀設(shè)計研究

劉一瑤郭國文孟真劉海龍*

低影響開發(fā)強調(diào)通過源頭控制保障城市水文循環(huán)。隨著“海綿城市”建設(shè)的推進，LID在城市雨洪管理的應(yīng)用日益受到關(guān)注。城市雨洪模擬技術(shù)作為城市防洪減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)之一，可以有效的模擬并預(yù)期暴雨來臨時研究區(qū)域的雨洪情況?；赟WMM雨洪模型，設(shè)計了清華大學學堂路區(qū)域的LID措施，對比分析增設(shè)LID措施前后徑流量及蓄水量的變化，并探討了高密度校園環(huán)境下雨水鏈景觀系統(tǒng)構(gòu)建的策略。

海綿城市；雨洪管理；低影響開發(fā)；城市雨洪模型；清華校園

Fund Item： The National Natural Science Foundation of China（General Program）： Study of the design method for Chinese city green landscape aiming at Stormwater Management based on Landscape Hydrology theory（51478233）。

1　引言

國家統(tǒng)計局最新數(shù)據(jù)顯示，2014年我國城鎮(zhèn)化率達到54.77%［1］。隨著城市化進程加快，城市面積不斷擴張，原有的綠地、農(nóng)田等被建筑或道路等硬質(zhì)鋪裝覆蓋，城市的自然生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了巨大變化。在水文過程方面，過度城市化問題導致城市地區(qū)遭受突發(fā)性強暴雨的幾率加大，雨水可入滲面積減小，匯流速度加大，雨水不能及時排放，使城市內(nèi)澇問題屢見不鮮［2］。

低影響開發(fā)（Low impact development，LID）技術(shù)強調(diào)通過調(diào)整開發(fā)建設(shè)模式，融入景觀規(guī)劃設(shè)計方法，從源頭上對城市降水的產(chǎn)匯流過程進行低環(huán)境干擾的管控，基本維持場地開發(fā)前后水文狀況的一致，從而削弱快速城市化和不透水地面激增所產(chǎn)生的負面影響。與傳統(tǒng)暴雨管理和設(shè)計方法相比，源頭管控、分散處理、景觀融入是LID措施的三個核心特點［3］。風景園林手法在各尺度上的優(yōu)化處理，賦予LID更為綜合的功能性與藝術(shù)性，使之更容易為業(yè)主、公眾所接受，越來越受到各方的關(guān)注和認可。

2　研究區(qū)域概況

學堂路是清華大學南北主干道，北起紫荊公寓學生綜合服務(wù)樓，南至清華南門，全長1.7km，沿線布置宿舍區(qū)、食堂、人文圖書館、教學樓、新清華學堂等重要建筑。本次研究區(qū)域為學堂路北段，長1km，研究范圍總面積18.7hm2，不透水區(qū)域面積為13.6hm2，占73%左右，是校園內(nèi)密度最大，硬質(zhì)鋪地最多的區(qū)域之一（圖1）。

學堂路現(xiàn)狀地勢南高北低，東高西低。現(xiàn)狀建筑排水形式分為無組織的內(nèi)排水和有組織的外排水兩種情況，以外排水為主。但沿路兩側(cè)建筑與地形變化較為復雜，加之高位樹池貫穿全路，排水不暢，遇暴雨積水嚴重（圖2）。場地內(nèi)綠地較少，多為沿道路或建筑的線型隔離綠地，植物組合也多以單純的喬-草結(jié)構(gòu)為主。另外學堂路整體較為擁堵，特別是在上下課高峰期。部分路段機動車限行，整體自行車停車空間不足，停放混亂。本研究選擇學堂路區(qū)域進行高密度校園環(huán)境的低影響開發(fā)改造研究，非常具有代表性。

3　SWMM模型分析

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3.1模型輸入及參數(shù)設(shè)定

SWMM（Storm Water Management Model）是1971年由美國環(huán)境保護局主持開發(fā)的城市雨洪管理計算機模擬程序。主要用于模擬城市區(qū)域動態(tài)降雨-徑流，得到徑流水量和水質(zhì)的短期/連續(xù)性結(jié)果［4］［5］。根據(jù)校園平面圖及管網(wǎng)圖，研究將整個學堂路模擬區(qū)域劃分子匯水區(qū)64個，節(jié)點54個，管段59個，出水口1個。其中填充斜線的幾何形即為子匯水區(qū)，虛線表示匯流方向；黑色圓點為管道節(jié)點；黑色粗實線為管段（圖3）。

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結(jié)合學堂路區(qū)域特征，在SWMM模型的對應(yīng)子匯水區(qū)內(nèi)增加LID處理措施（圖4），主要有如下4種：（1）透水鋪裝，總改造面積11 100m2（圖4褐色區(qū)域）；（2）下凹式的臺地種植池綠地，總改造面積3 800m2（圖4綠色區(qū)域）；（3）雨水花園，總改造面積450m2（圖4藍色區(qū)域）；（4）地下蓄水池，容量為500m3（圖4中橙色區(qū)域）。合計LID措施改造面積為15 250m2。根據(jù)模型連續(xù)性誤差統(tǒng)計，地表徑流誤差為-0.12%，流量演算誤差為0.24%，根據(jù)模型指導手冊顯示連續(xù)性誤差在±10%內(nèi)屬于模型運行正常狀態(tài)，由此可以判斷該模型結(jié)果可信。

3.2降水產(chǎn)匯流變化

研究將未設(shè)計LID措施的模型稱為前期模型，增設(shè)LID措施后的模型稱為后期模型，兩模型分析結(jié)果如下：對于5年一遇設(shè)計暴雨（P=20%）條件下，在降雨開始后10小時17分時，區(qū)域徑流達到峰值狀態(tài)（圖5）。

對比節(jié)點深度，前期模型中學堂路普遍積水深度超過0.20m（節(jié)點顏色多為綠、黃），其中兩節(jié)點積水深度甚至超過0.4m（節(jié)點顏色為紅）；而后期模型中積水點顏色普遍由之前的黃、綠變成深藍、天藍，即積水深度下降到0.2m以下。主要節(jié)點積水深度圖中紅色小矩形是表示地下蓄水池，圖例變紅說明此時蓄水池已達到最大蓄水容量500m3，蓄水容積得到充分利用。

對比管段流量圖，由圖左可看出前期模型學堂路管段流量多超過0.15m3/s，說明降雨為地下排水管道系統(tǒng)帶來巨大壓力。而從圖右后期模型管道流量圖可看出，一部分管道顏色由原來的紅-黃變?yōu)樘焖{-深藍，說明管道內(nèi)水量減少，一部分雨量被陸面LID措施儲存起來，并未排入地下管道系統(tǒng)。同時超載管渠數(shù)由前期的28個降為20個。

對比學堂路的流量剖面線（圖6）（節(jié)點J18至節(jié)點DLD101管段，藍色部分表示水流深度）。由于模型構(gòu)建時將學堂路概化為深度為30cm的明渠，由圖6可看出在降雨歷時10小時17分時，該明渠水位剖面線近似與明渠頂端平齊，說明積水深度接近明渠原本深度30cm，幾乎達到滿流狀態(tài)，說明學堂路上積水深度已超過20cm，與校園往期暴雨時積水深度的經(jīng)驗值基本相符。而后期模型中學堂路水位剖面線大幅度下降，積水深度僅余2cm左右，說明增設(shè)的LID措施對于學堂路道路積水情況有極大程度的改善。

3.3徑流量變化

根據(jù)《城市雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計暴雨徑流計算標準（DB11/T 969-2013）》，城市建筑密集區(qū)綜合徑流系數(shù)取值范圍為0.60-0.85。在五年一遇設(shè)計暴雨下，徑流量情況對比如表1：前期模型中徑流系數(shù)為0.87，超過計算標準上限；而后期增設(shè)15 250m2的LID措施后（約占全區(qū)域面積18.7hm2的8%），徑流系數(shù)變?yōu)?.66，總共削減6 686m3的徑流量，在數(shù)據(jù)上較好地證明了LID措施的有效性。

研究通過SWMM建立了學堂路局部區(qū)域雨洪模型，對比分析了增設(shè)LID措施前后變化，驗證了增設(shè)小面積LID措施可削減一定程度的暴雨徑流，并對雨水進行收集利用，對于海綿城市的建設(shè)具有一定的指導意義。

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表1　SWMM模型徑流量對比Tab.1 The comparison of runoff in SWMM model

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4　雨水鏈景觀系統(tǒng)構(gòu)建策略

4.1雨水鏈概念與組成

借助SWMM模型的模擬，得到地塊范圍內(nèi)積水最嚴重的地段。通過對比，選取積水最嚴重地段，按其匯水區(qū)設(shè)計雨水鏈，以緩解場地的雨洪問題（圖7）。雨水鏈指雨水從降落地到儲存地所流經(jīng)和流出的區(qū)域和場地的一系列環(huán)節(jié)［7］。一般雨水鏈的組成主要包括：（1）綠色屋頂，指栽種植物的建筑屋頂、露臺、天臺等，能使雨水較為緩慢地釋放到雨水排放系統(tǒng)中，減少中型暴雨時以下的雨水徑流總量；（2）雨水桶和集雨桶，指與落水管直接相連的中小型容器，能收集和貯存中等體量的雨水，用作小規(guī)模的非飲用功能；（3）雨水種植池/高位植壇，分滲透式和流入式，指能截取來自屋頂雨水的地面種植容器，通過滲透、蒸發(fā)、蒸騰及儲存來減少雨水徑流，削減污染物負荷，不僅能在建筑附近營造戶外植物覆蓋空間，也能為雨水管理創(chuàng)造機會，并為組織和處理戶外空間提供靈感；（4）滲透性鋪裝，指鋪裝的材料和結(jié)構(gòu)能夠促進雨水的吸收和積雪的融化，減少地表徑流總量，并且降低污染物含量；（5）濾水草帶，指緩坡種植區(qū)域，能接受來自毗鄰的不能滲透鋪裝表面的雨水，減緩徑流速度，阻滯沉淀物和污染物，減少小雨時的雨水徑流總量；（6）景觀洼地，指種植渠道或線型低洼地，能臨時儲存和下滲雨水徑流，從而減少小到中大雨時的徑流總量和流速，同時具備濾除一定污染物的能力；（7）滯留池，能長時間保存水的池底做防滲的水池，是雨水鏈最后一個環(huán)節(jié)，其水分可通過溢流或蒸發(fā)而散失，為徑流提供最后的去處。

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4.2雨水鏈景觀系統(tǒng)設(shè)計

充分考慮并合理利用以上各雨水鏈的要素和環(huán)節(jié)，可以指導地塊改造與景觀設(shè)計。根據(jù)各場地的可行性，從雨水鏈中選取可以應(yīng)用的要素，包括雨水種植池、高位植壇、透水性鋪裝，濾水草帶以及生物滯留池等，對原有景觀進行整合和改造，并進行布點串聯(lián)，得到了與場地特色充分融合的雨水鏈系統(tǒng)，通過景觀化的手法予以實現(xiàn)（圖8）。

基于上文思路，將整個學堂路劃分為若干段相對獨立雨水鏈，展開對雨水鏈各環(huán)節(jié)的景觀設(shè)計。節(jié)點A所示為泥沙實驗室，其屋頂排水通過雨落管進入高位植壇（圖9），經(jīng)過石籠網(wǎng)初步過濾而流入雨水種植池，進行第二次過濾，然后通過木平臺下方水渠流入學堂路綠化隔離帶。達到雨水飽和狀態(tài)的分隔帶，會把經(jīng)過濾后的雨水，通過地面明渠徑流的方式溢流至下面的環(huán)節(jié)。在此過程中植物在得到灌溉的同時，雨水也會部分下滲，在進入管網(wǎng)之前已過濾掉大部分固體雜質(zhì)。

節(jié)點B是學堂路南側(cè)的第三教學樓門前平臺空間（圖10）。通過打開半地下空間，作為自行車停車場，平臺上部區(qū)域改造為屋頂花園。雨水經(jīng)屋頂花園調(diào)蓄凈化后的超標部分，流入下層的植物種植池然后再一次過濾，會形成小型景觀瀑布，最后溢流進入地面明渠，進入下一個環(huán)節(jié)。

節(jié)點C（圖11）位于社科人文圖書館北側(cè)的30°斜向草坡。因其目前使用效率不高，所以與整條學堂路改造擬開辟為景觀休閑步道，在提高通行能力的前提下，增強人們在學堂路行走時的景觀體驗，同時也增強學堂路的景觀立面效果。具體把草坡底部改造為臺層式種植池，以緩和暴雨徑流，并對雨水進行適當過濾。不同臺層根據(jù)其蓄水能力種植不同種類植物，如上層臺地多種灌木，配合景觀步道，緩和單調(diào)坡面效果，同時保有更多的水分。下層臺地主要種植季節(jié)性宿根花卉或草本植物，以應(yīng)對季節(jié)性暴雨的暫時積存，并能形成立面的色帶感，美化作用與功能性同樣重要。最后過量雨水流入道路明渠，進入下一個環(huán)節(jié)。

最后，雨水鏈的末端，即在進入道路雨水管網(wǎng)之前的十字路口處設(shè)置雨水種植池（節(jié)點D，圖12）。傳統(tǒng)上常將道路作為排水明渠來使用，但這樣常會在路面上形成巨大的地表徑流，影響行人車通行。因此通過把十字路口中心下凹，形成一處小型環(huán)島下滲池。把雨水引導進入后，最后將過量且經(jīng)過綠地初步處理后的雨水排入市政管道。這樣每個環(huán)節(jié)都能起到緩沖地表徑流的效果，最終削減暴雨時地表徑流的峰值。

針對學堂路的雨水鏈景觀系統(tǒng)方案完成后，通過SWMM模型再一次進行模擬，得出了場地進行改造設(shè)計之后的積水點分布圖，與改造設(shè)計之前相比，積水點數(shù)由28個降為10個，數(shù)量明顯減少，合計削減徑流量6 686m3也在一定程度上證明了LID對于削減產(chǎn)地積水和內(nèi)澇災(zāi)害是有效的。

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5　結(jié)語

一般情況下，恢復自然水循環(huán)需要一定比例的開放土地作為載體，清華校園內(nèi)已建的勝因院雨洪管理景觀系統(tǒng)就屬此類［8］。而清華學堂路案例屬于高密度建成環(huán)境下的低影響開發(fā)探索。在此條件下實現(xiàn)相應(yīng)的雨水管理目標具有不少難度。這也是目前海綿城市建設(shè)在遇到老城區(qū)或已建地區(qū)時的主要難題之一?；凇岸h(huán)”理論，高強度人為活動干擾下的水循環(huán)呈現(xiàn)“自然-人工”二元特性，其實現(xiàn)過程分別是綠色與灰色基礎(chǔ)設(shè)施。對高度密集地區(qū)而言，雨洪管理并非一定要放棄灰色基礎(chǔ)設(shè)施，而是要合理利用各類綠色要素在一定程度上恢復自然水循環(huán)［9］。清華校園自2007年以來，在景觀水文理論指導下，已完成了20多處場地的雨洪管理研究設(shè)計，初步印證了通過水文、景觀、設(shè)計、實施等模塊的分析［10］，可以在低影響開發(fā)流程與雨水鏈景觀系統(tǒng)設(shè)計邏輯之間建立關(guān)聯(lián)性，從而實現(xiàn)整合的雨洪管理與景觀設(shè)計目標。就清華學堂路案例研究而言，具體結(jié)論如下：

（1）通過SWMM建立雨洪模型，對比分析增設(shè)LID措施前后變化，包括通過增設(shè)15 250m2的LID措施（約占學堂路區(qū)域面積的8%），前后期變化顯著：在五年一遇設(shè)計暴雨（P=20%）條件下，徑流系數(shù)從0.87變?yōu)?.66，合計削減徑流量6 686m3，學堂路積水深度明顯下降，對于小型降雨的滯蓄作用明顯。

（2）通過雨水鏈系統(tǒng)的植入，結(jié)合場地建筑、地形、植物和道路等現(xiàn)狀條件，通過改造利用場地現(xiàn)有的綠地景觀元素實現(xiàn)調(diào)蓄、處理并削減徑流總量的目標，并將雨洪管理措施創(chuàng)造性地與場地景觀營造有機融合，使之成為功能性與藝術(shù)性兼得的綠色基礎(chǔ)設(shè)施。

注釋：

①圖2為張益章拍攝，其余圖表均為作者自繪或自攝。

②本研究是清華大學建筑學院景觀學系2015年《景觀水文》課程設(shè)計成果，同時也是2015城市雨洪管理與景觀水文國際研討會海綿校園設(shè)計營工作成果。

（References）：

［1］中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中華人民共和國2014年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報［EB/OL］.（2015-02-26）［2016-02-20］.http：//www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201502/ t20150226_685799.html.

National Bureau of statistics of the people's Republic of China. 2014 National Economic and Social Development Statistics Bulletin［EB/OL］.（2015-02-26）［2016-02-20］.http：// www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201502/t20150226_685799.html.

［2］黃晶.基于GIS的廣州市新河浦社區(qū)城市雨洪模型研究［D］.廣州：華南理工大學，2011.

Huang Jing.Study On The Urban Storm Water Model in XHP，Community Of Guangzhou Based on GIS［D］. Guangzhou： South China University of Technology，2011.

［3］邁克 迪次.低影響開發(fā)實踐：當前研究回顧及未來發(fā)展方向建議［J］.水、空氣、土壤污染，2007， 186：351–363.

Michael E. Dietz .Low Impact Development Practices： A Review of Current Research and Recommendations for Future Directions［J］. Water Air Soil Pollut ，2007，186：351–363.

［4］胡偉賢，何文華，黃國如，馮杰.城市雨洪模擬技術(shù)研究進展［J］.水科學進展，2010，（1）：137-144.

Hu Weixian，He Wenhua，Huang Guoru，F(xiàn)eng Jie.Research progress of urban storm flood simulation technology［J］. Advances in Water Science，2010，（1）：137-144.

［5］路易斯·羅斯曼.雨水管理模型SWMMH（5.0版）用戶手冊［K］.李樹平，譯.俄亥俄州辛辛那提市美國環(huán)境保護局國家風險管理研究實驗室供水和水資源分部，2011.

Lewis A. Rossman.Storm water management model SWMMH （5 edition） user's Manual ［K］. Li Shuping，trans. Water and water resources division of the National Risk Management Research Laboratory of the United States Environmental Protection Agency， Cincinnati， Ohio， 2011.

［6］叢翔宇，倪廣恒，惠士博，田富強，張彤.基于SWMM的北京市典型城區(qū)暴雨洪水模擬分析［J］. 水利水電技術(shù)，2006，（4）：64-67.

Cong Xiangyu，Ni Guangheng，Hui Shibo，Tian Fuqiang，Zhang Tong. Smiulative analysis on storm flood in typical urban region of Beijing based on SWMM［J］. water resources and hydropower engineering， 2006，（4）：64-67.

［7］奈杰爾·鄧尼特，安迪·克萊登.雨水園：園林景觀設(shè)計中雨水資源的可持續(xù)利用與管理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013

Nigel Dunnett， Andy Clayden. Rain Gardens： Managing water sustainably in the garden and designed landscape［M］. Beijing： China Architecture and Building Press，2013

［8］劉海龍，張丹明，李金晨，頡赫男.景觀水文與歷史場所的融合——清華大學勝因院景觀環(huán)境改造設(shè)計［J］.中國園林，2014，（2）：7-12.

Liu Hailong， Zhang Danming， Li Jinchen， Jie Henan. The Merging of Landscape Hydrology with Historical Site—Reconstruction Design of Shengyinyuan， Tsinghua University［J］.Chinese Landscape Architecture， 2014，（2）：7-12.

［9］劉海龍，楊銳.景觀水文：一種融合、交叉的城市雨洪管理指導策略［C］//國際城市雨洪管理與景觀水文學術(shù)前沿——多維解讀與解決策略.北京：清華大學出版社，2015.

Liu Hailong， Yang Rui. Landscape Hydrology： an integrative and interdisciplinary strategy guiding urban stormwater management ［C］//International Urban Stormwater Management and Landscape Hydrology Research： a multidimensional interpretation towards strategies. Beijing：Tsinghu University Press， 2015.

［10］劉海龍.海綿校園——清華大學校園雨洪管理與景觀水文研究與實踐［C］//國際城市雨洪管理與景觀水文學術(shù)前沿——多維解讀與解決策略.北京：清華大學出版社，2015.

Liu Hailong.Sponge Campus： the Landscape Hydrology study and practice on stormwater management in Tsinghua University［C］//International Urban Stormwater Management and Landscape Hydrology Research： a multidimensional interpretation towards strategies.Beijing： Tsinghu University Press，2015.

Storm-water Management and Landscape Design Research on Xue Tang Road of Tsinghua Campus based on the Low Impact Development Technology

LIU Yi-yao GUO Guo-wen MENG Zhen LIU Hai-long

Low impact development raises that maintaining the urban hydrologic cycle by source control. With the widely spread of "sponge city" construction，increasingly attention was paid to LID in the application of urban rain flood management. As one of the key technology in urban flood prevention， storm-water simulation technology could effectively simulate and forecast the rain flood situation of target area when heavy rainning comes. This study has designed the LID measures for Tsinghua campus as well as the Xue Tang Road area， and adopted SWMM model to establish their rain flood model， aiming at comparing the change of storage capacity and the runoff before and after utilizing LID measures and exploring how the LID practices work on Tsinghua campus storm-water management.

Sponge City； Storm-water Management； Low Impact Development； Urban Storm-water Model； Tsinghua Campus

TU986

A

1673-1530（2016）03-0014-06

10.14085/j.fjyl.2016.03.0014.06

2016-02-21

2016-03-15

國家自然科學基金面上項目：基于景觀水文理論的我國城市雨洪管理型綠地景觀設(shè)計方法研究（51478233）資助。

劉一瑤/1993年生/女/清華大學建筑學院景觀學系風景園林碩士生（北京 100084）

LIU Yi-yao， who was born in 1993， is a graduate student of Department of Landscape Architecture， in School of Architecture， Tsinghua University.（Beijing 100084）

郭國文/1987年生/男/清華大學建筑學院景觀學系風景園林碩士生（北京 100084）

GUO Guo-wen， who was born in 1987， is a graduate student of Department of Landscape Architecture， School of Architecture， Tsinghua University. （Beijing 100084）

孟真/1987年生/女/清華大學建筑學院景觀學系風景園林碩士生（北京 100084）

MENG Zhen， who was born in 1987， is a graduate student of Department of Landscape Architecture， in School of Architecture， Tsinghua University. （Beijing 100081）

劉海龍/1976年生/男/清華大學建筑學院景觀學系副教授、博導（北京 100084）

LIU Hai-long， who was born in 1976， is an Associate Professor and PhD supervisor of Department of Landscape Architecture，in School of Architecture， Tsinghua University.（Beijing 100084）

郵箱（Corresponding author Email）：liuhlong@ tsinghua.edu.cn