基于雨水利用的高校校園生態(tài)景觀營造

曲鵬慧 于丁一 董澤強(qiáng) 閆曉含 景元蕾 石平

摘要 以沈陽市建設(shè)“海綿城市”為背景，深入分析高校利用雨水設(shè)計(jì)生態(tài)景觀的相關(guān)概念和基本方法，解析兩者之間的關(guān)系。學(xué)習(xí)國內(nèi)外杰出的校園生態(tài)景觀設(shè)計(jì)案例，結(jié)合沈陽市的生態(tài)條件，以東北大學(xué)（渾南校區(qū)）為研究對象，分析沈陽市高校生態(tài)景觀設(shè)計(jì)利用雨水的可行性。采用雨水花園、蓄水池等技術(shù)手段規(guī)劃設(shè)計(jì)建筑館區(qū)的景觀，并對現(xiàn)存的蓄水池適用性進(jìn)行綜合評價(jià)，以期為其他高校利用雨水資源營造校園景觀提供借鑒。

關(guān)鍵詞 沈陽市；高校；雨水高效利用；生態(tài)景觀；干旱與內(nèi)澇

Campus Ecological Landscape Construction Based on the Rainwater Utilization——Taking Northeastern University （Hunnan Campus） as the Research Object

QU Peng-hui， YU Ding-yi， DONG Ze-qiang， SHI Ping* et al

（Jiangho Architecture College，Northeastern University，Liaoning， Shenyang 110169）

Abstract The related concepts and basic methods of using rainwater to design ecological landscape in universities were deeply analyzed by taking the construction of sponge city in Shenyang as the background， while the relationship between rainwater use and landscape design in colleges and universities was analyzed.Taking Northeastern University （Hunnan campus） as the research object， the feasibility of using rainwater in ecological landscape design of university in Shenyang was analyzed， by studying the outstanding ecological landscape design cases at home and abroad， and combing with the ecological conditions of Shenyang City.Rainwater garden and cistern and other technical means were adopted in landscape planning and design of building area， and a comprehensive evaluation of the existing reservoir suitability was made in order to provide reference for other universities to use rainwater resources to build campus landscape.

Key words Shenyang；Campus；Rainwater efficient utilization；Ecological landscape；Drought and waterlogging

高校校園利用雨水資源進(jìn)行生態(tài)景觀營造是一個(gè)系統(tǒng)的、復(fù)雜的和長期的過程，在具體的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，要考慮每一個(gè)雨水利用設(shè)施的細(xì)節(jié)構(gòu)建，處理好校園片區(qū)各個(gè)雨水處理子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，以及對校園雨水系統(tǒng)整體的運(yùn)行進(jìn)行預(yù)先模擬及優(yōu)化，提高雨水處理系統(tǒng)的人工操作性，建設(shè)基于雨水利用的智能的、經(jīng)濟(jì)的、生態(tài)的高校校園景觀。

高校校園內(nèi)高效利用雨水資源在很大程度上可以實(shí)現(xiàn)綠化用水的自給自足，既可以灌溉綠植，涵養(yǎng)地下水源，也可以構(gòu)建水景，增添景觀特色。東北大學(xué)（渾南校區(qū)）利用雨水進(jìn)行生態(tài)景觀的設(shè)計(jì)和實(shí)踐，以點(diǎn)帶面，為沈陽市其他高校的建設(shè)和改造提供值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)沈陽市“海綿城市”的建設(shè)進(jìn)程。

東北大學(xué)（渾南校區(qū)）是對于沈陽市政府建設(shè)“大學(xué)城”策略的積極響應(yīng)。在新校區(qū)建設(shè)中，東北大學(xué)基于政策支持，利用沈陽市地形平坦、雨季降水量大、水源充足和土壤結(jié)構(gòu)滲水性強(qiáng)等自然優(yōu)勢，大膽運(yùn)用雨水利用和校園景觀結(jié)合建設(shè)的新模式，既實(shí)現(xiàn)了校園內(nèi)綠植澆灌用水的自給自足，又提升了校園景觀的豐富度。筆者以渾南校區(qū)建筑館區(qū)場地為具體設(shè)計(jì)對象，利用雨水植草溝、雨水花園、地面透水性鋪裝、人工湖和人工濕地等雨水利用設(shè)施，構(gòu)建校園雨水系統(tǒng)的子系統(tǒng)，對已建成的雨水利用設(shè)施的運(yùn)行情況進(jìn)行綜合評價(jià)，提出蓄水池改造利用方案。

1 研究背景

1.1 沈陽水資源狀況與城市內(nèi)澇問題 沈陽境內(nèi)匯有遼河和渾河等豐富的自然水體，區(qū)域年平均水資源為3.684×109 m3。其中，區(qū)域年平均地下水資源為2.364 8×109 m3；境內(nèi)年地表水利用量為1.319 2×109 m3，約占徑流量的16%[1]。然而，沈陽是一個(gè)嚴(yán)重缺水的地區(qū)，人均水資源為486 m3，約是遼寧省人均占有量的1/2，全國人均占有量的1/5[1]。

沈陽夏季高溫多雨，雨季集中在每年6、7、8月份，內(nèi)澇嚴(yán)重，期間由暴雨引發(fā)城市內(nèi)澇問題[2]，而其他時(shí)間相對干旱，水資源在時(shí)間分配上嚴(yán)重不平衡。

1.2 沈陽市高校利用雨水資源營造生態(tài)景觀的迫切性 高校校園是城市生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要的子系統(tǒng)。沈陽市域內(nèi)大學(xué)校園總面積約為2 881.831 9萬 m2，約占沈陽城市綠地總面積的14.49%，在沈陽市綠地系統(tǒng)規(guī)劃中占有極其重要的地位。截至2016年，沈陽市多所高校出現(xiàn)水資源供應(yīng)不足的情況，伴隨著雨水資源的大量浪費(fèi)，給學(xué)生的正常生活帶來極大的不便，城市內(nèi)澇與城市水資源短缺問題也越發(fā)嚴(yán)重。利用雨水營造生態(tài)景觀，可以有效利用校園中的雨水資源，調(diào)控高校校園中雨水流速，控制雨水徑流量，減輕排水壓力，促進(jìn)地下水的積蓄[3]。

2 雨水利用與高校景觀設(shè)計(jì)的關(guān)系

2.1 高校校園內(nèi)雨水利用 校園景觀是由土地、各種建筑、道路及鋪裝、植物、水體和微生物等實(shí)體組成，土地和建筑物是校園環(huán)境的主要組成部分[4]。高校景觀設(shè)計(jì)與雨水利用的關(guān)系主要是通過校園內(nèi)的土地、水系（池塘）和生態(tài)環(huán)境緊密聯(lián)系在一起的（表1）。

2.2 高校雨水資源有效利用對沈陽市水資源的影響作用 沈陽市范圍內(nèi)高校校園總面積約為2 881.831 9萬 m2，按照沈陽市雨水收集量計(jì)算公式，可以計(jì)算出沈陽高校年收集雨水量約為8.801×106 m3（校園規(guī)劃中一般按照建筑密度不高于30%，綠化率不低于40%，該研究均取臨界值），是沈陽境內(nèi)正常年地表水利用量的6.67×10-3倍，在沈陽市存量水資源中占有重要地位，有效緩解沈陽市旱季缺水的現(xiàn)狀。校園內(nèi)收集的雨水既可匯入高校水循環(huán)系統(tǒng)，涵養(yǎng)地下水源，又可以用作植物灌溉用水和景觀建設(shè)，減少市政水網(wǎng)系統(tǒng)對高校的投入，自給自足，加速其他設(shè)施的建設(shè)。

3 國內(nèi)外案例研究

3.1 國內(nèi)案例

3.1.1 項(xiàng)目簡介。沈陽建筑大學(xué)位于東北地區(qū)南部，以平原地形為主。校區(qū)位于沈陽市渾南新區(qū)，占地約100 hm2。校園整體的景觀設(shè)計(jì)與功能分區(qū)聯(lián)系密切，包括以科研教學(xué)為主的人工生態(tài)區(qū)和以人工河、微型生態(tài)保護(hù)區(qū)為主的半自然生態(tài)區(qū)。校園綠化覆蓋率達(dá)到50%，水域面積約3.5 hm2。整體景觀設(shè)計(jì)采用低影響開發(fā)（LID）技術(shù)思想，減少和削減洪峰流量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

3.1.2

景觀營造和雨水利用。在設(shè)計(jì)中，模擬了自然水循環(huán)，并結(jié)合源頭控制的概念，對雨水資源的保護(hù)與利用進(jìn)行了探討。設(shè)施裝置按照功能可分為2部分：雨水存蓄裝置和調(diào)蓄裝置。其中，存蓄設(shè)施主要包括雨水花園、濕塘、生態(tài)樹池、雨水濕地及蓄水罐；調(diào)蓄設(shè)施包括引水溝和生態(tài)溝。

具體雨水利用方式如下：①建筑屋面雨水利用。將屋頂雨水收集排入中央水系進(jìn)行過濾、凈化處理，對于難以直接匯入中央水系的雨水，利用蓄水罐進(jìn)行暫處理，同樣達(dá)到清潔、綠化的目的，提高了建筑屋面雨水的利用效率。②廣場道路雨水利用。將道路雨水收集、匯入綠地，減少透水性鋪裝的消耗，有效利用了道路廣場中的雨水。③綠地雨水利用。建設(shè)引水溝設(shè)施，地面的雨水被排入生態(tài)樹池。當(dāng)原有的樹池面積不能滿足蓄水需要時(shí)，擴(kuò)大樹池面積或在雨水花園附近建設(shè)，以滿足當(dāng)?shù)赜晁{(diào)蓄的需要[5]。④水循環(huán)系統(tǒng)。將稻田種植利用的地下水與屋面、綠地和道路廣場等利用的雨水銜接，形成良好的水循環(huán)系統(tǒng)，既能充分利用雨水資源，又能夠充分利用稻田的凈化功能。

3.2 國外案例 波特蘭州立大學(xué)設(shè)計(jì)中對于雨水的利用主要體現(xiàn)在宿舍樓建筑中，建筑設(shè)計(jì)堅(jiān)持可持續(xù)的理念，充分發(fā)掘和利用新型技術(shù)，提高雨水的利用率，其平面圖如圖1所示。

具體雨水利用方式如下：①雨水庭院。建筑屋面雨水通過落雨管排放到位于地面的防濺水池中，雨水在流動(dòng)過程中經(jīng)歷一定的過濾作用，池中的雨水沿著“河溝”排入種植區(qū)，充分利用雨水。降雨強(qiáng)度較大的時(shí)期，雨水超過了河溝的運(yùn)送能力，通過溢流管將防濺水池中的水排到雨水種植區(qū)，緩解積蓄壓力。②雨水積蓄池。宿舍開敞空間中建設(shè)有4個(gè)防濺水池、5個(gè)雨水種植區(qū)。匯入種植區(qū)的雨水經(jīng)過土壤層和砂礫層后滲透進(jìn)入種植區(qū)底部，經(jīng)過穿孔管的過濾排入積水構(gòu)筑物。雨水超過種植區(qū)30 cm 的路沿就會(huì)匯入到雨水積蓄池中，形成良好的雨水利用體系。③集水坑。雨水經(jīng)過過濾后從積蓄池流匯入集水坑，經(jīng)過井泵加壓后將水輸送到廁所或者灌溉管道。雨水需要經(jīng)過紫外線消毒的預(yù)處理，壓力開關(guān)在水位低于8 cm時(shí)將會(huì)自動(dòng)停泵；當(dāng)水位漲至15 cm時(shí)，水就會(huì)通過溢流口排入臨近的雨水管理系統(tǒng)[6]。

4 東北大學(xué)（渾南校區(qū)）雨水利用途徑與雨量計(jì)算

4.1 東北大學(xué)（渾南校區(qū)）簡況 東北大學(xué)（渾南校區(qū)）位于沈陽市渾南新區(qū)創(chuàng)新路195號(hào)，校區(qū)總面積約為89萬 m2，規(guī)劃期末建筑總面積達(dá)97萬 m2。目前校區(qū)已投入使用的建筑包括建筑樓、信息樓、生科樓、文管樓及宿舍、食堂和浴池等公共建筑，總計(jì)11棟建筑，校區(qū)學(xué)生人數(shù)約為12 000人。

東北大學(xué)（渾南校區(qū)）2016年年平均用水量為84 230 m3，其中雨季期間校園用水量較大，約為92 300 m3，冬季少雨期間約為76 700 m3，時(shí)間維度上存在不均衡性。

4.2 沈陽市雨水利用優(yōu)勢 通過對沈陽市相關(guān)資料文獻(xiàn)的查詢，經(jīng)過一定的實(shí)地考察，分析總結(jié)沈陽市高校雨水利用的優(yōu)勢如下。

（1）自然優(yōu)勢。沈陽市的地形較為平坦，氣候適宜，四季分明，是高校建設(shè)優(yōu)秀景觀的重要前提。

（2）雨季雨水充足。沈陽市降雨集中在每年的6、7、8月的雨季，降雨量充足，是高校利用雨水營造景觀的基礎(chǔ)條件。

（3）土壤結(jié)構(gòu)利于雨水滲透。沈陽的土壤結(jié)構(gòu)有利于雨水的滲透，補(bǔ)充地下水資源，有益于地下水的積蓄和水文循環(huán)。

（4）河流資源豐富，形成良好的雨水利用系統(tǒng)。沈陽市境內(nèi)存在多條河流，流經(jīng)范圍廣闊，可以將校園景觀營造過程中富余的雨水排入河流內(nèi)，充分利用天然的雨水循環(huán)系統(tǒng)。

（5）政策支持。沈陽市要以生態(tài)城市規(guī)劃為重要核心，力爭“海綿城市”試點(diǎn)資格，鼓勵(lì)和支持相關(guān)理念的工程和項(xiàng)目。

4.3 相關(guān)理論 從景觀形式的角度考慮，雨水利用的途徑主要有屋頂雨水景觀、雨水花園、蓄水設(shè)施景觀、滲透地面鋪裝、水質(zhì)凈化生態(tài)設(shè)施、雨水基礎(chǔ)設(shè)施（雨水井、雨水口）等[7]。雨水利用技術(shù)主要包括雨水收集技術(shù)、雨水儲(chǔ)存技術(shù)、雨水入滲技術(shù)和雨水處理技術(shù)等[8]。

沈陽市在利用雨水花園進(jìn)行景觀營造時(shí)，需酌情考慮自身冬季嚴(yán)寒少雨，夏季雨量充足，雨季集中的氣候條件、景觀設(shè)施和地域文化等，走可持續(xù)發(fā)展之路。

4.4 校園雨水利用途徑 直接回收利用：將屋頂、路面和其他方式收集的雨水經(jīng)過濾網(wǎng)簡單的過濾后，直接用于校園內(nèi)植物的灌溉和景觀蓄水，或者作為公共用水進(jìn)入校園水循環(huán)系統(tǒng)，節(jié)約用水。

間接處理利用：雨水經(jīng)過一定的滲透裝置，補(bǔ)充地下水。在允許土地空間和土壤滲透性良好的情況下，利用洼地、水池或池塘進(jìn)行雨水的收集，進(jìn)行地表蓄水和入滲。同時(shí)，可利用滲透井、滲透管（排水管）、雨水花園、下沉式綠地等典型增深設(shè)施補(bǔ)充地表土壤的滲透性能[9]。

5 東北大學(xué)（渾南校區(qū)）校園雨水利用方法

5.1 雨量計(jì)算

5.1.1 數(shù)據(jù)來源。通過近50年來沈陽市的雨水資料統(tǒng)計(jì)，沈陽市降水季節(jié)性差異較大，降雨集中在6—8月份的雨季，可以充分利用該時(shí)期的降水特征，收集、利用雨水，反哺生態(tài)環(huán)境，豐富校園景觀設(shè)計(jì)。

5.1.2 徑流系數(shù)法。徑流系數(shù)計(jì)算法的影響參數(shù)為不同覆蓋面類型的徑流系數(shù)及有效匯水面積，在確定地區(qū)年平均降水量的前提下，計(jì)算出該地區(qū)的雨水收集量，原理易懂，計(jì)算過程簡單，計(jì)算結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。

結(jié)合沈陽市近50年的降水資料，通過徑流系數(shù)法計(jì)算東北大學(xué)（渾南校區(qū)）和建筑館區(qū)的設(shè)計(jì)雨水收集量[10]。

5.1.3 雨水收集計(jì)算。雨水收集量Q計(jì)算公式如下：

Q=S×q1×φ （1）

式中，S為匯水面積（m2），q1為地區(qū)年均降水量（m），φ為徑流系數(shù)。

沈陽市年均降水量（1976—2014年）約為678.8 mm，不同覆蓋面徑流系數(shù)不同，參照單一覆蓋徑流系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)得研究對象建筑屋面徑流系數(shù)為0.90，道路和廣場（以干砌磚石和碎石路面為主）徑流系數(shù)為0.40，綠地和草地徑流系數(shù)為0.15。

東北大學(xué)（渾南校區(qū)）用地總面積為89.17萬 m2，其中，建筑屋面總面積為26.7萬 m2（已建），道路和廣場總面積為23.1萬 m2（按照規(guī)劃期末道路廣場用地比30%計(jì)），綠地和草地總面積為35.67萬 m2（按照規(guī)劃期末綠地率40%計(jì)）。根據(jù)雨水收集量公式計(jì)算，（渾南校區(qū)）校園范圍內(nèi)可以有效收集雨水262 155.95 m3，規(guī)劃期末雨水收集量遠(yuǎn)高于此，豐富的雨水收集量為東北大學(xué)（渾南校區(qū)）的景觀設(shè)計(jì)提供了充足的基礎(chǔ)資源，擁有巨大的發(fā)展前景。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年

5.2 東北大學(xué)（渾南校區(qū)）校園雨水利用方法

5.2.1 下凹式綠地。

（1）雨水植草溝。植草溝是在校園道路兩側(cè)，利用綠地低洼處或者人為溝槽種植水生植物的溝渠，以鵝卵石鋪裝為主，對雨水進(jìn)行一定的過濾和凈化作用。同時(shí)也形成一定的徑流通道，調(diào)節(jié)地表徑流（圖2、3）。

植草溝在校園景觀中的應(yīng)用有一定的限制。對于雨水量偏小的地區(qū)，雨水植草溝具有很高的生態(tài)效益，不僅能改善雨水的質(zhì)量，還能暫時(shí)儲(chǔ)蓄雨水，降低徑流速度，雨水經(jīng)過植草溝的過濾和凈化作用之后滲入補(bǔ)充地下水；雨水量較大或者內(nèi)澇的情況下，植草溝的服務(wù)能力就會(huì)顯得不足。

（2）雨水花園。雨水花園是利用雨水的新型景觀形式，在生態(tài)城市和可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要地位。在高校景觀系統(tǒng)中，雨水花園發(fā)揮的主要功能包括雨水收集、過濾、凈化和再利用，調(diào)節(jié)控制高校景觀系統(tǒng)中的雨水。在高校較常見的雨水利用方式中，雨水花園對于雨水的處理利用能力強(qiáng)于植草溝，雨水調(diào)蓄量和凈化利用效率都高于植草溝。同時(shí)，雨水花園可以為高校景觀建設(shè)提供更豐富的植物種類和景觀形式，提高校園景觀的觀賞性（圖4）。

常規(guī)的雨水花園由蓄水層、覆蓋層、種植層、砂層和礫石層5部分組成，在雨水花園的上面設(shè)置溢流口（圖5）。

5.2.2 透水性鋪裝。透水性鋪裝，常見于生活中的景觀路面或地面鋪裝，采用一定的技術(shù)手段，使雨水透過路面，直接進(jìn)入路基的人工鋪裝。

透水性鋪裝面層和基層都要具有良好的透水性結(jié)構(gòu)，與普通路面鋪裝材料相比，透水路面材料在校園景觀設(shè)計(jì)中具有較大的發(fā)展?jié)摿?。校園規(guī)劃中，大面積廣場和綠地中的小徑鋪設(shè)透水性鋪裝，補(bǔ)充校園地下水源，調(diào)洪蓄水，吸收太陽輻射，降低校園溫度，生態(tài)效益突出（圖6、7）。

5.2.3 人工湖。在校園內(nèi)的公園、廣場和其他景觀節(jié)點(diǎn)處，水景通常都是大多數(shù)教師和學(xué)生的集聚地。水景富有活力的表現(xiàn)形式給校園帶來了不同的體驗(yàn)。我國在校園內(nèi)的公園、廣場和其他景觀節(jié)點(diǎn)處的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，也是以豐富多彩的水景來提高整體生態(tài)環(huán)境的觀賞性。高校內(nèi)常見的人造水景有人工湖、噴泉、跌水和水景墻等（圖8）。

5.2.4 人工濕地。人工濕地與自然界的濕地相似，是人工建造的雨水處理生態(tài)系統(tǒng)。其構(gòu)造是將土壤和填料按一定

坡度填充組成填料床，設(shè)置在一定坡度和長寬比的洼地中，在填料的表層土壤中種植一些高成活率、生長周期長、凈水效果好，既美觀又具有景觀價(jià)值的水生植物[11]，在校園中模擬小型生態(tài)系統(tǒng)，收集利用雨水資源，反哺校園生態(tài)系統(tǒng)，形成良性循環(huán)。

5.3 建筑館區(qū)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)

5.3.1 蓄水池適用性綜合評價(jià)。建筑館區(qū)現(xiàn)存一個(gè)長85.825 m，寬5.525 m，深0.35 m的景觀水池（圖9）。該水池長期處于枯水狀態(tài)，雨季期間也未能長期存蓄雨水，不能二次利用雨水資源。該設(shè)計(jì)研究中將該景觀水池作為雨水利用系統(tǒng)中的蓄水池進(jìn)行改造，既作為校園中的特色景觀，又是校園雨水系統(tǒng)中不可或缺的一部分，二次利用雨水資源，提供充足的綠化水源。

（1）初期徑流棄流量q0（m3）。

q0=10×γ×S（2）

式中，γ為初期徑流棄流深度（mm），研究中根據(jù)沈陽市雨季降水量統(tǒng)計(jì)資料確定深度為3 mm，S為匯水面積（萬 m2）。

（2）地區(qū)暴雨強(qiáng)度q（L/s·104 m2）。

q=1984（1+0.77lgp）/（T+9）0.77 （2014年） （3）

式中，P為重現(xiàn)期（年），T為降雨歷時(shí)，即連續(xù)降雨的時(shí)段（min）。

（3）設(shè)計(jì)雨水流量Q（L/s）。