海綿城市理念下校園綠化場(chǎng)地更新設(shè)計(jì)研究

史志鵬 張根廣 何婷婷 劉美艷

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221116；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；3.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司徐州分公司，江蘇徐州221000)

城鎮(zhèn)化是以農(nóng)業(yè)為主的傳統(tǒng)鄉(xiāng)村社會(huì)向以第二、第三產(chǎn)業(yè)等非農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)為主的現(xiàn)代化城市逐漸轉(zhuǎn)變的過(guò)程[1]。2017年2月，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的 《中華人民共和國(guó)2017年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，2017年末全國(guó)大陸總?cè)丝?39008萬(wàn)人，其中城鎮(zhèn)常住人口81347萬(wàn)人，常住人口城鎮(zhèn)化率為58.52%，戶籍人口城鎮(zhèn)化率為42.35%。據(jù)徐州統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《2017年徐州市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，徐州市2017年城鎮(zhèn)化率為63.8%。城鎮(zhèn)化過(guò)程中，城鎮(zhèn)人口急劇增多，資源需求持續(xù)增大。在一定范圍和程度上，已經(jīng)超出了自然生態(tài)環(huán)境的承載能力，其中城鎮(zhèn)水資源、水環(huán)境，水災(zāi)害問(wèn)題也頻頻發(fā)生[2]。

城鎮(zhèn)化過(guò)程中，人口密度、建筑物密度和工業(yè)用地持續(xù)增加，與此同時(shí)，地面硬化比率持續(xù)提高，導(dǎo)致雨水下滲困難，地表徑流增強(qiáng)，水循環(huán)過(guò)程中地面水量相對(duì)增多，從而出現(xiàn)了較多的內(nèi)澇和洪水災(zāi)害事件。據(jù)相關(guān)研究，在自然條件下，近50%的降雨量會(huì)入滲，40%的水量會(huì)蒸發(fā)，10%的水量會(huì)形成地表徑流。當(dāng)?shù)孛嬗不试?5%～100%時(shí)，下滲水量在15%，蒸發(fā)量在30%，超過(guò)50%的降雨量形成了地表徑流。由此可見(jiàn)，地面硬化是一個(gè)非常重要的因素。而大學(xué)校園往往區(qū)域面積有限、人口集中、路面硬化率也較高，同時(shí)又具有一定的綠地和植被，是落實(shí)“海綿城市”理念，研究 “滲、蓄、滯、凈、用、排”的較好對(duì)象。本文以江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園內(nèi)雨水管理為研究對(duì)象，深入分析了主要內(nèi)澇區(qū)域的形成原因，從低影響開(kāi)發(fā)的角度為各個(gè)區(qū)域提出了對(duì)應(yīng)的低影響措施，可使得區(qū)域內(nèi)降雨就地消散，達(dá)到“海綿”效果。

1 雨水管理方式

傳統(tǒng)的雨水排水方式是利用排水管網(wǎng)、市政管網(wǎng)將雨水、污水等各種水量簡(jiǎn)單直接的排到管網(wǎng)中，實(shí)際上是一種無(wú)管理的排水方式。同時(shí)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期大多在1～3a，而國(guó)外管網(wǎng)的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期普遍在5～10a，重要地域達(dá)到10～30a的標(biāo)準(zhǔn)。在這樣的管網(wǎng)重現(xiàn)期和排水條件下，不可避免會(huì)出現(xiàn)管網(wǎng)的堵塞、排水效率低下、維護(hù)成本高等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著城市內(nèi)澇等水災(zāi)害事件的頻發(fā)，傳統(tǒng)雨水排水的方式引起了人們的重視和思考?！昂＞d城市”概念的提出，如何有效實(shí)現(xiàn) “滲、蓄、滯、凈、用、排”的要求，成為諸多城市及相干科研院所研究的對(duì)象。

在有效實(shí)施 “海綿城市”的進(jìn)程中，各個(gè)國(guó)家、地區(qū)采用了不同的方法[3]。如美國(guó)提出的最佳實(shí)踐管理 (Best Management Practices，簡(jiǎn)稱 BMP)，旨在通過(guò)水塘、濕地等過(guò)濾措施處理污染的水體，同時(shí)盡可能的減輕水體的源頭污染；低影響開(kāi)發(fā)理論 (Low Impact Development，簡(jiǎn)稱LID)，是在BMP的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，利用土壤和植被過(guò)濾雨水，盡量減少對(duì)環(huán)境景觀的影響，通過(guò)分散的、高效率的雨水花園實(shí)現(xiàn)雨水的有效管理。LID更適合于現(xiàn)狀條件下，排水設(shè)施的更新和改造；澳大利亞提出的水敏感城市設(shè)計(jì)(Water Sensitive Urban Design，簡(jiǎn)稱WSUD)，在宏觀尺度上規(guī)劃設(shè)計(jì)水環(huán)境，使局部水循環(huán)與自然環(huán)境中的水循環(huán)融為一體，盡量利用自然生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)有效雨洪管理；英國(guó)提出的可持續(xù)排水系統(tǒng) (Sustainable Drainage System，簡(jiǎn)稱SDS)，該系統(tǒng)在城市尺度上綜合考慮了水量預(yù)測(cè)，水質(zhì)判別和水資源利用，將排水系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展與區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃在一起[4]。

2 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園現(xiàn)狀

2.1 校園雨水管理現(xiàn)狀

江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院地處江蘇省徐州市泉山風(fēng)景區(qū)，占地74.53hm2，建筑面積40萬(wàn)m2。學(xué)校校園三面環(huán)山，新老校園連為一體，校園北面為雙山，南面為牛山，西面為泉山。校園總體地勢(shì)呈現(xiàn)西部高、東部低；老校區(qū)北部高，南部低，新校區(qū)南部高，北部低；新校區(qū)總體高于老校區(qū)。該校園為典型的低山丘陵地形，校園內(nèi)存在較多的坡面，為此地表徑流較為顯著。當(dāng)遭遇短時(shí)強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨時(shí)，校園內(nèi)澇現(xiàn)象頻發(fā)，尤其是地面硬化率高的新校區(qū)，問(wèn)題更為嚴(yán)重。

2.2 校園積水情況統(tǒng)計(jì)

為有效落實(shí) “海綿城市”理念，科學(xué)設(shè)計(jì)校園內(nèi)的綠化排水，調(diào)研統(tǒng)計(jì)了校園內(nèi)的高頻積水點(diǎn)，分析解決校園內(nèi)澇問(wèn)題。首先對(duì)校園劃分為4個(gè)調(diào)研區(qū)域(見(jiàn)圖1)，調(diào)研內(nèi)容包括建筑物名稱、位置、區(qū)域面積、綠化面積、建筑物面積、區(qū)域地勢(shì)、建筑排列方式、積水點(diǎn)，調(diào)研結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 校園調(diào)研區(qū)域劃分

表1 調(diào)研區(qū)域情況匯總

由表1的調(diào)研結(jié)果可知，新校區(qū)的綠化率高于老校區(qū)的綠化率，老校區(qū)的建筑密度高于新校區(qū)的建筑密度；坡地情況下的積水點(diǎn)要少于平坦區(qū)域的積水點(diǎn)。在調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)，建筑物周?chē)访嬗不娣e普遍較大。硬化材料多為不透水的鋪磚，排列又非常緊密。由于坡地與平坦區(qū)域相連，當(dāng)平坦區(qū)域排水效果不好時(shí)，內(nèi)澇情況將更加嚴(yán)重。區(qū)域1的教三樓和區(qū)域3的大學(xué)生活動(dòng)中心周?chē)词堑湫偷陌咐趨^(qū)域1，教三樓和學(xué)生宿舍是行列式分布，幾個(gè)建筑物總體上又是混合式；區(qū)域2，各建筑物是行列式分布；區(qū)域3，可理解為以教一樓為中心的點(diǎn)群式分布；區(qū)域4，各建筑物是典型的行列式分布。建筑物群體的布置型式對(duì)地表徑流有直接的影響。如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)的降水量是一個(gè)整體，那么該區(qū)域內(nèi)的建筑物可起到分散地表徑流，減輕排水負(fù)荷的作用。行列式更利于地表徑流的攔截，點(diǎn)群式可加速地表徑流的排出，但點(diǎn)群式往往路面硬化的總面積要偏高[5]。

通過(guò)調(diào)研分析，校園內(nèi)積水點(diǎn)主要受路面不透水率、區(qū)域地勢(shì)、建筑物布置型式和現(xiàn)狀排水條件等因素造成。

3 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園雨水管理設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

該校園為典型的低山丘陵地形，校園內(nèi)存在較多的坡面，綠化率超過(guò)1/3。雖然新校區(qū)存在一些溝壑，但始終未能有效蓄水，未能發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用。個(gè)別早期蓄水池屬于工程性措施，注重防滲，相互之間流通較少，區(qū)別于自然水體的循環(huán)過(guò)程。在現(xiàn)狀條件下，將整個(gè)校園內(nèi)蓄水體自然連通，影響區(qū)域較大，時(shí)間成本和資金成本均較高，并不是最佳的選擇方案。在此借鑒低影響開(kāi)發(fā)理論 (LID)，結(jié)合校園內(nèi)自然地形和綠化區(qū)域進(jìn)行分區(qū)域規(guī)劃，整個(gè)校園劃分為8個(gè)匯水區(qū)域，設(shè)計(jì)為8個(gè)雨水花園 (圖2)。在各區(qū)域內(nèi)，結(jié)合先進(jìn)的LID設(shè)施，對(duì)區(qū)域環(huán)境進(jìn)行更新設(shè)計(jì)。匯水區(qū)域有利于即時(shí)解決區(qū)域水量，化整為零，從而減小總體徑流量，盡可能避免內(nèi)澇的發(fā)生。

圖2 校園雨水花園規(guī)劃區(qū)域

3.2 低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施設(shè)計(jì)

3.2.1 建筑物屋頂更新設(shè)計(jì)

對(duì)校園內(nèi)建筑物屋頂進(jìn)行綠化改造。在滿足荷載、防水和空間的前提下，根據(jù)種植基礎(chǔ)層深度和景觀植被種類，建筑物屋頂可設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單式和花園式的綠色屋頂。在該校園建筑物中，圖書(shū)館、利亞樓、體育館、大學(xué)科技園、建筑技術(shù)館、建環(huán)樓、行政樓等建筑物屋頂可設(shè)計(jì)為綠色屋頂。簡(jiǎn)單式綠色屋頂?shù)幕|(zhì)深度一般不大于150mm，花園式綠色屋頂在種植喬木時(shí)基質(zhì)深度可超過(guò)600mm，種植土的厚度不宜小于100mm。

3.2.2 校園綠地更新設(shè)計(jì)

該校園綠化比率相對(duì)較高，但是對(duì)雨水的吸納作用一般。校園內(nèi)綠化區(qū)域往往注重地面植被的景觀性，忽視其對(duì)雨水的吸納效果。對(duì)于種植植被時(shí)間較長(zhǎng)的綠化區(qū)域改造成本高，破壞性大，將現(xiàn)有區(qū)域內(nèi)的綠地改造，也可取得較好的效果[6，7]。譬如，區(qū)域1中，圖書(shū)館周邊綠地；區(qū)域2中，大學(xué)科技園周邊綠地；區(qū)域3中，教一樓西側(cè)周邊綠地等成片的綠地可改造為下沉式綠地。下沉式綠地適用于綠地寬度較大的城市道路、建筑小區(qū)以及城市廣場(chǎng)等。周邊雨水宜分散進(jìn)入下沉綠地，當(dāng)雨水集中進(jìn)入下沉式綠地時(shí)應(yīng)在入口處設(shè)置緩沖設(shè)施。下沉式綠地的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是綠地下沉的深度。下沉式綠地的下沉深度應(yīng)根據(jù)植物耐淹性能和土壤滲透性能確定，一般為 100～200mm。

3.2.3 硬化路面更新設(shè)計(jì)

建筑物周邊普遍存在較大面積的硬化路面，尤其是區(qū)域1內(nèi)教三樓周邊的硬化路面面積最大，其次是區(qū)域3內(nèi)大學(xué)生活動(dòng)中心周邊的硬化路面面積次之。路面較高的硬化率造成上述2個(gè)區(qū)域，每逢降雨必定積水的問(wèn)題。透水鋪裝按照面層材料不同可分為透水磚鋪裝、透水水泥混凝土鋪裝和透水瀝青混凝土鋪裝，嵌草磚、園林鋪裝中的鵝卵石、碎石鋪裝等也屬于滲透鋪裝。

土地透水能力有限時(shí)，應(yīng)在透水鋪裝的透水基層內(nèi)設(shè)置排水管或排水板。當(dāng)透水鋪裝設(shè)置在地下室頂板上時(shí)，頂板覆土厚度不應(yīng)小于600mm，并應(yīng)設(shè)置排水層。當(dāng)透水鋪裝對(duì)道路路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性的潛在風(fēng)險(xiǎn)較大時(shí)，可采用半透水鋪裝。

3.2.4 雨水的儲(chǔ)蓄與凈化

在建筑物周邊可考慮采用蓄水池、蓄水罐等設(shè)置積蓄雨水[8]；在自然溝壑可考慮設(shè)計(jì)雨水濕地進(jìn)行雨水的積蓄和凈化，譬如區(qū)域1內(nèi)，利亞樓北側(cè)；區(qū)域2內(nèi)，大學(xué)科技園東南側(cè)；區(qū)域3內(nèi)，圖書(shū)館北側(cè)等區(qū)域均可考慮設(shè)計(jì)為雨水濕地。雨水濕地由進(jìn)出口、濕塘單元、濕地單元、調(diào)蓄區(qū)、泄洪道和堤岸及邊坡組成，濕地形狀根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形及景觀需要等條件確定。一般包括進(jìn)水口、前置塘、沼澤區(qū)、出水池、溢流出水口、護(hù)坡及駁岸、維護(hù)通道等構(gòu)成。

4 結(jié)論

本文以江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園雨水管理為研究對(duì)象，分析了校園內(nèi)澇的主要因素，然后根據(jù)低影響理論 (LID)，初步提出了該校園內(nèi) “海綿系統(tǒng)”構(gòu)建的策略和措施。主要結(jié)論如下：校園內(nèi)澇主要受路面不透水率、區(qū)域地勢(shì)、建筑物布置型式和現(xiàn)狀排水條件等因素影響；初步設(shè)計(jì)了8個(gè)匯水區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)雨水的化整為零，就地消散；提出了屋頂綠化、下沉式綠地、硬化路面改造和雨水濕地4項(xiàng)低影響措施的更新策略，并為各區(qū)域內(nèi)的重點(diǎn)建筑物選擇了合理的低影響措施。