基于MapGIS平臺的海綿校園設(shè)計

吳紅波，楊肖肖，賈欣

(1.陜西理工大學(xué)地理科學(xué)系，陜西 漢中 723000；2.西北大學(xué)陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室，陜西 西安 710127；3.北京交通大學(xué)市政與環(huán)境工程系，北京 100044)

1 引 言

在城鎮(zhèn)化建設(shè)和城市人口劇增的背景下，城市水網(wǎng)建設(shè)由于設(shè)計觀念的落后和規(guī)劃中的疏忽，河流生態(tài)環(huán)境、城市供水、城市內(nèi)澇等問題日益突出[1]。道路硬化和排水管網(wǎng)取代原有的自然排水通道，水的滲透能力弱[2]，每逢大雨暴雨，排水系統(tǒng)未能及時將雨水排放，引發(fā)雨水溢流和城市內(nèi)澇。一方面，雨水的漫流排放使城市中70%的雨水白白流失，未得到有效利用[3]，另一方面，城市用水主要從水庫、河流或者區(qū)外調(diào)水。為此，2013年中國政府提出了一種新的城市發(fā)展模式“海綿城市”概念，旨在有效地管理城市雨水，提高城市應(yīng)對水資源問題的能力[4]。

為應(yīng)對城市水短缺危機和生態(tài)環(huán)境問題，在借鑒歐美各國對城市雨水收集和回用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上[5]，自2014以來，我國大力推廣“海綿城市”的城市建設(shè)理念和技術(shù)[6]，各地相繼開展海綿城市試點建設(shè)工作，通過各種先進的技術(shù)手段優(yōu)化整合各類資源[7，8]，建立一系列阻止徑流、控制洪水、補給地下水和回用雨水的基礎(chǔ)設(shè)施[9]，改善城市生態(tài)環(huán)境狀況，使生活更便捷舒適，讓城市更全面發(fā)展。為了對城市各類資源的信息有效描述與管理，地理信息技術(shù)能對空間實體和自然地理現(xiàn)象實時獲取、高效地處理和模擬[10]，推進城市地理空間建設(shè)在大范圍的、全方位的、深層次的智能化應(yīng)用[11]，為智慧城市和海綿城市建設(shè)的大數(shù)據(jù)分析和管理提供技術(shù)支持。目前，低影響開發(fā)(Low Impact Development，LID)理念的“海綿校園”[12]、智慧校園水務(wù)[13]、海綿社區(qū)建設(shè)，鮮有報道[14]。Hu等分析了陜西省西咸新區(qū)秦皇大道雨水排水系統(tǒng)的局限性及其環(huán)境背景[15]，將LID技術(shù)的原理和要求應(yīng)用于改造工程的設(shè)計和規(guī)劃。鄧仕虎等利用地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)空間分析平臺和信息化技術(shù)研發(fā)了海綿城市模擬評估系統(tǒng)(Uwater-Drainage)[16]，李力等按照低影響開發(fā)理念實現(xiàn)海綿校園的建設(shè)，闡述了海綿校園對城市化的貢獻和對生態(tài)環(huán)境的影響[17]。因此，作為城市重要組成部分，高校校園不僅具有良好的場地條件和綠化面積，也擁有較大的節(jié)水空間，有利于強化雨水資源的合理利用。

為了促進校園排水系統(tǒng)的更新和提高雨水利用率，本文以陜西省漢中市某高校校園為研究對象，基于LID理念和GIS空間分析技術(shù)，分析校園規(guī)劃的功能分區(qū)與排水現(xiàn)狀基本情況，采用雨污分流和其他現(xiàn)代工程措施，探討各功能區(qū)內(nèi)雨水收集、處理、綜合利用的可能性，旨在為校園綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)劃提供可行性方案，建設(shè)一個可持續(xù)的、生態(tài)友好的智慧校園。

2 海綿校園設(shè)計與方法

2.1 用地現(xiàn)狀

利用MapGIS軟件對陜西省漢中市某高校的構(gòu)筑物、綠地、道路、廣場、人工湖等地物矢量化，校園二維平面圖如圖1所示。由于校園地勢平坦，忽略投影過程中多邊形形變的面積誤差，校園總面積為 44.6萬m2，其中，建筑物、廣場、路面、水體和硬質(zhì)鋪裝的面積，如表1所示。

圖1 陜西省漢中市某高校校園平面圖

校園用地基本情況 表1

2.2 地理環(huán)境

研究區(qū)坐落于陜西省漢中市，屬于亞熱帶氣候作用區(qū)，北有秦嶺屏障，寒流不易侵入，氣候溫和濕潤，季節(jié)降水量分配差異明顯。1951年～2016年漢中氣象臺站的氣象資料顯示，如圖2(a)所示，年降水量最小值為 425.7 mm，最大值為 1 219.0 mm；夏季降水量充沛，多年平均降水量占全年的48.5%，冬季多年平均降水量最少，占全年的5.0%，如圖2(b)所示。

圖21951年～2016年期間漢中市年降水量和月均降水量

2.3 技術(shù)路線

首先，利用MapGIS的屬性表統(tǒng)計出校園教師生活區(qū)、學(xué)生公寓樓、教學(xué)辦公樓、廣場與硬質(zhì)鋪裝、綠化、道路和湖泊面積；其次，通過查閱大量文獻及資料，分析漢中市氣候狀況、降水規(guī)律，找出下墊面對雨水的控制及影響；再次，明確雨水溢流出路、溢流水位標高、地形標高，排水方向、低洼地、下墊面、土壤情況、適宜植被的屬性編輯和地理編碼；最后，通過GIS空間分析做管網(wǎng)線路設(shè)計與規(guī)劃，采用集中與分散相結(jié)合的處理方式將校園土地合理布局，控制校園雨水徑流量，減少雨水污染與流失，實現(xiàn)雨水回收與利用，技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線

2.4 匯水分區(qū)計算

在任一地區(qū)，校園內(nèi)建筑表面的降水量pcampus計算為[19]：

pcampus=Rcampus×paverage

(1)

式中，Rcampus為校園內(nèi)建筑面積占校園面積比重，%；paverage為1951年～2016年漢中市區(qū)多年降水量平均值，mm。

海綿校園內(nèi)的年徑流截留量為：

Rin=Rcampus×Acampus×α

(2)

式中，Acampus是海綿校園的海綿體面積，km2；α是海綿校園年徑流量的截留率，%。

日雨水徑流量wd為：

wd=0.7×10×ψr×hp×A匯水

(3)

式中，wd為日雨水徑流量，m3；ψr為雨水徑流系數(shù)；hp為最大日降水量；A匯水為匯水面積，m2。

雨水可利用量w為：

w=wd-wq

(4)

式中，wq為棄流雨水量，徑流初期下滲。

結(jié)合場地條件、雨水管網(wǎng)位置和景觀要求，劃定匯水分區(qū)；匯水分區(qū)盡可能是獨立的匯水單元，在每個匯水分區(qū)的低洼地設(shè)置溢流管道或者調(diào)蓄泵站；按照《海綿城市專項規(guī)劃》，明確每個地塊所在排水分區(qū)的年徑流總量控制率和設(shè)計降水量。當(dāng)?shù)陀绊戦_發(fā)設(shè)施以徑流總量和徑流污染為控制目標進行設(shè)計時，依據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南-低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》中的容積法進行各個匯水分區(qū)的調(diào)蓄容積計算：

Vc=10×pc×φ×AF

(5)

式中，Vc為計算調(diào)蓄容積，m3；pc為設(shè)計降水量，mm；φ為綜合雨量徑流系數(shù)(按下墊面狀況加權(quán)平均計算)；AF為單個分區(qū)匯水面積，m2。

在宏觀規(guī)劃尺度上，年徑流總量控制率是影響前端規(guī)劃方案形成的主導(dǎo)要素，年徑流總量控制率可由長序列法、典型年法、外排徑流系數(shù)法、逐日水量平衡法等方法確定，公式為：

(6)

式中，C年徑流總量控制率為年徑流總量控制率，控制在80%≤α≤85%，A總面積為匯水總面積。

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GB50015-2009(2009版)中4.9.6規(guī)定，給排水設(shè)計中雨水設(shè)計徑流系數(shù)取值可按表2，居住小區(qū)、公共建筑區(qū)、民用建筑給水排水設(shè)計，亦適用于工業(yè)建筑生活給水排水和廠房屋面雨水排水設(shè)計。

不同下墊面的徑流系數(shù) 表2

2.5 設(shè)計思路

(1)雨污分流

為實現(xiàn)校園內(nèi)雨水收集及再利用，首先阻斷排向塘中污水源，改造管網(wǎng)實現(xiàn)雨污分流，人工湖北側(cè)、西側(cè)、南側(cè)雨水、污水進行分流，北側(cè)和東側(cè)的雨污管網(wǎng)統(tǒng)一換成DN800的承插式水泥管，廢除原來的管道，新鋪設(shè)兩根DN800的雨水和污水的管道，達成雨污分流的目的。把排水和給水管網(wǎng)作為系統(tǒng)工程對待，把收集的雨水轉(zhuǎn)變?yōu)樾@綠化和景觀用水，雨水收集流程如圖4所示。

圖4雨水收集流程圖

(2)雨水收集

傳統(tǒng)校內(nèi)道路、廣場混凝土和花崗巖等為不透水鋪裝，暴雨時節(jié)地表徑流量大，改造后用透水鋪磚，未來得及排放的雨水，通過人工生態(tài)湖和周邊散流雨水收集。通過對各個分區(qū)雨污分流，雨水管中的雨水經(jīng)過棄流井，將干凈的雨水導(dǎo)入人工湖。雨水流經(jīng)濕地走廊和下沉式綠地時，一部分雨水滲入土壤，一部分雨水中的污染物質(zhì)可以通過植物系統(tǒng)和種植土壤填料去除，植被草溝和綠地具有一定的調(diào)蓄容積。雨水調(diào)蓄池既可有效削減洪峰流量，也減少雨排管道利用，減輕校園內(nèi)澇風(fēng)險。校園廣場和路面雨水徑流主要通過道路兩側(cè)的生態(tài)水溝排出，同時在硬質(zhì)鋪裝的兩側(cè)低洼處匯集、蒸發(fā)和下滲。

(3)雨水存儲與水質(zhì)保持

為了改善雨水存儲池、人工湖、集水池和綠化用水池的水質(zhì)，沿硬質(zhì)駁岸增加防滲墻。人工湖池底適當(dāng)鋪設(shè)防滲毯，防止池水滲漏，使得水位和水質(zhì)處于合理達標狀態(tài)。人工湖水質(zhì)保持采取生態(tài)凈化方法，栽種挺水植物、浮水植物、沉水植物面積約 1 000 m2，并投放少量錦鯉、泥鰍、草魚、草龜維持水域生態(tài)平衡。設(shè)置泵機管道對池水進行循環(huán)；每日定期開啟噴泉，增加湖水溶解氧含量，供魚類和水栽植被呼吸。

2.6 設(shè)計方案

根據(jù)海綿校園技術(shù)特點，將校園劃分為濕地走廊(Ⅰ分區(qū))、下沉式綠地(Ⅱ分區(qū))、雨水花園(Ⅲ分區(qū))、雨水滲透池(Ⅳ分區(qū))4類收集雨水，屋頂花園、透水鋪裝用于改造校園房屋建筑、硬質(zhì)鋪裝，如圖5所示。選擇合適的海綿校園技術(shù)手段，將各局部海綿基礎(chǔ)設(shè)施實施方案擬定出來，對海綿體(單元)進行技術(shù)性改造，每一個有蓄水功能海綿設(shè)施，還需要標明其所在區(qū)塊面積、設(shè)施面積、有效深度和有效容積等指標，使大部分的雨水都可以被收集利用，防止雨水資源的流失，實現(xiàn)了收水、蓄水、用水循環(huán)的可持續(xù)生態(tài)校園。

圖5 海綿校園的分區(qū)圖

3 結(jié)果與分析

3.1 海綿結(jié)構(gòu)單元設(shè)計

(1)濕地走廊

學(xué)校I分區(qū)的路兩側(cè)都是開放的草坪，宜采用濕地走廊形式匯集雨水，如圖6所示。由于走廊周圍草地地勢較高，不利于雨水的匯集，改造時將道路兩邊草地挖低，構(gòu)建斜坡式草坪；在道路兩旁，模擬自然雨水處理方法，建造生態(tài)溝。此方案改造難度小，有利于豐富校園景觀，將濕地與走廊聯(lián)系起來。

圖6濕地走廊建設(shè)效果及結(jié)構(gòu)示意圖

(2)下沉式綠地

行政樓后有綠地2塊，總面積大約10 000 m2，將平地挖成自然狀態(tài)，保證雨水溢出口處于凹地中，建造下沉式綠地可吸納校園Ⅱ分區(qū)雨水，如圖7所示。下沉式綠地一般要求比周圍地表高度低5 cm～25 cm，雨水可直接匯入下凹的綠地中，形成調(diào)蓄水池。下沉式綠地與場地規(guī)劃設(shè)計結(jié)合，與透水鋪裝搭配，使產(chǎn)生的徑流雨水流入雨水井和調(diào)蓄水池，此設(shè)施對雨水的吸收能力強。

(3)雨水花園

校園Ⅲ分區(qū)中有一片正方形廢置地，面積約 9 000 m2，可通過雨水花園收集雨水，雨水花園設(shè)計位置選在此處，如圖8所示。通過人工挖掘、土質(zhì)改善與草地建設(shè)使其形成淺凹綠地，此地將雨水匯聚并吸收來自屋頂或地面雨水，通過植物、沙土的阻濾作用使雨水得到凈化，使雨水得以重新利用。在栽培植物的選擇上應(yīng)優(yōu)先選用根系發(fā)達、莖葉繁茂、凈化能力強的植物，也可相互搭配種植的植物，使花園內(nèi)植物豐富多樣。雨水花園其為一項生態(tài)可持續(xù)的雨洪控制與雨水利用設(shè)施，解決校園綠化用水問題、促進校園景觀建設(shè)。

圖7下沉式綠地建設(shè)效果及結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 雨水花園建設(shè)效果及結(jié)構(gòu)示意圖

(4)雨水滲透池

人工生態(tài)湖的面積約有6 000 m2，綠地環(huán)繞湖面周圍，是雨水循環(huán)利用的存儲池，用于收集匯聚校園Ⅳ分區(qū)的雨水，如圖9所示。滲透池具有面積較大、蓄水容量較大、凈化能力強、效率高、景觀效果強的特點，通常由透水管層、沙滲層、水池組成。

圖9雨水滲透池改造效果及結(jié)構(gòu)示意圖

(5)綠色屋頂

綠色屋頂旨在建立一個真正的生態(tài)系統(tǒng)，有效利用土地資源，形成立體綠化，具有降低室內(nèi)溫度，儲存雨水等作用。校園構(gòu)筑物屋頂面積約 136 000 m2，建筑物面積較大，屋頂坡度較小，大大提高校園綠化覆蓋率。綠色屋頂?shù)慕ㄔ旖Y(jié)構(gòu)層從下到上一般由基礎(chǔ)層、屋頂防水層、植物根阻層、隔離層、排水過濾層、營養(yǎng)圖層、植物層組成，如圖10所示。綠色屋頂可大幅改善硬質(zhì)鋪裝所引發(fā)的熱島效應(yīng)，改善校園小氣候，有效吸收噪音，凈化空氣，為師生創(chuàng)造一個安靜的學(xué)習(xí)環(huán)境。

圖10綠色屋頂效果及結(jié)構(gòu)示意圖

(6)透水鋪裝

透水鋪裝主要針對硬化道路、硬質(zhì)鋪裝廣場等場地而設(shè)計，總面積達 164 000 m2，灰色基礎(chǔ)設(shè)施面積大，透水鋪裝主要用于硬化鋪裝的改良，傳統(tǒng)的硬化鋪裝不具吸水能力，造成雨水大量徑流，雨水不能及時下滲，不能使內(nèi)澇及時得到調(diào)節(jié)。而透水鋪裝具有較強的透水性，水體在透水材料的下滲過程中，使得懸浮物過濾并截留，在對雨水進行預(yù)處理時，也滲透補給了地下水，其通常由路床、砂墊層、基層、緩沖層、透水層組成，如圖11所示。此外，透水鋪裝不僅只是透水，還具有降溫、降噪、防水膜、防炫光等功能。

圖11透水鋪裝效果及結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 經(jīng)濟效益

根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，參考北京地區(qū)低影響開發(fā)設(shè)施單價和市場上雨水收集地埋式一體化設(shè)備單價，總投資 2 584.0萬元，工程成本如表3所示。

海綿校園低影響開發(fā)設(shè)施及設(shè)備造價表 表3

2015年漢中市水價(行政事業(yè)類)為3.36元/m3，年雨水水源利用 261 048 m3，可節(jié)約 3.36×261048 m3≈87.7萬元。據(jù)分析，為減輕污染每投入1元可減少環(huán)境損失為3元，即投入產(chǎn)出比1∶3。國家環(huán)境保護部《排污費征收標準管理辦法》規(guī)定：污水排污費按排污者排放污染物的種類、數(shù)量以污染當(dāng)量計征，每一污染當(dāng)量征收標準為0.7元。城市管網(wǎng)中每立方米的運行費用為0.08元，故減少的環(huán)境損失費為18.28萬元，管網(wǎng)運行費為2.08萬元，每年雨水回用的經(jīng)濟效益總值為108.1萬元。

4 結(jié) 論

高校校園是處于城市中的相對獨立場地，將海綿校園建設(shè)作為海綿城市建設(shè)的示范點和試驗田，旨在探索高校校園雨水收集、景觀回用和雨水綠化管理相結(jié)合的方法，基于低影響開發(fā)理念LID對高校校園“灰色”設(shè)施進行嘗試性改造，提高水資源利用率、降低雨洪內(nèi)澇風(fēng)險，維持水體生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。主要結(jié)論：

(1)海綿城市建設(shè)是系統(tǒng)性的過程研究，需要因地制宜，結(jié)合自然地理環(huán)境、氣象氣候和水文地質(zhì)因素綜合考慮，在實地調(diào)查和分布式徑流模型模擬基礎(chǔ)上進行雨水截留量估計。

(2)雨水收集技術(shù)應(yīng)用在校園整體規(guī)劃和功能布局上，不拘泥于經(jīng)驗，需要結(jié)合給水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)和處理設(shè)施的功能與特點，校園景觀設(shè)計中的場地因素與海綿城市建設(shè)技術(shù)結(jié)合起來，選擇合適的海綿城市技術(shù)手段進行校園綠色基礎(chǔ)設(shè)施景觀設(shè)計。

(3)GIS的空間分析功能能夠?qū)Ψ謪^(qū)面積、類型、參數(shù)等進行量化，為海綿體和結(jié)構(gòu)單元的二維、三維數(shù)據(jù)編輯和管理，能夠及時反饋雨水收集、回用和管理環(huán)節(jié)，為海綿校園建設(shè)提供技術(shù)支持和理論借鑒。