海綿城市理念在校園風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
——以天津大學(xué)北洋園校區(qū)為例

鄒萍秀

曹 磊

王 焱*

(美)珍瑪麗·哈特曼

李發(fā)明

近年來，隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的城市建設(shè)模式已無法有效緩解和改善城市水生態(tài)問題。落后的排水工程和防洪規(guī)劃、傳統(tǒng)的城市工程管理式灰色排水基礎(chǔ)設(shè)施、薄弱的雨水資源合理利用意識(shí)等加劇了城市缺水、水環(huán)境污染以及生態(tài)環(huán)境惡化等問題。面對(duì)諸多城市雨水問題，建立一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代雨洪管理新體系成為城市唯一的選擇。由于城市基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)改造往往需要在主要的街道和建筑物下進(jìn)行，因此舊城改造可能會(huì)變得尤其具有挑戰(zhàn)性。隨著中國(guó)現(xiàn)代化新城市建設(shè)的不斷加快，部分學(xué)者對(duì)許多西方的雨洪管理方法進(jìn)行了嘗試與應(yīng)用，新城市的建設(shè)和規(guī)劃為開發(fā)更好的雨洪管理系統(tǒng)創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。如今，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已開始關(guān)注雨水資源化，實(shí)踐新型雨洪管理的理念，構(gòu)建以自然積存、自然滲透、自然凈化為目標(biāo)的“海綿城市”[1]。

自20世紀(jì)70年代以來，西方發(fā)達(dá)國(guó)家面對(duì)城市內(nèi)澇問題提出了一系列雨洪管理方法。例如美國(guó)的“最佳管理實(shí)踐”(Best Management Practices，BMPS)[2]、“低影響開發(fā)”(Low Impact Development，LID)[3]、“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”(Green Infrastructure，GI)，澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(jì)(Water Sensitive Urban Design，WSUD)[4]，英國(guó)的可持續(xù)排水系統(tǒng)(Sustainable Urban Drainage Systems，S U D S)[5]，新西蘭的“低影響城市設(shè)計(jì)和開發(fā)”(Low Impact Urban Design and Development，LUDD)[6]等城市雨洪管理體系。對(duì)相關(guān)雨洪管理方法進(jìn)行梳理并加以借鑒，將有助于促進(jìn)我國(guó)“海綿城市”建設(shè)，并為構(gòu)建“海綿城市”理念提供戰(zhàn)略指導(dǎo)和技術(shù)支持。

因此，本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)雨洪管理理念的基礎(chǔ)上，從風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)前期開始介入，針對(duì)天津大學(xué)北洋園校區(qū)風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐，將LID雨洪調(diào)蓄系統(tǒng)與校園設(shè)計(jì)進(jìn)行整合，以綠色基礎(chǔ)設(shè)施等要素構(gòu)建城市“海綿校園”，探索適合我國(guó)城市雨洪管理要求的雨水資源化景觀途徑。

1 “海綿城市”的理念與實(shí)踐

1.1 “海綿城市”的理念

國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中使用的“海綿城市”①，實(shí)際上就是通過LID技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。LID技術(shù)借助場(chǎng)地中的雨水濕地、綠色屋頂、雨水花園等景觀要素，通過滲透、過濾、蓄存等天然的水文控制措施，將徑流控制在了源頭。2003年，“海綿”概念首次出現(xiàn)在《城市景觀之路：與市長(zhǎng)們交流》一書中[7]。在此書中，“海綿”是對(duì)自然濕地功能的比喻，與城市中的河流、洪水與干旱災(zāi)害控制有關(guān)。由于自然濕地在老城市周圍大都受到干擾或淘汰，因此濕地生態(tài)的恢復(fù)和重建顯得尤為重要。因?yàn)檫@些濕地作為城市中的一塊海綿，同時(shí)具有收集、過濾、儲(chǔ)存雨水的功能，是城市雨洪系統(tǒng)中的一部分。這在氣候潮濕的地區(qū)尤其重要，因?yàn)樵谙募镜膸讉€(gè)月里，大部分地區(qū)都會(huì)出現(xiàn)集中降雨造成城市內(nèi)澇，而海綿城市理念正是對(duì)雨水的合理利用。

自2014年“海綿城市”理念的正式提出到2014年的第一批和2016年的第二批海綿城市的申報(bào)和建設(shè)起，國(guó)內(nèi)海綿城市建設(shè)正在如火如荼地開展中。海綿城市的建設(shè)理念主要包括3個(gè)方面：1)保護(hù)原有生態(tài)系統(tǒng)；2)恢復(fù)和修復(fù)受損水體及其他自然環(huán)境；3)利用低影響開發(fā)措施來建設(shè)城市生態(tài)環(huán)境。海綿城市建設(shè)標(biāo)志著城市雨洪管理理論的進(jìn)一步發(fā)展，提出了綜合考慮雨洪管理的生態(tài)城市建設(shè)[8]。通過對(duì)雨水的低影響綜合管理，海綿城市建設(shè)理念明顯增強(qiáng)了我國(guó)城市抵御自然水文災(zāi)害的能力。

1.2 “海綿城市”理念在校園風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著“海綿城市”建設(shè)熱潮的興起，“海綿校園”應(yīng)運(yùn)而生?！昂＞d校園”指整個(gè)校園像海綿一樣，具有一定的彈性和適應(yīng)環(huán)境變化的能力。在雨水資源合理化應(yīng)用的同時(shí)，校園建設(shè)以景觀為載體的水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了雨水資源最大程度的滲透、凈化和再利用。校園作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的城市空間系統(tǒng)，可以降低城市雨洪排泄壓力，更有利于“海綿城市”的建設(shè)，為我國(guó)生態(tài)校園建設(shè)提供了新的發(fā)展方向。

LID技術(shù)在北美高校的推廣較早，校園風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)的案例較多且成熟。如普林斯頓大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、耶魯大學(xué)、維拉諾瓦大學(xué)等高校都根據(jù)各自的校園建設(shè)風(fēng)格將LID措施與風(fēng)景園林設(shè)計(jì)相結(jié)合，建立了各自的雨水管理專業(yè)機(jī)構(gòu)。雨水花園設(shè)計(jì)、屋頂花園設(shè)計(jì)、生態(tài)草溝設(shè)計(jì)等一系列低影響開發(fā)技術(shù)的設(shè)計(jì)手法在北美校園風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。雖然LID技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)起步較晚，但發(fā)展迅速，并取得了良好的成果。近幾年，國(guó)內(nèi)高校如清華大學(xué)勝因院景觀環(huán)境改造項(xiàng)目、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校園建設(shè)項(xiàng)目、深圳大學(xué)土木工程學(xué)院雨水花園項(xiàng)目、清華學(xué)堂路雨洪管理與景觀設(shè)計(jì)項(xiàng)目等就是LID技術(shù)應(yīng)用于校園雨洪管理的成功案例。

圖1 子排水分區(qū)劃分思路和管理策略

2 研究區(qū)概況

天津市位于中國(guó)北部沿海地區(qū)，人口超過1500萬，面積近120萬hm2。這里曾經(jīng)是一個(gè)帝國(guó)的港口，現(xiàn)在仍然是首都北京作為通往大海的門戶。在這座城市中，天津大學(xué)(始建于1895年)被公認(rèn)為中國(guó)第一所現(xiàn)代化大學(xué)，現(xiàn)為中國(guó)教育部直屬的國(guó)家重點(diǎn)大學(xué)。2010年，這座歷史悠久的著名高校啟動(dòng)了在海河教育園區(qū)建設(shè)新校園的計(jì)劃。校園的規(guī)劃設(shè)計(jì)始于2010年，由天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院景觀建筑工作室牽頭，2013年開始施工，2015年校園開放。

校區(qū)面積約250hm2，擁有水道、濕地和高地。地下水位較高，土壤沖積而成，土質(zhì)鹽堿化，pH值約為8.0。衛(wèi)津河和護(hù)校河創(chuàng)建了該校區(qū)的邊界，高速公路主導(dǎo)著將校園與自然水道分開的護(hù)堤。地區(qū)年平均降水量603mm，最高的降雨量發(fā)生在7月和8月，占全年降水量的近60%。

2012年，在規(guī)劃天津大學(xué)北洋園校區(qū)時(shí)，提出了“海綿校園”的概念，校園將具有與海綿一樣的能力和靈活性，以適應(yīng)環(huán)境變化和處理雨洪災(zāi)害。下雨時(shí)，水會(huì)被吸收、儲(chǔ)存和過濾。設(shè)計(jì)目標(biāo)包括保護(hù)場(chǎng)地原有的生態(tài)系統(tǒng)，利用生態(tài)恢復(fù)和減災(zāi)來修復(fù)施工造成的損失，并在設(shè)計(jì)和施工中使用LID實(shí)踐。天津大學(xué)北洋園校區(qū)現(xiàn)已開放，校園旨在為30000名學(xué)生和5000名教職員工提供服務(wù)。本文研究了雨洪管理系統(tǒng)的形式如何決定校園形式，評(píng)估了雨洪管理系統(tǒng)和校園計(jì)劃如何恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的生態(tài)形式和功能。最后，調(diào)查了低影響設(shè)計(jì)原則的應(yīng)用證據(jù)。

3 研究結(jié)果

3.1 雨洪管理系統(tǒng)的構(gòu)建

天津大學(xué)北洋校區(qū)“彈性”雨洪管理系統(tǒng)的構(gòu)建以分區(qū)而治、內(nèi)外聯(lián)合為主要特點(diǎn)，根據(jù)校區(qū)的整體布局和功能組團(tuán)規(guī)劃將校園分為3個(gè)子排水分區(qū)(圖1)。每個(gè)分區(qū)結(jié)合自身的功能定位、用地特性，因地制宜地規(guī)劃設(shè)計(jì)了不同的雨水管理系統(tǒng)[9]，系統(tǒng)間配合協(xié)作，從而實(shí)現(xiàn)校區(qū)水安全與水利用的雙贏。校區(qū)內(nèi)外雙重環(huán)形水系的布局結(jié)構(gòu)決定了子排水的劃分和各區(qū)雨洪管理系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)策略。中心島LID調(diào)蓄區(qū)使用LID實(shí)踐，將生態(tài)防洪系統(tǒng)融入建筑景觀中，水被收集并作為景觀水回用，實(shí)現(xiàn)功能一體化(圖2)。中環(huán)綜合集雨區(qū)收集中心島LID調(diào)蓄區(qū)溢流，并將其存儲(chǔ)在干旱條件下有景觀應(yīng)用潛力的水道和土壤中(圖3)。中環(huán)綜合集雨區(qū)還通過溢流點(diǎn)(湖泊和濕地)與外環(huán)自然排雨區(qū)連接，有助于緩解校園內(nèi)積水。最后，外環(huán)自然排雨區(qū)通過釋放雨水到自然水道系統(tǒng)中來減輕校區(qū)暴雨季節(jié)排泄壓力。中心島生態(tài)集雨區(qū)、校園水系、城市綠化帶和環(huán)校水系構(gòu)成校園核心區(qū)域，面積66.84hm2。

水流相互關(guān)聯(lián)的途徑創(chuàng)造了形成和定義校園空間的形式，無處不在的水流加強(qiáng)了整個(gè)場(chǎng)地水資源管理的重要性。環(huán)校綠化帶和濕地在護(hù)校河和校園核心區(qū)之間形成緩沖。人工處理濕地(圖4)使用蜿蜒的水岸線和大量開闊的水域繪制，增加了水體與植物的接觸時(shí)間，有效提高了凈化效率。且濕地中植物和沉淀物很可能會(huì)在寬闊水域中聚集緊密，并隨著時(shí)間的推移形成更緊密的過濾系統(tǒng)。人工處理濕地將中水站初次凈化后的水體進(jìn)行再次處理，水體中污染物和有機(jī)質(zhì)經(jīng)濕地進(jìn)行沉淀過濾和分解吸收，凈化后補(bǔ)充中心島區(qū)景觀水體，保護(hù)景觀水位以及作為綠化用水，是北洋園校區(qū)蓄滯防洪的重要組成部分，其蓄水量可達(dá)33589m3。

3.2 水環(huán)境的生態(tài)修復(fù)與提升

該場(chǎng)地地下水位較高，約為大沽高程1.4m，土壤由海水和河流的沖積物形成，以重鹽化潮濕土和鹽化潮濕土為主，土質(zhì)鹽堿化，pH值高。校區(qū)由原來的農(nóng)田景觀改造為155hm2的建筑景觀、15hm2的水景觀和80hm2經(jīng)過修復(fù)和設(shè)計(jì)的景觀。校園劃分為3個(gè)子排水分區(qū)處理雨水，形成外環(huán)的子流域?qū)⒂晁疂B入地下水，過量雨水流向鄰近的護(hù)校河或自然河流。在校園中心島LID調(diào)蓄區(qū)中，通過使用下凹綠地、透水鋪裝、植草溝和綠色屋頂?shù)染G色基礎(chǔ)設(shè)施整合整個(gè)景觀元素，島內(nèi)采用慢行交通，實(shí)現(xiàn)了透水鋪裝85.8%的覆蓋率，將路面的綜合徑流系數(shù)由0.9降至0.5，大大降低了從現(xiàn)場(chǎng)溢流至河流的可能性。在中環(huán)綜合集雨區(qū)還有水景觀，例如中心湖、中心河、溢流湖和濕地，可以收集溢流，從而加強(qiáng)該地區(qū)的海綿狀功能，并減少雨水從校園到周圍水道的流量。外環(huán)被稱為自然排雨區(qū)域，邊緣的再造林延伸到場(chǎng)地三角形區(qū)域的大部分地方。由于多余的雨水會(huì)從護(hù)校河流入相鄰的自然河流，以避免在核心區(qū)域發(fā)生洪水，因此該區(qū)域既可用作緩沖區(qū)，又可用作釋放閥。由于場(chǎng)地土壤鹽堿水平高，且該區(qū)規(guī)劃為苗圃，因此該區(qū)的雨洪管理需充分結(jié)合排鹽處理(圖5)，在減輕校區(qū)暴雨季節(jié)排洪壓力的同時(shí)降低土壤鹽堿度，保障苗木成活。

圖2 中心島雨洪管理系統(tǒng)技術(shù)路線圖

圖3 中環(huán)綜合集雨區(qū)雨洪管理系統(tǒng)技術(shù)路線圖

圖4 人工處理濕地分析圖

植草溝分布在整個(gè)校園內(nèi)，如圖6中的綠線所示。植草溝技術(shù)作為生態(tài)排水體系的重要組成部分，與其他一系列處理設(shè)施組成應(yīng)用，建立生態(tài)排水體系，控制和削減進(jìn)入受納水體的徑流污染負(fù)荷，在完成輸送功能的同時(shí)達(dá)到雨水的收集與凈化處理要求。圖6中的A～D為中心島區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的自然緩坡式下凹綠地、臺(tái)地式下凹綠地和2種不同類型的階梯式綠地，這4處下凹綠地降低了區(qū)域洪澇災(zāi)害發(fā)生的幾率，增加了降雨入滲量和地下水資源量，減少了綠地的灌溉用水量和對(duì)河湖的水質(zhì)污染等功能。下凹綠地和人工處理濕地在從校園核心區(qū)通往內(nèi)環(huán)河過程中收集和過濾雨水?？傊?，核心區(qū)通過一系列綠色基礎(chǔ)設(shè)施保存和滲透雨水，過量的水儲(chǔ)存在凈化濕地和內(nèi)環(huán)河中。在干旱期間，當(dāng)景觀植物需要用水時(shí)，可以將這些雨水由泵站提升抽回校園中使用。當(dāng)凈化濕地和內(nèi)環(huán)河中有多余的水時(shí)，會(huì)被泵入外環(huán)的護(hù)校河。如果護(hù)校河中有多余的水，則會(huì)泵入鄰近的河流。

3.3 LID模式的應(yīng)用

250hm2的校園設(shè)計(jì)非常密集，考慮了建筑物的占地面積以及在那里工作和生活的人口規(guī)模。圖7為校園設(shè)計(jì)與LID雨洪管理系統(tǒng)集成的說明性細(xì)節(jié)圖，圖中雨水(藍(lán)色箭頭)流向內(nèi)環(huán)河的方向，環(huán)繞校園的中心。此外，循環(huán)泵站(橙色)，將校園周圍的雨水和污水移至人工處理濕地進(jìn)行凈化。校園的設(shè)計(jì)目的作為一個(gè)高效運(yùn)行的流域，就是能在現(xiàn)場(chǎng)管理大部分雨水，并管理下水道系統(tǒng)。本文預(yù)測(cè)這個(gè)場(chǎng)地對(duì)鄰近河流的雨水沖擊可以忽略，且建筑周圍的景觀和建筑本身都是融合風(fēng)景園林設(shè)計(jì)、綠色基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和雨洪管理等LID元素設(shè)計(jì)的。

一般而言，LID的目標(biāo)有利于恢復(fù)流域的水文和生態(tài)功能。校園核心及相鄰的建筑中反映了幾個(gè)LID設(shè)計(jì)原則，不僅企圖將不透水表面盡可能減少，還包含一個(gè)接收和處理雨水的濕地和一個(gè)11.35hm2植被層次豐富的城市綠化帶。除了下凹綠地和人工處理濕地外，綠色屋頂還出現(xiàn)在中心島幾棟建筑物上，這些建筑元素可以儲(chǔ)存雨水、減少徑流和某些污染物的來源。植被種植在與建筑物相鄰的花園中，以提供充足的陰涼處，并將城市熱島效應(yīng)降至最低。

4 討論和結(jié)論

圖5 雨洪管理與鹽堿地土壤改良的 融合

圖6 綠色基礎(chǔ)設(shè)施示例

圖7 校園設(shè)計(jì)與雨洪管理系統(tǒng)集成 的說明性細(xì)節(jié)

圖8 校園建成后核心區(qū)種植現(xiàn)狀(天津大學(xué)北洋光影攝)

北洋園校區(qū)是海綿城市模式在中國(guó)的首例應(yīng)用之一?，F(xiàn)校區(qū)已被使用了3年，在雨洪管理方面取得了較大成功。2016年7月20日發(fā)生的一場(chǎng)大風(fēng)暴淹沒了天津市的許多街道，而北洋園校區(qū)的路面積水卻始終未超過20mm，校園內(nèi)積水在雨后半個(gè)小時(shí)左右就能全部排清。這種成功是有希望的，因?yàn)檫@種規(guī)劃和設(shè)計(jì)理念正在被不斷地采用，為海綿試點(diǎn)城市建設(shè)，特別是新城區(qū)建設(shè)提供了有價(jià)值的借鑒。由于校園場(chǎng)地中的城市基礎(chǔ)設(shè)施很少，所以雨水、飲用水和下水道系統(tǒng)可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)并管理，且不需要移除或更新功能系統(tǒng)。在建造建筑物之前，設(shè)計(jì)師可以實(shí)現(xiàn)雨水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝。植被可以放置在干凈、新鮮的土壤中取代最初的鹽土，在雨洪管理系統(tǒng)中茁壯成長(zhǎng)(圖8)。圖8-1顯示了校園核心區(qū)中的水景觀；圖8-2顯示了校園內(nèi)一個(gè)景觀聚集空間，捕捉并引導(dǎo)雨水流向校園西部的濕地。

然而，同樣的設(shè)計(jì)實(shí)踐卻很難在建筑密集的老城區(qū)中實(shí)施。在2014年推出的國(guó)家海綿城市政策的基礎(chǔ)上，蔡鴻儒(音譯)[10]對(duì)中國(guó)正在開發(fā)的16個(gè)海綿試點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，預(yù)測(cè)競(jìng)爭(zhēng)力量會(huì)選擇城市郊區(qū)這種類型的開發(fā)項(xiàng)目。他指出，經(jīng)濟(jì)和生態(tài)目標(biāo)往往相互矛盾，導(dǎo)致“海綿城市”建在城市郊區(qū)而不是現(xiàn)有城市。北洋園校區(qū)正是將海綿城市建在城市郊區(qū)的一個(gè)例子，它占據(jù)了一個(gè)已經(jīng)被天津市包圍的農(nóng)業(yè)用地，而這種城市郊區(qū)的例子使海綿城市模式走上了一個(gè)倒退。盡管如此，選址中歷史人口的流離失所問題仍然存在爭(zhēng)議，我們可以發(fā)現(xiàn)關(guān)于該地區(qū)以前居民的文獻(xiàn)資料很少。

海綿城市建設(shè)任務(wù)艱巨，為了更好地推進(jìn)我國(guó)海綿城市建設(shè)、完善海綿城市構(gòu)建方法，現(xiàn)就海綿城市的發(fā)展現(xiàn)狀提出以下幾點(diǎn)建議。1)設(shè)計(jì)應(yīng)充分了解場(chǎng)地水文狀況，擺脫以往單一工程化的視角，應(yīng)涉及更廣泛的水文模型和多種水域管理技術(shù)的實(shí)施等水文知識(shí)體系。“彈性”雨洪管理系統(tǒng)可與城市生態(tài)安全格局相結(jié)合，整體和多目標(biāo)地解決宏觀城市尺度的雨水問題，探索更為生態(tài)的智慧海綿城市風(fēng)景園林設(shè)計(jì)方法。2)保護(hù)原有的生態(tài)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)通過雨洪管理的生態(tài)凈化技術(shù)，結(jié)合生態(tài)修復(fù)來增強(qiáng)場(chǎng)地海綿狀功能，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的可持續(xù)性，同時(shí)為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┦孢m的休閑場(chǎng)所。3)城市中海綿體的設(shè)計(jì)應(yīng)與城市結(jié)構(gòu)融為一體，并與城市周圍和自然體系(即山地、河流、濕地、森林、農(nóng)田和湖泊)完美結(jié)合。4)控制洪澇災(zāi)害是一個(gè)長(zhǎng)期且復(fù)雜的系統(tǒng)工程，由于中國(guó)降水和水災(zāi)歷史發(fā)生頻率存在明顯的空間差異[11]，設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮洪水發(fā)生區(qū)域與水資源短缺區(qū)域的空間差異，根據(jù)區(qū)域性和季節(jié)性來確定海綿城市建設(shè)的目標(biāo)和功能，確定城市的水文資源特征，為未來的城市規(guī)劃和建設(shè)指明方向。

注釋：

① 請(qǐng)注意，“海綿城市”一詞在澳大利亞的規(guī)劃文獻(xiàn)中有著非常不同的含義。Argent等人使用這個(gè)術(shù)語來指能夠吸收移民的城市。例如，參見文獻(xiàn)：Argent N,Rolley F,Walmsley J.The Sponge City Hypothesis: does it hold water?[J].Australian Geographer,2008,39(2): 109-130。