基于承洪韌性的校園綠地更新改造策略研究
——以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)文化路校區(qū)為例

劉漢宇，張 雯，邢浩杰，劉保國

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

20世紀(jì)以來隨著全球經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展，全球城市化進(jìn)程加快導(dǎo)致全球氣候惡化，加劇了洪澇和旱災(zāi)等諸多氣象災(zāi)害。中國的城市由于其建筑密度和人口密度大，受到氣象災(zāi)害的影響更為嚴(yán)重。在城市建設(shè)中硬化過度的問題導(dǎo)致不透水下墊面大量存在，雨水不僅不能有效得到利用反而易引起洪災(zāi)，所以“雨洪災(zāi)害”已經(jīng)成為我國的重要災(zāi)害之一。位于老城區(qū)的高校，占地面積大、人群密集、設(shè)施陳舊、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低、功能配套不全，面臨雨洪問題往往難以應(yīng)對(duì)等，近年來不斷發(fā)生校園內(nèi)澇的情況，使人們認(rèn)識(shí)到校園綠地抵御雨洪的能力仍有很多不足。近兩年國家大力推行老舊住區(qū)的改造并上升為國家戰(zhàn)略，對(duì)此，基于承洪韌性，在校園原有綠地的基礎(chǔ)上加以改造提出更新策略，有助于形成持續(xù)高效的校園綠地雨洪管理模式，可以提升大學(xué)校園綠地雨洪管理設(shè)計(jì)水平，有效緩解雨季大學(xué)校園雨洪韌性，促進(jìn)雨水自然生態(tài)循環(huán)，提高水資源可持續(xù)利用水平。

1 承洪韌性理念的闡述

我國最早提出承洪韌性概念的人是香港學(xué)者廖桂賢，將其內(nèi)涵解釋為“城市承受洪水的能力，以及當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)施破壞、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)生崩潰時(shí)的重組能力，防止傷亡以及維持目前社會(huì)經(jīng)濟(jì)特性的能力”[1]，主張城市應(yīng)該適應(yīng)洪水而不是去抵御洪水，認(rèn)為傳統(tǒng)的工程方法抵御洪水是非此即彼的，城市應(yīng)該建立一個(gè)跨尺度的韌性系統(tǒng)來和洪水共存。張睿等在基于承洪韌性的老舊住區(qū)更新規(guī)劃策略研究中指出，在如今的背景下應(yīng)該轉(zhuǎn)變以往的思路，從改造基礎(chǔ)設(shè)施到建立具有韌性的長期可持續(xù)的空間體系來整體提升承洪韌性。近年來，雖然對(duì)城市韌性與雨洪管理的研究開展不少[2]，但大都是從城市的宏觀尺度上來進(jìn)行的，基于承洪韌性的中小尺度下的研究較少，尤其是關(guān)于高校老校區(qū)的韌性提升和優(yōu)化更有待于挖掘。

2 高校老校區(qū)空間環(huán)境要素與承洪韌性的關(guān)系

針對(duì)高校老校區(qū)的雨洪災(zāi)害，需要重點(diǎn)解決徑流問題和雨水含蓄量問題以提升承洪的韌性。校園承洪韌性的主要載體可分為兩大類：灰色基礎(chǔ)設(shè)施和綠色基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)[3]。灰色基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)主要包括道路系統(tǒng)、建筑空間、公共活動(dòng)空間的排水設(shè)施和校園排水設(shè)施，直接排入市政管網(wǎng)；綠色基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)主要包括校園內(nèi)綠地系統(tǒng)、水體和植被條件。其中又有許多要素影響承洪韌性，如道路系統(tǒng)中道路的坡度和高程與綠地之間的關(guān)系、建筑空間的屋頂形式和外立面材質(zhì)影響雨水的排放時(shí)間和存蓄量，以及公共活動(dòng)空間的地面鋪裝材質(zhì)和厚度、排水設(shè)施的坡度與管徑、綠地系統(tǒng)中綠地的面積與高程、土壤的性質(zhì)決定含水量和下滲速率、植被條件的覆蓋率都直接影響到降雨時(shí)的滯留雨水、凈化雨水、存蓄雨水、削減徑流的能力。

3 高校老校區(qū)提高承洪韌性更新改造策略

基于高校老校區(qū)的承洪韌性提升目標(biāo)，遵循充分保護(hù)校園基礎(chǔ)環(huán)境的原則，采用降低成本、實(shí)施簡單、方便管理等可持續(xù)的更新策略，達(dá)到削減雨洪所產(chǎn)生的徑流、雨水外排量，提升校園空間雨水存蓄能力，減輕徑流污染對(duì)環(huán)境的影響，提高對(duì)雨洪的承載能力以及綠地系統(tǒng)自我恢復(fù)能力。

3.1 提升雨水蓄存量

提高校園內(nèi)雨水蓄存量可以延緩洪峰時(shí)間、緩解市政外排管道壓力、降低徑流流量和污染、保護(hù)地下水資源，可以有效提升校園的承洪韌性。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前處在老城區(qū)中的高校老校區(qū)普遍存在校園綠地率低下、硬質(zhì)地面鋪裝較多等不利于降雨循環(huán)滲透的問題，造成校園的整體綠地雨水蓄存量低下、功能不全、阻斷了雨水的自然循環(huán)路徑，在暴雨天氣到來時(shí)大量的雨水匯集在地表形成徑流難以蓄存。因此，提高校園的雨水蓄存量有助于提升承洪韌性。但是高校老校區(qū)也存在一定的優(yōu)勢(shì)，如建筑大多為低矮的多層建筑且所占面積不大，校園內(nèi)部也沒有地下停車場等來阻斷雨水的下滲。因此可采用下列措施來提升雨水的蓄存量。(1)提升校園綠地率。更新措施可采取在游憩空間增設(shè)生態(tài)樹池，在道路兩旁增設(shè)植草溝，結(jié)合現(xiàn)狀增加可供學(xué)生進(jìn)入的休憩空間，在教學(xué)樓周圍增加植物墻立體綠化來為校園提供更多可供蓄存的綠化空間，同時(shí)也可為學(xué)生們?cè)黾有蓍e游憩的活動(dòng)區(qū)。(2)提升下沉式綠地和雨水花園所占的比例。更新措施可采取將現(xiàn)狀綠地通過改變高程使之低于道路路面高程，高于排水口高程，形成下沉式綠地；改造地形，合理配置耐濕性植物，使綠地成為雨水花園。(3)通過增設(shè)綠色屋頂從而提升綠地面積。更新措施可采取將現(xiàn)狀新型平屋頂改造為綠色屋頂，新增的綠色屋頂可通過其土壤層和蓄排層對(duì)雨水進(jìn)行儲(chǔ)蓄。

3.2 提升雨水滯留能力

提升校園內(nèi)雨水滯留能力可以有效減緩徑流形成的時(shí)間、降低徑流流量、延長雨水下滲的時(shí)間，補(bǔ)充地下水含量，可以有效提高校園雨洪管理能力，提升校園承洪韌性。目前處在老城區(qū)的高校老校區(qū)綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，遇到較大降雨量時(shí)雨水迅速以徑流的形式匯集在路面低洼處，造成積水并最終通過排水口進(jìn)入下水道。因此，要想提升雨水滯留能力可采用下列措施。(1)通過增加植被覆蓋率來增加雨水滯留能力。在校園內(nèi)植被不足的綠地中補(bǔ)植喬木和灌木品種構(gòu)建豐富的植物群落。(2)在綠地中增設(shè)生物滯留設(shè)施。更新措施可根據(jù)場地空間大小布設(shè)簡易型和復(fù)雜型兩種生物滯留設(shè)施。

3.3 提升雨水下滲量

提高校園內(nèi)雨水的下滲量，可以改善周邊環(huán)境，增加蒸發(fā)，滿足周圍植物的生態(tài)需水，對(duì)城市整體氣候演變是有幫助的，也具有削減雨水外排量，降低徑流流量，涵養(yǎng)地下水資源的作用[4]。要想提升雨水下滲量可采用下列措施：改造更新校園內(nèi)部的鋪裝；將道路、停車場、廣場使用的透水磚、網(wǎng)格磚、透水混凝土和瀝青改為透水性較強(qiáng)的鋪裝。

4 模擬驗(yàn)證

4.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域位于河南省鄭州市中心城區(qū)的河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，占地面積21.44 hm2，綠地面積 5.29 hm2，建筑密度22.5%，建筑屋頂面積4.84 hm2，道路面積 2.93 hm2，屋頂、道路和廣場等不透水面積占到校園總面積的58.82%；校區(qū)地勢(shì)平坦，高差較小，建筑密度22.5%，有工程樓、圖書館、辦公樓、教學(xué)樓、學(xué)生宿舍等占地面積較大的建筑，屋頂為時(shí)代久遠(yuǎn)的雙面坡屋頂和新建筑的新型屋頂。學(xué)校有水泥路面、柏油路面和各種透水性鋪裝路面，還有半透水的運(yùn)動(dòng)場和大面積的綠地等不同結(jié)構(gòu)的下墊面[5]。研究對(duì)象的規(guī)模和用地類型以及下墊面布局均具有代表性(圖1)。

圖1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)狀衛(wèi)星圖

4.2 研究方法

依據(jù)現(xiàn)狀的地形圖以及場地基礎(chǔ)資料，構(gòu)建出區(qū)域的SWMM概化模型，并通過3場2 h的實(shí)測(cè)降雨徑流事件對(duì)模型進(jìn)行模擬。研究借助合成降雨模擬法模擬研究區(qū)域在不同降雨情況下，布設(shè)一定規(guī)模比例的多種更新改造策略(透水鋪裝、綠色屋頂、各種生物滯留設(shè)施等)前后的效果，以體現(xiàn)場地承洪韌性的提升效果。

4.3 SWMM模型構(gòu)建及參數(shù)的確定

整體場地采用SWMM模型，首先根據(jù)場地高程數(shù)據(jù)、徑流方向、雨水管網(wǎng)特征來劃定子匯水區(qū)，設(shè)置匯流排水口和排水系統(tǒng)，來完成匯水區(qū)的概化。依據(jù)場地平面圖、雨水管網(wǎng)的布置和實(shí)際匯流情況將研究對(duì)象概化為15個(gè)子匯水區(qū)(S1～S15)、22個(gè)管段、22個(gè)匯接點(diǎn)和1個(gè)出水口(圖2)。其次設(shè)置模型的模擬參數(shù)，為了對(duì)比改造前后，分別建立布設(shè)措施前后的概化模型：(1)確定模擬計(jì)算的雨型、雨量和降雨重現(xiàn)期，根據(jù)鄭州市區(qū)的降雨特點(diǎn)，同時(shí)為了研究不同重現(xiàn)期不同更新策略的承洪韌性效果，分別采用2年一遇、5年一遇和10年一遇3種降雨強(qiáng)度，采用芝加哥雨型確定降雨量，按照不同重現(xiàn)期確定參數(shù)按下式[6]計(jì)算求得鄭州暴雨強(qiáng)度：

上式中，Q為暴雨強(qiáng)度(mm/min)；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期(a)；t為降雨歷時(shí)(min)。計(jì)算得出2年一遇降雨量為48.86 mm，5年一遇降雨量為62.53 mm，10年一遇降雨量為72.87 mm，如圖3～圖5所示。

(2)選定模型中的其他參數(shù)，SWMM模型中的參數(shù)主要由研究區(qū)域的現(xiàn)狀以及相關(guān)資料，參照SWMM用戶手冊(cè)中的參考參數(shù)[7]確定。改造后所運(yùn)用策略通過SWMM中的LID措施按照各用地面積比例應(yīng)用在各子匯水區(qū)內(nèi)。在模型的模擬運(yùn)行中地表徑流和流量演算誤差都在0.09%以下，屬于模型運(yùn)行的合理誤差，表明模型構(gòu)建合理。

4.4 更新改造策略的組合方案

本研究設(shè)計(jì)了一種更新改造策略來提高場地的承洪韌性。經(jīng)過實(shí)地調(diào)研，采用下沉式綠地+雨水花園+透水鋪裝+生物滯留設(shè)施+植草溝的方式。(1)提升雨水蓄存量。校園內(nèi)現(xiàn)狀綠地面積52900 m2。通過提升校區(qū)綠地中下沉式綠地和雨水花園的比例來提高雨水的蓄存量，有條件的話也可在綠地下部安置儲(chǔ)水裝置?？刂频缆贰⒕G地和雨水口之間的高程關(guān)系?，F(xiàn)狀住宅建筑的屋頂面積為48375 m2，其中29987.32 m2為新式平屋頂，能夠匯集的雨水徑流量較大。校區(qū)內(nèi)除坡屋頂外新式屋頂都改造為綠色屋頂，增加綠地面積以提升雨水蓄存量。(2)提升雨水滯留能力。通過改造現(xiàn)有綠地地形，形成下凹綠地，下凹深度可由降雨數(shù)據(jù)以及徑流控制來決定[8]。在綠地中增加植草溝和小型生物滯留設(shè)施，例如生物滯留帶和生態(tài)樹池以及高位花壇[9]。植物配置方面，在現(xiàn)有植物的基礎(chǔ)上增加耐濕性植物的數(shù)量以及種類，以達(dá)到減緩徑流流速，增加滯留能力的目的。(3)提升雨水下滲量。將現(xiàn)有的停車場以及廣場鋪裝更新為透水性鋪裝，以使雨水快速下滲、補(bǔ)充地下水，防止積水的發(fā)生。

圖2 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)文化路校區(qū)SWMM模擬概化模型

圖3 2年一遇降雨強(qiáng)度過程線

改造前、后方案如圖6 、圖7所示，總體改造綠色屋頂29987.3 m2、雨水花園23757.7 m2、下沉式綠地14624.2 m2、透水鋪裝29587.2 m2、生物滯留設(shè)施和植草溝分別為786.5 m2和909.9 m2(表1)。

4.5 實(shí)施效果模擬驗(yàn)證

采用SWMM軟件對(duì)改造方案進(jìn)行效果模擬驗(yàn)證。經(jīng)過運(yùn)行分析計(jì)算得到相關(guān)數(shù)據(jù)，包括徑流系數(shù)、場地總外排量、總徑流量和峰值流量(表2)，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)改造前后在2 a、5 a、10 a一遇的降雨條件下，排水狀況都得到了很大改善。改造后的徑流系數(shù)相比之前都降低了40%以上，峰值流量也得到了明顯降低，降幅也都在40%～50%，場地外排雨水的總量也得到大幅削減[10]。

圖4 5年一遇降雨強(qiáng)度過程線

通過模擬結(jié)果可知，在保留老校區(qū)的現(xiàn)狀格局條件下，應(yīng)用承洪韌性策略進(jìn)行更新改造后，有效緩解了夏季突發(fā)暴雨帶來的場地積水情況，縮短了雨水排干的時(shí)間，提高了雨水管理效率，彌補(bǔ)了老校區(qū)雨水管理系統(tǒng)和設(shè)施老化帶來的不足，起到了提高承洪韌性的作用。與現(xiàn)在老舊住區(qū)的傳統(tǒng)更新策略(改善現(xiàn)狀基礎(chǔ)設(shè)施能力)相比，在高校老校區(qū)采取以上提升場地承洪韌性的策略同樣可有效緩解校園的雨洪災(zāi)害，并且施工難度比較低，各類成本較低，可以減少對(duì)學(xué)生的干擾，同時(shí)提升校園的室外景觀環(huán)境。

圖5 10年一遇降雨強(qiáng)度過程線

表1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)概化分區(qū)情況 m2

圖6 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)改造前平面圖

圖7 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)更新改造后平面圖

表2 經(jīng)SWMM模擬驗(yàn)證情況

5 結(jié)語與展望

以提升承洪韌性為目標(biāo)對(duì)河南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園進(jìn)行更新改造，提出了多種提升承洪韌性的更新策略，經(jīng)過模擬驗(yàn)證，建立了承洪韌性體系，對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化校園雨洪管理提供了一種新模式，對(duì)老校區(qū)更新改造及可持續(xù)發(fā)展有參考意義。然而在具體的實(shí)施過程中可能還存在各種問題，還需要進(jìn)一步探索承洪韌性與各種影響因素間的關(guān)系，以便更好地提升校園的承洪韌性。