基于低影响开发的清华学堂路雨洪管理与景观设计研究

刘一瑶　郭国文　孟真　刘海龙*

基于低影响开发的清华学堂路雨洪管理与景观设计研究

刘一瑶郭国文孟真刘海龙*

低影响开发强调通过源头控制保障城市水文循环。随着“海绵城市”建设的推进，LID在城市雨洪管理的应用日益受到关注。城市雨洪模拟技术作为城市防洪减灾关键技术之一，可以有效的模拟并预期暴雨来临时研究区域的雨洪情况。基于SWMM雨洪模型，设计了清华大学学堂路区域的LID措施，对比分析增设LID措施前后径流量及蓄水量的变化，并探讨了高密度校园环境下雨水链景观系统构建的策略。

海绵城市；雨洪管理；低影响开发；城市雨洪模型；清华校园

Fund Item： The National Natural Science Foundation of China（General Program）： Study of the design method for Chinese city green landscape aiming at Stormwater Management based on Landscape Hydrology theory（51478233）。

1　引言

国家统计局最新数据显示，2014年我国城镇化率达到54.77%［1］。随着城市化进程加快，城市面积不断扩张，原有的绿地、农田等被建筑或道路等硬质铺装覆盖，城市的自然生态系统发生了巨大变化。在水文过程方面，过度城市化问题导致城市地区遭受突发性强暴雨的几率加大，雨水可入渗面积减小，汇流速度加大，雨水不能及时排放，使城市内涝问题屡见不鲜［2］。

低影响开发（Low impact development，LID）技术强调通过调整开发建设模式，融入景观规划设计方法，从源头上对城市降水的产汇流过程进行低环境干扰的管控，基本维持场地开发前后水文状况的一致，从而削弱快速城市化和不透水地面激增所产生的负面影响。与传统暴雨管理和设计方法相比，源头管控、分散处理、景观融入是LID措施的三个核心特点［3］。风景园林手法在各尺度上的优化处理，赋予LID更为综合的功能性与艺术性，使之更容易为业主、公众所接受，越来越受到各方的关注和认可。

2　研究区域概况

学堂路是清华大学南北主干道，北起紫荆公寓学生综合服务楼，南至清华南门，全长1.7km，沿线布置宿舍区、食堂、人文图书馆、教学楼、新清华学堂等重要建筑。本次研究区域为学堂路北段，长1km，研究范围总面积18.7hm2，不透水区域面积为13.6hm2，占73%左右，是校园内密度最大，硬质铺地最多的区域之一（图1）。

学堂路现状地势南高北低，东高西低。现状建筑排水形式分为无组织的内排水和有组织的外排水两种情况，以外排水为主。但沿路两侧建筑与地形变化较为复杂，加之高位树池贯穿全路，排水不畅，遇暴雨积水严重（图2）。场地内绿地较少，多为沿道路或建筑的线型隔离绿地，植物组合也多以单纯的乔-草结构为主。另外学堂路整体较为拥堵，特别是在上下课高峰期。部分路段机动车限行，整体自行车停车空间不足，停放混乱。本研究选择学堂路区域进行高密度校园环境的低影响开发改造研究，非常具有代表性。

3　SWMM模型分析

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3.1模型输入及参数设定

SWMM（Storm Water Management Model）是1971年由美国环境保护局主持开发的城市雨洪管理计算机模拟程序。主要用于模拟城市区域动态降雨-径流，得到径流水量和水质的短期/连续性结果［4］［5］。根据校园平面图及管网图，研究将整个学堂路模拟区域划分子汇水区64个，节点54个，管段59个，出水口1个。其中填充斜线的几何形即为子汇水区，虚线表示汇流方向；黑色圆点为管道节点；黑色粗实线为管段（图3）。

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结合学堂路区域特征，在SWMM模型的对应子汇水区内增加LID处理措施（图4），主要有如下4种：（1）透水铺装，总改造面积11 100m2（图4褐色区域）；（2）下凹式的台地种植池绿地，总改造面积3 800m2（图4绿色区域）；（3）雨水花园，总改造面积450m2（图4蓝色区域）；（4）地下蓄水池，容量为500m3（图4中橙色区域）。合计LID措施改造面积为15 250m2。根据模型连续性误差统计，地表径流误差为-0.12%，流量演算误差为0.24%，根据模型指导手册显示连续性误差在±10%内属于模型运行正常状态，由此可以判断该模型结果可信。

3.2降水产汇流变化

研究将未设计LID措施的模型称为前期模型，增设LID措施后的模型称为后期模型，两模型分析结果如下：对于5年一遇设计暴雨（P=20%）条件下，在降雨开始后10小时17分时，区域径流达到峰值状态（图5）。

对比节点深度，前期模型中学堂路普遍积水深度超过0.20m（节点颜色多为绿、黄），其中两节点积水深度甚至超过0.4m（节点颜色为红）；而后期模型中积水点颜色普遍由之前的黄、绿变成深蓝、天蓝，即积水深度下降到0.2m以下。主要节点积水深度图中红色小矩形是表示地下蓄水池，图例变红说明此时蓄水池已达到最大蓄水容量500m³，蓄水容积得到充分利用。

对比管段流量图，由图左可看出前期模型学堂路管段流量多超过0.15m³/s，说明降雨为地下排水管道系统带来巨大压力。而从图右后期模型管道流量图可看出，一部分管道颜色由原来的红-黄变为天蓝-深蓝，说明管道内水量减少，一部分雨量被陆面LID措施储存起来，并未排入地下管道系统。同时超载管渠数由前期的28个降为20个。

对比学堂路的流量剖面线（图6）（节点J18至节点DLD101管段，蓝色部分表示水流深度）。由于模型构建时将学堂路概化为深度为30cm的明渠，由图6可看出在降雨历时10小时17分时，该明渠水位剖面线近似与明渠顶端平齐，说明积水深度接近明渠原本深度30cm，几乎达到满流状态，说明学堂路上积水深度已超过20cm，与校园往期暴雨时积水深度的经验值基本相符。而后期模型中学堂路水位剖面线大幅度下降，积水深度仅余2cm左右，说明增设的LID措施对于学堂路道路积水情况有极大程度的改善。

3.3径流量变化

根据《城市雨水系统规划设计暴雨径流计算标准（DB11/T 969-2013）》，城市建筑密集区综合径流系数取值范围为0.60-0.85。在五年一遇设计暴雨下，径流量情况对比如表1：前期模型中径流系数为0.87，超过计算标准上限；而后期增设15 250m2的LID措施后（约占全区域面积18.7hm2的8%），径流系数变为0.66，总共削减6 686m³的径流量，在数据上较好地证明了LID措施的有效性。

研究通过SWMM建立了学堂路局部区域雨洪模型，对比分析了增设LID措施前后变化，验证了增设小面积LID措施可削减一定程度的暴雨径流，并对雨水进行收集利用，对于海绵城市的建设具有一定的指导意义。

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表1　SWMM模型径流量对比Tab.1 The comparison of runoff in SWMM model

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4　雨水链景观系统构建策略

4.1雨水链概念与组成

借助SWMM模型的模拟，得到地块范围内积水最严重的地段。通过对比，选取积水最严重地段，按其汇水区设计雨水链，以缓解场地的雨洪问题（图7）。雨水链指雨水从降落地到储存地所流经和流出的区域和场地的一系列环节［7］。一般雨水链的组成主要包括：（1）绿色屋顶，指栽种植物的建筑屋顶、露台、天台等，能使雨水较为缓慢地释放到雨水排放系统中，减少中型暴雨时以下的雨水径流总量；（2）雨水桶和集雨桶，指与落水管直接相连的中小型容器，能收集和贮存中等体量的雨水，用作小规模的非饮用功能；（3）雨水种植池/高位植坛，分渗透式和流入式，指能截取来自屋顶雨水的地面种植容器，通过渗透、蒸发、蒸腾及储存来减少雨水径流，削减污染物负荷，不仅能在建筑附近营造户外植物覆盖空间，也能为雨水管理创造机会，并为组织和处理户外空间提供灵感；（4）渗透性铺装，指铺装的材料和结构能够促进雨水的吸收和积雪的融化，减少地表径流总量，并且降低污染物含量；（5）滤水草带，指缓坡种植区域，能接受来自毗邻的不能渗透铺装表面的雨水，减缓径流速度，阻滞沉淀物和污染物，减少小雨时的雨水径流总量；（6）景观洼地，指种植渠道或线型低洼地，能临时储存和下渗雨水径流，从而减少小到中大雨时的径流总量和流速，同时具备滤除一定污染物的能力；（7）滞留池，能长时间保存水的池底做防渗的水池，是雨水链最后一个环节，其水分可通过溢流或蒸发而散失，为径流提供最后的去处。

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4.2雨水链景观系统设计

充分考虑并合理利用以上各雨水链的要素和环节，可以指导地块改造与景观设计。根据各场地的可行性，从雨水链中选取可以应用的要素，包括雨水种植池、高位植坛、透水性铺装，滤水草带以及生物滞留池等，对原有景观进行整合和改造，并进行布点串联，得到了与场地特色充分融合的雨水链系统，通过景观化的手法予以实现（图8）。

基于上文思路，将整个学堂路划分为若干段相对独立雨水链，展开对雨水链各环节的景观设计。节点A所示为泥沙实验室，其屋顶排水通过雨落管进入高位植坛（图9），经过石笼网初步过滤而流入雨水种植池，进行第二次过滤，然后通过木平台下方水渠流入学堂路绿化隔离带。达到雨水饱和状态的分隔带，会把经过滤后的雨水，通过地面明渠径流的方式溢流至下面的环节。在此过程中植物在得到灌溉的同时，雨水也会部分下渗，在进入管网之前已过滤掉大部分固体杂质。

节点B是学堂路南侧的第三教学楼门前平台空间（图10）。通过打开半地下空间，作为自行车停车场，平台上部区域改造为屋顶花园。雨水经屋顶花园调蓄净化后的超标部分，流入下层的植物种植池然后再一次过滤，会形成小型景观瀑布，最后溢流进入地面明渠，进入下一个环节。

节点C（图11）位于社科人文图书馆北侧的30°斜向草坡。因其目前使用效率不高，所以与整条学堂路改造拟开辟为景观休闲步道，在提高通行能力的前提下，增强人们在学堂路行走时的景观体验，同时也增强学堂路的景观立面效果。具体把草坡底部改造为台层式种植池，以缓和暴雨径流，并对雨水进行适当过滤。不同台层根据其蓄水能力种植不同种类植物，如上层台地多种灌木，配合景观步道，缓和单调坡面效果，同时保有更多的水分。下层台地主要种植季节性宿根花卉或草本植物，以应对季节性暴雨的暂时积存，并能形成立面的色带感，美化作用与功能性同样重要。最后过量雨水流入道路明渠，进入下一个环节。

最后，雨水链的末端，即在进入道路雨水管网之前的十字路口处设置雨水种植池（节点D，图12）。传统上常将道路作为排水明渠来使用，但这样常会在路面上形成巨大的地表径流，影响行人车通行。因此通过把十字路口中心下凹，形成一处小型环岛下渗池。把雨水引导进入后，最后将过量且经过绿地初步处理后的雨水排入市政管道。这样每个环节都能起到缓冲地表径流的效果，最终削减暴雨时地表径流的峰值。

针对学堂路的雨水链景观系统方案完成后，通过SWMM模型再一次进行模拟，得出了场地进行改造设计之后的积水点分布图，与改造设计之前相比，积水点数由28个降为10个，数量明显减少，合计削减径流量6 686m³也在一定程度上证明了LID对于削减产地积水和内涝灾害是有效的。

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5　结语

一般情况下，恢复自然水循环需要一定比例的开放土地作为载体，清华校园内已建的胜因院雨洪管理景观系统就属此类［8］。而清华学堂路案例属于高密度建成环境下的低影响开发探索。在此条件下实现相应的雨水管理目标具有不少难度。这也是目前海绵城市建设在遇到老城区或已建地区时的主要难题之一。基于“二元水循环”理论，高强度人为活动干扰下的水循环呈现“自然-人工”二元特性，其实现过程分别是绿色与灰色基础设施。对高度密集地区而言，雨洪管理并非一定要放弃灰色基础设施，而是要合理利用各类绿色要素在一定程度上恢复自然水循环［9］。清华校园自2007年以来，在景观水文理论指导下，已完成了20多处场地的雨洪管理研究设计，初步印证了通过水文、景观、设计、实施等模块的分析［10］，可以在低影响开发流程与雨水链景观系统设计逻辑之间建立关联性，从而实现整合的雨洪管理与景观设计目标。就清华学堂路案例研究而言，具体结论如下：

（1）通过SWMM建立雨洪模型，对比分析增设LID措施前后变化，包括通过增设15 250m2的LID措施（约占学堂路区域面积的8%），前后期变化显著：在五年一遇设计暴雨（P=20%）条件下，径流系数从0.87变为0.66，合计削减径流量6 686m³，学堂路积水深度明显下降，对于小型降雨的滞蓄作用明显。

（2）通过雨水链系统的植入，结合场地建筑、地形、植物和道路等现状条件，通过改造利用场地现有的绿地景观元素实现调蓄、处理并削减径流总量的目标，并将雨洪管理措施创造性地与场地景观营造有机融合，使之成为功能性与艺术性兼得的绿色基础设施。

注释：

①图2为张益章拍摄，其余图表均为作者自绘或自摄。

②本研究是清华大学建筑学院景观学系2015年《景观水文》课程设计成果，同时也是2015城市雨洪管理与景观水文国际研讨会海绵校园设计营工作成果。

（References）：

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Liu Hailong.Sponge Campus： the Landscape Hydrology study and practice on stormwater management in Tsinghua University［C］//International Urban Stormwater Management and Landscape Hydrology Research： a multidimensional interpretation towards strategies.Beijing： Tsinghu University Press，2015.

Storm-water Management and Landscape Design Research on Xue Tang Road of Tsinghua Campus based on the Low Impact Development Technology

LIU Yi-yao GUO Guo-wen MENG Zhen LIU Hai-long

Low impact development raises that maintaining the urban hydrologic cycle by source control. With the widely spread of "sponge city" construction，increasingly attention was paid to LID in the application of urban rain flood management. As one of the key technology in urban flood prevention， storm-water simulation technology could effectively simulate and forecast the rain flood situation of target area when heavy rainning comes. This study has designed the LID measures for Tsinghua campus as well as the Xue Tang Road area， and adopted SWMM model to establish their rain flood model， aiming at comparing the change of storage capacity and the runoff before and after utilizing LID measures and exploring how the LID practices work on Tsinghua campus storm-water management.

Sponge City； Storm-water Management； Low Impact Development； Urban Storm-water Model； Tsinghua Campus

TU986

A

1673-1530（2016）03-0014-06

10.14085/j.fjyl.2016.03.0014.06

2016-02-21

2016-03-15

国家自然科学基金面上项目：基于景观水文理论的我国城市雨洪管理型绿地景观设计方法研究（51478233）资助。

刘一瑶/1993年生/女/清华大学建筑学院景观学系风景园林硕士生（北京 100084）

LIU Yi-yao， who was born in 1993， is a graduate student of Department of Landscape Architecture， in School of Architecture， Tsinghua University.（Beijing 100084）

郭国文/1987年生/男/清华大学建筑学院景观学系风景园林硕士生（北京 100084）

GUO Guo-wen， who was born in 1987， is a graduate student of Department of Landscape Architecture， School of Architecture， Tsinghua University. （Beijing 100084）

孟真/1987年生/女/清华大学建筑学院景观学系风景园林硕士生（北京 100084）

MENG Zhen， who was born in 1987， is a graduate student of Department of Landscape Architecture， in School of Architecture， Tsinghua University. （Beijing 100081）

刘海龙/1976年生/男/清华大学建筑学院景观学系副教授、博导（北京 100084）

LIU Hai-long， who was born in 1976， is an Associate Professor and PhD supervisor of Department of Landscape Architecture，in School of Architecture， Tsinghua University.（Beijing 100084）

邮箱（Corresponding author Email）：liuhlong@ tsinghua.edu.cn