基于雨水利用的高校校园生态景观营造

曲鹏慧 于丁一 董泽强 闫晓含 景元蕾 石平

摘要 以沈阳市建设“海绵城市”为背景，深入分析高校利用雨水设计生态景观的相关概念和基本方法，解析两者之间的关系。学习国内外杰出的校园生态景观设计案例，结合沈阳市的生态条件，以东北大学（浑南校区）为研究对象，分析沈阳市高校生态景观设计利用雨水的可行性。采用雨水花园、蓄水池等技术手段规划设计建筑馆区的景观，并对现存的蓄水池适用性进行综合评价，以期为其他高校利用雨水资源营造校园景观提供借鉴。

关键词 沈阳市；高校；雨水高效利用；生态景观；干旱与内涝

Campus Ecological Landscape Construction Based on the Rainwater Utilization——Taking Northeastern University （Hunnan Campus） as the Research Object

QU Peng-hui， YU Ding-yi， DONG Ze-qiang， SHI Ping* et al

（Jiangho Architecture College，Northeastern University，Liaoning， Shenyang 110169）

Abstract The related concepts and basic methods of using rainwater to design ecological landscape in universities were deeply analyzed by taking the construction of sponge city in Shenyang as the background， while the relationship between rainwater use and landscape design in colleges and universities was analyzed.Taking Northeastern University （Hunnan campus） as the research object， the feasibility of using rainwater in ecological landscape design of university in Shenyang was analyzed， by studying the outstanding ecological landscape design cases at home and abroad， and combing with the ecological conditions of Shenyang City.Rainwater garden and cistern and other technical means were adopted in landscape planning and design of building area， and a comprehensive evaluation of the existing reservoir suitability was made in order to provide reference for other universities to use rainwater resources to build campus landscape.

Key words Shenyang；Campus；Rainwater efficient utilization；Ecological landscape；Drought and waterlogging

高校校园利用雨水资源进行生态景观营造是一个系统的、复杂的和长期的过程，在具体的设计应用中，要考虑每一个雨水利用设施的细节构建，处理好校园片区各个雨水处理子系统之间的联系，以及对校园雨水系统整体的运行进行预先模拟及优化，提高雨水处理系统的人工操作性，建设基于雨水利用的智能的、经济的、生态的高校校园景观。

高校校園内高效利用雨水资源在很大程度上可以实现绿化用水的自给自足，既可以灌溉绿植，涵养地下水源，也可以构建水景，增添景观特色。东北大学（浑南校区）利用雨水进行生态景观的设计和实践，以点带面，为沈阳市其他高校的建设和改造提供值得借鉴的经验，推动沈阳市“海绵城市”的建设进程。

东北大学（浑南校区）是对于沈阳市政府建设“大学城”策略的积极响应。在新校区建设中，东北大学基于政策支持，利用沈阳市地形平坦、雨季降水量大、水源充足和土壤结构渗水性强等自然优势，大胆运用雨水利用和校园景观结合建设的新模式，既实现了校园内绿植浇灌用水的自给自足，又提升了校园景观的丰富度。笔者以浑南校区建筑馆区场地为具体设计对象，利用雨水植草沟、雨水花园、地面透水性铺装、人工湖和人工湿地等雨水利用设施，构建校园雨水系统的子系统，对已建成的雨水利用设施的运行情况进行综合评价，提出蓄水池改造利用方案。

1 研究背景

1.1 沈阳水资源状况与城市内涝问题 沈阳境内汇有辽河和浑河等丰富的自然水体，区域年平均水资源为3.684×109 m3。其中，区域年平均地下水资源为2.364 8×109 m3；境内年地表水利用量为1.319 2×109 m3，约占径流量的16%[1]。然而，沈阳是一个严重缺水的地区，人均水资源为486 m3，约是辽宁省人均占有量的1/2，全国人均占有量的1/5[1]。

沈阳夏季高温多雨，雨季集中在每年6、7、8月份，内涝严重，期间由暴雨引发城市内涝问题[2]，而其他时间相对干旱，水资源在时间分配上严重不平衡。

1.2 沈阳市高校利用雨水资源营造生态景观的迫切性 高校校园是城市生态系统的一个重要的子系统。沈阳市域内大学校园总面积约为2 881.831 9万 m2，约占沈阳城市绿地总面积的14.49%，在沈阳市绿地系统规划中占有极其重要的地位。截至2016年，沈阳市多所高校出现水资源供应不足的情况，伴随着雨水资源的大量浪费，给学生的正常生活带来极大的不便，城市内涝与城市水资源短缺问题也越发严重。利用雨水营造生态景观，可以有效利用校园中的雨水资源，调控高校校园中雨水流速，控制雨水径流量，减轻排水压力，促进地下水的积蓄[3]。

2 雨水利用与高校景观设计的关系

2.1 高校校园内雨水利用 校园景观是由土地、各种建筑、道路及铺装、植物、水体和微生物等实体组成，土地和建筑物是校园环境的主要组成部分[4]。高校景观设计与雨水利用的关系主要是通过校园内的土地、水系（池塘）和生态环境紧密联系在一起的（表1）。

2.2 高校雨水资源有效利用对沈阳市水资源的影响作用 沈阳市范围内高校校园总面积约为2 881.831 9万 m2，按照沈阳市雨水收集量计算公式，可以计算出沈阳高校年收集雨水量约为8.801×106 m3（校园规划中一般按照建筑密度不高于30%，绿化率不低于40%，该研究均取临界值），是沈阳境内正常年地表水利用量的6.67×10-3倍，在沈阳市存量水资源中占有重要地位，有效缓解沈阳市旱季缺水的现状。校园内收集的雨水既可汇入高校水循环系统，涵养地下水源，又可以用作植物灌溉用水和景观建设，减少市政水网系统对高校的投入，自给自足，加速其他设施的建设。

3 国内外案例研究

3.1 国内案例

3.1.1 项目简介。沈阳建筑大学位于东北地区南部，以平原地形为主。校区位于沈阳市浑南新区，占地约100 hm2。校园整体的景观设计与功能分区联系密切，包括以科研教学为主的人工生态区和以人工河、微型生态保护区为主的半自然生态区。校园绿化覆盖率达到50%，水域面积约3.5 hm2。整体景观设计采用低影响开发（LID）技术思想，减少和削减洪峰流量，实现可持续发展。

3.1.2

景观营造和雨水利用。在设计中，模拟了自然水循环，并结合源头控制的概念，对雨水资源的保护与利用进行了探讨。设施装置按照功能可分为2部分：雨水存蓄装置和调蓄装置。其中，存蓄设施主要包括雨水花园、湿塘、生态树池、雨水湿地及蓄水罐；调蓄设施包括引水沟和生态沟。

具体雨水利用方式如下：①建筑屋面雨水利用。将屋顶雨水收集排入中央水系进行过滤、净化处理，对于难以直接汇入中央水系的雨水，利用蓄水罐进行暂处理，同样达到清洁、绿化的目的，提高了建筑屋面雨水的利用效率。②广场道路雨水利用。将道路雨水收集、汇入绿地，减少透水性铺装的消耗，有效利用了道路广场中的雨水。③绿地雨水利用。建设引水沟设施，地面的雨水被排入生态树池。当原有的树池面积不能满足蓄水需要时，扩大树池面积或在雨水花园附近建设，以满足当地雨水调蓄的需要[5]。④水循环系统。将稻田种植利用的地下水与屋面、绿地和道路广场等利用的雨水衔接，形成良好的水循环系统，既能充分利用雨水资源，又能够充分利用稻田的净化功能。

3.2 国外案例 波特兰州立大学设计中对于雨水的利用主要体现在宿舍楼建筑中，建筑设计坚持可持续的理念，充分发掘和利用新型技术，提高雨水的利用率，其平面图如图1所示。

具体雨水利用方式如下：①雨水庭院。建筑屋面雨水通过落雨管排放到位于地面的防溅水池中，雨水在流动过程中经历一定的过滤作用，池中的雨水沿着“河沟”排入种植区，充分利用雨水。降雨强度较大的时期，雨水超过了河沟的运送能力，通过溢流管将防溅水池中的水排到雨水种植区，缓解积蓄压力。②雨水积蓄池。宿舍开敞空间中建设有4个防溅水池、5个雨水种植区。汇入种植区的雨水经过土壤层和砂砾层后渗透进入种植区底部，经过穿孔管的过滤排入积水构筑物。雨水超过种植区30 cm 的路沿就会汇入到雨水积蓄池中，形成良好的雨水利用体系。③集水坑。雨水经过过滤后从积蓄池流汇入集水坑，经过井泵加压后将水输送到厕所或者灌溉管道。雨水需要经过紫外线消毒的预处理，压力开关在水位低于8 cm时将会自动停泵；当水位涨至15 cm时，水就会通过溢流口排入临近的雨水管理系统[6]。

4 东北大学（浑南校区）雨水利用途径与雨量计算

4.1 东北大学（浑南校区）简况 东北大学（浑南校区）位于沈阳市浑南新区创新路195号，校区总面積约为89万 m2，规划期末建筑总面积达97万 m2。目前校区已投入使用的建筑包括建筑楼、信息楼、生科楼、文管楼及宿舍、食堂和浴池等公共建筑，总计11栋建筑，校区学生人数约为12 000人。

东北大学（浑南校区）2016年年平均用水量为84 230 m3，其中雨季期间校园用水量较大，约为92 300 m3，冬季少雨期间约为76 700 m3，时间维度上存在不均衡性。

4.2 沈阳市雨水利用优势 通过对沈阳市相关资料文献的查询，经过一定的实地考察，分析总结沈阳市高校雨水利用的优势如下。

（1）自然优势。沈阳市的地形较为平坦，气候适宜，四季分明，是高校建设优秀景观的重要前提。

（2）雨季雨水充足。沈阳市降雨集中在每年的6、7、8月的雨季，降雨量充足，是高校利用雨水营造景观的基础条件。

（3）土壤结构利于雨水渗透。沈阳的土壤结构有利于雨水的渗透，补充地下水资源，有益于地下水的积蓄和水文循环。

（4）河流资源丰富，形成良好的雨水利用系统。沈阳市境内存在多条河流，流经范围广阔，可以将校园景观营造过程中富余的雨水排入河流内，充分利用天然的雨水循环系统。

（5）政策支持。沈阳市要以生态城市规划为重要核心，力争“海绵城市”试点资格，鼓励和支持相关理念的工程和项目。

4.3 相关理论 从景观形式的角度考虑，雨水利用的途径主要有屋顶雨水景观、雨水花园、蓄水设施景观、渗透地面铺装、水质净化生态设施、雨水基础设施（雨水井、雨水口）等[7]。雨水利用技术主要包括雨水收集技术、雨水储存技术、雨水入渗技术和雨水处理技术等[8]。

沈阳市在利用雨水花园进行景观营造时，需酌情考虑自身冬季严寒少雨，夏季雨量充足，雨季集中的气候条件、景观设施和地域文化等，走可持续发展之路。

4.4 校园雨水利用途径 直接回收利用：将屋顶、路面和其他方式收集的雨水经过滤网简单的过滤后，直接用于校园内植物的灌溉和景观蓄水，或者作为公共用水进入校园水循环系统，节约用水。

间接处理利用：雨水经过一定的渗透装置，补充地下水。在允许土地空间和土壤渗透性良好的情况下，利用洼地、水池或池塘进行雨水的收集，进行地表蓄水和入渗。同时，可利用渗透井、渗透管（排水管）、雨水花园、下沉式绿地等典型增深设施补充地表土壤的渗透性能[9]。

5 东北大学（浑南校区）校园雨水利用方法

5.1 雨量计算

5.1.1 数据来源。通过近50年来沈阳市的雨水资料统计，沈阳市降水季节性差异较大，降雨集中在6—8月份的雨季，可以充分利用该时期的降水特征，收集、利用雨水，反哺生态环境，丰富校园景观设计。

5.1.2 径流系数法。径流系数计算法的影响参数为不同覆盖面类型的径流系数及有效汇水面积，在确定地区年平均降水量的前提下，计算出该地区的雨水收集量，原理易懂，计算过程简单，计算结果具有较高的参考价值。

结合沈阳市近50年的降水资料，通过径流系数法计算东北大学（浑南校区）和建筑馆区的设计雨水收集量[10]。

5.1.3 雨水收集计算。雨水收集量Q计算公式如下：

Q=S×q1×φ （1）

式中，S为汇水面积（m2），q1为地区年均降水量（m），φ为径流系数。

沈阳市年均降水量（1976—2014年）约为678.8 mm，不同覆盖面径流系数不同，参照单一覆盖径流系数标准得研究对象建筑屋面径流系数为0.90，道路和广场（以干砌砖石和碎石路面为主）径流系数为0.40，绿地和草地径流系数为0.15。

东北大学（浑南校区）用地总面积为89.17万 m2，其中，建筑屋面总面积为26.7万 m2（已建），道路和广场总面积为23.1万 m2（按照规划期末道路广场用地比30%计），绿地和草地总面积为35.67万 m2（按照规划期末绿地率40%计）。根据雨水收集量公式计算，（浑南校区）校园范围内可以有效收集雨水262 155.95 m3，规划期末雨水收集量远高于此，丰富的雨水收集量为东北大学（浑南校区）的景观设计提供了充足的基础资源，拥有巨大的发展前景。

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5.2 东北大学（浑南校区）校园雨水利用方法

5.2.1 下凹式绿地。

（1）雨水植草沟。植草沟是在校园道路两侧，利用绿地低洼处或者人为沟槽种植水生植物的沟渠，以鹅卵石铺装为主，对雨水进行一定的过滤和净化作用。同时也形成一定的径流通道，调节地表径流（图2、3）。

植草沟在校园景观中的应用有一定的限制。对于雨水量偏小的地区，雨水植草沟具有很高的生态效益，不仅能改善雨水的质量，还能暂时储蓄雨水，降低径流速度，雨水经过植草沟的过滤和净化作用之后渗入补充地下水；雨水量较大或者内涝的情况下，植草沟的服务能力就会显得不足。

（2）雨水花園。雨水花园是利用雨水的新型景观形式，在生态城市和可持续发展的发展战略中占有重要地位。在高校景观系统中，雨水花园发挥的主要功能包括雨水收集、过滤、净化和再利用，调节控制高校景观系统中的雨水。在高校较常见的雨水利用方式中，雨水花园对于雨水的处理利用能力强于植草沟，雨水调蓄量和净化利用效率都高于植草沟。同时，雨水花园可以为高校景观建设提供更丰富的植物种类和景观形式，提高校园景观的观赏性（图4）。

常规的雨水花园由蓄水层、覆盖层、种植层、砂层和砾石层5部分组成，在雨水花园的上面设置溢流口（图5）。

5.2.2 透水性铺装。透水性铺装，常见于生活中的景观路面或地面铺装，采用一定的技术手段，使雨水透过路面，直接进入路基的人工铺装。

透水性铺装面层和基层都要具有良好的透水性结构，与普通路面铺装材料相比，透水路面材料在校园景观设计中具有较大的发展潜力。校园规划中，大面积广场和绿地中的小径铺设透水性铺装，补充校园地下水源，调洪蓄水，吸收太阳辐射，降低校园温度，生态效益突出（图6、7）。

5.2.3 人工湖。在校园内的公园、广场和其他景观节点处，水景通常都是大多数教师和学生的集聚地。水景富有活力的表现形式给校园带来了不同的体验。我国在校园内的公园、广场和其他景观节点处的规划设计中，也是以丰富多彩的水景来提高整体生态环境的观赏性。高校内常见的人造水景有人工湖、喷泉、跌水和水景墙等（图8）。

5.2.4 人工湿地。人工湿地与自然界的湿地相似，是人工建造的雨水处理生态系统。其构造是将土壤和填料按一定

坡度填充组成填料床，设置在一定坡度和长宽比的洼地中，在填料的表层土壤中种植一些高成活率、生长周期长、净水效果好，既美观又具有景观价值的水生植物[11]，在校园中模拟小型生态系统，收集利用雨水资源，反哺校园生态系统，形成良性循环。

5.3 建筑馆区景观规划设计

5.3.1 蓄水池适用性综合评价。建筑馆区现存一个长85.825 m，宽5.525 m，深0.35 m的景观水池（图9）。该水池长期处于枯水状态，雨季期间也未能长期存蓄雨水，不能二次利用雨水资源。该设计研究中将该景观水池作为雨水利用系统中的蓄水池进行改造，既作为校园中的特色景观，又是校园雨水系统中不可或缺的一部分，二次利用雨水资源，提供充足的绿化水源。

（1）初期径流弃流量q0（m3）。

q0=10×γ×S（2）

式中，γ为初期径流弃流深度（mm），研究中根据沈阳市雨季降水量统计资料确定深度为3 mm，S为汇水面积（万 m2）。

（2）地区暴雨强度q（L/s·104 m2）。

q=1984（1+0.77lgp）/（T+9）0.77 （2014年） （3）

式中，P为重现期（年），T为降雨历时，即连续降雨的时段（min）。

（3）设计雨水流量Q（L/s）。