基于LID理念的“海绵校园”规划研究——以烟台大学为例

吴晓龙,乔玲敏,张 岩,张瑞丰

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

随着我国城市化进程加快,城市下垫面产生了很大变化,不透水地表越来越多,改变了原有的水文条件,引发一系列城市雨洪问题和环境、生态问题[1]．为应对这一系列问题,2014年4月,习近平总书记在关于保障水安全重要讲话中首次提出自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”理念,2018年12月住房和城乡建设部发布《海绵城市建设评价标准》意味着海绵城市建设迈入量化考核的新阶段．

海绵城市又被称为低影响开发(Low impact development),是指通过加强城市规划建设管理,充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用,有效控制雨水径流,实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式,其本质是传统城镇化建设方式的转型升级,实现城镇化与资源环境的协调发展,以解决城市内涝、水资源短缺、水污染等城市发展面临的挑战．海绵城市建设应遵循生态优先等原则,将自然途径与人工措施相结合,在确保城市排水防涝安全的前提下,最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化,促进雨水资源的利用和生态环境保护,其核心思想是让土地具备一定的雨洪调蓄、水源涵养、雨污净化等功能．

1 LID理念下“海绵校园”建设内涵分析

1.1 “海绵校园”基本概念

“海绵校园”是在海绵城市改造基础下对校园雨洪管理方面的创新,通过对校园一系列海绵方式的改造和建设,达到对地表径流的控制及“水污染”的管理,将高校打造成一座新时代的“呼吸性校园”[2],因此,“海绵校园”既是海绵城市在校园尺度的示范,又是海绵城市的有机组成部分[3]．

1.2 “海绵校园”建设总体思路及目标

校园作为海绵城市的微观层面,是具体落实海绵城市区域或局域的集水单元[4],因此“海绵校园”建设应符合海绵城市建设标准,其总体思路可概括为以下三点:通过“自然积存”,来实现削峰调蓄,控制径流量;通过“自然渗透”,来恢复水生态,修复水的自然循环;通过“自然净化”,来减少污染,实现水质的改善,为水的循环利用奠定坚实的基础[5]．海绵校园建设总体目标为让校园“弹性适应”环境变化和自然灾害,其具体可分为以下3个方面:通过科学规划保护校园现有水系结构;运用“海绵”技术修复破坏的校园水生态体系;运用海绵城市理念中的“渗、滞、蓄、净、用、排”低影响开发技术削减地表径流量,实现年径流总量控制率指标．

2 LID理念下“海绵校园”规划分析

2.1 LID理念下“海绵校园”规划改造优势

(1)校区绿化率高 大多数校园硬化路面面积不断增加,但校区整体保持很高的绿化覆盖率,有分布广泛且面积较大的绿地及乔木植被,特别是建筑物周边及道路两侧均覆盖有面积较大绿地,这对于“海绵校园”改造是得天独厚的优势．

(2)有重要调蓄水体,可缓解排水压力 大多校园在规划初期均建有规模较大的水系结构,且坐落于校区中部关键位置,水系周边存在绿地或者前置塘等低影响开发设施,周边道路也是校区主干道路,充分利用好这一重要调蓄水体对周边进行“海绵校园”改造将会有效缓解校园内涝问题．

(3)政策优势 由于城市内涝问题日益严重,国家层面对于海绵城市建设十分重视,各大城市也纷纷制定海绵城市专项规划,而校园作为城市重要形象象征,其内涝问题将受到更大重视．

2.2 LID理念下“海绵校园”规划改造技术路线

“海绵校园”整体规划应落实自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市发展理念,新建区以目标为导向、已建区以问题为导向,因地制宜采用“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施完善城市雨水综合管理系统[6],实现年径流总量控制率目标．“海绵校园”规划改造的具体措施是通过源头控制、源头减排、完善校园排水管渠系统三大关键策略的组合运用,并结合校园竖向设计构建超标雨水径流道路行泄通道,充分发挥校园湖体及绿化的调蓄功能,综合提高校园排水防涝能力．其技术路线见图1．

3 “海绵校园”建设技术方案研究

3.1 项目概况

烟台大学是山东省属重点综合性大学,校区校园占地面积约103 hm2,主要水系结构为三元湖,现状平均湖深1.5 m,总容积约为5.75万 m3．校园所在区域属于莱山区的地势低洼区,总体地势是西高东低,南北高,中部低,坡向三元湖,三元湖以北区域建设年代较早,雨水系统不完善,除了观海路及教学路部分路段有雨水明渠和暗渠以外,其他路段主要靠地表漫流排除雨水．三元湖以南区域为二期新建校区,雨污水系统相对完善,雨水管道系统收集沿线雨水,自西向东穿滨海路后接入大海．2014年之前,由于烟台大学相对周边路网地势较低,雨水系统也不完善,大雨时校区内涝积水严重,为缓解内涝现状,学校通过在三元湖东南角埋设DN800溢流管道入海,调整道路横向坡度以及在三元湖周边增设管道和雨水口等措施,校园积水问题得到暂时缓解．

3.2 海绵基底现状

校区总面积约103 hm2,其中:绿地面积约31.1 hm2,建筑、道路和硬质铺装面积约69.05 hm2,三元湖水体面积2.85 hm2．校区不同下垫面雨量径流系数见表1,通过计算,校区现状综合雨水径流系数为0.63．

表1 不同下垫面雨水径流系数Tab.1 Rainwater runoff coefficient table for different underlying surfaces

校区土壤的构成自上往下依次是素填土、中砂、粉质黏土、砾砂等,各土层的渗透系数如表2所示,表层土壤渗透性相对较好．

表2 土壤渗透系数Tab.2 Soil permeability coefficient

3.3 校园内涝现状及成因分析

通过调研发现烟台大学内涝积水点分布广泛(图2)[7],遭遇中雨以上强度降雨时校园低洼地段会迅速形成积水且排出不顺，进而造成积水面积扩张至整个路面,严重可致整条道路被水淹没,造成校内交通瘫痪．图3为校园内涝实景图．

针对以上问题,综合分析其成因,大致可分为以下几点:

(1)从气候层面分析,烟台市属于典型温带季风性气候,降雨的时间分布不均匀,夏季易发生短时强降雨天气或者连续性阴雨天气,年径流量在年内分布也相当不均,径流量的83%集中在汛期,而且主要集中在几场暴雨中,这使得校区雨季易发生洪涝灾害．图4为烟台市月均降雨量．

(2)从地形层面分析,烟台大学所属区域在周边地形中属于地势低洼区,且校内部分地段路面凹陷,易形成雨水汇集区．

(3)从规划层面分析,校区初期建设排水管渠设计不合理,排水管渠管径过小,路面雨水口间隔密度最大超过100 m,远远达不到规范标准(规范要求雨水口的间距适合在25～50 m之间[8]).此外管网老化、堵塞、缺失,建筑物雨落管就地排水,校园建筑物扩张,硬化路面面积即不透水面积不断增加,使得校园内涝问题愈演愈烈．

(4)从绿化层面分析,首先,校区道路两侧绿化带均采用传统上凹式绿地,即绿化带高于道路,这种形式绿化带仅起到美观作用,对消纳雨水、防止内涝作用甚微,并且在遇到强降雨时,由于雨水冲刷,绿化带易出现水土流失问题,流失的泥土则会污染路面甚至堵塞雨水口,增加排水系统的压力;其次,部分绿化区域由于踩踏等问题出现严重土壤板结现象,使得土壤渗透系数减小,进一步增大了校区的综合径流系数．

(5)从调蓄水体层面分析,校区唯一调蓄水体三元湖湖底淤积严重,大大降低了其在校区整个防洪调蓄系统中的作用．

4 烟台大学“海绵校园”规划要点

依据《烟台市海绵城市建设专项规划2016—2030》文本,烟台大学位于逛荡河排水分区,其硬性指标为实现年径流总量控制率不低于80%的目标．具体规划要点以海绵城市三大发展理念为依托,以六字方针为具体实施方法从以下2个方面进行．

4.1 优化以三元湖为中心的自然积存、自然净化的校园调蓄系统

4.1.1 净、蓄 针对三元湖调蓄水体长期缺乏维护管理,湖体出现水质变差、污泥淤积严重、雨洪调蓄功能降低等问题,对以三元湖为中心的校园调蓄系统做以下规划:

(1)通过湖底清淤,污泥外运处理,扩大三元湖湖体容积同时,改善湖体水质;定期清理湖面景观绿化植物残留秸秆,防止其在湖体中腐烂变质;对于校园内直排入湖明渠渠底进行淤泥及杂物清理,削减面源污染,疏通排水路径同时改善入湖水质.

(2)充分利用湖体周边雨水湿地、前置塘等现有设施,并通过低影响开发工程措施进行初期雨水径流的控制,削减面源污染,构建源头控制和生态净化相结合的水环境综合整治体系．例如,硬质路面初期雨水需经过下凹式绿地或人工湿地等对污染物进行初步过滤,减少入湖污染物数量．具体规划为:校园环湖南路北侧新建雨水湿地,湿地植物选用菖蒲,种植面积占水面总面积的10%,三元湖周边绿地进行下凹式改造．

4.1.2 用 (1)三元湖及周边雨水湿地、前置塘均具备一定储蓄雨水作用,为充分利用雨水资源,在不影响水生态及湖体景观作用前提下,储蓄雨水可直接用于校区绿化灌溉及道路清洗．(2)建筑雨落管断接改造．建筑雨落管断接就是指一种调控城市降雨径流的技术,其原理是采用绿地等透水区消纳屋面雨水,拦截地表径流,通过渗透或储存等方式来破坏径流的连续性,从而达到削减径流量的效果[9]．屋面雨落管断接通常情况下会与雨水罐或雨水花园等低影响开发设施结合使用．改造方式为布置雨水罐桶收集屋面雨水,雨水罐单个容积2 m3,材质选择PP材质,外形与周边景观相协调,雨水罐底部设有回用出水口,顶部设有溢流出水口,收集雨水用于浇灌周边绿植．为防止罐体淤积及初期屋面雨水污染罐内雨水,在落水管断接位置前分离一处弃流管,设置18目钢丝网,钢丝网用不锈钢卡扣同落水管连接[10]．

4.2 修建低影响开发设施为主的自然渗透下渗减排体系

4.2.1 渗 透水铺装．透水铺装是一种从源头控制雨水径流的低影响措施[11],主要通过多层孔隙结构渗透、过滤、滞留和储存雨水径流[12]．针对烟大校园部分内涝积水影响师生正常行走路段进行透水铺装改造,透水砖渗透系数不应低于0.01 cm/s．为防止遭遇强降雨时人行道路面积水,人行道铺装1.5% ～ 2%坡向机动车道,改造路段同时进行管网扩容改造及增加雨水口密度,以便更快排空雨水．

4.2.2 滞 (1)下凹式绿地．下凹式绿地是一种低于周围路面的公共绿地设施,是一种能够收集和吸收雨水的 LID 控制和利用形式[3]．不同于传统绿地设施，其具有消纳径流雨水、减小洪峰流量、削减径流污染物和补充地下水的作用.[13]．下凹式绿地应低于周边铺砌地面或道路,下凹深度宜为150～200 mm,且不大于200 mm,周边雨水宜分散进入下凹绿地,当集中进入时应在入口处设置30 cm宽、15 mm厚的碎石缓冲设施．校区部分路面积水严重,道路一侧有规模较大绿地,但道路靠近绿化带一侧间隔人行横道,其在改造过程中不能按照传统开设立缘石缺口方式,此处下凹式绿地改造采用人行道下卧方式来疏散道路雨水至绿地,人行道下卧地点选在路段严重积水的低点处．(2)下沉式条带树池．下沉式条带树池是指在树沟内种植植被,具有景观性能的蓄渗水系统,主要应用于道路沿线,一般靠重力流收集雨水,并通过截留、入渗、沉淀、过滤、植物吸收及生物降解等作用,达到雨水径流削减和污染控制的目的[14]．烟台大学校园内涝积水道路中部分路段周边并没有成规模的绿地,难以采用下凹式绿地措施进行海绵化改造,下沉式条带树池便成为此类情况下生态改造的首选．由于改造空间及条件有限,校园内下沉式条带树池采用低渗透模式,即断面构造分层较少,主要分为草皮(种植喜阴草种麦冬,株距20 cm,16颗/m2)、种植土层及原土层,其主要功能为截流路面雨水,下渗补给地下水,起到防涝抗洪作用,在净化雨水及生物降解方面此类下沉式条带树池构造作用并不明显．

根据规划研究,烟台大学“海绵校园”主要改造项目及规模见表3．

表3 “海绵校园”改造项目Tab.3 “Sponge campus” reconstruction project

4.3 改造效果量化核算

海绵化改造设计时,需要考虑径流控制量,其调蓄容积应该满足单位面积控制容积的要求．根据现场情况,采用容积法对校区进行调蓄容积计算,即场地需要控制的径流总量按式(1)计算:

V=10φhyF,

(1)

式中:V为需要控制的径流总量,m3;φ为雨水综合径流系数;hy为设计年径流总量控制率目标下对应的日降雨量,mm;F为汇水面积,hm2．

依据《烟台市海绵城市专项规划2016—2030》,年径流总量控制率80 %对应下的设计降雨厚度约为33.4 mm,烟台大学雨水综合径流系数为0.63,按式(1)计算,则“海绵校园”改造需要控制的径流总量约为21 673.26 m3．

根据计算求得需要控制的径流总量后,需进行海绵设施径流体积控制规模量化核算,渗透、渗滤及滞蓄设施(透水铺装、下沉式条带树池及下凹式绿地)的径流体积控制规模量化核算按下式计算[15]:

Vin=Vs+Win,

(2)

Win=KJAts,

(3)

式中:Vin为渗透、渗滤及滞蓄设施的径流体积控制规模,m3;Vs为设施有效滞蓄容积,m3;Win为渗透与渗滤设施降雨过程中的入渗量,m3;K为土壤或人工介质的饱和渗透系数,m/h;J为水利坡度,一般取1;A为有效渗透面积,m2;ts为降雨过程中的入渗历时,h(取3 h)．

延时调节设施(人工湿地)径流体积控制规模量化核算按下式计算:

Ved=Vs+Wed,

(4)

Wed=(Vs/Td)tp,

(5)

式中:Ved为延时调节设施的径流体积控制规模,m3;Wed为延时调节设施降雨过程中的排放量,m3;Td为设计排空时间,h(取4h);tp为降雨过程中的排放历时,h(取2h)．

根据表3 “海绵校园”改造项目数据,按式(2)—(5)核算,各渗透、渗滤及滞蓄设施及延时调节设施径流体积控制规模见表4．

通过量化核算,改造后海绵设施径流体积控制规模为26 453.8 m3,结果表明,通过渗、滞、蓄、净、用、排等低影响开发改造能够达到年径流总量控制率80%的既定目标,改造效果明显,有效缓解了烟台大学雨季内涝积水现状．

表4 设施径流体积控制规模Tab.4 Facility runoff volume control scale

5 小 结

通过对烟台大学自身海绵基底现状分析,制定以自然积存、自然渗透、自然净化的三大发展理念为依据的“海绵校园”规划改造方案,最后以量化核算作为项目建设的数据支撑,验证“海绵校园”建设可以有效解决校园内涝问题．此外,通过本次规划研究可以得出:“海绵校园”系统的构建不要求整体翻新或大范围修建,而是在现有环境基础上,在可承受范围内以适宜强度、方式与最小资金投入取得最有效的改建结果[16],其作为海绵城市一种特殊的表现形式,无论在效果上还是对于校园美观的改善上都具有显著优势．低影响开发雨水系统主要采取绿化、景观设施对雨水进行入渗、调蓄,对中、小降雨有良好的削减效果,但对于特大暴雨,仅能起到一定错峰、延峰作用[17],因此在“海绵校园”改造过程中也不能忽视传统灰色雨洪调蓄设施在防洪排涝中的作用,只有二者有机结合,建立源头减排、过程控制及末端调蓄的雨洪系统,才会发挥出更大作用．