基于LID 理念的海绵校园建设模式研究——以天津农学院为例

张 潇，邱兰清，余 萍，康 满

（天津农学院，天津300384）

随着我国城市化进程加快， 近些年许多城市不断发生内涝灾害， 传统的雨洪管理系统是通过下水道、河流等手段将雨水排入江河，导致水资源流失，无法进行有效利用，还易引发一系列的水污染、水短缺及水生态环境恶化等问题。

大学校园是城市建设中具有代表性的系统，同时作为城市海绵建设的一个缩影， 海绵校园建设为探索海绵城市建设的方法和意义， 提供微观层面的参考与建议。海绵校园源于雨洪管理的概念衍生，是指让校园具有灵活应对雨水灾害和环境改变的能力，使得雨水在海绵校园中被充分利用。本项目基于海绵城市的建设理念，以天津农学院为例，将LID技术应用于校园， 最大程度地解决雨天校园内部积水严重的问题，并对雨水进行净化、储存，使其校园利用率实现最大化。

1 现状调研及特点

天津临近渤海湾， 近30年天津年降雨量平均值约578.2mm。 受到海洋气候的影响，春冬季节干旱少雨，夏季炎热，雨水集中，约占年总降水量64%。 年平均气温在11.4～12.90 ℃， 其中7月平均温度最高，约26.5 ℃；1月平均温度最低，约为-3.8 ℃。［1］如图1～图4。

图1 近30年天津市平均气温及降水

图2 绿化与非绿化屋顶温差对比

图3 典型地质材料孔隙率经验值

图4 单位雨水资源潜力与渗透能力

天津农学院位于西青区张家窝镇津静公路22 号，校园占地面积约86.13hm2，校舍建筑面积约38hm2，其中包括运动场、篮球场、网球场、宿舍楼、教学楼、图书馆、停车场及花园绿地。 校园内地势东高西低，一旦降雨较大，雨水向西流，且教学楼、食堂、宿舍楼、操场等区域内都为不透水砖，排水较慢，造成内涝。 调研发现校区内水系较多， 正门东侧的砚池、 敏学楼后的荷花池， 设施较完善且绿化面积较大，可利用率较高。 基于此，本文重点研究通过具体的LID技术和校园景观设计相结合，实现天津农学院区域内雨洪的“自然积存、自然渗透、自然净化”，维持或恢复校园自然水文功能， 发挥校园在改善周边水生态和水环境应有的生态功能［2］。

2 低影响开发设施技术选择

为构建天津农学院的低影响开发雨水系统，结合雨洪管理的概念，实现校园内部的自然水文循环。海绵校园着重强调“绿色校园” 的建设模式研究理念，应用LID技术，充分发挥校园内涝的源头分散控制作用，在涵养地下水的同时，补给景观用水，进行有效收集储存。

本项目主要采用渗透技术， 储存技术、 调节技术、转输技术、截污净化技术等，结合天津农学院地表排水区的实际情况，对校园道路、停车场、建筑、运动场等进行规划设计，控制校园内的地表径流，解决校园雨天内涝的问题， 并在水资源利用方面为校园建设提出合理性建议。

3 控制目标

本项目应用在天津市西青区张家窝镇天津农学院东校区， 占地面积约25.93hm2， 总建筑面积约13.4 hm2，由住宿区、体育场、食堂浴室区、教学区、图书馆组成，建筑密度42%，并计算出改造区总雨量径流系数。 旨在通过径流控制目标总量与校园景观结合，综合确定出低影响开发设施的类型与布局，区域按功能划分为：道路区域、广场区域及屋顶区域［3］。在低影响开发理念的指导下，以天津农学院为例进行校园雨水花园景观改造，通过雨水花园景观中运用的设计手段和技术设施， 将雨水管理设施与景观环境融为一体，解决对校园雨水的内涝困扰，改善校园的水生态和水环境，促进生态校园建设的同时，从微观层面为海绵校园建设提供参考依据和建议［4］。

4 低影响开发设施布局

4.1 校园内道路低影响开发生态改造

4.1.1 校园道路建设存在的问题

（1）渗水性差。由于校园道路多为水钢筋混凝土路面与传统的不透水砖结合，使得校园内部硬化铺装面积较大，是造成校园内涝的原因之一。如图5，图6。

图5 篮球场道路积水情况

图6 宿舍楼道路积水情况

（2）渗水问题。 天津农学院整体地势较低，遇到强降雨时，排水系统不理想，导致雨水倒灌，污水下水道反水等问题，如图7，图8。

图7 网球场积水情况

图8 操场积水情况

（3）净水问题。目前校园内缺少比较完善的净化系统，无人工湿地净化等净水系统，无法过滤掉污染物质。

4.1.2 改造方案

由于道路是连通着校园区域内的各种空间，是师生使用频率极高的场所， 同时也汇聚了大量的雨水等地面径流，因此，校园内道路建设的生态化设计改造可以同时融合低影响开发理念和景观质量的提升［2］。 主要采用渗透技术、截污净化技术。 其中渗透技术的单项设施为透水铺装、下沉式绿地、简易型生物滞留设施［5］。 透水铺装既能缓解道路的渗水问题，还起到吸音作用，可减少噪音，为学生提供良好的学习氛围。 截污净化技术主要为植被缓冲带、 雨水花园， 可用来吸收一部分由暴雨所带来的降水和过滤掉污染物质。 将对路面及其两侧人行道采用透水式铺装，使行车中分带适当下沉，考虑道路和绿化的横纵向关系，在靠近排水口的人行道路设置斜坡凹槽，将雨水引流到排水口处，提高排水效率。

4.2 校园广场低影响开发生态改造

4.2.1 校园停车场、运动场区域建设存在的问题

校园停车场面积较大，均是不透水硬质铺装，排水效果差，雨水来临无法起到雨洪管理的作用，在雨后常常积水严重， 影响使用， 通过低影响措施的实施，争取达到雨后不留水的效果。运动场整体采用不透水塑胶跑道和不透水人工草坪， 减少了雨水的渗透。 由于采用的是点式排水系统，一旦下雨，雨水不能尽快排出，积水严重，留存在运动场内，影响了同学们的生活和学习， 所以对运动场区域的开发既要体现低影响生态开发改造， 又要满足人们的日常需要，如图9。

图9 校园低影响开发生态改造布局

4.2.2 改造方案

4.2.2.1 图书馆区域改造

地面铺装如果考虑雨水渗透设施， 可以选择保留一定渗透缝隙的传统铺装，缝隙可由草、石子等进行填充，在缝隙下面埋入排水管，同时也结合植草沟的雨水净化作用， 将雨水排入图书馆附近的砚池或荷花池， 储蓄的雨水可以用来浇灌周围绿化中的植物以二次利用，既不会影响图书馆门前的整体感，也可以增强其景观性，使其与雨水和谐共生。

4.2.2.2 停车场区域改造

改造方式为将停车场的硬质不透水地面改为透水铺装结合下凹绿地、植草沟与雨水花园系统布置。雨水径流经过地面下渗，其余部分流入下凹绿地、植草沟与雨水花园，实现雨水的渗透，通过植草沟可将雨水排到下凹绿地或雨水花园中， 起到雨水的储存效果，使得校园中的雨水及时排出，既可达到雨水储蓄的效果，也可减轻校园排水系统的压力，使得停车场不再大面积积水，并在下雨时仍能正常使用，经过低影响开发改造后的停车场由原来的不透水铺装及周围简单植草沟、 下凹式绿地变为防内涝系统绿化景观，如图9。

4.2.2.3 运动场区域改造

在运动场周围设线性排水沟，未下渗部分流入线性排水沟中，收集至PP蓄水模块中［3］。 即若干个模块汇聚组成蓄水设施，拥有较大的储水孔隙率，其中线性排水沟的排水量比普通的点式排水更好，不会出现局部积水［6］。 雨水可由排水盲管流至蓄水模块中进行储水。运动场其他部分雨后积水严重，采用可透水铺装，其孔隙渗透能力较强。 雨量小时，可直接下渗；雨量较大时，未下渗的部分或流入旁边的下凹式绿地，在一定程度上能补充地下水，如图9。

4.3 校园建筑低影响开发生态改造

4.3.1 校园建筑建设存在的问题

校园内部主要建筑为教学楼、宿舍楼、食堂、图书馆、体育馆等，由于建筑设施的屋顶多为钢筋混凝土屋面，对于雨水的径流利用率很低，造成这一资源的浪费。又由于屋顶对雨水的储存能力差，使雨水经过屋顶流到地面，加大了地面排水的压力，使得地面积水严重，造成校园内涝。

4.3.2 改造方案

校园内的大多数建筑屋顶都是面积较大的平顶屋，因此可以将屋顶建设成绿色屋顶。 绿色屋顶增加校园的绿地面积，具有节能减排的功能，并且对于减少屋项面径流污染和径流总量有着良好的效果。 在改善人们的生活条件的同时，提高生活质量，最重要的是促进生态环境的平衡［7］。

绿色屋顶适用于符合屋顶荷载、 防水等条件的屋顶建筑， 在进行绿色屋顶建设时需要注意规范地设置相应的排水系统和流水系统， 保证绿色屋顶的排水收集口能够有效地将屋顶表面的雨水和土壤中的雨水收集在雨水收集沟里。需要注意的是，在进行绿色屋顶建设时，要根据当地的气候和环境，设计适合校园减少雨水缓冲力的建设。

校园中一般建筑密度高、功能多样，对于校园中海绵建设来说，建筑屋面径流雨水的处理是很重要的一部分。利用LID的转输技术，即雨水渗管引入蓄水设施中，利用收集水井，雨落管等收集雨水。如在较低楼层设置雨水储存设施以收集较高楼层的径流雨水，处理后达到标准可以用于浇灌喷洒、卫生回用；水质净化装置则根据使用水质需求与径流雨水水质决定。

由北京建筑大学关于雨水回收利用的研究得出，径流雨水量的公式计算：V=φ×α×P×A，加权平均法得出分各个区域的综合雨量径流系数， 根据天津雨水集中的夏季降雨量模拟计算， 得出式中α可取0.75，年平均降雨量为600mm，校区内设计屋顶面积根据CAD图纸测绘得出汇水面积， 计算后可得屋顶雨水径流量［2］。

研究表明，绿色屋顶可使得屋顶夏季的地表温度维持在22.5 ℃左右， 既可隔绝由于温度对屋顶造成的损害，又可以使得建筑内部美观的同时，人员可感温度舒适，如图2。同时，为了应对强降雨雨水的收集工作，还可以在建筑物下方放置雨水桶，一般放置个数控制在每栋建筑物4～6个。由于研究校区所在地冬季气温较低， 本次设计可以把雨水桶作为雨洪管控的主要设施之一，雨水桶造价低廉而且便于安装，适合对已建成校区的改造， 在上文的雨水径流量计算中， 以总径流量较大的区域内建筑物作为主要设计对象，同时在对研究区域进行实地调研后，排除部分不适宜设置雨水桶的建筑物外， 选择屋顶适合进行排水改造、屋顶面积较大的教学楼、公寓楼等建筑物，最终雨水桶的空间分布如图9。

雨水桶容量的选择， 可以根据上文计算的雨水径流量而定， 多余的雨水可以排放到建筑物周边的下凹式绿地中。下凹式绿地，即低于周边的地面或者道路具有功能性的绿色景观， 可以有效集结周围的雨水径流，并利用植被和土壤，将雨水有效储蓄，主要起地表水的引流作用。 无论是雨水季节的大量降雨，还是干旱时节的少雨闷热，都会在大片绿地的调节作用下，优化小范围的环境空间［5］。 下凹式绿地在建设过程中， 应该充分根据当地土壤的渗透性能来计算，再结合当地校园的植物特征，选择耐涝抗旱性强的植物， 并保证下凹式绿地建设的下凹深度为50～100mm，保证不超过200mm。

5 改造前后数据对比

5.1 公式计算

5.1.1 透水铺装的内部结构

从上至下依次为：60～80mm厚透水面砖、30mm厚中砂、100～200mm压实级配碎石、0～60mm厚砂垫层。 综合各材质吸水性能，取有效蓄水厚度为75mm（各种地质材质的孔隙率如图3）。透水铺装的设计单位面积径流量为：

Q=0.75+0.08×15%+0.03×40%+0.2×15%+0.06×40%=0.15

5.1.2 雨水花园草坪的内部结构

蓄水层、枯木覆盖层、种植土层，其中种植土层为砂土，平均厚度大致为500mm；下层为人工填料层，填料层以石英砂为主，厚度为1200mm；最后为砾石层，采用带有填充的粗砾石，厚度为80mm。综合蓄水层厚度和各材质吸水性能，取有效蓄水厚度为400mm。 草坪的设计单位面积径流量为：

Q=0.4+0.5×0.35+1.2×0.4+0.08×0.28=1.08

整体径流量（V，m3）：

V=V1+V2=SH+SN1h1+SN2h2+…+SNnhn

式中 V为某地块的整体径流量（m3）；SH为该地块的面积（m2）；H为有效蓄水深度（m）；h为每层材质的厚度（m）；N为每层材质孔隙率（%）；n为该地块内部材质的层数。

那么，该海绵体的单位面积径流量（Q，m3/s），则可用下式来表示：

Q=VS=SH+SN1h1+SN2h2+…+SNnhn=H+N1h1+N2h2+…+Nnhn［2］

式中 Q为某地块的单位面积径流量 （m3/s）；H为有效蓄水深度（m）；h为每层材质的厚度（m）；N为每层材质孔隙率（%）；n为该地块内部材质的层数。

雨水资源潜力按下式计算：

式中 V为年平均可利用雨量（m3）［2］；φ为径流系数；α为季节折减系数；A为汇水面积（m2）；P为年平均降雨量（mm）。

Ψ在建筑屋顶、道路、停车场和运动场取值分别为0.7，0.8，0.9，0.15； 根据天津市地区降雨时间分布特点，α取0.80。

渗透设施的渗透能力按下式计算：

式中 Wp为渗透量（m3/s）；K为土壤渗透系数（m/s）；J为水力坡度，（一般可取J=1）；As为有效渗透面积（m2）。

天津农学院建筑屋顶、公共停车场、运动场和路面的渗透系数分别取：0.1×10-3，1.2×10-3，0.4×10-3，0.4×10-3。

下凹式绿地有效贮水容积按下式计算：

式中 Va为下凹绿地的有效存贮容积（m3）；Fa为下凹绿地面积（m2）；h1为下凹绿地下凹深度（m）。

5.2 改造前后对比分析

由计算得出：透水铺装单位径流量为0.15，雨水花园单位径流量为1.08。 由此得到改造后的两组数据（如图4）。

6 效益分析

6.1 经济效益

校园低影响开发措施有效控制了区域内涝的风险，最大程度解决雨天校园内部积水、洪涝情况严重的问题，并对雨水进行净化、储存，使雨水实现了资源化循环利用，同时有效缓解校园排水系统的压力，增加校园排水能力。 在一定程度上减少校园排水系统的维修和更换费用。

6.2 环境效益

低影响开发设施选择将绿色景观和天津农学院特色建筑有效融合， 模拟改造在使得环境美观的同时，提高了校园整体美感，更能提供人文景观和学习场所结合的氛围，达到环境育人、时势造人的作用。

6.3 社会效益

大学校园属于城市建设中一个具有代表性的系统，同时作为天津市海绵城市建设的一个缩影，天津农学院的海绵校园建设模式研究为今后探索海绵城市的建设方法和建设意义提供更多微观层面的建议和参考。

7 结语

（1）“海绵” 吸附功能是解决生态问题的有效途径。校园像“海绵”一样具有吸纳和释放雨水功能，充分利用草地、泥地、雨水桶、蓄水池等，在下雨时能将雨水短暂存储起来， 需用水时能将海绵体的水释放出来并再利用。

（2）在天津农学院海绵校园的建设过程中，通过对屋顶的改造，有效地提高了雨水资源的利用率，减少了屋顶径流雨水的流失。 采用绿色屋顶及雨水桶这两个低影响改造措施，留存了大量雨水资源，通过循环利用，补充了校园内的景观用水量，减少了校内景观用水的开支。 同时，屋顶高覆盖率的绿色植物，有效地缓解了校园内的温室效应，通过植物的吸收，净化了校园内的空气，减少了空气中污染物的含量，为师生们提供了一个更加舒适宜人的学习生活场所。