低影响开发理念下海绵校园改造设计

魏驰原

（南京工业大学浦江学院 江苏南京 211200）

引言

在水资源匮乏及城市雨水排放不通畅问题日益严重下，如何缓解用水压力及排水压力显得尤为重要。“海绵校园”概念虽早已提出，但目前国内高校践行力度较小。高校占地面积大，绿化多，校园内教学楼、公寓楼、图书馆等大型屋面建筑较多，通过低影响开发改造，在雨天可便捷、高效地将地面、屋面雨水收集，减少路面积水，经过处理达标后供给校园中水回用用水。雨水是自然水循环的重要组成部分，雨水的回收与利用与景观结合是海绵校园建设的主要内容。

1 国内外研究概述

1.1 国内外发展现状

目前国内的雨水利用主要有以下两种方式：（1）绿化截留雨水。城市绿化中设置凹形绿地，低于地面高度，绿地中安装雨水截留设施[1]。（2）建造人工雨水贮存构筑物。利用建筑物屋顶、庭院等防渗表面收集雨水，建设雨水储存设施收集和储存城市雨水，可用于周边冲厕、洗车、消防、绿化和洗衣。国内海绵校园建设方面，天津农学院通过雨水花园、绿色屋顶、下凹式绿地等方式对校园道路、停车场、运动场、建筑等进行规划设计[2]。广州中医药大学通过摸查校园现有排水管道，进行雨水分流和海绵设施改造，并制定了日常监管维护制度[3]。

国外雨水利用的现状如下：（1）日本在建筑屋顶设置“空中花园”，有效降低城市地表雨水量，增加城市的绿化面积，美化外部环境，净化室外空气，减少城市噪音以及城市热岛效应。另外建设储存雨水设施，一方面控制了汛期的剩余径流，此外还缓解了城市供水压力。（2）在英国，以世纪穹顶为例。该建筑穹顶高50m，屋顶种植植被面积100000m2。雨水通过屋顶植被再被收集，为建筑提供100m3/d 的再生水作用于建筑内的厕所冲洗。（3）作为雨水利用设施规模较好的德国，在上世纪初就已经出版未受污染雨水的回用标准。新建住宅时必须设计雨水利用设施，否则将被征收相关费用。（4）美国雨水利用的目的是提高自然渗透能力，以应对城市化引起的河流下游洪水。普遍应用推广技术是绿色屋顶系统和由植被、透水路面等组成的地表回灌系统[4]。国外海绵校园建设较为成熟，宾夕法尼亚大学通过校园绿地景观系统可收集场地内95%的雨水；塞勒姆州大学将校园雨水回用与生态环境修复配合设计，运用湿地走廊设计，打造自然人文循环系统[5]。

1.2 发展趋势

雨水的收集回用一方面减轻了排水压力，减少路面积水，另一方面为非饮用水问题提供供水水源，可以缓解部分用水资源紧张现状。虽然前期投资较大，但雨水利用减少了传统排放中统一收集、处理的长距离管道投资[1]。近年来，随着海绵城市概念的提出，雨水回用逐渐被关注，其未来发展趋势主要有以下几点[4][6]：（1）雨水回用正朝向标准化、产业化发展，出台相关设施标准，让雨水回用成为城市供水系统的重要辅助工程。（2）雨水回用设施的集成化，形成定型、组装式成套设备。（3）雨水回用是一门综合技术。雨水回用不是一个狭义的雨水资源利用和节约用水，它还可以包括减缓洪涝、补充地下水、控制雨水径流污染、改善生态环境等，完善整个城区水循环系统。

2 研究区域概况

南京工业大学浦江学院溧水校区，总建筑面积约32 万m2，由综合楼、教学楼、实验楼、宿舍楼、食堂、大学生活动中心、体育馆、图书馆组成。在海绵城市的理念下，从绿色校园与海绵校园角度出发，对浦江学院校园进行海绵校园改造、雨水回用方案设计。针对校园地形、建筑、景观绿化特点，在雨天可便捷、高效地将雨水收集，经过相关雨水处理系统后达到杂用水回用标准；亦可将校园中的湖泊水进行有效水质净化；提高校园地面渗水面积，减小地面径流，减少路面积水。

3 海绵校园改造探索

3.1 校园地面区域改造

由于校园地面多是不透水铺装，改变了原有的自然生态本底，因此自然渗透放在第一位。加强地表的渗透性可以减少地面积水、减小地表径流，减轻降雨管道排水负担。另外通过地下渗流补充地下水量，通过土壤净化水质，改善区域微气候。主要采用改变路面、地面铺装材料，通过下渗将雨水留下来。通过对绿化改造，根据校园现有绿化、地形地貌、功能区域划分，采用植草沟、下凹式绿地、雨水花园进行海绵校园改造。

以浦江学院宿舍区为例，宿舍中庭作为学生宿舍生活的主要场所，必须保证它在雨雪等天气下的干燥整洁，所以选择透水地砖与人造草坪的结合。透水地面主要包含有透水面、透水找平层、透水基层、透水底基层和土基，在透水基层中还埋有PVC 排水管，以备水量过大时排出基层无法渗透的水。

运动场区域浦江学院为塑胶跑道塑料草坪，雨水渗透性差，所以改造以自然径流为主。除了前期建设已经铺设的跑道内侧的内环排水沟，规划在观众看台一侧设置外环排水沟，在足球场两端设置端边排水沟，以此来减少区域积水。排水沟就近接入周边植草沟或校园雨水排水系统。在道路及广场每隔一段距离设置缝隙式排水沟，分别连接到对应草坪上的植草沟处，在地面上形成网状线性缝隙式排水沟，提高雨水径流的收集，转输效率在道路与绿化边界区域增加渗透性干式植草沟设施，采用倒抛物线形。中心绿化区域改造成下凹式绿地，它的理念是利用开放空间接收和储存雨水，从而减少径流排放。与植被浅沟相比，可以接收更多的雨水。下凹式绿地雨水口设置在绿地内且高于绿地高程。绿地采用百慕大草，其在小雨条件下渗透能力较高，达到73.197%。再配上马尼拉，种植葱兰和高羊茅以提升观赏性。另外在小面积绿化区域减少不透水路面铺设，采用嵌草路面，常见的形式有花岗岩嵌草路、空心砖嵌草路、冰裂纹嵌草路等，提高区域的滞水性和渗水性。

浦江学院校园内有湖泊，其周围可建设雨水花园，种植层、营养土层、碎石层和净化层，所述净化层内设有净化装置和渗水管，渗水管与雨水回收利用管道相连接。利用高差地形条件设置阶梯式绿地，将雨水流行时间延长，同时雨水中的泥砂、树叶等杂物截留在绿地内，净化雨水的同时减小了雨水径流对雨水花园种植层的冲刷；通过碎石层的过滤以及净化层内净化装置的再次净化，提升雨水水质条件，得到更广范围的利用[9]。在湖岸处建立过渡地带护坡，上面可以种植适合护坡上生长的植物，低于湖岸路面。平时可作为湖岸绿色景观，当水位上涨时，可作为第二阶河床，以免湖水涨上岸。湖中加入适当的生态景观浮岛，既可改善水质也有观赏效果。

3.2 校园屋面区域改造

建筑屋面改造是绿色建筑的重要组成部分，利用自然资源让建筑与环境相融合，达到可持续发展、节能减排的目标。以浦江学院教学楼、实验楼、图书馆为例，分为普通屋面雨水收集改造和绿色屋顶改造。坡面倾斜超过15 度、不适宜种植植物或未覆盖绿化部分的屋面，增加雨水斗，方便雨水收集，防止楼顶积水。并安装初期屋面雨水弃流装置，雨水管接入校园雨水处理系统。屋面平整、面积大，适合设置绿色屋顶的建筑，通过在屋顶铺设防水层、保护层、排水层、过滤层、土壤层以及植被层，可以达到保护建筑表层的目的。表面种植不同植被，可以延长屋面雨水径流时间，达到滞留效果；并且雨水经由植物根系净化过滤可直接进入雨水回用系统储存利用。绿色植被层一方面可以作为景观融入生态校园建设，另一方面可以吸收建筑热量，改善校园空气质量。

4 校园雨水收集回用系统

结合海绵校园改造建设，绿色屋面、可渗透地面、下凹绿地等进行雨水收集，通过现有或新建雨水管输送，雨水回用系统分为两条技术路线：（1）回用水只用于道路冲洗与绿化灌溉，因其对于水质要求低，直接采用具有“管道过滤的蓄水池”即可。（2）用于包括建筑冲厕、景观用水和补充杂用水等。对初期雨水弃流，初处理、二次处理等步骤进行雨水处理，最终使雨水达到利用标准。以下雨水回用系统针对第2 条技术路线进行讲解。

采用雨水的“收集–调蓄–处理–利用”整体思路，统筹解决雨水的“入”到“出”问题。雨水管网收集屋面雨水和地表径流雨水，通过初期雨水弃流，一体化设备对雨水进行截污、沉淀、过滤、紫外消毒达到回用水水质要求，最后进行雨水利用。绿色屋顶、下凹式绿地和雨水花园因设施具有净化装置，采用分布式调蓄一体化装置，可直接经调蓄消毒后进行利用。

此外，一体化设备与校园内部湖泊连通，在强降雨天气可直接溢流至湖内，减轻市政管网排水压力，亦可排尽替换回用池中的储蓄雨水。在非汛期晴天天气或校园湖泊水质较差的情况下，一体化雨水处理装置可用于简易水处理，净化校园湖泊水质。技术路线如图1所示。

图1 校园雨水回用系统图

雨水处理调蓄回用一体化设备通过现有机制、管网体系与新型雨水设计系统、工艺设备相结合，打造全新“低碳”设备，选用低阻力管材，降低水损，减少污水提升泵和加压泵站的建设。现有的雨水收集装置系统的维护操作复杂，并且对于药剂的投加量难以控制，导致工作效率低下，对于投加量所造成系统的维修也是一笔大开支。本项目设计的一体化雨水收集回用装置有着智能监测系统，对于药剂的投加量有着很好的控制，远程监控设备状态，采集运行数据。

一体化雨水处理回用设备包括分流装置、调蓄装置、处理装置、消毒装置以及回用装置。分布式调蓄回用设备包括调蓄装置、消毒装置及回用装置。

（1）初期雨水分流。安设雨水计对雨水量进行监测，根据雨水量确定弃流初期雨水量。U 型分隔池采用高低挡板分隔，配设自动阀门，对初期雨水进行弃流，同时U 型分隔池不同于方形水池存在死角、池内细菌不易滋生，避免“死水”现象。

（2）粗过滤。一体化设备安装粗过滤设施，粗格栅、滤网，截污挂篮、对初处理雨水进行粗过滤，并对滤物进行收集处理。

（3）絮凝沉淀单元。对粗过滤雨水进行絮凝沉淀，使用絮凝剂、通过设计管道液体流量采用射流方式将液体与药物充分混合，减少机械搅拌后使用斜板沉淀池进行沉淀。

（4）活性炭吸附。活性炭比表面积较大、空隙较多，吸附性能强，可有效吸附水中大小不同的污染物，以达到净化水质的目的。

（5）过滤消毒。一体化设备中配设雨水过滤器，紫外消毒装置，对雨水精过滤、消毒进行不同程度的处理，使雨水满足多方向利用。

（6）回用池。一体化设备配设液位计、水质分析仪；通过液位仪监控回用池水位变化解决晴天、雨天雨水蓄存问题，同时起到调蓄作用。

结语

在海绵城市的理念下，以浦江学院高校校园为研究对象，从绿色校园与海绵校园角度出发，进行海绵校园改造和雨水回用方案设计。针对浦江校园地形、建筑、景观绿化特点，提高校园地面渗水面积，减小地面径流，减少路面积水。在雨天可便捷、高效地将雨水收集，经过一体化低碳雨水处理系统后达到杂用水回用标准，亦可将校园中的湖泊水进行有效水质净化。