山东建筑大学樱花园LID雨水系统设计与景观化实现

王玉叶 李端杰 王洁宁

WANG Yuye1 LI Duanjie1 WANG Jiening2*

（1.山东建筑大学设计集团有限公司，济南 250013；2.山东建筑大学，济南 250101）

( 1.Shandong Jianzhu University Design Group Co., Ltd., Jinan, Shandong, China, 250013; 2.Shandong Jianzhu University, Jinan,Shandong, China, 250101 )

全球极端天气的频繁出现，快速扩张的不透水下垫面导致城市雨水径流量不断增加，随着海绵城市理念的提出，低影响开发（LID）雨水系统对城市雨洪的调节作用受到重视。以山东建筑大学樱花园建设为契机，尝试将海绵措施的选择、体系构建、景观化处理和实施融入设计和施工建设全过程，运用SWMM模型对方案进行定量验算，比选出最优LID设施组合和规模，结果表明：在1 a、2 a、5 a和10 a重现期下，LID设施对系统峰值削减率分别为23.35%、23.42%、23.18%和23.10%，峰现时间分别推迟2 min、3 min、5 min和7 min，模拟数据表明LID设施能够有效降低地表径流和峰值流量，延缓了峰现时间，达到和开发建设前基本吻合的效果。积极寻求雨洪管理与园林景观的交汇点，将海绵设施景观化，以多样组合式透水铺装、自然旱溪式排水明沟、精细配植式雨水花园和功能复合式蓄水池等策略，进行了一次既具功能性又具景观性的海绵绿地建设实践。

雨洪管理；低影响开发；海绵绿地；暴雨洪水管理；景观化

随着城市快速扩张，城市下垫面不透水率增大，改变了原有的水生态和气候状况，导致灾害频发。中国气象局观测资料显示，近70年来全球气候变暖，强降雨次数显著增加，未来出现极端强降雨的可能性越来越高[1]。从2000年初对低影响开发（Low Impact Development，LID）雨水综合利用的探索，到“海绵城市”概念在《2012低碳城市与区域发展科技论坛》的首次提出[2]，现代城市雨洪管理研究旨在降低洪涝灾害、提高雨水资源化利用。国内外普遍采用手册指南来指导LID实施建设，如2014年住房和城乡建设部颁发了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》[3]（简称《技术指南》），提供了17类低影响开发设施；美国《城市地区低影响开发（LID）设计手册》提出了工程实施的21种不同设施[4]。

近年来，诸多学者从规划、环境、景观、地理、生态和经济等学科掀起了海绵城市的研究热潮，包括海绵城市的基本内涵、实现途径、模型构建，国内外海绵城市景观设计案例和海绵景观设计的发展趋势等。目前研究多集中于满足功能要求层面，追求快速、高效、节省的方式解决雨洪问题，而对海绵城市建设的美观、生态化和人性化的关注较少[5]，且主要集中在理论层面，或从具体措施分析角度探讨海绵城市景观化研究[6]，或从微观、中观和宏观层面尝试构建海绵城市景观理论化体系[7]。如何将海绵设施和景观有机融合，改变其补丁化、工程化的外观，将成为未来海绵城市发展的重要研究方向[8]。

文章将海绵绿地理念融入景观设计和施工的全过程，通过SWMM模型进行雨洪计算、分析与模拟，推敲适宜的控制措施和设施规模[9]，结合景观方案对不同重现期降雨条件下的径流情况进行推演，降低了建设的盲目性[10]，并在具体施工中推敲优化，通过LID措施景观化处理，将海绵系统和景观系统融糅，促进自然水系统均衡发展，获取良好的景观效果。

1 研究区域及内容

高校校园作为城市中相对独立的组成单元，在校园内推广海绵建设具有良好的示范作用和影响力[11-12]。因此，本文选取山东建筑大学樱花园为研究对象，在塑造优美环境的同时实现LID功能最优化，促进水资源的协调均衡，打造海绵城市建设的新兴示范载体，为相关高校建设海绵校园提供借鉴。山东建筑大学围绕雪山东北侧呈弧形布局，研究区域位于校园核心生态廊道南端的樱花园。由于樱花园内增建三馆（艺术馆、校史馆和档案馆）和综合实训楼两组建筑，需进行景观更新。场地整体西高东低、南高北低，最大高差为14 m，总占地面积36 720.60 m2。该区域不仅要解决场地内部的雨水径流，还要解决来自西南方向雪山山体的汇水，外部汇水面积合计约56 490 m2。

1.1 场地特征

（1）校园绿色廊道的衔接。场地位于校园绿色廊道南端，西南侧紧邻雪山山脚，原场地片植樱花，尽可能保留樱花以延续场所记忆。场地西南侧有山体汇水且高差大，下雨时地表径流快，后续设计需要采取措施延缓地表径流并增加滞留下渗措施，并与周围现有景观进行对接。

（2）新增建筑的影响。新增建筑体量较大，面临新增建筑和谐融入周围自然山体景观的挑战，建筑尽量紧贴场地西侧，留出较宽的绿化区域，为更好地解决屋面汇水问题预留了空间。建筑屋顶在满足荷载要求的情况下增设屋顶绿化，同时考虑可上人部分的视觉对景与安全防护问题。

（3）场地的活力需求。建筑三馆决定了樱花园需要有不同尺度的空间，满足多样的功能要求，为师生提供丰富的生活学习和交流空间。场地活动面积与海绵绿地面积的比例是设计的重点。如何将海绵设施景观化，成为能触发多元互动的优美场所，增加场地活力，赋予海绵景观一定的参与互动功能是景观设计要解决的关键问题。

1.2 设计目标与内容

项目拟打造LID理念下的新型海绵校园景观示范区，海绵设计景观化处理手法使之成为校园亮点，结合LID设施创造丰富的校园活动空间，营造良好的植物生境。通过景观更新，为师生提供交流思考、阅读学习、休憩娱乐及社团沙龙等校园特色文化活动空间，增强校园的科研教育氛围。

樱花园的方案设计经过多轮方案推演，每轮方案都有与之对应的LID体系设计，两者穿插进行。首先根据地块现状特征和建筑物特点进行水系组织和LID概念框架的构建，然后依据框架进行景观方案的设计和推敲，并在该阶段将LID设施进行比选并糅合到方案中，通过SWMM模型[13]进行模拟、推演和优化LID的参数和规模，推演是否满足海绵要求，有不满足之处再对方案进行修改，多轮循环后得到最优方案，在最优方案基础上细化设计，通过多样措施进行景观化处理，使LID设施和谐融入景观方案，又能满足海绵功能要求。

2 LID雨水系统构建

2.1 LID雨水系统控制目标

根据《技术指南》《济南市海绵城市建设导则》《济南市海绵城市专项规划修编》的要求，综合确定年径流总量控制率等相关指标。济南统计年鉴[14]1983-2020年降雨资料和中国气象数据网[15]的资料显示，济南年总降水量波动较大，年均降水764.48 mm，日降水量≥50 mm的暴雨日集中在7、8两月，占全年暴雨日数的65%左右；济南市月平均蒸发量最小为61.10 mm（1月），最大为340.30 mm（6月），年总蒸发量为2 263.00 mm。依照年径流总量控制率与设计降雨量的关系，年径流总量控制率最佳为80%～85%，年径流总量控制率设置为85%，对应的设计降雨量为41.3 mm。

LID设施受降雨类型、频率、建设与维护等多重因素的影响，结合济南多年降雨规律，综合确定海绵设施对峰现时间的延缓目标为5 min，径流峰值流量控制目标为不超过建设前原地表径流峰值流量。径流污染控制采用悬浮物（SS）总量去除率作为径流污染的控制指标，主要采用生物滞留池、雨水花园、植草沟、植被缓冲带等生态处理措施，以及过滤手段、调蓄池等非生态处理设施，依据经验，年SS总量削减率不低于60%[16]。根据《海绵城市建设绩效评价与考核指标（试行）》中的相关定义，以雨水利用量替代自来水的比例作为雨水资源化利用率计算方法[17]。根据《济南市海绵城市专项规划》要求，雨水资源化利用率不小于6%。

2.2 LID框架构建

2.2.1 LID雨水与水环境设计方案

LID体系总体布局以竖向为控制点进行汇水区划分，确保每个区域都可以做到就近收集雨水，分别对路面雨水、屋面雨水和浇洒水的收集方式进行整体设计，使控制指标内的雨水不外排，从而减少地表径流量、延缓径流峰值和降低径流污染（悬浮物SS）（图1）。

图1 LID雨水系统流程图Fig.1 LID rainwater system flow chart

2.2.2 LID设施比选

通过对设计总调蓄容积、下凹式绿地和透水铺装有效控制容积的计算，确定以绿色屋顶、透水铺装和下凹式绿地为主要渗透设施，蓄水池为存储和调节设施，植被缓冲、干式植草沟和渗渠等为传输设施，共同组成经济高效的LID体系（表1）。

表1 LID设施比选表Tab.1 Comparison and selection of LID facilities

2.2.3 调蓄容积计算

LID设施调蓄容积，根据《雨量控制与利用工程设计规范》（DB11/685-2013）[18]中径流总量计算公式计算，公式（1）：

其中，W为径流总量（m²）；φ为雨量综合径流系数；h为设计降雨量（mm）；F为汇水面积（hm²）。

景观下垫面和对应径流系数依照规范进行取值（表2）。

表2 下垫面径流系数表Tab.2 Runoff coefficient of underlying surface

用加权平均法计算地块的综合雨量径流系数φ为0.47，故要满足海绵设计指标，场地现状的调蓄容积应为2 307 m3。

2.3 SWMM降雨模拟模型构建

2.3.1 降雨模型参数设置

济南市气象局于2014年11月修订的济南暴雨强度公式，公式（2）：

其中，q为平均降雨强度（L/s·h m2）；p为设计暴雨重现期（a）；t为降雨历时（min）。

根据济南市暴雨强度公式，模型中设计降雨历时为2 h，时段间隔为1 min，重现期选取1 a、2 a、5 a和10 a，对降雨数据进行模拟（图2）。在一个重现期内，降雨强度的变化是一个动态的过程，在2 h内随着时间的增加降雨强度逐渐变大，达到峰值（48 min左右）后再慢慢降低，直到降雨停止。

图2 不同重现期2 h降雨强度变化图Fig.2 Variation diagram of 2 h rainfall intensity in different return periods

依据SWMM5.1模型和SWMM5操作手册对汇水区宽度、坡度、不透水性和LID参数设置等进行取值，同时根据场地具体情况校准指标（表3）。

表3 LID参数设置表Tab.3 LID parameter setting

续表

2.3.2 LID设施空间布局与方案推敲

依据场地实际情况选择合适的LID设施，如雨水花园、下凹式绿地、透水铺装、植草沟和绿色屋顶等，并将其在设计空间中组合布局，确定位置和竖向（图3），并依此进行景观初步方案设计，再经过多次推演，形成较满意的景观方案（图4），再对该方案进行SWMM模拟（图5，图6），判断模拟结果是否符合要求。

图3 LID设施空间布局示意图Fig.3 LID facility space layout diagram

图4 设计过程方案Fig.4 Design process scheme

图5 SWMM模型概化图Fig.5 Diagram of SWMM model generalization

图6 雨水径流示意图Fig.6 Rainwater runoff diagram

2.4 SWMM模拟结果分析

2.4.1 不同重现期模拟结果分析

依据LID设施布局方案，通过SWMM模拟研究区的产流和汇流情况，按照开发建设前、开发建设后和LID设施设置后三种情形，分别研究其在1 a、2 a、5 a和10 a这4种重现期下的地表径流相关模拟结果（表4）。模拟结果显示，重现期从1 a到10 a，未使用LID设施时，总降雨量从41.36 mm上升到72.85 mm，总径流量从24.67 mm上升到62.12 mm，增加了37.45 mm；使用LID设施，总径流量从18.91 mm上升到47.77 mm，增加了28.86 mm。在1 a、2 a、5 a和10 a的重现期下，LID设施对系统径流总量的削减量分别为5.76 mm、8.05 mm、11.45 mm和14.35 mm，峰值削减率分别达到了23.35%、23.42%、23.18%和23.10%，因此，随着重现期的增大，LID设施对于径流总量的削减量逐渐增大，削减率逐渐降低。

表4 径流模拟结果汇总表Tab.4 Summary of runoff simulation results

以汇水分区为界，充分利用透水铺装、下凹式绿地、植草沟等LID设施，分区对径流污染进行控制，消减污染负荷。按照《技术指南》，年SS总量去除率通过年径流总量（年均降雨量×雨量径流系数×汇水面积）加权平均计算得出，下凹式绿地及雨水收集池污染物削减率取值80%，计算得出年SS总量削减率为62.70%；雨水资源利用率为年雨水利用量替代自来水利用量的比例，年雨水利用量通过径流总量按比值换算，自来水利用量由学校提供，结果为6.90%，回用率超过6%，达标。

2.4.2 径流模拟结果分析

分析在不同重现期（1 a、2 a、5 a和10 a）内，场地开发建设前、开发建设后及LID设施设置后的地表径流变化（图7），得到如下结论：（1）使用LID措施后，地表总径流量和峰值流量明显小于LID设施设置前，随着降雨量的增大，LID设施的削减量也逐步增大；径流变化曲线与开发建设前有较高相似度，峰值和流量比开发建设前略低。（2）使用LID措施能够有效延缓峰现时间，且5 a和10 a时延缓峰现时间大于5 min，达到设计预期，10 a延缓峰现时间长达7 min；径流削减量随着重现期增加而增加，而径流削减率整体稳定，重现期为2 a时总径流削减率最大，为23.42%；峰值削减率波动，10 a最优为27.01%。

图7 不同重现期降雨径流曲线Fig.7 Rainfall runoff curve in different return periods

因此在雨洪管理过程中，设置LID设施是削减地表总径流量和降低峰值流量，延缓峰现时间的有效手段，模型模拟结果满足需求，并以此模型为基础进行后续的LID设施景观化设计。

3 LID景观化实践

通过景观手法将LID雨水系统融入环境中，搭建海绵绿地功能性设施与个性化景观设计的转译平台，实现低投入和更灵活的雨洪缓解措施。对方案的细节进一步景观化处理，依据地形和场地功能，选取适宜LID设施的景观化途径，如蓄水模块以SWMM数据为基础，结合景观池进行设计，干式植草沟设计成旱溪和卵石浅溪，绿色屋顶设计成屋顶花园等，结合透水铺装和下凹式绿地进行精心布局。山体的汇水通过设置曲折小径，结合多层沿山体等高线布置的具有截水汇水功能的旱溪，汇聚到山谷间，注入蓄水池，多余部分溢流到市政管网，同时将水景元素贯穿各主要的景观节点，与现有校园水系网络有机结合。通过丰富的水态造景，增添灵动的感受；以水为媒，形成水系循环系统和喷泉系统，既保证水质又增加了亲水活动的功能。屋顶雨水通过设置花箱吸收部分雨水，其余的通过落水管就近流入LID设施，既发挥海绵绿地雨水径流渗透和吸收功能，又形成良好的校园环境（图8）。

图8 方案平面图Fig.8 Schematic plan

3.1 多样组合式透水铺装

面砖主要采用透水砖，用级配砂石作垫层，垫层内铺设全透型排水软管，将雨水引入绿地或蓄水池（图9）。根据铺装场地位置和功能的不同，设计不同材质的铺装样式，烘托场所氛围，如建筑主出入口的广场，因消防和人流集散需求，以花岗岩铺装为主，搭配树池和休憩座椅，并预留铺装空隙种植天堂草（Cynodon dactylon×C.transvaalensis‘Tifdwarf’），以降低地表径流，软化硬质界面兼顾景观效果（图10）。

图9 铺装透水汇入景观池Fig.9 Paved pervious water into the pool

图10 嵌草铺装透水Fig.10 Grass embedded pavement pervious

3.2 自然旱溪式植草沟

干式植草沟依山间坡谷地势而建，以旱溪形式进行景观化处理，底层铺设150 mm厚砂石垫层，上铺一层透水土工布，散置一层河石，在河石中混撒波斯菊（Cosmos bipinnata）、黑心菊（Rudbeckia hirta）等草花种子，形成旱溪景观，既有山林野趣，又满足植草沟的功能。台阶和座椅挡墙相结合设计的旱溪，既能缓解高差、防止山体汇水冲刷，又兼具休憩功能，台阶另一侧则为山石开敞、台阶进退参差的景观，利于台阶径流（图11）。

图11 旱溪Fig.11 Dry stream

3.3 卵石浅溪式排水明沟

建筑东侧的排水明沟改建成卵石浅溪，与南北水系渠道相连，屋面汇水通过落水口排入下凹式绿地，经渗透过滤后汇入浅溪，另一侧承接路面汇水，水深15 cm，创造了安全的亲水戏水空间，浅溪里遍布河石过滤并沉降雨水中的泥沙，并在末端经铁丝网过滤落叶后汇入映泉池（图12）。

3.4 精细配植下凹式绿地

下凹式绿地比周边绿地低100 mm，主要分布在建筑和较大面积广场周围，承接部分雨水，利用现状高差通过植草沟将其联入整个体系。同时为大乔木设置多种形式的局部下凹式树池，用小木桩或者钢板围一圈鹅卵石或大块河石，增加树池透气性和透水性，不易积尘且性价比高；广场上则采用栅格树池篦子，内种结缕草（Zoysia japonica），通行方便、视觉效果好（图13）。下凹式绿地以灌木和地被类植物为主，种植抗旱性和耐涝性均良好的马蔺（Iris lactea）、鸢尾（Iris tectorum）和金叶莸（Caryopteris clandonensis‘Worcester Gold’）等，适应下凹式绿地的立地环境。

图13 多形式的下凹式树池Fig.13 Multi form sunken tree pool

3.5 功能复合式蓄水池

主要的蓄水池为贝壳喷泉（图14）和映泉池，贝壳喷泉通过溢水和喷泉增加水体含氧量，同时内置花池种植黄菖蒲（Iris pseudacorus），既净水又美观；映泉池是面积最大的景观池，面积670 m2，水面比周围铺装低1 m，是校园的最低点和主要汇水承接调节区域，雨季映泉池可通过人工调节降低预留空间承接雨水，暴雨时最多承接700 m3的水，完全满足汇水需求。映泉池上设置多层喷泉跌水和水生植物种植池，睡莲（Nymphaea tetragona）、芦苇（Phragmites australis）、梭鱼草（Pontederia cordata）和泽泻（Alisma plantago-aquatica）等水生植物净化水质，同时为鱼类提供食物，形成水生态系统。

图14 跌水和雨水收集Fig.14 Falling water and rainwater collection

4 结论与讨论

通过SWMM定量模拟，校园海绵绿地LID雨水系统景观化的设计实践，总结经验如下：（1）传统以市政管沟排水为主的雨水处理方式，造价昂贵且易内涝，而LID措施依靠自然渗透、自然积存，使场地开发前后的水文特征基本不变，扩展了SWMM支撑下的LID措施在更多景观场景中的应用。（2）根据场地特点构建LID框架，通过SWMM模拟不同重现期雨洪管理效果，表明LID措施可削减汇水区的径流量、减少洪峰流量、延后峰现时间和改善水质，使设计更有可行性和科学性。基于模拟结果，将LID设施融入设计方案，进行景观化处理，从而构建景观方案和LID体系的最优结合方式。（3）采用“产、学、研、用”协同模式，邀请相关专家与学校师生参与讨论，共同规划。高校科研机构负责SWMM模型构建、相关企业结合LID设施进行景观设计和施工，学校社团辅助管理并进行各类活动策划等。同时，将课程教学与设计施工实践相结合，开展场地问卷调查、分析调研、测绘实践等活动，局部开辟兼具艺术审美与实践锻炼的实训园圃，以学年为单位进行景观维护和更新。

LID雨水系统景观化设计是自然资源与工程、技术和艺术紧密结合的过程，校园作为LID景观化建设的微观层面，是可以真正将研究与实施相结合的最佳实验场所，具有典型性和可实验性，大力推广LID措施景观化的建设理念，将带动社会其他类型景观设计，起到示范作用。诚然，由于设备和技术条件所限，未能对建成后实际径流数据和模拟数据定量校核，以验证其准确性。而实际使用情况表明，5年来历经多次短时强降雨，未出现场地内涝无法使用、道路积水无法通行情况，实现了“小雨不湿脚，大雨不内涝，水体不黑臭，热岛有缓解”的设计目标，希望未来依托学校科研力量进行数据检测，进一步校验模型和优化设计。

注：文中樱花园实景照片由邵勇拍摄，其余均为作者自绘。