海绵城市理念在校园风景园林规划设计中的应用——以天津大学北洋园校区为例

邹萍秀

曹 磊

王 焱*

(美)珍玛丽·哈特曼

李发明

近年来，随着中国城镇化的快速发展，传统的城市建设模式已无法有效缓解和改善城市水生态问题。落后的排水工程和防洪规划、传统的城市工程管理式灰色排水基础设施、薄弱的雨水资源合理利用意识等加剧了城市缺水、水环境污染以及生态环境恶化等问题。面对诸多城市雨水问题，建立一个可持续发展的现代雨洪管理新体系成为城市唯一的选择。由于城市基础设施的升级改造往往需要在主要的街道和建筑物下进行，因此旧城改造可能会变得尤其具有挑战性。随着中国现代化新城市建设的不断加快，部分学者对许多西方的雨洪管理方法进行了尝试与应用，新城市的建设和规划为开发更好的雨洪管理系统创造了机会。如今，国内外许多学者已开始关注雨水资源化，实践新型雨洪管理的理念，构建以自然积存、自然渗透、自然净化为目标的“海绵城市”[1]。

自20世纪70年代以来，西方发达国家面对城市内涝问题提出了一系列雨洪管理方法。例如美国的“最佳管理实践”(Best Management Practices，BMPS)[2]、“低影响开发”(Low Impact Development，LID)[3]、“绿色基础设施”(Green Infrastructure，GI)，澳大利亚的水敏感城市设计(Water Sensitive Urban Design，WSUD)[4]，英国的可持续排水系统(Sustainable Urban Drainage Systems，S U D S)[5]，新西兰的“低影响城市设计和开发”(Low Impact Urban Design and Development，LUDD)[6]等城市雨洪管理体系。对相关雨洪管理方法进行梳理并加以借鉴，将有助于促进我国“海绵城市”建设，并为构建“海绵城市”理念提供战略指导和技术支持。

因此，本文在总结国内外先进雨洪管理理念的基础上，从风景园林规划设计前期开始介入，针对天津大学北洋园校区风景园林规划设计实践，将LID雨洪调蓄系统与校园设计进行整合，以绿色基础设施等要素构建城市“海绵校园”，探索适合我国城市雨洪管理要求的雨水资源化景观途径。

1 “海绵城市”的理念与实践

1.1 “海绵城市”的理念

国内文献中使用的“海绵城市”①，实际上就是通过LID技术实现的。LID技术借助场地中的雨水湿地、绿色屋顶、雨水花园等景观要素，通过渗透、过滤、蓄存等天然的水文控制措施，将径流控制在了源头。2003年，“海绵”概念首次出现在《城市景观之路：与市长们交流》一书中[7]。在此书中，“海绵”是对自然湿地功能的比喻，与城市中的河流、洪水与干旱灾害控制有关。由于自然湿地在老城市周围大都受到干扰或淘汰，因此湿地生态的恢复和重建显得尤为重要。因为这些湿地作为城市中的一块海绵，同时具有收集、过滤、储存雨水的功能，是城市雨洪系统中的一部分。这在气候潮湿的地区尤其重要，因为在夏季的几个月里，大部分地区都会出现集中降雨造成城市内涝，而海绵城市理念正是对雨水的合理利用。

自2014年“海绵城市”理念的正式提出到2014年的第一批和2016年的第二批海绵城市的申报和建设起，国内海绵城市建设正在如火如荼地开展中。海绵城市的建设理念主要包括3个方面：1)保护原有生态系统；2)恢复和修复受损水体及其他自然环境；3)利用低影响开发措施来建设城市生态环境。海绵城市建设标志着城市雨洪管理理论的进一步发展，提出了综合考虑雨洪管理的生态城市建设[8]。通过对雨水的低影响综合管理，海绵城市建设理念明显增强了我国城市抵御自然水文灾害的能力。

1.2 “海绵城市”理念在校园风景园林规划设计中的应用

随着“海绵城市”建设热潮的兴起，“海绵校园”应运而生。“海绵校园”指整个校园像海绵一样，具有一定的弹性和适应环境变化的能力。在雨水资源合理化应用的同时，校园建设以景观为载体的水生态基础设施，实现了雨水资源最大程度的渗透、净化和再利用。校园作为一个相对独立的城市空间系统，可以降低城市雨洪排泄压力，更有利于“海绵城市”的建设，为我国生态校园建设提供了新的发展方向。

LID技术在北美高校的推广较早，校园风景园林规划设计的案例较多且成熟。如普林斯顿大学、宾夕法尼亚大学、耶鲁大学、维拉诺瓦大学等高校都根据各自的校园建设风格将LID措施与风景园林设计相结合，建立了各自的雨水管理专业机构。雨水花园设计、屋顶花园设计、生态草沟设计等一系列低影响开发技术的设计手法在北美校园风景园林规划设计中应用广泛。虽然LID技术的应用在我国起步较晚，但发展迅速，并取得了良好的成果。近几年，国内高校如清华大学胜因院景观环境改造项目、华中农业大学校园建设项目、深圳大学土木工程学院雨水花园项目、清华学堂路雨洪管理与景观设计项目等就是LID技术应用于校园雨洪管理的成功案例。

图1 子排水分区划分思路和管理策略

2 研究区概况

天津市位于中国北部沿海地区，人口超过1500万，面积近120万hm2。这里曾经是一个帝国的港口，现在仍然是首都北京作为通往大海的门户。在这座城市中，天津大学(始建于1895年)被公认为中国第一所现代化大学，现为中国教育部直属的国家重点大学。2010年，这座历史悠久的著名高校启动了在海河教育园区建设新校园的计划。校园的规划设计始于2010年，由天津大学建筑设计规划研究总院景观建筑工作室牵头，2013年开始施工，2015年校园开放。

校区面积约250hm2，拥有水道、湿地和高地。地下水位较高，土壤冲积而成，土质盐碱化，pH值约为8.0。卫津河和护校河创建了该校区的边界，高速公路主导着将校园与自然水道分开的护堤。地区年平均降水量603mm，最高的降雨量发生在7月和8月，占全年降水量的近60%。

2012年，在规划天津大学北洋园校区时，提出了“海绵校园”的概念，校园将具有与海绵一样的能力和灵活性，以适应环境变化和处理雨洪灾害。下雨时，水会被吸收、储存和过滤。设计目标包括保护场地原有的生态系统，利用生态恢复和减灾来修复施工造成的损失，并在设计和施工中使用LID实践。天津大学北洋园校区现已开放，校园旨在为30000名学生和5000名教职员工提供服务。本文研究了雨洪管理系统的形式如何决定校园形式，评估了雨洪管理系统和校园计划如何恢复现场的生态形式和功能。最后，调查了低影响设计原则的应用证据。

3 研究结果

3.1 雨洪管理系统的构建

天津大学北洋校区“弹性”雨洪管理系统的构建以分区而治、内外联合为主要特点，根据校区的整体布局和功能组团规划将校园分为3个子排水分区(图1)。每个分区结合自身的功能定位、用地特性，因地制宜地规划设计了不同的雨水管理系统[9]，系统间配合协作，从而实现校区水安全与水利用的双赢。校区内外双重环形水系的布局结构决定了子排水的划分和各区雨洪管理系统的规划设计策略。中心岛LID调蓄区使用LID实践，将生态防洪系统融入建筑景观中，水被收集并作为景观水回用，实现功能一体化(图2)。中环综合集雨区收集中心岛LID调蓄区溢流，并将其存储在干旱条件下有景观应用潜力的水道和土壤中(图3)。中环综合集雨区还通过溢流点(湖泊和湿地)与外环自然排雨区连接，有助于缓解校园内积水。最后，外环自然排雨区通过释放雨水到自然水道系统中来减轻校区暴雨季节排泄压力。中心岛生态集雨区、校园水系、城市绿化带和环校水系构成校园核心区域，面积66.84hm2。

水流相互关联的途径创造了形成和定义校园空间的形式，无处不在的水流加强了整个场地水资源管理的重要性。环校绿化带和湿地在护校河和校园核心区之间形成缓冲。人工处理湿地(图4)使用蜿蜒的水岸线和大量开阔的水域绘制，增加了水体与植物的接触时间，有效提高了净化效率。且湿地中植物和沉淀物很可能会在宽阔水域中聚集紧密，并随着时间的推移形成更紧密的过滤系统。人工处理湿地将中水站初次净化后的水体进行再次处理，水体中污染物和有机质经湿地进行沉淀过滤和分解吸收，净化后补充中心岛区景观水体，保护景观水位以及作为绿化用水，是北洋园校区蓄滞防洪的重要组成部分，其蓄水量可达33589m3。

3.2 水环境的生态修复与提升

该场地地下水位较高，约为大沽高程1.4m，土壤由海水和河流的冲积物形成，以重盐化潮湿土和盐化潮湿土为主，土质盐碱化，pH值高。校区由原来的农田景观改造为155hm2的建筑景观、15hm2的水景观和80hm2经过修复和设计的景观。校园划分为3个子排水分区处理雨水，形成外环的子流域将雨水渗入地下水，过量雨水流向邻近的护校河或自然河流。在校园中心岛LID调蓄区中，通过使用下凹绿地、透水铺装、植草沟和绿色屋顶等绿色基础设施整合整个景观元素，岛内采用慢行交通，实现了透水铺装85.8%的覆盖率，将路面的综合径流系数由0.9降至0.5，大大降低了从现场溢流至河流的可能性。在中环综合集雨区还有水景观，例如中心湖、中心河、溢流湖和湿地，可以收集溢流，从而加强该地区的海绵状功能，并减少雨水从校园到周围水道的流量。外环被称为自然排雨区域，边缘的再造林延伸到场地三角形区域的大部分地方。由于多余的雨水会从护校河流入相邻的自然河流，以避免在核心区域发生洪水，因此该区域既可用作缓冲区，又可用作释放阀。由于场地土壤盐碱水平高，且该区规划为苗圃，因此该区的雨洪管理需充分结合排盐处理(图5)，在减轻校区暴雨季节排洪压力的同时降低土壤盐碱度，保障苗木成活。

图2 中心岛雨洪管理系统技术路线图

图3 中环综合集雨区雨洪管理系统技术路线图

图4 人工处理湿地分析图

植草沟分布在整个校园内，如图6中的绿线所示。植草沟技术作为生态排水体系的重要组成部分，与其他一系列处理设施组成应用，建立生态排水体系，控制和削减进入受纳水体的径流污染负荷，在完成输送功能的同时达到雨水的收集与净化处理要求。图6中的A～D为中心岛区规划设计的自然缓坡式下凹绿地、台地式下凹绿地和2种不同类型的阶梯式绿地，这4处下凹绿地降低了区域洪涝灾害发生的几率，增加了降雨入渗量和地下水资源量，减少了绿地的灌溉用水量和对河湖的水质污染等功能。下凹绿地和人工处理湿地在从校园核心区通往内环河过程中收集和过滤雨水。总之，核心区通过一系列绿色基础设施保存和渗透雨水，过量的水储存在净化湿地和内环河中。在干旱期间，当景观植物需要用水时，可以将这些雨水由泵站提升抽回校园中使用。当净化湿地和内环河中有多余的水时，会被泵入外环的护校河。如果护校河中有多余的水，则会泵入邻近的河流。

3.3 LID模式的应用

250hm2的校园设计非常密集，考虑了建筑物的占地面积以及在那里工作和生活的人口规模。图7为校园设计与LID雨洪管理系统集成的说明性细节图，图中雨水(蓝色箭头)流向内环河的方向，环绕校园的中心。此外，循环泵站(橙色)，将校园周围的雨水和污水移至人工处理湿地进行净化。校园的设计目的作为一个高效运行的流域，就是能在现场管理大部分雨水，并管理下水道系统。本文预测这个场地对邻近河流的雨水冲击可以忽略，且建筑周围的景观和建筑本身都是融合风景园林设计、绿色基础设计和雨洪管理等LID元素设计的。

一般而言，LID的目标有利于恢复流域的水文和生态功能。校园核心及相邻的建筑中反映了几个LID设计原则，不仅企图将不透水表面尽可能减少，还包含一个接收和处理雨水的湿地和一个11.35hm2植被层次丰富的城市绿化带。除了下凹绿地和人工处理湿地外，绿色屋顶还出现在中心岛几栋建筑物上，这些建筑元素可以储存雨水、减少径流和某些污染物的来源。植被种植在与建筑物相邻的花园中，以提供充足的阴凉处，并将城市热岛效应降至最低。

4 讨论和结论

图5 雨洪管理与盐碱地土壤改良的 融合

图6 绿色基础设施示例

图7 校园设计与雨洪管理系统集成 的说明性细节

图8 校园建成后核心区种植现状(天津大学北洋光影摄)

北洋园校区是海绵城市模式在中国的首例应用之一。现校区已被使用了3年，在雨洪管理方面取得了较大成功。2016年7月20日发生的一场大风暴淹没了天津市的许多街道，而北洋园校区的路面积水却始终未超过20mm，校园内积水在雨后半个小时左右就能全部排清。这种成功是有希望的，因为这种规划和设计理念正在被不断地采用，为海绵试点城市建设，特别是新城区建设提供了有价值的借鉴。由于校园场地中的城市基础设施很少，所以雨水、饮用水和下水道系统可以在现场设计并管理，且不需要移除或更新功能系统。在建造建筑物之前，设计师可以实现雨水系统的设计和安装。植被可以放置在干净、新鲜的土壤中取代最初的盐土，在雨洪管理系统中茁壮成长(图8)。图8-1显示了校园核心区中的水景观；图8-2显示了校园内一个景观聚集空间，捕捉并引导雨水流向校园西部的湿地。

然而，同样的设计实践却很难在建筑密集的老城区中实施。在2014年推出的国家海绵城市政策的基础上，蔡鸿儒(音译)[10]对中国正在开发的16个海绵试点设计进行评估时，预测竞争力量会选择城市郊区这种类型的开发项目。他指出，经济和生态目标往往相互矛盾，导致“海绵城市”建在城市郊区而不是现有城市。北洋园校区正是将海绵城市建在城市郊区的一个例子，它占据了一个已经被天津市包围的农业用地，而这种城市郊区的例子使海绵城市模式走上了一个倒退。尽管如此，选址中历史人口的流离失所问题仍然存在争议，我们可以发现关于该地区以前居民的文献资料很少。

海绵城市建设任务艰巨，为了更好地推进我国海绵城市建设、完善海绵城市构建方法，现就海绵城市的发展现状提出以下几点建议。1)设计应充分了解场地水文状况，摆脱以往单一工程化的视角，应涉及更广泛的水文模型和多种水域管理技术的实施等水文知识体系。“弹性”雨洪管理系统可与城市生态安全格局相结合，整体和多目标地解决宏观城市尺度的雨水问题，探索更为生态的智慧海绵城市风景园林设计方法。2)保护原有的生态系统，设计时通过雨洪管理的生态净化技术，结合生态修复来增强场地海绵状功能，实现环境的可持续性，同时为当地居民提供舒适的休闲场所。3)城市中海绵体的设计应与城市结构融为一体，并与城市周围和自然体系(即山地、河流、湿地、森林、农田和湖泊)完美结合。4)控制洪涝灾害是一个长期且复杂的系统工程，由于中国降水和水灾历史发生频率存在明显的空间差异[11]，设计应同时考虑洪水发生区域与水资源短缺区域的空间差异，根据区域性和季节性来确定海绵城市建设的目标和功能，确定城市的水文资源特征，为未来的城市规划和建设指明方向。

注释：

① 请注意，“海绵城市”一词在澳大利亚的规划文献中有着非常不同的含义。Argent等人使用这个术语来指能够吸收移民的城市。例如，参见文献：Argent N,Rolley F,Walmsley J.The Sponge City Hypothesis: does it hold water?[J].Australian Geographer,2008,39(2): 109-130。