北方高校校园雨水径流控制与景观设计

2021-02-23胡海辉杜佳月

科学技术与工程 2021年2期

胡海辉，梁雪，杜佳月

(东北农业大学园艺园林学院, 哈尔滨 150030)

随着城市化的高速发展，暴雨内涝已经成为“大城市病”的综合体现。为了实现城市的可持续发展，中国提出了海绵城市理念，即通过渗、滞、蓄、净、用、排等工程措施，以城市排水防涝安全为前提，提高雨水资源利用率[1]。高校作为城市的基本组成元素，已成为海绵城市建设的新兴载体。近年来，中国高校受教人数急剧扩增，为缓解校园承载压力，许多高校进行校内扩建，导致建筑数量增多，校内不透水的“灰色面积”增大。当经历高强度降雨后，许多高校校内雨水无法短时间内迅速排出，“校内看海”现象频频发生，校园内涝问题亟待解决[2]。大学校园环境建设多以景观规划为主，忽略了对于校内雨水系统的规划管理，致使校园内涝问题出现以及部分雨水资源的流失。将海绵城市理念应用到大学校园环境规划中，对缓解校园雨洪压力、营造优美校园景观具有重要的意义。

目前，中国学者从不同专业的角度对海绵校园的构建进行分析研究。李明[3]以河南工业大学为研究对象，探究低影响开发(low impact development,LID)设施在校园的适用性及其与校园景观营造途径。徐婉婷[4]以东北农业大学五谷园为研究对象，对校园雨水资源利用潜力进行评估，通过对整合校园局部空间雨水管理设施，完成校园雨水收集与利用。赵沛等[5]以河北农业大学局部区域为研究对象，对比分析加入透水铺装前后对研究区的产汇流的影响，发现LID设施对短历时降雨的调控效果优于长历时降雨。邹萍秀等[6]以天津大学北洋校区为研究对象，通过将校园划分为中心调蓄区、中环集雨区、外环排雨区，形成校区内外双重环形水系，利用LID设施进行校园水环境修复。刘槟等[7]以内蒙古农业大学为研究对象，利用布设LID设施提高年径流总量控制率，通过暴雨洪水管理模型(storm water management model，SWMM)模拟了开发模式下10个出水口的流量变化，发现布设LID设施可以有效削减雨水径流，且径流总量控制率为70.45%，与未改造前相比增加了30.49%。韩金凤等[8]以哈尔滨师范大学为研究对象，运用SWMM模拟，加入绿化屋顶、雨水收集装置和下凹式绿地组合式设施后的场地径流情况，结果表明LID组合对径流总量，洪峰流量及节点溢流量具有明显调控效果。

根据已有研究成果可以看出，给排水、环境工程等领域学者[9-11]大多引入SWMM模型，从水文方面进行LID设施布设前后调控效果对比，探究不同研究区LID设施所产生环境效益的排序。风景园林学领域学者[12-15]多从校园景观设计角度出发，进行LID设施设计策略总结，却鲜少引入模型对设计效果及合理性进行分析。为此，选取东北农业大学为研究区，摆脱以往单一景观化的视角引入SWMM，并采用一场具有典型代表意义降雨，对出水口流量进行模拟验证。在此基础上，根据场地现存问题，设计不同海绵设施方案，探索在北方校园布设不同LID设施与环境效益的关系。并选取适宜的方案对其进行改造设计，通过景观效果展现在校园研究层面如何将雨水管控与景观融入相结合。以期为未来的北方校园海绵化改造提供参考与指导。

1 材料与方法

1.1 研究对象

哈尔滨作为典型北方城市，冬夏温差较大，且降雨不均。年平均降雨量为548.1 mm，其中6～9月降雨总量占全年的60%～75%(哈尔滨市统计年鉴)。东北农业大学位于哈尔滨市香坊区，东临化工路，西靠铁东街，南抵互助街，北至长江路。总占地面积约为158.37 hm2，已建成面积130.92 hm2。其中不透水区域面积占总面积59.45%，透水区域面积占总面积40.55%。东北农业大学校内地势平坦，场地最大坡度不超过5%。校园下垫面主要包括三种类型，分别为建筑屋顶、绿地、道路。现状建筑排水形式以外排水为主，屋顶产生的径流通过雨落管直接排放到周边绿地及硬质场地。场地内绿地存在地表裸露情况，且被踩实成路，影响雨水下渗，未被消纳的雨水经周围的道路和硬质场地进行外排。校园内道路及广场多由不透水灰色材料铺设，其中部分地面出现破损及凹陷，景观性较差。所以本研究选择东北农业大学进行北方高校校园雨水管理系统低影响开发改造研究。

1.2 模型构建

SWMM是由美国环保署水资源处开发的基于水动力学的城市径流模拟模型[16]。通过输入研究区域数据可以对子流域及排水系统进行不同降雨频次的地表漫流演算。

1.2.1 研究区概化

东北农业大学校园排水系统为雨污合流，雨水管道沿校园主路铺设。降水形成的地表径流与废水通过雨水管道直接一起外排。研究中根据由学校基建处获取的地下管网资料，以主要雨水干网和关键节点作为划分子排水分区的依据，将校园排水系统概化为61个子汇水区，64条雨水管段、67个雨水井节点、1个管网末端排放口。其中排水管道材料为钢筋混凝土，管径范围200～800 mm。研究区概化图如图1所示。

图1 研究区域概化图

1.2.2 模型参数选取

水量模拟效果与下垫面情况密切相关，模型中的参数对模拟结果的准确性非常重要。其中子汇水区的面积、地表平均坡度、非渗透性百分比 ArcGIS 软件统计获取。管道长度、管径曼宁系数等参数由场地管网资料获得。其他无法通过实际测量的参数，依据实地情况参考SWMM用户手册及文献资料中的典型值。参数取值如表1所示。选择 Horton 模型模拟降雨入渗、动力波模型模拟排水系统流量演算。

表1 SWMM模型参数取值

1.2.3 模拟情景设定

根据《室外给排水设计规范》(GB 50014—2006)[17]，结合哈尔滨市暴雨强度公式[式(1)][18]和芝加哥降雨过程线模型设计暴雨过程线[19]。设定降雨情景历时120 min，雨峰系数(r)为0.4，模拟重现期为0.5、3、5、10 a，对应降雨量分别为20.30、41.32、47.31、55.45 mm。

(1)

式(1)中：q为设计平均暴雨强度，L/(s·hm-2)；t为降雨历时，min；P为设计重现期，a。

1.2.4 模型的验证

据由中国气象数据网获得的哈尔滨2000—2010年24 h的日降雨资料统计分析得出，日降雨以中雨为主，且占总降雨量的41.3%。运用纳什效率系数(ENS)进行模型验证，选取2019年5月26日的一场典型降雨(总雨量23.8 mm)，对排水口流量进行模拟值与实测值的拟合程度评估，验证事件的ENS为0.693。由此可见参数率定结果准确可靠，可用于该区域雨水控制模拟计算。

1.3 模拟场景布设方案

为削弱高强度降雨对校园雨水环境所产生的负影响，通过布设分散式的低影响开发设施来提升雨水径流调控效果。综合考虑东北农业大学下垫面情况、当地土壤适应性、北方城市气候特点及LID设施的实施难易程度及造价等方面，选择设计加入下凹绿地、绿色屋顶、透水铺装3种具有滞留渗透作用的LID设施，各项设施参数选择如表2所示。

表2 LID设施主要参数

1.3.1 情景一：现状模拟

根据场地现状进行模型构建，未增设LID设施。目的是与其他布设LID设施的模拟情景，进行雨水径流管控效果对照。

1.3.2 情景二：单独布设下凹绿地

将研究区域内23.80 hm2的绿地改造为下凹绿地，通过调整路面与绿地的高程关系，使绿地高程低于道路高程，以增加雨水在绿地下渗量，涵养地下水。利用微地形产生的开放空间滞留雨水，削减洪峰流量，减少雨水径流外排。

1.3.3 情景三：单独布设简单式绿色屋顶

绿色屋顶改造面积为5.62 hm2，依据场地建筑现状，建筑屋顶多为平屋面，且以外排水为建筑排水形式。考虑城市地理区位、建筑屋面结构，最终选择具有质量轻、不破坏原防水层、施工快等特点的轻质容器式绿化屋顶[20]收集处理雨水径流。通过对降落到屋顶的雨水进行收集，或者将建筑消纳不完的径流引入其他雨洪管控设施中，进行雨水储蓄与利用。

1.3.4 情景四：单独布设透水铺装

将原有不透水路面改造为透水路面，铺装铺设面积为8.17 hm2与传统铺装相比，透水性铺装雨水渗透率可提升65%左右[21]。基于研究区气候情况及校园道路承载力要求，选择具有高抗压强度和高透水系数的透水混凝土铺装。高强度降雨时，利用透水铺装将雨水渗透到路基或周围土壤中进行蓄储，缓解校园雨水管道排水压力。

1.3.5 情景五：3种LID设施组合布设

将下凹绿地、绿色屋顶和透水铺装3种LID设施组合布设于场地中。下凹绿地面积为 23.80 hm2，绿色屋顶的面积为5.62 hm2，透水铺装的面积为8.17 hm2，总布设面积37.59 hm2，各项设施参数与其他情景一致。

2 模拟结果与分析

运用SWMM模型，分别模拟不同降雨重现期下的5种情景方案，模拟地表径流及流量演算的连续性误差分别不超过0.39和0.46，均在允许误差范围之内。5种情景方案在不同重现期下，降雨径流过程如图2所示。研究区的径流总量和出水口洪峰流量统计结果如表3所示。

图2 5种方案在不同暴雨设计重现期下的降雨径流曲线

由表3可知，LID设施对径流总量、洪峰流量都具有控制效果，且LID组合式的控制效果最佳。在四种布设LID设施的情景方案中，不同降雨重现期径流总量与洪峰流量的削减比趋势如图3所示。

图3 不同设计重现期下径流深与洪峰流量削减率

表3 径流控制情况表

2.1 同一降雨重现期水文效果分析

同一降雨重现期，加入LID设施的4种模拟情景均在0.5 a时，对径流总量与洪峰流量控制效果最佳。在径流总量控制方面，LID设施组合式布设所取得的效果较各单项设施布设的效果更优。在LID设施单独布设的情景中，下凹绿地对径流总量的削减效果较好，透水铺装次之，绿色屋顶效果最差。在0.5 a时，4种情景方案对径流总量的削减率依次为62.78%、31.90%、15.41%及12.54%；在峰流量削减方面，LID组合布设式情景的洪峰削减比最佳为51.13%，高于透水铺装的33%、下凹绿地的24.17%及绿色屋顶的8.64%。结果表明：单独布设LID设施时，下凹绿地径流减排效果优于透水铺装，主要是由于下凹绿地蓄水空间大于透水铺装蓄水容积，入渗率更大。但下凹绿地洪峰流量削减效果差于透水铺装，与下凹绿地布设较为分散，相对控制面积过大有关。绿色屋顶的径流控制效果过差是因为屋顶植被层较薄、蓄水层较小，故单独布设绿色屋顶对于径流控制、洪峰流量削减效果并不理想。组合式方案的径流总量削减效果大于各单项LID设施作用效果数值加合，洪峰流量削减效果却小于单项LID设施的洪峰削减比加合。证明3种LID设施的组合在径流总量控制过程中产生正影响，在洪峰削减过程中产生负影响。

2.2 不同降雨重现期水文效果分析

随着重现期的增大，4种加入LID设施的情景方案对径流总量与洪峰流量的削减率基本呈现下降趋势，LID组合布设取得效果均最为明显。

在径流总量控制方面：随着降雨重现期的增大，下凹绿地、绿色屋顶及透水铺装的径流总量削减率逐渐减少。这主要是因为3种LID设施的蓄水空间有限，随着土壤含水率逐渐增大直至饱和状态，滞留径流能力逐渐减弱。在洪峰流量削减方面：随着降雨重现期的增大，透水铺装和下凹绿地的洪峰流量削减率逐渐降低，而绿色屋顶削减比基本保持不变。这是由于透水铺装和下凹绿地均是通过利用土壤的蓄水能力滞留雨水，进而延缓汇流时间。随着降雨的增大，地下土壤逐渐到达饱和状态，降雨量大于下渗量，地表开始产生大量径流，直经地下管网外排，所以洪峰流量相对削减效果减少。由此可以得出，LID设施对于低降雨重现期的雨水径流控制效果比高降雨重现期时更为显著。

3 校园景观改造策略

3.1 雨水生态景观系统构建

根据SWMM模拟的结果得出，LID组合布设对雨水径流控制效果最佳。以东北农业大学为改造对象，创造性地将雨水管控设施与场地景观营造有机融合，进行校园可持续雨水景观设计。校园LID布局图如图4所示。基于校园场地现状分析，因地制宜的以绿色屋顶、高位植坛、透水铺装及景观水池等景观要素串联成截—蓄—排雨水景观链，完成场地原有景观改造设计。

运用SWMM模型，对校园雨水生态景观改造前后的模拟结果进行数据分析。不同重现期下，溢流量与溢流节点变化如图5所示。由图5可知，在0.5、3、5、10 a降雨重现期下，节点溢流数分别减少2、3、3、4个，溢流总量分别减少了50.81%、48.13%、45.91%、44.76%。验证了布设组合LID设施对校园径流具有明显调控效果。且在高降雨强度时，对溢流总量控制仍具有明显的改善效果。

图5 溢流量与溢流节点

选取具有典型示范意义的区域—成栋南广场景观进行雨水景观链设计环节介绍。成栋南广场位于东北农业大学北区，是由艺术楼、成栋楼及工程楼三面围合而成具有内向院落的空间。充分利用LID设施阻滞径流，净化水质等特点，将其与场地景观特征相结合进行景观改造设计，并通过景观化的方式予以展现，如图6所示。

图6 说明性平面图

3.2 成栋南广场雨水生态景观设计

节点A为成栋楼前改造设计。即结合建筑外环境在楼前设置屋顶雨水就近收集过滤装置。由于建筑现落水管并未与地下排水管道相连，仅需对雨水管进行断接处理，引导超过绿色屋顶所能承担的雨水经雨落管汇入阶梯状高位植坛。屋面径流首先经过由鹅卵石、碎石组成的石笼进行雨水初步过滤，后流入雨水种植池进行再次净化及下渗，最终从花坛底部的暗管排入人工蓄水池等待回用。景观效果如图7(a)所示。随着降雨量的增大，雨水直接翻越高位花坛流入最下层低势绿地，既浇灌植物又对径流速产生阻滞作用。当雨水超过下层绿地土壤蓄水量时，流入下一雨水处理环节。

节点B为广场改造设计，效果如图7(b)所示。广场硬质铺装面积占比超过80%，绿地所占面积较少，雨水汇流在地面形成大量径流，影响人车通行。现将理石材料改为透水性铺装，增加路面透水率。布设人工树池花坛，有助于雨水的下渗。在广场边界布设植被浅沟，路缘石留设豁口便于径流流入植草沟中，超过植草沟储水能力的雨水通过地下地面明渠排入人工蓄水池进行蓄存。植草沟选择种植适合既耐寒又耐水淹的草本，如草地早熟禾等。

节点C为中央绿地改造设计。下凹绿地外缘应随着周边道路的走向，结合置石、旱溪、植物等元素构成复合景观。通过挖方填方进行绿地微地形改造，配置丰富植物提升行人在小路行走时的视觉景观体验。由于北方城市雨季较短，景观效果营造需考虑季节性，旱季利用形态各异的卵石与植物搭配营造天然原石景观，夏季雨水可通过卵石与植物间的缝隙进行过滤、下渗进入土壤形成雨水景观，景观效果如图7(c)所示。雨水花园选择干湿土壤环境均能良好生长的玉簪、景天等植物增强景观效果。

图7 节点A、B、C效果

节点D(图9)为雨水生态景观链末端。将径流在汇入下游雨水井直接外排前，通过LID设施过滤净化后的雨水排入人工蓄水池内，既可以补充景观用水，又可以喷灌校园植物，提高校园雨水资源利用率。当水池中雨水超过一定容积，过量的雨水通过水池溢流口的连接管快速排入市政雨水管网。上述的绿色屋顶—下凹绿地—市政雨水管网的雨水处理环节，分别从截水、蓄水及排水方面对场地径流进行调控，达到削减径流量及洪峰流量目的。