基于承洪韧性的校园绿地更新改造策略研究——以河南农业大学文化路校区为例

刘汉宇，张 雯，邢浩杰，刘保国

(河南农业大学 风景园林与艺术学院，河南 郑州 450002)

20世纪以来随着全球经济的大发展，全球城市化进程加快导致全球气候恶化，加剧了洪涝和旱灾等诸多气象灾害。中国的城市由于其建筑密度和人口密度大，受到气象灾害的影响更为严重。在城市建设中硬化过度的问题导致不透水下垫面大量存在，雨水不仅不能有效得到利用反而易引起洪灾，所以“雨洪灾害”已经成为我国的重要灾害之一。位于老城区的高校，占地面积大、人群密集、设施陈旧、建设标准较低、功能配套不全，面临雨洪问题往往难以应对等，近年来不断发生校园内涝的情况，使人们认识到校园绿地抵御雨洪的能力仍有很多不足。近两年国家大力推行老旧住区的改造并上升为国家战略，对此，基于承洪韧性，在校园原有绿地的基础上加以改造提出更新策略，有助于形成持续高效的校园绿地雨洪管理模式，可以提升大学校园绿地雨洪管理设计水平，有效缓解雨季大学校园雨洪韧性，促进雨水自然生态循环，提高水资源可持续利用水平。

1 承洪韧性理念的阐述

我国最早提出承洪韧性概念的人是香港学者廖桂贤，将其内涵解释为“城市承受洪水的能力，以及当基础设施破坏、社会经济发生崩溃时的重组能力，防止伤亡以及维持目前社会经济特性的能力”[1]，主张城市应该适应洪水而不是去抵御洪水，认为传统的工程方法抵御洪水是非此即彼的，城市应该建立一个跨尺度的韧性系统来和洪水共存。张睿等在基于承洪韧性的老旧住区更新规划策略研究中指出，在如今的背景下应该转变以往的思路，从改造基础设施到建立具有韧性的长期可持续的空间体系来整体提升承洪韧性。近年来，虽然对城市韧性与雨洪管理的研究开展不少[2]，但大都是从城市的宏观尺度上来进行的，基于承洪韧性的中小尺度下的研究较少，尤其是关于高校老校区的韧性提升和优化更有待于挖掘。

2 高校老校区空间环境要素与承洪韧性的关系

针对高校老校区的雨洪灾害，需要重点解决径流问题和雨水含蓄量问题以提升承洪的韧性。校园承洪韧性的主要载体可分为两大类：灰色基础设施和绿色基础设施系统[3]。灰色基础设施系统主要包括道路系统、建筑空间、公共活动空间的排水设施和校园排水设施，直接排入市政管网；绿色基础设施系统主要包括校园内绿地系统、水体和植被条件。其中又有许多要素影响承洪韧性，如道路系统中道路的坡度和高程与绿地之间的关系、建筑空间的屋顶形式和外立面材质影响雨水的排放时间和存蓄量，以及公共活动空间的地面铺装材质和厚度、排水设施的坡度与管径、绿地系统中绿地的面积与高程、土壤的性质决定含水量和下渗速率、植被条件的覆盖率都直接影响到降雨时的滞留雨水、净化雨水、存蓄雨水、削减径流的能力。

3 高校老校区提高承洪韧性更新改造策略

基于高校老校区的承洪韧性提升目标，遵循充分保护校园基础环境的原则，采用降低成本、实施简单、方便管理等可持续的更新策略，达到削减雨洪所产生的径流、雨水外排量，提升校园空间雨水存蓄能力，减轻径流污染对环境的影响，提高对雨洪的承载能力以及绿地系统自我恢复能力。

3.1 提升雨水蓄存量

提高校园内雨水蓄存量可以延缓洪峰时间、缓解市政外排管道压力、降低径流流量和污染、保护地下水资源，可以有效提升校园的承洪韧性。通过调研发现，目前处在老城区中的高校老校区普遍存在校园绿地率低下、硬质地面铺装较多等不利于降雨循环渗透的问题，造成校园的整体绿地雨水蓄存量低下、功能不全、阻断了雨水的自然循环路径，在暴雨天气到来时大量的雨水汇集在地表形成径流难以蓄存。因此，提高校园的雨水蓄存量有助于提升承洪韧性。但是高校老校区也存在一定的优势，如建筑大多为低矮的多层建筑且所占面积不大，校园内部也没有地下停车场等来阻断雨水的下渗。因此可采用下列措施来提升雨水的蓄存量。(1)提升校园绿地率。更新措施可采取在游憩空间增设生态树池，在道路两旁增设植草沟，结合现状增加可供学生进入的休憩空间，在教学楼周围增加植物墙立体绿化来为校园提供更多可供蓄存的绿化空间，同时也可为学生们增加休闲游憩的活动区。(2)提升下沉式绿地和雨水花园所占的比例。更新措施可采取将现状绿地通过改变高程使之低于道路路面高程，高于排水口高程，形成下沉式绿地；改造地形，合理配置耐湿性植物，使绿地成为雨水花园。(3)通过增设绿色屋顶从而提升绿地面积。更新措施可采取将现状新型平屋顶改造为绿色屋顶，新增的绿色屋顶可通过其土壤层和蓄排层对雨水进行储蓄。

3.2 提升雨水滞留能力

提升校园内雨水滞留能力可以有效减缓径流形成的时间、降低径流流量、延长雨水下渗的时间，补充地下水含量，可以有效提高校园雨洪管理能力，提升校园承洪韧性。目前处在老城区的高校老校区绿色雨水基础设施薄弱，遇到较大降雨量时雨水迅速以径流的形式汇集在路面低洼处，造成积水并最终通过排水口进入下水道。因此，要想提升雨水滞留能力可采用下列措施。(1)通过增加植被覆盖率来增加雨水滞留能力。在校园内植被不足的绿地中补植乔木和灌木品种构建丰富的植物群落。(2)在绿地中增设生物滞留设施。更新措施可根据场地空间大小布设简易型和复杂型两种生物滞留设施。

3.3 提升雨水下渗量

提高校园内雨水的下渗量，可以改善周边环境，增加蒸发，满足周围植物的生态需水，对城市整体气候演变是有帮助的，也具有削减雨水外排量，降低径流流量，涵养地下水资源的作用[4]。要想提升雨水下渗量可采用下列措施：改造更新校园内部的铺装；将道路、停车场、广场使用的透水砖、网格砖、透水混凝土和沥青改为透水性较强的铺装。

4 模拟验证

4.1 研究区域概况

本研究区域位于河南省郑州市中心城区的河南农业大学，占地面积21.44 hm2，绿地面积 5.29 hm2，建筑密度22.5%，建筑屋顶面积4.84 hm2，道路面积 2.93 hm2，屋顶、道路和广场等不透水面积占到校园总面积的58.82%；校区地势平坦，高差较小，建筑密度22.5%，有工程楼、图书馆、办公楼、教学楼、学生宿舍等占地面积较大的建筑，屋顶为时代久远的双面坡屋顶和新建筑的新型屋顶。学校有水泥路面、柏油路面和各种透水性铺装路面，还有半透水的运动场和大面积的绿地等不同结构的下垫面[5]。研究对象的规模和用地类型以及下垫面布局均具有代表性(图1)。

图1 河南农业大学现状卫星图

4.2 研究方法

依据现状的地形图以及场地基础资料，构建出区域的SWMM概化模型，并通过3场2 h的实测降雨径流事件对模型进行模拟。研究借助合成降雨模拟法模拟研究区域在不同降雨情况下，布设一定规模比例的多种更新改造策略(透水铺装、绿色屋顶、各种生物滞留设施等)前后的效果，以体现场地承洪韧性的提升效果。

4.3 SWMM模型构建及参数的确定

整体场地采用SWMM模型，首先根据场地高程数据、径流方向、雨水管网特征来划定子汇水区，设置汇流排水口和排水系统，来完成汇水区的概化。依据场地平面图、雨水管网的布置和实际汇流情况将研究对象概化为15个子汇水区(S1～S15)、22个管段、22个汇接点和1个出水口(图2)。其次设置模型的模拟参数，为了对比改造前后，分别建立布设措施前后的概化模型：(1)确定模拟计算的雨型、雨量和降雨重现期，根据郑州市区的降雨特点，同时为了研究不同重现期不同更新策略的承洪韧性效果，分别采用2年一遇、5年一遇和10年一遇3种降雨强度，采用芝加哥雨型确定降雨量，按照不同重现期确定参数按下式[6]计算求得郑州暴雨强度：

上式中，Q为暴雨强度(mm/min)；P为设计重现期(a)；t为降雨历时(min)。计算得出2年一遇降雨量为48.86 mm，5年一遇降雨量为62.53 mm，10年一遇降雨量为72.87 mm，如图3～图5所示。

(2)选定模型中的其他参数，SWMM模型中的参数主要由研究区域的现状以及相关资料，参照SWMM用户手册中的参考参数[7]确定。改造后所运用策略通过SWMM中的LID措施按照各用地面积比例应用在各子汇水区内。在模型的模拟运行中地表径流和流量演算误差都在0.09%以下，属于模型运行的合理误差，表明模型构建合理。

4.4 更新改造策略的组合方案

本研究设计了一种更新改造策略来提高场地的承洪韧性。经过实地调研，采用下沉式绿地+雨水花园+透水铺装+生物滞留设施+植草沟的方式。(1)提升雨水蓄存量。校园内现状绿地面积52900 m2。通过提升校区绿地中下沉式绿地和雨水花园的比例来提高雨水的蓄存量，有条件的话也可在绿地下部安置储水装置。控制道路、绿地和雨水口之间的高程关系。现状住宅建筑的屋顶面积为48375 m2，其中29987.32 m2为新式平屋顶，能够汇集的雨水径流量较大。校区内除坡屋顶外新式屋顶都改造为绿色屋顶，增加绿地面积以提升雨水蓄存量。(2)提升雨水滞留能力。通过改造现有绿地地形，形成下凹绿地，下凹深度可由降雨数据以及径流控制来决定[8]。在绿地中增加植草沟和小型生物滞留设施，例如生物滞留带和生态树池以及高位花坛[9]。植物配置方面，在现有植物的基础上增加耐湿性植物的数量以及种类，以达到减缓径流流速，增加滞留能力的目的。(3)提升雨水下渗量。将现有的停车场以及广场铺装更新为透水性铺装，以使雨水快速下渗、补充地下水，防止积水的发生。

图2 河南农业大学文化路校区SWMM模拟概化模型

图3 2年一遇降雨强度过程线

改造前、后方案如图6 、图7所示，总体改造绿色屋顶29987.3 m2、雨水花园23757.7 m2、下沉式绿地14624.2 m2、透水铺装29587.2 m2、生物滞留设施和植草沟分别为786.5 m2和909.9 m2(表1)。

4.5 实施效果模拟验证

采用SWMM软件对改造方案进行效果模拟验证。经过运行分析计算得到相关数据，包括径流系数、场地总外排量、总径流量和峰值流量(表2)，通过对比发现改造前后在2 a、5 a、10 a一遇的降雨条件下，排水状况都得到了很大改善。改造后的径流系数相比之前都降低了40%以上，峰值流量也得到了明显降低，降幅也都在40%～50%，场地外排雨水的总量也得到大幅削减[10]。

图4 5年一遇降雨强度过程线

通过模拟结果可知，在保留老校区的现状格局条件下，应用承洪韧性策略进行更新改造后，有效缓解了夏季突发暴雨带来的场地积水情况，缩短了雨水排干的时间，提高了雨水管理效率，弥补了老校区雨水管理系统和设施老化带来的不足，起到了提高承洪韧性的作用。与现在老旧住区的传统更新策略(改善现状基础设施能力)相比，在高校老校区采取以上提升场地承洪韧性的策略同样可有效缓解校园的雨洪灾害，并且施工难度比较低，各类成本较低，可以减少对学生的干扰，同时提升校园的室外景观环境。

图5 10年一遇降雨强度过程线

表1 河南农业大学概化分区情况 m2

图6 河南农业大学改造前平面图

图7 河南农业大学更新改造后平面图

表2 经SWMM模拟验证情况

5 结语与展望

以提升承洪韧性为目标对河南农业大学校园进行更新改造，提出了多种提升承洪韧性的更新策略，经过模拟验证，建立了承洪韧性体系，对实现系统化校园雨洪管理提供了一种新模式，对老校区更新改造及可持续发展有参考意义。然而在具体的实施过程中可能还存在各种问题，还需要进一步探索承洪韧性与各种影响因素间的关系，以便更好地提升校园的承洪韧性。