海绵校园雨水资源化利用综合效益分析

鹿 巍 赵婧竹 李毛毛

（西安思源学院,陕西 西安 710038）

“海绵校园”是将海绵城市理论应用到校园环境中，以保护原有生态为原则构建校园环境，秉承海绵的品质“渗透”和“吸收”，净化雨水，实现环境与水资源的协调发展，遵循顺应自然、与自然和谐相处的雨水系统模式。

现如今，我国一方面存在水资源短缺的问题，另一方面遇暴雨时城市又面临内涝的困扰。高校作为科研开发和技术推广的前沿阵地，通过研究雨水科学排放与回收来解决内涝和水资源管理利用问题，对于促进我国可持续发展具有重大的战略意义。同时，高校校园作为城市生态系统中一个独立而完整的子系统，具有雨水汇水面积大、水质较好、雨水利用潜力大的特点。高校的实践研究将减轻城市水网压力，并对城市雨水资源化利用起到带头示范作用。

本文以西安思源学院作为研究对象，提出校园海绵设施优化建议，并结合雨水回收利用，分析其综合效益。

1 区位概况

西安地处我国大陆腹地黄河流域中部的关中盆地，暖温带半湿润大陆性季风气候，降雨量分布极不均衡。多年平均降水量为504.7～719.8 mm，多集中在7—10月，一次大降水的降水量一般在63.2～118.2 mm，占全年平均降水量的12.5%～16.4%[1]。另外，西安土壤结构为湿陷性黄土结合沙质土，在遭受雨水的渗透、浸湿和冲刷后，在重力和外界作用力的影响下易发生湿陷性形变。

2 校园概况

西安思源学院分为南北两校区，中间隔着水安路。本文以北校区作为研究对象。北校区占地约442亩，主要建筑有教学楼、实验楼、图书馆、行政楼、实训中心、创业中心、食堂及学生公寓等。

现阶段北校区主干道有贯穿东西的梧桐路及金石路、贯穿南北的时光大道和书苑南路，以金石中路贯穿1号实验楼、教学楼及图书馆。西侧建筑以教学科研区和行政区为主，东侧属于学生生活休闲区。

3 场地分析

（1）公共绿地的建设较少使用低影响开发措施，雨水大多以自然下渗的方式被绿地就地进行消解，也未进行雨水的收集存储。绿地与道路之间基本都用路缘石进行分隔，阻挡了道路雨水汇入绿地。当遇到大雨，进入绿地土壤的雨水量超过其对雨水的极限渗透能力时，绿地雨水反而会流入道路中，加重路面的积水情况。

（2）道路地面均为密实混凝土路面，地表径流无法下渗，且道路高程低于绿地高程。广场砖石之间缝隙较大且年久活络，导致雨天缝隙之间存有少量积水，不小心踩踏上去就会溅出泥水。

（3）停车位场地采用普通的植草砖，但是植草砖中的植被生长效果差，很多已经露出覆土，随着雨水的冲刷，使得停车场景观效果不佳[1]。停车场路缘石没有切口，道路雨水无法流入旁边绿地中，同时停车场的竖向关系使得绿地雨水排向道路。

（4）由于校园处于白鹿原上，依地势而建，东高西低且落差较大。当有强降雨降临时，积水顺应山势，沿校园内的道路向地势较低的西部流淌。校园采用传统管网排水方式，当校园排水系统不能承载累积的水流量时，累积的水不能及时排出，会形成“瀑布”小景观。

（5）大部分建筑屋顶属于坡屋顶，且这些屋顶的坡度均高于绿色屋顶坡度要求上限，还有一部分建筑屋顶安装有太阳能、空调设备等设施，所以在分析绿色屋顶建设潜力时不考虑这些建筑，校园内只有少量建筑物适用于绿色屋顶的改造。

4 “海绵”设施构建

应结合校园实际情况，有针对性地布置海绵系统，以解决校园内涝问题，实现对雨水资源的合理处置。

4.1 下沉式绿地

下沉式绿地是指绿地的高度低于地面，一般位于距离路面20 cm左右的地方，用于收纳雨水，减少地表径流。可布置在金石西路、梧桐西路等车行道路边的绿地中。在实施过程中，应保证路缘石每隔一定距离设置适当缺口，使雨水径流能够顺利流入滞留设施中，同时溢流口的高度应高于下沉式绿地并低于地面。雨水量超过绿地渗透能力时，径流溢流至别的雨水设施或市政管网中。

4.2 透水铺装

选用雨水能通过，直接渗入路基的人工铺筑的铺装材料，如透水混凝土、透水沥青、透水砖等。考虑到路面强度、路基稳定性及成本，可考虑布置在校园次要道路、支路、园路、停车场等对承重能力要求不高的道路上，例如金石东路、书苑北路、园丁路上。

4.3 雨水花园

樱花路及银杏路附近绿地分布均匀，每部分面积适中，可考虑加入雨水花园的设计。在雨水来临前，它如同普通绿地一般。当强降雨来临，雨水花园的下沉式设计，可储存和滞留部分雨水，还可促进和强化雨水下渗。同时，由于绿化植物和土壤的过滤、吸收等作用，雨水中的部分污染物得以降解，外排水质可得到显著改善[2]。

银杏路的自然坡度大于8%，下雨时会产生流速较快的雨水径流。可以将此处的雨水花园规划为台地式（如图1），通过一层一层的阶梯，消耗雨水动能，减慢径流速度。台阶之间应用护坡或挡土墙连接。还可在下方修筑蓄水装置，未滞留的雨水汇入其中，收集净化以作灌溉用。

图1 雨水台地

另外，在植物的选择方面，应尽量选择耐水淹的植物种类。暴雨过后，会出现短时间积水，容易滋生蚊蝇。因此，此类雨水花园最好设置在阳生区，同时配置适生的植物类型。在阴生区可以采取砾石带等形式，创造多样性的景观。

4.4 植草沟

植草沟（如图2）适于布置在书苑南路的山坡两侧。因与道路间隔较小，植草沟应与道路平行布置，以便将道路的水排入沟中，阻止山坡顺势冲下的雨水汇集到道路。滞水效果与沟内的植物有较大的关系，沟内的植株密集、枝叶繁茂、叶茎较长时，其滞水效果最为显著。还可代替传统地下排水管网将雨水输送至指定蓄水区域，与滞留设施相连，用作雨水净化的预处理环节。

图2 植草沟

4.5 绿色屋顶+调蓄池

屋顶绿化又可以称为屋顶花园、种植屋面等，就是在建筑的屋面空间种植以及栽培适宜的绿色植物，从而能够储蓄雨水以及减弱雨水径流。学院大部分建筑为坡屋顶，可将屋顶雨水顺着屋顶坡度汇至各个雨水管。雨水管安装有初期弃流装置，在雨水通过时可利用重力将初期雨水中污染较重的那部分雨水引入另外一个废水管道进入废水收集，剩余水质相对较好的雨水则沿着输水管道再经过一道过滤装置后进入地上调蓄池，经过净水装置的净化后再利用。

5 雨水收集效益分析

5.1 经济效益

5.1.1 中水用量

绿化若按一级养护考虑，浇洒用水定额为2.0 L/（m2·d），按100 d计算，浇洒年用水量=2×48 871×100=9 774.2（m3）。

道路冲洗用水定额取0.5 L/（m2·次），年冲洗次数为30 次，则冲洗年用水量=0.5×16 290×30=244.35（m3）。

人工水体面积约3 565 m2，渗透系数取5×10-8m/s，多年平均蒸发量为1 400 mm，年用水量=年均蒸发量+年均渗透量=(1.4+5×10-8×365×24×3 600)×3 565=10 612.3（m3）。

综上，年均总用水量为20 630.9 m3。

5.1.2 可回收雨水总量

可收集雨水量公式：W=α×β×ψ×H×A。式中：α为季节折减系数；β为弃流系数；H为平均降水量，ψ为综合径流系数；A为汇水面积。根据西安市情况，季节折减系数选用0.78，初期弃流系数取0.86，年平均降水量为612 mm。根据表1可得：

表1 不同汇水面径流系数表

平屋顶可收集雨水量W=0.78×0.86×0.612×0.4×6 392=1 050（m3）；

斜屋顶可收集雨水量W=0.78×0.86×0.612×1×30 483=12 514（m3）；

道路可收集雨水量W=0.78×0.86×0.612×0.9×11 144=4 117（m3）；

透水铺装可收集雨水量W=0.78×0.86×0.612×0.55×5 146=1 162（m3）；

绿地可收集雨水量W=0.78×0.86×0.612×0.1×48 871=2 006（m3）；

共收集雨水量为1 050+12 514+4 117+1 162+2 006=20 849（m3）。

按照西安市商业用水价格8.2 元/m3计算，将为校园每年节约170 961.8 元。

5.1.3 海绵设施造价

根据表2，投资总额约为438.88 万元。虽然海绵设施初期建设投资额较高，但需要注意的是，本次的经济计算未考虑国家对于绿色建筑的补贴费用，所以，海绵设施建造的经济价值要大得多，且投资回收期更短。

表2 海绵设施造价估算

5.2 生态效益

在校园里设置雨水花园、植草沟、透水铺装等，能够使雨水经过渗透、过滤、传输的自然过程达到水文平衡。通过保留绿地、水系，并在建设海绵设施时选用一些耐水植物，如野牛草、黑麦草、湿地松、水杉、垂柳等，能提高校园生物多样性，回补地下水；海绵设施与景观环境相结合，可提升校园的景观面貌。

5.3 社会效益

“海绵校园”建设是一个长期的过程，其核心思想是可持续发展。在校园内进行雨水资源化利用，可带动整个城市雨水资源化的进行，符合可持续用水的要求；在防洪、雨水收集利用、环境气候改变等方面效果显著，降低了校园洪涝灾害造成的经济损失[3]；在生态环境日益恶化的严峻形势下，改善了校园的环境气候，符合“以人为本”的绿色校园建设理念。

6 结论

基于量化评价，通过海绵设施可以较大地减少雨水径流，同时雨水资源化能够满足一部分中水使用需求，充分发挥其生态、经济和社会效益。但仍有些问题需进一步深入研究：首先是海绵设施在实践中的修正与完善；其次，在效益指标的定量评估中，对于量化指标的处理方法还可以继续调整和完善，考虑日后设施的运行及维护费用，以提高评价的准确性。最后，由于海绵设施建设初期费用较高，需要政府加大对校园雨水资源化利用的投入，在一些校园进行雨水利用的实验研究，建立示范工程，以利于校园雨水资源化利用的推广。但是我国高校数量众多，仅靠政府财政补贴难以满足“海绵校园”的建设需求，因此应该积极加强与校外机构、企业的合作，探索多方位的融资途径，积极与“绿色校园”“节约型校园”“海绵校园”等可持续校园发展理念对接，促进校园雨水管理的科研、教育、宣传建设。