美国高校校园雨水管理实践研究

刘文玲（上饶师范学院， 江西 上饶 334001）

在大多数城市和郊区，未经处理的雨水直接经屋顶、人行道和草坪流入沟渠和管道，迅速排入当地小溪和河流。整个过程称之为雨水径流。这一污染源是导致水质受损的主要因素[1]。城市化、人口增长和气候变化加剧了洪水频率和严重程度[2-3]。高峰值径流造成分散的或非特定点的水污染[4]，导致溪流、河流、湖泊和其他水生生态系统退化。我国暴雨洪涝灾害频繁，是世界上洪涝灾害出现频次最高的国家之一，灾害损失严重[5]。洪涝期间，高校被淹现象屡见不鲜，究其根本在于校园公共空间布局的不合理性。因此，探究合理的雨水管理方式对于可持续校园建设具有重要意义。

1 美国雨水管理概况

1.1 雨水管理发展

20 世纪 70 年代，美国提出了“最佳管理措施”(Best Management Practice, BMPs)，指为减轻因土地利用变化引起的城市径流量和水质的变化而采取的控制措施[1]。1987 年，美国国会根据《清洁水法》修正案，授权美国环境保护局（Environmental Protection Agency, EPA）根据国家污染物排放消除系统控制雨水排放。为响应立法，20 世纪 80 年代末和 90 年代初 EPA 颁布《雨水管理条例》，径流水质控制引起越来越多的关注。20 世纪 90 年代末，低影响开发（Low Impact Developmen，LID）理念首先在美国华盛顿特区的马里兰州普林斯乔治县引入[6]。与传统的集中技术相比，LID 技术是指分散式雨水控制设计，通过模拟开发前的水文条件，促进城市流域的渗透和蒸散蒸腾过程来减少雨水[7-8]。其不依赖于传统的管道末端或管道结构控制方法，而是将雨水控制整合到整个城市景观中[9]。

1.2 雨水管理类型

雨水管理过程一般为 2 大类。一类是储存/渗透型，包括生物滞留区、绿色屋顶、雨水箱和蓄水池、多孔路面、渗透沟、过滤沼泽地、保留盆地等。另一类是渠道型，如草甸[6]，生物滞留区与管道系统结合是雨水控制的最佳选择[10]。生物滞留区也称为雨水花园，是指在景观中降低和处理现场径流并减少高峰流量的区域[11-12]。其具有储存雨水的生物系统潜力，能够通过入渗和蒸发显著降低暴雨水量[13]。在环境治理方面，生物滞留系统可以有效地去除车辆排放的雨水污染物，特别是石油、油脂以及重金属[14]，并且该系统在城市地区还可形成一个新的生物中心，对植物、气候均有积极影响[15]。在实际景观应用中，可利用多种雨水管理措施与场地限制对管理目标和成本进行权衡。

2 美国高校雨水管理实践

响应美国政府的雨水管理立法，美国许多州和地方政府都制定了较为完善的雨水管理政策体系。因资源和财政能力有限，无法满足《清洁水法》对雨水和废水更新的要求，提倡利用低成本绿色基础设施项目来满足其水质和水量需求。本文选取美国 3 所实践经历较丰富的高校进行研究分析，如表1 所示。

表1 美国高校雨水管理参赛项目及获奖情况

3 所高校通过参加 2 类权威性比赛完成绿色基础设施改造。一是美国风景园林师协会（American Society of Landscape Architects ，ASLA）创办的国际性专业/学生年度竞赛，可获得 ASLA 基金对奖励计划的项目资助，或国家艺术基金会（National Endowment for the Arts，NEA）的创新资助。二是 EPA 自 2012 年开展的校园雨水工程挑战赛（Aampus Rainworks Challenge，CRC）。大赛旨在促进创新的雨水管理技术，并展示具有环境、经济和社会效益的绿色基础设施实践，EPA以奖金方式鼓励学生设计创新。设计竞赛共分为 2 类。① 总体规划类别，考察绿色基础设施如何在校园内广泛整合。② 项目示范类别，重点关注绿色基础设施如何解决校园特定地点的雨水污染。在 CRC 挑战赛中，ASLA 成员作为陪审员参与全部评审过程，ASLA 的权威性也显示出比赛项目的高水准性。此外，项目还可能获得可持续场地倡议评级。

3 案例研究

3.1 密西西比州立大学与雨水示范花园

密西西比州立大学是美国密西西比州的领先大学，已实施多个绿色基础设施项目，雨水示范花园就是其中之一，用以解决密西西比河的水体健康问题。该团队的“雨水缓解计划”曾在 2013 年 EPA 雨水工程挑战赛中荣获第二名。

3.1.1 雨水管理应用方式

雨水示范花园位于密西西比州立大学风景园林系院内，面积为 139.35 m2。该雨水花园管理着建筑 1/4 的雨水径流，同时作为一个绿色基础设施技术教育展示基地，演示了可持续水资源管理的 3 个步骤—运输、储存和管理。雨水管理由蓄水箱和雨水花园组成，水从邻近的两层工作室大楼屋顶向下流至檐槽，经落水管进入 7 570 L 的蓄水箱，利用蓄水箱延长雨水的滞留时间。蓄水箱连接 1 103 W 的水泵，用于灌溉附近的菜园。当水箱内雨水储存满时水会经溢流口流入雨水花园进行过滤、渗透。雨水花园内最高容量可收纳 1 892 L 的雨水。当花园内雨水超过最大容量时，水会经溢流管排出至雨水沟。由于雨水花园中存在重黏土，为避免 24 h 内积水，净化后的雨水将经暗渠排至雨水沟，最终汇入墨西哥湾。

3.1.2 监测内容与结果

监测内容主要为水质和水量的测定，用于准确反映雨水花园的实际应用效果。水质测试由土木工程专业学生在项目施工前完成，作为前期工作的一部分，有助于后期水质的比对。水量变化测定屋顶区域的自然状态、暴雨状态和管理状态的峰值流量，测定的峰值依次为 4.25×10-3m³/s、0.01 m³/s、8.5×10-4m³/s。实验证明雨水花园具有降低径流流速的显著作用。

3.2 宾夕法尼亚大学与舒梅克绿地

舒梅克绿地面积为 11 100 m2，场地位于费城核桃街和云杉街之间的第 33 街正东方，东西向连接中心校园和宾夕法尼亚公园。原场地为老化的网球场、狭窄的道路和一个历史战争纪念馆。

3.2.1 雨水管理应用方式

根据宾夕法尼亚大学的气候行动计划及可持续校园愿景，将舒梅克绿地改造设计成一个由草坪、林荫步道和休息区组成的开放空间。场地由多个 BMPs 共同作用，利用地下雨水储沙床、沟渠和管道组成的网络树沟，输送来自邻近建筑的地表雨水和屋顶径流。再结合渗透性铺装，减少地表径流。雨水花园下方设有 75 708 L 的蓄水池以及灌溉系统，用于雨水和空调冷凝水的储存和再利用，并利用植物蒸腾将水分排入大气。草坪区下方 0.91 m 处为场地内最大的雨水 BMPs ，衬土基质由粗砂和沙壤混合，利于水分吸收。当土壤中水达到饱和时，水将通过智能排水管道（一种薄塑料带，由微小的微通道组成，通过自然的毛细作用将水吸走并且不会堵塞）输送至灌溉系统。舒梅克绿地将绿色草坪空间与雨水花园巧妙地、系统地结合在一起，整合的景观系统将雨水输送、过滤和储存，以作为灌溉之用。多余雨水溢出至合流下水道。

3.2.2 监测内容与结果

该场地场地 BMPs 性能监测由某德洛波贡联合公司和宾夕法尼亚大学合作进行，历时 5 a。监测主要内容包括以下 5 个方面。① 运用自动水采样器测定在“首次冲洗”期间雨水花园的水质。② 测定土壤压实度，用于评估长期步行对土壤雨水性能的影响，压实水平高则会影响植物健康。③ 土壤生物定性和定量分析，土壤含真菌菌丝链和线虫这 2 种有益的土壤生物则标明土壤健康。④ 测定植被蒸腾速率，双色栎、多花篮果树及未压实的草皮蒸腾速率较快。⑤ 使用压力传感器监测每个 BMPs 暴雨流量。该场地可处理的暴雨流量是工程模型所能处理的 3 倍。综合结果显示，舒梅克绿地整合景观系统收集了该场地 95% 的雨水，为可持续校园设计设定了一个基准。

3.3 堪萨斯州立大学与国际学生中心雨水花园

在美国堪萨斯州曼哈顿，雨水通常会从发达地区迅速转移到排水道、小溪、河流和池塘，导致堪萨斯河上游流域的河岸生态系统继续严重退化。此外，大量的地下水被抽到地表，用于景观灌溉，补充地下水的储备水越来越少。

3.3.1 雨水管理应用方式

堪萨斯州立大学以堪萨斯城中美洲地区委员会的雨水管理手册为指导，提出水质恢复及保护策略。项目旨在在校园溪流附近的选定区域设计并建造雨水花园，帮助恢复小溪河岸走廊沿线的自然水文循环，并创造中心庭院景观。

场地由 2 个单元池、防溅板、雨水碗、水位散布器和渗透性铺装组成。雨水花园以一种循序渐进的方式成功地减缓、捕捉、渗透和利用屋顶和地表的雨水径流。屋顶雨水从排水孔流向 3 个大型石灰石防溅板或 3 个金属雨碗，随后进入上部水池。该水池可收集所有风暴的第一批屋顶径流。2 个单元池被泥土和 3 大块石灰石板隔开，除作为花园中央通道外，还可防止集中性水流冲刷侵蚀水池周边土壤。靠近雨水花园的下坡一侧为水位散布器，其作用是减少集中、快速离开的水流量。在大的风暴期间，地表水会从建筑东侧流经南侧的一条由碎石和石灰石构成的渗透性道路，最终汇入雨水花园。

3.3.2 监测内容与结果

项目成员在不同时段分别完成了植物健康监测、4 个土壤密度探头和 4 个渗透试验，确保径流能不受杂草或沉积物影响，顺利进入雨水花园，并保持良好的入渗状况。具体包括以下 4 个过程。① 定期监测、清除杂草和入侵物种，减少过度生长，避免施肥并减少在花园附近施肥。② 清理沉积物、树叶或其他碎屑，每年春季通过割草或焚烧清除枯死的植被。③ 持续关注土壤含水量与植物的水分吸收状况，特别是位于树冠下的植物水分情况。④ 保留秋季或冬季休眠的植物，为鸟类过冬提供食物。项目完成后的第一年半，监控结果显示雨水花园一般能在 24 h 内实现雨水入渗。

4 案例比较与归纳

4.1 布局方式与应用特点

绿色基础设施属于分散式雨水管理实践网络，利用绿色屋顶、植被、雨水花园和透水路面，捕捉并渗透雨水、减少径流、改善水质[16]，是集自然元素的低影响开发综合实践系统。上述案例的校园雨洪管理目标较一致，因场地差异采取不同实践策略，如表2 所示。舒梅克绿地整合点、线、面多种绿地类型，利用渗透性铺装、草坪、种植床、树沟分散径流，多余径流汇入雨水花园及多功能调蓄池回灌使之再利用。该设计将大型草坪空间作为雨水收集中心，结合道路排水设施，收集了周围建筑的大量洪峰流量。设计改造成本高、施工难度较大，但从长远利益看生态景观效果却十分显著，可解决大型活动空间的雨水径流。雨水示范花园和国际学生中心雨水花园在实践中利用蓄水桶、雨水碗进行雨水截留、透水铺装促渗，利用多个单元池构成的雨水花园多级渗透降低流速，以解决特定建筑的雨洪，设计实施操作性强，对解决小型场地的雨洪十分有益。

表2 高校校园雨水管理项目实践策略比较

4.2 场地管理与维护

校园雨水管理以生态效益为首要考虑因素，注重校园场地规划的前期分析和后期监测，使项目更具科学性。上述案例采用可持续发展跟踪、评估和评级系统，根据场地类型设计监测方案。主要包括对水质水量、土壤压实度及生物状况、植物蒸腾速率、植物健康和土壤含水量的测定。雨水管理作为教育示范项目，通过景观功能展示向学生、教师和更多社区传授绿色基础设施技术，传达水资源利用的重要性。通过整合教育、研究和实践，促进多方合作和多学科交流，体现了高校雨水管理的生态、景观、经济和社会价值。

5 结 语

综合以上案例分析，项目规划以截留、促渗、调蓄为作用原理，垂直与水平空间水文过程共同作用，展现了绿色基础设施在景观应用中的多样性和整合性。如今，绿色基础设施的雨水管理在我国高校并未得到充分重视，普及程度低。高校以往的绿地空间布局难以应对新的雨洪问题，校园景观改造面临多重困难。案例中雨水管理皆为旧场地改造，新的规划不仅满足功能需求，也展示了雨水管理的显著成效。虽然我国与美国高校场地性质不同，但借鉴美国高校雨水管理改造方式与应用仍切实可行。根据校园不同绿地类型系统布置，采用分散式和集中式雨水处理，利用校园大型开放空间如田径运动场、开放草坪，以及建筑附属绿地如宿舍、教学楼、办公楼周边绿地等，结合场地特征合理规划校园绿地。多规划途径结合，发挥绿色基础设施的最大效益，创造实用性校园景观。近年来，我国海绵城市建设发展迅速，学习国外校园雨水管理实践经验、传播绿色生态校园的重要性，对推进我国海绵城市建设具有重要意义。