LID理念在大学校园景观优化中的应用研究——以沈阳建筑大学景观设计为例

贾培文 付士磊 宫 琪 何 欢

1 LID理念下的寒地校园景观设计

低影响开发（LID）技术是建设海绵城市的核心技术之一，通过源头分散的小型控制设施，维持和保护场地自然水文功能、有效缓解城市不透水面积增加造成的洪峰流量增加、径流系数增大、面源污染负荷加重的城市问题[1]。寒地城市独有的严寒气候特征，对海绵城市基础设施造成损伤，同时寒冷的气候造成绿色植被景观单调，降水形式多变，还影响城市下垫面空间结构，造成城市雨水利用设施无法持续运行[2]。

高校是城市的一个重要组成部分，作为一个特殊的社会子系统，具有人口密度高，功能分区全，与城市系统具有高度相似性，因此在校园内开展海绵校园相关研究，运用先进的理念和规范的管理会在雨水综合利用方面起到带头示范作用[3]。

国外对校园雨水利用景观设计的研究较早。美国亚利桑那立大学生物设计研究所在沙漠中构建新的机构，通过蓄水池与透水下垫面的设计，收集雨水与雪水灌溉当地植被，形成自然—人工耦合的水循环系统，形成具有当地特色的校园景观[4]。随着国内学者对低影响开发研究的深入，校园内的雨水利用景观设计也有了较大的进步。湖南农业大学采用隐形蓄水排水设施，将校园景观和雨水利用设施完美融合在一起，形成特色校园景观[5]；北京工业大学更多采用透水铺装收集雨水进行校园水景设计和植被灌溉[6]；深圳大学则通过生态屋顶建设和教学楼周边的绿化工程构建校园雨水利用景观设计，2014年深圳遭受50年一遇的强降雨时，深圳大学校园没有受到内涝灾害，具有较好的实践指导价值[7]。

北方严寒地区属于季风气候，造成降雨集中在夏季和秋季，大规模降雨量的集中使北方城市在夏季城市水灾害发生几率较大，由于“灰色下垫面”较多，而且大多以雨水直排的排放方式，导致大部分的雨水流入雨水管道，排入河道，没有补给地下水，造成城市内涝和干旱双重问题[8]。本文以沈阳建筑大学为研究对象，通过对其雨水利用的景观优化，实现校园较好的“人工—自然”水循环，以期对寒地同类型院校低影响开发建设的实践有所助益。

2 沈阳建筑大学雨水利用景观设计

2.1 雨水景观利用潜力

沈阳建筑大学位于沈阳市浑南新区，地势平坦，东北部地势偏高。沈阳地处中纬度，为温带半湿润大陆性气候，降雨有明显的季节性，6—9月降雨强度较大，大雨分布较为集中，暴雨、大暴雨历年出现在7—8月，占全年降雨量的47%，年均降雨量多年为600～800mm，适宜采用雨水收集利用系统。冬季寒冷天气持续时间较长，一般为6个月，降雪较少，平均最大积雪为28cm[9]。

沈阳建筑大学浑南校区于2001年建设，一直采用快排式的排水方式，未采用雨水收集利用措施，造成水资源未能循环利用，而且排水管道系统运行超过10年，已经出现老化，应对暴雨等极端天气压力较大；研究区排水管网设计重现期为1年，设计标准已经不能满足现状排水要求，且管网布置不均，雨水口多集中于建筑物和校园交通干道，而体育场、停车场等下垫面主要为硬质铺装的区域，雨水口较少，积水情况较严重。

2.2 研究区概况

研究区占地面积约为83.8hm2，其中建筑面积为11.3hm2，路面面积为25.8hm2，绿化面积为37.3hm2，水景面积为3.5hm2，运动场面积为5.9hm2，根据各功能区所承担的功能、径流特征和排水管网设置将校园分为5个区域，分别为学生生活区、运动休闲区、科研教学区、校前广场开放区及中央水系区域（图1）。校园绿化率较高，绿地面积占研究区总面积的45%，主要为校园防护绿地，位于校园四周，景观绿地较少，主要配置为乔、灌、草、乔木主要为香花槐、垂柳、蒙古栎、加杨；灌木主要为忍冬、丁香、榆叶梅；地被植物以早熟禾、高羊茅为主要草种。研究区的设计特点是都市农业与生态校园的结合，中央水系、稻田景观、八王寺湿地及西北侧的水池为校园主要水体景观，占总面积的4.2%。

图1 校园总平面图

2.3 雨水利用景观规划

根据沈阳建筑大学校园排水管道老化、雨水口设置不均、灰色基础设施面积占比较大等问题，并综合考虑校园景观现状、景观设计费用等方面，提出“以渗为主、以蓄为辅、径流控制、污染防治”的雨水利用景观规划策略，达到对水质和水量的双重控制。

（1）渗透减排景观规划

校园土质主要为粉质粘土，其土壤渗透性较差，另外校园内有大面积广场及沥青路面的渗透性能均较差，且雨水口分布不均，在降雨重现期内造成积水严重。现根据校园景观现状、绿地分布及土地利用类型构建雨水自然下渗和铺装下渗双重下渗机制，以期在降雨期间雨水能够全部通过渗透装置，能够有效减轻排水管道压力[10]。自然下渗设施主要包括校园内的绿地系统，包括景观绿地、防护绿地、广场绿地、中央水系的滨水绿地等，适当通过设置下凹式绿地、雨水花园、屋顶绿化和生物滞留带设施等，增加绿地面积，提高校园自然下渗和净水能力，相比排水管道直排方式能够有效地补充地下水资源；铺装下渗设施主要设置在广场、停车场、运动场等灰色下垫面为主的场地，在停车场内设置透水铺装，周边设计下凹式绿地，广场上部分设置透水铺装，树池设置成为生态树池，将收集到的雨水通过管、沟、渠等设施转移至储存、渗流或利用部分的工程[11]（图2）。

图2 渗透减排景观规划

（2）集蓄利用景观规划

雨水的集蓄主要通过校园的水系、湿地等作为雨水的储水设施[12]。地面的雨水通过校园内原有排水管道、沟渠等，使雨水净化后引入学校主要景观水系和湿地，作为主要储水设施；道路上的降雨通过道路雨水管道净化后引入水系和湿地；校园内采用外排水的建筑，通过设置雨水桶、雨水储水池将雨水储存起来，以待利用。以三个部分构建校园集蓄利用设施，能够有效减少雨水排放量，提高水资源利用率，以期达到较好的“人工—自然”水循环系统（图3）。

图3 集蓄利用景观规划图

（3）峰值调控景观规划

径流量的峰值调控是降低排水管道压力的有效措施之一。通过利用雨水调蓄设施和雨水集蓄系统，降低进入排水管道的雨水量和控制雨水进水排水管道的时间，从而达到对雨水的“错峰和延峰”，降低排水管道压力。通过测量景观水体、湿地等调峰设施的容量及位置，以期在不增加排水管网压力的情况下达到校园防洪排涝的要求，同时在雨季，通过调峰设施蓄积水量能够保证这些天然或人工水体的生态补水问题，也避免了除夏季外的其他几个季节因缺水而影响到调峰设施景观效果的问题[13]。

（4）污染控制景观规划

根据径流水质研究分析，径流污染较为严重的是路面和停车场地表雨水径流，考虑径流污染现状、经济条件以及控污染效果，分别建立路面污染控制设施和LID污染控制设施，主要通过植被缓冲带和生物滞留设施来控制径流污染。路面污染控制设施是将原有道路、停车场周边绿化带改造成生物滞留设施，净化排向绿地的地表雨水。LID污染控制设施指利用水系周边的植被缓冲带作为径流水质净化设施对从雨水收集系统收集到的屋面径流进行净化处理，校园内原有人工湿地也是较好的径流污染控制措施[14]（图4）。

图4 污染控制景观规划

综合以上设计方案，形成完整校园低影响开发雨水利用景观技术方案（图5）。

图5 雨水利用总体景观规划平面图

3 校园低影响开发雨水利用景观模拟分析

本研究利用SWMM软件构建雨水径流模型，对校园径流量、积水厚度和雨水口排放量进行模拟，并对方案进行定量验算。

3.1 SWMM模型建立

（1）子汇水区域划分

子汇水区域划分是进行SWMM模型建立的基础本文根据校园用地现状、地形和雨水管网的分布将研究区分为35个子汇水区（图6），各汇水区占地面积为0.22～8.35hm2，不透水面积变化范围为0～90.90%。模型中设定校园内降雨强度相同，各汇水区选一个进水口，且只计算道路俩侧的干路雨水管网径流量，支路排水管不在计算范围内[15]。

图6 子汇水分区

（2）参数确定

根据研究区现状，需确定的参数有子汇水区域面积、特征宽度、平均坡度、不透水面积率等模型参数。其中汇水区域面积、不透水面积率及坡度通过实际测量或查阅相关资料获得。但由于特征宽度无法实际测量，因此需要根据地形资料进行估测，在本论文中选择汇水区域特征宽度：

Width=Area/Flow Lenght

即特征宽度=汇水区域面积/地表漫流长度。模型中其他主要参数根据 SWMM模型用户手册及相关文献中的典型值确定[16]。

模型在进行产汇流模拟分析时，选取Horton入渗模型模拟各子汇水面的降雨入渗过程：

式中：fc为稳定入渗率；f0为初始渗透率；K为衰减常数[17]。

3.2 模拟分析

（1）径流量

根据校园雨水利用景观规划方案中选用的雨水收集调蓄措施，确定LID控制模拟参数，运用设计重现期为1a，3a，5a，10a的降雨数据，表1为雨水收集调蓄方案在不同设计降雨重现期下的降雨径流效应。从表中可以看出，校园径流总量随设计重现期的增大而增大，设计方案可以有效减少校园径流总量且径流削减量随着设计重现期的增大而增大，可知设计方案可以有效减少地表径流量，并能降低校园内综合径流系数[18]。

表1 不同重现期径流量模拟

（2）积水厚度

本研究根据模拟结果中各子汇水区径流系数和峰值径流量，对校园内积水厚度加以分析。本文根据超过雨水管排放能力、重力沟调洪能力来计算校园积水厚度。公式为：

W0=W−V'

式中：W0为地面积水量（m3）；W为超过雨水管排水能力的积水量（m3）；V'为重力流沟道的调洪容量（m3）。

经计算，得出校园内积水厚度情况。根据模拟结果，在雨水利用景观设计前，当降雨重现期增加时，积水厚度不断增加，而且不同的下垫面由于透水性不同，造成各个区域积水存在差别。以10年一遇120min降雨为例，各汇水区积水厚度变化范围是23～100mm，积水较为严重的区域分别是校前广场和学生生活区中的铁石广场。模拟结果显示，雨水利用景观设计有效改善了校园积水情况，当降雨重现期为1年时，校园内80%以上区域积水厚度保持在20mm以内。积水状况改善效果最为明显的东侧的学生生活区，当降雨重现期为10年时，积水厚度从88mm降低为67mm[19]。

（3）雨水排放口流量

根据模拟结果，雨水利用景观设计可以降低排水口峰值流量，采用雨水收集调蓄方案后，各重现期下排放口进流量均有一定程度的降低。降雨重现期为1年时，排放口峰值流量从0.97m3/s降至0.8m3/s；降雨重现期为3年时，排放口峰值流量从1.20m3/s降至1.05m3/s；降雨重现期为5年时，排放口峰值流量从1.61m3/s降至1.42m3/s；降雨重现期为10年时，排放口峰值流量从1.95m3/s降至1.7m3/s[20]（图7）。

图7 雨水口排放量

3.3 雨水利用景观方案设计定量验算

（1）下凹式绿地

下凹式绿地规模根据水量平衡分析法进行计算，计算公式为：

Q0+U0=S+Z+D+U1+Q2

式中：Q0是进入下凹式绿地的雨水径流量；U0是开始时下凹式绿地的蓄水量；S是下凹式绿地的雨水下渗量；Z是下凹式绿地的雨水蒸发量（不包括植物的蒸腾量）；D是下凹式绿地的植物蒸腾水量；U1是结束时下凹式绿地的最大蓄水量；Q2是下凹式绿地的雨水溢流外排量，单位为m3。

通常假设开始时下凹式绿地内无蓄水量、计算时段内无溢流外排量，忽略下凹式绿地内植物和土壤的蒸腾量。故下凹式绿地水量平衡分析计算公式简化为：

Q0=S+U1

下凹式绿地雨水渗透量：

S=60K·J·F2·T

式中：K为土壤稳定入渗速率（m/s）；J为水力坡度，一般取J=1；T为计算时段（min）。

下凹式绿地雨水存蓄量：

U1=F2·△h

式中：Δh为下凹深度（m）。

经计算，校园内下凹式绿地具体计算结果如表2所示。

表2 校园下凹绿地设计规模

（2）雨水花园

雨水花园渗透及存蓄能力的计算方法是基于水量平衡分析法来确定的雨水花园面积规模的方法，其计算公式如下：

式中：Af为雨水花园的面积（m2）；Ad为汇流面积（m2）；H为设计降雨量（≤0.3m）；Ф为汇流面的径流系数；K为土壤的渗透系数（粉质黏土为1.16×10-6～2.89×10-6m/s）（表3）；df为雨水花园深度（m）；T为降雨历时（min）；h为蓄水层平均水深，取最大水深的1/2（m）；n为植被土层和人工填料层的平均孔隙率（取0.3）；fv为植物面积占蓄水层面积的百分数。

雨水花园主要分布在校前开放区和学生生活区，主要消纳校前广场、生活区运动场及网羽中心屋面径流量，占地面积分别为60m2、20m2和592m2，针对沈阳市冬季温度较低、夏季雨量较大且集中的特点，主要选择一些本土耐寒、耐高温、耐旱、耐水淹的本土植物，像凤尾兰、玉兰、垂柳等种植在雨水花园中。

（3）调蓄池

雨水调蓄池和雨水桶规模设计方法采用容积法。容积法的计算原理是将收集到雨水的体积作为自身容积计算，计算公式为：

式中：V 为设计雨水收集设施容积（m3）；H为设计降雨厚度（mm）；ψ为综合径流系数，根据各类下垫面径流系数加权进行计算；F为汇水区域面积（hm2）。

调蓄池收集校园内建筑屋面径流量，以重现期为5年的降雨为例，调蓄池容积应为9863.8m3。对校园中央水系容积进行测算，其容积约为35565.8m3，故可以实现校园内屋面雨水收集目的。

（4）径流控制效果核算

根据校园雨水收集调蓄系统方案对其径流控制效果对雨水收集、雨水渗透和雨水弃流量等方面分别进行计算分析（表3）。根据计算可知校园雨水利用景观设计后，当降雨重现期为一年时，雨水收集率从9.8%提升至35.96%，径流渗透率从26.25%提升至49.77%，弃流率从63.95%降低到14.27%。各重现期下降雨弃流率分别为14.27%，14.87%，14.98%，15.04%，基本可以实现径流控制率85%的控制目标。

表3 校园雨水利用景观规划效果

结语

雨水综合利用景观优化与低影响开发技术相结合是一个重要的课题，在校园开展低影响开发雨水综合利用景观设计项目是极为重要的，涉及到校园的总规划、雨水利用规划、雨水径流的污染控制、用各种渗透设施将雨水进行地下回灌、环境景观设计、市政工程等多方面。本论文以沈阳建筑大学校园为研究对象，为其雨水资源有效利用提出切实可行的方案，有效降低校园雨水径流量、缓解校园面源污染，基本可以实现径流控制率85%的控制目标，对未来城市的海绵城市规划起到了指导和借鉴作用。

资料来源：

文中图片均由作者绘制。