基于“海绵城市”理念的校园生态环境建设

2024-04-23徐泽飞

四川水泥 2024年4期

徐泽飞

（广西民族大学，广西南宁 530000）

0 引言

“海绵城市”作为一种新型城市建设方法，其核心理念为融合自然与生态，旨在利用有效措施以保留雨水、缓解洪水问题，并减少对水资源的浪费和破坏，从而实现水文平衡、解决水资源短缺和水生态恶化等问题。校园作为一个生态微环境，人口众多且密集，是典型的小规模社会，校园生态的保护和改善尤为重要。无处不在的灰色基础设施、不透水的表面、建筑物等缺乏生态恢复力和弹性，导致校园微气候恶化，并在阴雨天气、雷暴天气时污水系统中水流增加，这是目前高校校园环境存在的主要问题。“海绵城市”建设成功案例为“海绵城市”理念应用到校园建设中提供了有效方案。

本文主要从校园生态道路建设、可持续排水系统建设、校园景观结构生态建设及水资源回收利用基础设施建设等四方面阐述“海绵城市”理念应用于校园建设的可行性。

1 校园生态道路建设

1.1 透水性路面材料的应用

校园道路作为连接校园各个角落的重要通道，不仅提供便捷的交通功能，还承载生态系统保护和校园生态环境可持续发展的重要功能。为了创建绿色、宜人的校园环境，校园生态道路建设愈发重要[1-3]。

校园传统路面存在排水效果差、噪声大、雨天行车视线不安全等缺点[4]，这些问题对校园内行车安全和生态环境产生了很多负面影响。此外，目前校园内的道路设计只单纯追求承载强度、美观等非生态需求，很少关注生态效益。基于“海绵城市”理念，新型校园道路路面建设不仅可实现路面的基本功能，还可实现良好的生态效益。

对于新型道路路面，最直接的设计方案是将传统道路的基本功能与景观、排水功能相结合[5]，并采用透水材料作为路面主要材料，如渗透性路面材料Eco-PPMs。透水材料在海绵城市建设中被广泛应用。与传统路面相比，一方面，透水材料可降低路面温度，缓解城市热岛效应；另一方面，可有效促进雨水的储存、渗透和净化，对调节校园内雨水径流具有极大的生态效益，并在净化水质、降低交通噪音、缓解热岛效应、回收废弃物等方面具有显著优势，故可广泛应用于校园道路的路面建设中。但随着透水材料的应用日益广泛，如何提高透水路面全生命周期性能是迫切需要解决的问题，进一步发展相关的高耐久性生态材料是亟待解决的问题之一。

发展高耐久性生态渗透性路面材料，应重点关注材料设计、应用和性能改进等方面。透水路面主要采用沥青基或水泥基材料建造，不同材料的孔隙率、骨料级配和配合比是影响其力学性能和渗透性能的主要因素，在路面材料设计方面应重点关注以上因素影响，并根据实际情况进行调整。此外，由于透水路面结构的特殊性，很难平衡透水性和力学性能。普通透水路面的力学性能比传统路面低50%左右，寻求适宜新材料和设计新内部孔隙结构，并提高机械性能和耐用性是关键问题之一。总之，即使透水路面建设符合“海绵城市”理念，但如何克服该类材料的施工技术、力学性能及应用范围的限制，有效将透水路面材料应用于校园道路全生命周期仍面临诸多挑战。

1.2 建筑原材料的应用

据统计，建筑垃圾占城市固体废物的40%，有研究表明该类垃圾可制备为再生材料，以代替天然碎石。该类技术已被广泛应用，不仅可以缓解碳排放压力，减少环境污染，还可节约资源和能源，满足当今社会对绿色混凝土发展的要求。因此，该类技术在校园建设中具备极大潜力和可行性，以实现校园建设的可持续发展目标，同时打造更加环保和资源节约的校园环境。

建筑垃圾主要分为建筑垃圾再生骨料和建筑垃圾再生粉。建筑垃圾再生骨料通常具有较大的破碎值和较高的吸水率，而再生粉具有潜在的火山灰活性。再生骨料是指将建筑垃圾产生的废混凝土、废砖等建筑垃圾经破碎、除杂、筛分得到粒径＜40mm 的骨料。粒径大于4.75mm的颗粒称为再生粗骨料，粒径＜4.75mm的颗粒称为再生细骨料。现有研究中使用的再生骨料根据其来源和成分主要分为三类：（1）再生混凝土骨料（RCA）；（2）再生砖骨料（RBA）；（3）再生砖混骨料（RBCA）。 RCA是废旧混凝土砌块破碎、筛分后得到的一种再生骨料，主要由碎石颗粒、膏体颗粒、水泥颗粒和表面涂有膏体和表面不涂膏体的混凝土粉末组成。RBA是一种再生骨料，由废砖破碎而成，通常由废黏土烧制砖（红砖）和砖粉组成。RBCA是一种通过拆除砖混结构（构筑物）而生产的再生骨料。其成分复杂，含有大量废砖、废混凝土、玻璃、木材等杂质以及少量轻质物质。

目前学者对建筑垃圾的研究主要集中在利用再生材料制备再生混凝土和路基填料。“海绵城市”的建设需要透水混凝土作为关键材料，透水混凝土作为一种绿色生态功能混凝土，被广泛应用于城市道路、停车场等地区。它是以级配粗骨料和胶凝材料为主，并加以一定比例的水及外加剂等原材料，通过特定的搅拌方法制成的多孔混凝土[6]。与普通混凝土相比，透水混凝土具有优良的透水性、降噪和抗滑等特性，可以减轻城市排水系统的压力。

2 可持续排水系统建设

在气候变化和城市化的快速发展背景下，校园排水基础设施的建设变得尤为关键。随着学校人口规模的增加和校园建筑的扩张，有效的排水系统对于确保校园环境的可持续发展和学生的学习生活质量至关重要。

排水系统作为基础设施，主要用于收集和输送雨水、废水。校园内传统排水系统的主要任务是通过下水道和水处理设施快速收集并处理本区域径流，并将其输送到受纳水体中，其目标是管理水量，以避免学校区域出现洪水。在此过程中水被视为一种环境的困扰，多以“眼不见心不烦”的方式处理。此外，传统排水系统的维修和扩建成本巨大，适应特殊情况的灵活性较差。

相反地，随着可持续发展生态建设理念的深入，雨水被认为是一种可利用资源，随之用于雨水管理的可持续排水系统应运而生。该类排水系统更关注环境生态效益，并考虑水量、水质和生物多样性等多个方面。主要采用过滤和渗透沟、蓄水、洼地、盆地及绿色屋顶等方式实现新型排水系统。其中，绿色屋顶是通过土壤和植被共同覆盖屋顶的生态方式。该方式有助于减少雨水径流，从而降低洪水风险，并极大程度上降低供暖和空调成本及热岛效应，此外，还能提高生物多样性。绿色屋顶通常由四层材料，包括排水材料、过滤器、土壤基质和植被[7]，如图1。有研究表明，影响屋顶保水能力的因素主要是土壤基质的深度和类型。此外，绿色屋顶径流动态的影响因素主要有屋顶特性，如层数和材料类型、土壤厚度、土壤类型、植被覆盖、植被类型，以及屋顶几何形状（坡度、屋顶位置及年限）；此外，还取决于校园所在地区的天气情况，应充分考虑持续干旱期的时长、气温及湿度、降雨强度和持续时间等因素。在充分了解绿色屋顶相关机理后，可将该类技术用于校园建设中，目前校园内教学楼楼顶多以平屋顶为主，使用绿色屋顶可实现校园生态效益的最大化。

图1 绿色屋顶构造图

然而，绿色屋顶排水系统仍存在很多问题亟待解决，需进一步完善。如植被茂盛可有助于增强空气质量，并实现最优屋顶性能，但通过频繁施肥则存在污染雨水径流的风险。绿色屋顶是否需要施肥以及施肥量是设计关键。

3 校园景观结构生态建设

生态系统是由人类社会和自然系统共同组成的，景观结构可用来描述城市生态系统的景观类型、多样性和空间结构，有助于理解环境、物种和人类之间的关系。景观生态是用来评估环境的直观方法。近年来，随着高校扩招政策的实施，校园建筑数量迅速增加，学生人数也随之增长。然而，这种扩张导致了绿色空间的减少，给校园生态功能带来了损害。大规模的建筑开发和土地利用变化对校园生物多样性产生了负面影响，导致物种群落均匀度的降低。校园作为学习和生活的场所，宜居环境和生态平衡对学生的健康和学习具有重要影响。然而，由于绿地面积减少和生态环境破坏，校园生态系统的稳定性受到威胁，生物多样性遭受破坏。这不仅限制了学生接触大自然的机会，还影响了生态系统的恢复能力和校园环境的可持续发展。因此，需通过科学规划和设计，合理布局绿地和景观，引入原生植物，创建栖息地，改善校园生态环境，提高物种群落均匀度，并为学生提供一个更加和谐、宜人的校园环境。

在校园生态景观结构设计中，应重点关注植被覆盖类型及种植方式等相关问题。有学者提出，开放空间景观结构会影响人类生理、心理反应。研究表明，人们更偏向于景观设计较为规则且形状较为简单的景观结构，而植被密度较大的景观设计会使人们产生消极情绪，使人们产生防备心理。因此，在校园景观设计中，应在为学生提供安全、放松开放空间的基础上，进一步考虑树木形态、树木配置及管理计划。此外，相关学者建议在校园内多使用垂直绿化，并在教学楼周围或沿道路两侧种植大片高大树木，考虑到学生健康和生态可持续性的双重目标，应采用曲线边界和多样化的植被栽种方式[8]。

校园景观设计应与“海绵城市”中的雨水管理相结合，以实现美观与资源最大化利用的双重目标，通过巧妙的设计和规划，可以将雨水收集系统中的水资源用于校园景观中。

4 水资源回收利用基础设施建设

在我国部分城市，水资源短缺问题日益突出，特别是在校园环境中，由于人口众多、用水量大，水资源的保障和节约显得尤为重要。因此，迫切需要采取措施改进水资源回用，以实现对水资源的有效管理和合理利用，最大程度地减少浪费，实现水资源的循环利用和可持续发展。基于“海绵城市”可渗透性生态道路建设及其他生态措施的实施，可最大化实现校园内雨水和中水的二次利用。根据《多伦多低影响开发暴雨管理规划设计导则》，可将低影响开发设施分为以下5种：雨水收集型、雨水滞留型（典型代表：绿色屋顶）、雨水渗透型、雨水滞留渗透型和雨水运输过滤渗透型。针对不同校园适用情况，可选择合理的水资源回收设施[9]。

校园水资源回收利用应首先评估校园用水量和排水量，估算教学区、办公区、宿舍区等的人口、人均用水、人均排水，从而得到每天的用水量和排水量。其中，办公楼的给水计算标准可根据《给排水设计手册建筑给水排水》公共建筑用水定额；宿舍区可通过集体宿舍用水定额；食堂可采用专用食堂用水定额；绿地可通过绿化用水定额，以确定给水计算标准。排水计算中，教学楼、办公楼和宿舍楼可按照用水量的80%确定。确定以上数据后，可根据中水站概况及利用情况确定不同区域的中水回用潜力。对于雨水回用潜力，则需确定校园所在区域的降雨特征、下垫面类型及分布、当地降雨量与净流量及各类型设施适用性，确定雨水的回用潜力。

需要注意的是，水资源回用受多方面因素影响：

（1）降雨量。雨水收集系统产生效益随当地降雨量的变化而发生改变。对于降雨量较大的地区，其雨水收集系统可发挥最大效益；而在低降雨量地区，雨水收集量较少，若雨水收集系统建设成本较高，则无法达到预期效果。故应该根据当地降雨量合理布置雨水收集系统。

（2）暴雨强度。暴雨强度与各类型的低影响开发设施产生的径流消减效益有关，若暴雨强度较大，则暴雨径流消减效益较明显，反之则较小。

（3）土壤入渗能力。该因素是影响低影响开发设施效益的关键因素。对于土壤入渗能力较强的地区，低影响开发设施对径流的消减效益相对较明显；土壤入渗能力较弱的地区则反之。

（4）绿色基础设施建设规模。该因素与低影响开发设施效益显著相关。