吳曉龍,喬玲敏,張 巖,張瑞豐

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

隨著我國城市化進(jìn)程加快,城市下墊面產(chǎn)生了很大變化,不透水地表越來越多,改變了原有的水文條件,引發(fā)一系列城市雨洪問題和環(huán)境、生態(tài)問題[1]．為應(yīng)對這一系列問題,2014年4月,習(xí)近平總書記在關(guān)于保障水安全重要講話中首次提出自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”理念,2018年12月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《海綿城市建設(shè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》意味著海綿城市建設(shè)邁入量化考核的新階段．

海綿城市又被稱為低影響開發(fā)(Low impact development),是指通過加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理,充分發(fā)揮建筑、道路和綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用,有效控制雨水徑流,實(shí)現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發(fā)展方式,其本質(zhì)是傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化建設(shè)方式的轉(zhuǎn)型升級,實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,以解決城市內(nèi)澇、水資源短缺、水污染等城市發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)．海綿城市建設(shè)應(yīng)遵循生態(tài)優(yōu)先等原則,將自然途徑與人工措施相結(jié)合,在確保城市排水防澇安全的前提下,最大限度地實(shí)現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、滲透和凈化,促進(jìn)雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù),其核心思想是讓土地具備一定的雨洪調(diào)蓄、水源涵養(yǎng)、雨污凈化等功能．

1 LID理念下“海綿校園”建設(shè)內(nèi)涵分析

1.1 “海綿校園”基本概念

“海綿校園”是在海綿城市改造基礎(chǔ)下對校園雨洪管理方面的創(chuàng)新,通過對校園一系列海綿方式的改造和建設(shè),達(dá)到對地表徑流的控制及“水污染”的管理,將高校打造成一座新時(shí)代的“呼吸性校園”[2],因此,“海綿校園”既是海綿城市在校園尺度的示范,又是海綿城市的有機(jī)組成部分[3]．

1.2 “海綿校園”建設(shè)總體思路及目標(biāo)

校園作為海綿城市的微觀層面,是具體落實(shí)海綿城市區(qū)域或局域的集水單元[4],因此“海綿校園”建設(shè)應(yīng)符合海綿城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),其總體思路可概括為以下三點(diǎn):通過“自然積存”,來實(shí)現(xiàn)削峰調(diào)蓄,控制徑流量;通過“自然滲透”,來恢復(fù)水生態(tài),修復(fù)水的自然循環(huán);通過“自然凈化”,來減少污染,實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的改善,為水的循環(huán)利用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]．海綿校園建設(shè)總體目標(biāo)為讓校園“彈性適應(yīng)”環(huán)境變化和自然災(zāi)害,其具體可分為以下3個(gè)方面:通過科學(xué)規(guī)劃保護(hù)校園現(xiàn)有水系結(jié)構(gòu);運(yùn)用“海綿”技術(shù)修復(fù)破壞的校園水生態(tài)體系;運(yùn)用海綿城市理念中的“滲、滯、蓄、凈、用、排”低影響開發(fā)技術(shù)削減地表徑流量,實(shí)現(xiàn)年徑流總量控制率指標(biāo)．

2 LID理念下“海綿校園”規(guī)劃分析

2.1 LID理念下“海綿校園”規(guī)劃改造優(yōu)勢

(1)校區(qū)綠化率高 大多數(shù)校園硬化路面面積不斷增加,但校區(qū)整體保持很高的綠化覆蓋率,有分布廣泛且面積較大的綠地及喬木植被,特別是建筑物周邊及道路兩側(cè)均覆蓋有面積較大綠地,這對于“海綿校園”改造是得天獨(dú)厚的優(yōu)勢．

(2)有重要調(diào)蓄水體,可緩解排水壓力 大多校園在規(guī)劃初期均建有規(guī)模較大的水系結(jié)構(gòu),且坐落于校區(qū)中部關(guān)鍵位置,水系周邊存在綠地或者前置塘等低影響開發(fā)設(shè)施,周邊道路也是校區(qū)主干道路,充分利用好這一重要調(diào)蓄水體對周邊進(jìn)行“海綿校園”改造將會有效緩解校園內(nèi)澇問題．

(3)政策優(yōu)勢 由于城市內(nèi)澇問題日益嚴(yán)重,國家層面對于海綿城市建設(shè)十分重視,各大城市也紛紛制定海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃,而校園作為城市重要形象象征,其內(nèi)澇問題將受到更大重視．

2.2 LID理念下“海綿校園”規(guī)劃改造技術(shù)路線

“海綿校園”整體規(guī)劃應(yīng)落實(shí)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市發(fā)展理念,新建區(qū)以目標(biāo)為導(dǎo)向、已建區(qū)以問題為導(dǎo)向,因地制宜采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施完善城市雨水綜合管理系統(tǒng)[6],實(shí)現(xiàn)年徑流總量控制率目標(biāo)．“海綿校園”規(guī)劃改造的具體措施是通過源頭控制、源頭減排、完善校園排水管渠系統(tǒng)三大關(guān)鍵策略的組合運(yùn)用,并結(jié)合校園豎向設(shè)計(jì)構(gòu)建超標(biāo)雨水徑流道路行泄通道,充分發(fā)揮校園湖體及綠化的調(diào)蓄功能,綜合提高校園排水防澇能力．其技術(shù)路線見圖1．

3 “海綿校園”建設(shè)技術(shù)方案研究

3.1 項(xiàng)目概況

煙臺大學(xué)是山東省屬重點(diǎn)綜合性大學(xué),校區(qū)校園占地面積約103 hm2,主要水系結(jié)構(gòu)為三元湖,現(xiàn)狀平均湖深1.5 m,總?cè)莘e約為5.75萬 m3．校園所在區(qū)域?qū)儆谌R山區(qū)的地勢低洼區(qū),總體地勢是西高東低,南北高,中部低,坡向三元湖,三元湖以北區(qū)域建設(shè)年代較早,雨水系統(tǒng)不完善,除了觀海路及教學(xué)路部分路段有雨水明渠和暗渠以外,其他路段主要靠地表漫流排除雨水．三元湖以南區(qū)域?yàn)槎谛陆ㄐ^(qū),雨污水系統(tǒng)相對完善,雨水管道系統(tǒng)收集沿線雨水,自西向東穿濱海路后接入大海．2014年之前,由于煙臺大學(xué)相對周邊路網(wǎng)地勢較低,雨水系統(tǒng)也不完善,大雨時(shí)校區(qū)內(nèi)澇積水嚴(yán)重,為緩解內(nèi)澇現(xiàn)狀,學(xué)校通過在三元湖東南角埋設(shè)DN800溢流管道入海,調(diào)整道路橫向坡度以及在三元湖周邊增設(shè)管道和雨水口等措施,校園積水問題得到暫時(shí)緩解．

3.2 海綿基底現(xiàn)狀

校區(qū)總面積約103 hm2,其中:綠地面積約31.1 hm2,建筑、道路和硬質(zhì)鋪裝面積約69.05 hm2,三元湖水體面積2.85 hm2．校區(qū)不同下墊面雨量徑流系數(shù)見表1,通過計(jì)算,校區(qū)現(xiàn)狀綜合雨水徑流系數(shù)為0.63．

表1 不同下墊面雨水徑流系數(shù)Tab.1 Rainwater runoff coefficient table for different underlying surfaces

校區(qū)土壤的構(gòu)成自上往下依次是素填土、中砂、粉質(zhì)黏土、礫砂等,各土層的滲透系數(shù)如表2所示,表層土壤滲透性相對較好．

表2 土壤滲透系數(shù)Tab.2 Soil permeability coefficient

3.3 校園內(nèi)澇現(xiàn)狀及成因分析

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)煙臺大學(xué)內(nèi)澇積水點(diǎn)分布廣泛(圖2)[7],遭遇中雨以上強(qiáng)度降雨時(shí)校園低洼地段會迅速形成積水且排出不順，進(jìn)而造成積水面積擴(kuò)張至整個(gè)路面,嚴(yán)重可致整條道路被水淹沒,造成校內(nèi)交通癱瘓．圖3為校園內(nèi)澇實(shí)景圖．

針對以上問題,綜合分析其成因,大致可分為以下幾點(diǎn):

(1)從氣候?qū)用娣治?煙臺市屬于典型溫帶季風(fēng)性氣候,降雨的時(shí)間分布不均勻,夏季易發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降雨天氣或者連續(xù)性陰雨天氣,年徑流量在年內(nèi)分布也相當(dāng)不均,徑流量的83%集中在汛期,而且主要集中在幾場暴雨中,這使得校區(qū)雨季易發(fā)生洪澇災(zāi)害．圖4為煙臺市月均降雨量．

(2)從地形層面分析,煙臺大學(xué)所屬區(qū)域在周邊地形中屬于地勢低洼區(qū),且校內(nèi)部分地段路面凹陷,易形成雨水匯集區(qū)．

(3)從規(guī)劃層面分析,校區(qū)初期建設(shè)排水管渠設(shè)計(jì)不合理,排水管渠管徑過小,路面雨水口間隔密度最大超過100 m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)范要求雨水口的間距適合在25～50 m之間[8]).此外管網(wǎng)老化、堵塞、缺失,建筑物雨落管就地排水,校園建筑物擴(kuò)張,硬化路面面積即不透水面積不斷增加,使得校園內(nèi)澇問題愈演愈烈．

(4)從綠化層面分析,首先,校區(qū)道路兩側(cè)綠化帶均采用傳統(tǒng)上凹式綠地,即綠化帶高于道路,這種形式綠化帶僅起到美觀作用,對消納雨水、防止內(nèi)澇作用甚微,并且在遇到強(qiáng)降雨時(shí),由于雨水沖刷,綠化帶易出現(xiàn)水土流失問題,流失的泥土則會污染路面甚至堵塞雨水口,增加排水系統(tǒng)的壓力;其次,部分綠化區(qū)域由于踩踏等問題出現(xiàn)嚴(yán)重土壤板結(jié)現(xiàn)象,使得土壤滲透系數(shù)減小,進(jìn)一步增大了校區(qū)的綜合徑流系數(shù)．

(5)從調(diào)蓄水體層面分析,校區(qū)唯一調(diào)蓄水體三元湖湖底淤積嚴(yán)重,大大降低了其在校區(qū)整個(gè)防洪調(diào)蓄系統(tǒng)中的作用．

4 煙臺大學(xué)“海綿校園”規(guī)劃要點(diǎn)

依據(jù)《煙臺市海綿城市建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃2016—2030》文本,煙臺大學(xué)位于逛蕩河排水分區(qū),其硬性指標(biāo)為實(shí)現(xiàn)年徑流總量控制率不低于80%的目標(biāo)．具體規(guī)劃要點(diǎn)以海綿城市三大發(fā)展理念為依托,以六字方針為具體實(shí)施方法從以下2個(gè)方面進(jìn)行．

4.1 優(yōu)化以三元湖為中心的自然積存、自然凈化的校園調(diào)蓄系統(tǒng)

4.1.1 凈、蓄 針對三元湖調(diào)蓄水體長期缺乏維護(hù)管理,湖體出現(xiàn)水質(zhì)變差、污泥淤積嚴(yán)重、雨洪調(diào)蓄功能降低等問題,對以三元湖為中心的校園調(diào)蓄系統(tǒng)做以下規(guī)劃:

(1)通過湖底清淤,污泥外運(yùn)處理,擴(kuò)大三元湖湖體容積同時(shí),改善湖體水質(zhì);定期清理湖面景觀綠化植物殘留秸稈,防止其在湖體中腐爛變質(zhì);對于校園內(nèi)直排入湖明渠渠底進(jìn)行淤泥及雜物清理,削減面源污染,疏通排水路徑同時(shí)改善入湖水質(zhì).

(2)充分利用湖體周邊雨水濕地、前置塘等現(xiàn)有設(shè)施,并通過低影響開發(fā)工程措施進(jìn)行初期雨水徑流的控制,削減面源污染,構(gòu)建源頭控制和生態(tài)凈化相結(jié)合的水環(huán)境綜合整治體系．例如,硬質(zhì)路面初期雨水需經(jīng)過下凹式綠地或人工濕地等對污染物進(jìn)行初步過濾,減少入湖污染物數(shù)量．具體規(guī)劃為:校園環(huán)湖南路北側(cè)新建雨水濕地,濕地植物選用菖蒲,種植面積占水面總面積的10%,三元湖周邊綠地進(jìn)行下凹式改造．

4.1.2 用 (1)三元湖及周邊雨水濕地、前置塘均具備一定儲蓄雨水作用,為充分利用雨水資源,在不影響水生態(tài)及湖體景觀作用前提下,儲蓄雨水可直接用于校區(qū)綠化灌溉及道路清洗．(2)建筑雨落管斷接改造．建筑雨落管斷接就是指一種調(diào)控城市降雨徑流的技術(shù),其原理是采用綠地等透水區(qū)消納屋面雨水,攔截地表徑流,通過滲透或儲存等方式來破壞徑流的連續(xù)性,從而達(dá)到削減徑流量的效果[9]．屋面雨落管斷接通常情況下會與雨水罐或雨水花園等低影響開發(fā)設(shè)施結(jié)合使用．改造方式為布置雨水罐桶收集屋面雨水,雨水罐單個(gè)容積2 m3,材質(zhì)選擇PP材質(zhì),外形與周邊景觀相協(xié)調(diào),雨水罐底部設(shè)有回用出水口,頂部設(shè)有溢流出水口,收集雨水用于澆灌周邊綠植．為防止罐體淤積及初期屋面雨水污染罐內(nèi)雨水,在落水管斷接位置前分離一處棄流管,設(shè)置18目鋼絲網(wǎng),鋼絲網(wǎng)用不銹鋼卡扣同落水管連接[10]．

4.2 修建低影響開發(fā)設(shè)施為主的自然滲透下滲減排體系

4.2.1 滲 透水鋪裝．透水鋪裝是一種從源頭控制雨水徑流的低影響措施[11],主要通過多層孔隙結(jié)構(gòu)滲透、過濾、滯留和儲存雨水徑流[12]．針對煙大校園部分內(nèi)澇積水影響師生正常行走路段進(jìn)行透水鋪裝改造,透水磚滲透系數(shù)不應(yīng)低于0.01 cm/s．為防止遭遇強(qiáng)降雨時(shí)人行道路面積水,人行道鋪裝1.5% ～ 2%坡向機(jī)動車道,改造路段同時(shí)進(jìn)行管網(wǎng)擴(kuò)容改造及增加雨水口密度,以便更快排空雨水．

4.2.2 滯 (1)下凹式綠地．下凹式綠地是一種低于周圍路面的公共綠地設(shè)施,是一種能夠收集和吸收雨水的 LID 控制和利用形式[3]．不同于傳統(tǒng)綠地設(shè)施，其具有消納徑流雨水、減小洪峰流量、削減徑流污染物和補(bǔ)充地下水的作用.[13]．下凹式綠地應(yīng)低于周邊鋪砌地面或道路,下凹深度宜為150～200 mm,且不大于200 mm,周邊雨水宜分散進(jìn)入下凹綠地,當(dāng)集中進(jìn)入時(shí)應(yīng)在入口處設(shè)置30 cm寬、15 mm厚的碎石緩沖設(shè)施．校區(qū)部分路面積水嚴(yán)重,道路一側(cè)有規(guī)模較大綠地,但道路靠近綠化帶一側(cè)間隔人行橫道,其在改造過程中不能按照傳統(tǒng)開設(shè)立緣石缺口方式,此處下凹式綠地改造采用人行道下臥方式來疏散道路雨水至綠地,人行道下臥地點(diǎn)選在路段嚴(yán)重積水的低點(diǎn)處．(2)下沉式條帶樹池．下沉式條帶樹池是指在樹溝內(nèi)種植植被,具有景觀性能的蓄滲水系統(tǒng),主要應(yīng)用于道路沿線,一般靠重力流收集雨水,并通過截留、入滲、沉淀、過濾、植物吸收及生物降解等作用,達(dá)到雨水徑流削減和污染控制的目的[14]．煙臺大學(xué)校園內(nèi)澇積水道路中部分路段周邊并沒有成規(guī)模的綠地,難以采用下凹式綠地措施進(jìn)行海綿化改造,下沉式條帶樹池便成為此類情況下生態(tài)改造的首選．由于改造空間及條件有限,校園內(nèi)下沉式條帶樹池采用低滲透模式,即斷面構(gòu)造分層較少,主要分為草皮(種植喜陰草種麥冬,株距20 cm,16顆/m2)、種植土層及原土層,其主要功能為截流路面雨水,下滲補(bǔ)給地下水,起到防澇抗洪作用,在凈化雨水及生物降解方面此類下沉式條帶樹池構(gòu)造作用并不明顯．

根據(jù)規(guī)劃研究,煙臺大學(xué)“海綿校園”主要改造項(xiàng)目及規(guī)模見表3．

表3 “海綿校園”改造項(xiàng)目Tab.3 “Sponge campus” reconstruction project

4.3 改造效果量化核算

海綿化改造設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮徑流控制量,其調(diào)蓄容積應(yīng)該滿足單位面積控制容積的要求．根據(jù)現(xiàn)場情況,采用容積法對校區(qū)進(jìn)行調(diào)蓄容積計(jì)算,即場地需要控制的徑流總量按式(1)計(jì)算:

V=10φhyF,

(1)

式中:V為需要控制的徑流總量,m3;φ為雨水綜合徑流系數(shù);hy為設(shè)計(jì)年徑流總量控制率目標(biāo)下對應(yīng)的日降雨量,mm;F為匯水面積,hm2．

依據(jù)《煙臺市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃2016—2030》,年徑流總量控制率80 %對應(yīng)下的設(shè)計(jì)降雨厚度約為33.4 mm,煙臺大學(xué)雨水綜合徑流系數(shù)為0.63,按式(1)計(jì)算,則“海綿校園”改造需要控制的徑流總量約為21 673.26 m3．

根據(jù)計(jì)算求得需要控制的徑流總量后,需進(jìn)行海綿設(shè)施徑流體積控制規(guī)模量化核算,滲透、滲濾及滯蓄設(shè)施(透水鋪裝、下沉式條帶樹池及下凹式綠地)的徑流體積控制規(guī)模量化核算按下式計(jì)算[15]:

Vin=Vs+Win,

(2)

Win=KJAts,

(3)

式中:Vin為滲透、滲濾及滯蓄設(shè)施的徑流體積控制規(guī)模,m3;Vs為設(shè)施有效滯蓄容積,m3;Win為滲透與滲濾設(shè)施降雨過程中的入滲量,m3;K為土壤或人工介質(zhì)的飽和滲透系數(shù),m/h;J為水利坡度,一般取1;A為有效滲透面積,m2;ts為降雨過程中的入滲歷時(shí),h(取3 h)．

延時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)施(人工濕地)徑流體積控制規(guī)模量化核算按下式計(jì)算:

Ved=Vs+Wed,

(4)

Wed=(Vs/Td)tp,

(5)

式中:Ved為延時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)施的徑流體積控制規(guī)模,m3;Wed為延時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)施降雨過程中的排放量,m3;Td為設(shè)計(jì)排空時(shí)間,h(取4h);tp為降雨過程中的排放歷時(shí),h(取2h)．

根據(jù)表3 “海綿校園”改造項(xiàng)目數(shù)據(jù),按式(2)—(5)核算,各滲透、滲濾及滯蓄設(shè)施及延時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)施徑流體積控制規(guī)模見表4．

通過量化核算,改造后海綿設(shè)施徑流體積控制規(guī)模為26 453.8 m3,結(jié)果表明,通過滲、滯、蓄、凈、用、排等低影響開發(fā)改造能夠達(dá)到年徑流總量控制率80%的既定目標(biāo),改造效果明顯,有效緩解了煙臺大學(xué)雨季內(nèi)澇積水現(xiàn)狀．

表4 設(shè)施徑流體積控制規(guī)模Tab.4 Facility runoff volume control scale

5 小 結(jié)

通過對煙臺大學(xué)自身海綿基底現(xiàn)狀分析,制定以自然積存、自然滲透、自然凈化的三大發(fā)展理念為依據(jù)的“海綿校園”規(guī)劃改造方案,最后以量化核算作為項(xiàng)目建設(shè)的數(shù)據(jù)支撐,驗(yàn)證“海綿校園”建設(shè)可以有效解決校園內(nèi)澇問題．此外,通過本次規(guī)劃研究可以得出:“海綿校園”系統(tǒng)的構(gòu)建不要求整體翻新或大范圍修建,而是在現(xiàn)有環(huán)境基礎(chǔ)上,在可承受范圍內(nèi)以適宜強(qiáng)度、方式與最小資金投入取得最有效的改建結(jié)果[16],其作為海綿城市一種特殊的表現(xiàn)形式,無論在效果上還是對于校園美觀的改善上都具有顯著優(yōu)勢．低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)主要采取綠化、景觀設(shè)施對雨水進(jìn)行入滲、調(diào)蓄,對中、小降雨有良好的削減效果,但對于特大暴雨,僅能起到一定錯(cuò)峰、延峰作用[17],因此在“海綿校園”改造過程中也不能忽視傳統(tǒng)灰色雨洪調(diào)蓄設(shè)施在防洪排澇中的作用,只有二者有機(jī)結(jié)合,建立源頭減排、過程控制及末端調(diào)蓄的雨洪系統(tǒng),才會發(fā)揮出更大作用．