基于MapGIS平臺的海綿校園設計

吳紅波，楊肖肖，賈欣

(1.陜西理工大學地理科學系，陜西 漢中 723000；2.西北大學陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室，陜西 西安 710127；3.北京交通大學市政與環境工程系，北京 100044)

1 引 言

在城鎮化建設和城市人口劇增的背景下，城市水網建設由于設計觀念的落后和規劃中的疏忽，河流生態環境、城市供水、城市內澇等問題日益突出[1]。道路硬化和排水管網取代原有的自然排水通道，水的滲透能力弱[2]，每逢大雨暴雨，排水系統未能及時將雨水排放，引發雨水溢流和城市內澇。一方面，雨水的漫流排放使城市中70%的雨水白白流失，未得到有效利用[3]，另一方面，城市用水主要從水庫、河流或者區外調水。為此，2013年中國政府提出了一種新的城市發展模式“海綿城市”概念，旨在有效地管理城市雨水，提高城市應對水資源問題的能力[4]。

為應對城市水短缺危機和生態環境問題，在借鑒歐美各國對城市雨水收集和回用經驗的基礎上[5]，自2014以來，我國大力推廣“海綿城市”的城市建設理念和技術[6]，各地相繼開展海綿城市試點建設工作，通過各種先進的技術手段優化整合各類資源[7，8]，建立一系列阻止徑流、控制洪水、補給地下水和回用雨水的基礎設施[9]，改善城市生態環境狀況，使生活更便捷舒適，讓城市更全面發展。為了對城市各類資源的信息有效描述與管理，地理信息技術能對空間實體和自然地理現象實時獲取、高效地處理和模擬[10]，推進城市地理空間建設在大范圍的、全方位的、深層次的智能化應用[11]，為智慧城市和海綿城市建設的大數據分析和管理提供技術支持。目前，低影響開發(Low Impact Development，LID)理念的“海綿校園”[12]、智慧校園水務[13]、海綿社區建設，鮮有報道[14]。Hu等分析了陜西省西咸新區秦皇大道雨水排水系統的局限性及其環境背景[15]，將LID技術的原理和要求應用于改造工程的設計和規劃。鄧仕虎等利用地理信息系統(Geographic Information System，GIS)空間分析平臺和信息化技術研發了海綿城市模擬評估系統(Uwater-Drainage)[16]，李力等按照低影響開發理念實現海綿校園的建設，闡述了海綿校園對城市化的貢獻和對生態環境的影響[17]。因此，作為城市重要組成部分，高校校園不僅具有良好的場地條件和綠化面積，也擁有較大的節水空間，有利于強化雨水資源的合理利用。

為了促進校園排水系統的更新和提高雨水利用率，本文以陜西省漢中市某高校校園為研究對象，基于LID理念和GIS空間分析技術，分析校園規劃的功能分區與排水現狀基本情況，采用雨污分流和其他現代工程措施，探討各功能區內雨水收集、處理、綜合利用的可能性，旨在為校園綠色基礎設施的建設規劃提供可行性方案，建設一個可持續的、生態友好的智慧校園。

2 海綿校園設計與方法

2.1 用地現狀

利用MapGIS軟件對陜西省漢中市某高校的構筑物、綠地、道路、廣場、人工湖等地物矢量化，校園二維平面圖如圖1所示。由于校園地勢平坦，忽略投影過程中多邊形形變的面積誤差，校園總面積為 44.6萬m2，其中，建筑物、廣場、路面、水體和硬質鋪裝的面積，如表1所示。

圖1 陜西省漢中市某高校校園平面圖

校園用地基本情況 表1

2.2 地理環境

研究區坐落于陜西省漢中市，屬于亞熱帶氣候作用區，北有秦嶺屏障，寒流不易侵入，氣候溫和濕潤，季節降水量分配差異明顯。1951年～2016年漢中氣象臺站的氣象資料顯示，如圖2(a)所示，年降水量最小值為 425.7 mm，最大值為 1 219.0 mm；夏季降水量充沛，多年平均降水量占全年的48.5%，冬季多年平均降水量最少，占全年的5.0%，如圖2(b)所示。

圖21951年～2016年期間漢中市年降水量和月均降水量

2.3 技術路線

首先，利用MapGIS的屬性表統計出校園教師生活區、學生公寓樓、教學辦公樓、廣場與硬質鋪裝、綠化、道路和湖泊面積；其次，通過查閱大量文獻及資料，分析漢中市氣候狀況、降水規律，找出下墊面對雨水的控制及影響；再次，明確雨水溢流出路、溢流水位標高、地形標高，排水方向、低洼地、下墊面、土壤情況、適宜植被的屬性編輯和地理編碼；最后，通過GIS空間分析做管網線路設計與規劃，采用集中與分散相結合的處理方式將校園土地合理布局，控制校園雨水徑流量，減少雨水污染與流失，實現雨水回收與利用，技術路線如圖3所示。

圖3 技術路線

2.4 匯水分區計算

在任一地區，校園內建筑表面的降水量pcampus計算為[19]：

pcampus=Rcampus×paverage

(1)

式中，Rcampus為校園內建筑面積占校園面積比重，%；paverage為1951年～2016年漢中市區多年降水量平均值，mm。

海綿校園內的年徑流截留量為：

Rin=Rcampus×Acampus×α

(2)

式中，Acampus是海綿校園的海綿體面積，km2；α是海綿校園年徑流量的截留率，%。

日雨水徑流量wd為：

wd=0.7×10×ψr×hp×A匯水

(3)

式中，wd為日雨水徑流量，m3；ψr為雨水徑流系數；hp為最大日降水量；A匯水為匯水面積，m2。

雨水可利用量w為：

w=wd-wq

(4)

式中，wq為棄流雨水量，徑流初期下滲。

結合場地條件、雨水管網位置和景觀要求，劃定匯水分區；匯水分區盡可能是獨立的匯水單元，在每個匯水分區的低洼地設置溢流管道或者調蓄泵站；按照《海綿城市專項規劃》，明確每個地塊所在排水分區的年徑流總量控制率和設計降水量。當低影響開發設施以徑流總量和徑流污染為控制目標進行設計時，依據《海綿城市建設技術指南-低影響開發雨水系統構建(試行)》中的容積法進行各個匯水分區的調蓄容積計算：

Vc=10×pc×φ×AF

(5)

式中，Vc為計算調蓄容積，m3；pc為設計降水量，mm；φ為綜合雨量徑流系數(按下墊面狀況加權平均計算)；AF為單個分區匯水面積，m2。

在宏觀規劃尺度上，年徑流總量控制率是影響前端規劃方案形成的主導要素，年徑流總量控制率可由長序列法、典型年法、外排徑流系數法、逐日水量平衡法等方法確定，公式為：

(6)

式中，C年徑流總量控制率為年徑流總量控制率，控制在80%≤α≤85%，A總面積為匯水總面積。

根據《建筑給水排水設計規范》GB50015-2009(2009版)中4.9.6規定，給排水設計中雨水設計徑流系數取值可按表2，居住小區、公共建筑區、民用建筑給水排水設計，亦適用于工業建筑生活給水排水和廠房屋面雨水排水設計。

不同下墊面的徑流系數 表2

2.5 設計思路

(1)雨污分流

為實現校園內雨水收集及再利用，首先阻斷排向塘中污水源，改造管網實現雨污分流，人工湖北側、西側、南側雨水、污水進行分流，北側和東側的雨污管網統一換成DN800的承插式水泥管，廢除原來的管道，新鋪設兩根DN800的雨水和污水的管道，達成雨污分流的目的。把排水和給水管網作為系統工程對待，把收集的雨水轉變為校園綠化和景觀用水，雨水收集流程如圖4所示。

圖4雨水收集流程圖

(2)雨水收集

傳統校內道路、廣場混凝土和花崗巖等為不透水鋪裝，暴雨時節地表徑流量大，改造后用透水鋪磚，未來得及排放的雨水，通過人工生態湖和周邊散流雨水收集。通過對各個分區雨污分流，雨水管中的雨水經過棄流井，將干凈的雨水導入人工湖。雨水流經濕地走廊和下沉式綠地時，一部分雨水滲入土壤，一部分雨水中的污染物質可以通過植物系統和種植土壤填料去除，植被草溝和綠地具有一定的調蓄容積。雨水調蓄池既可有效削減洪峰流量，也減少雨排管道利用，減輕校園內澇風險。校園廣場和路面雨水徑流主要通過道路兩側的生態水溝排出，同時在硬質鋪裝的兩側低洼處匯集、蒸發和下滲。

(3)雨水存儲與水質保持

為了改善雨水存儲池、人工湖、集水池和綠化用水池的水質，沿硬質駁岸增加防滲墻。人工湖池底適當鋪設防滲毯，防止池水滲漏，使得水位和水質處于合理達標狀態。人工湖水質保持采取生態凈化方法，栽種挺水植物、浮水植物、沉水植物面積約 1 000 m2，并投放少量錦鯉、泥鰍、草魚、草龜維持水域生態平衡。設置泵機管道對池水進行循環；每日定期開啟噴泉，增加湖水溶解氧含量，供魚類和水栽植被呼吸。

2.6 設計方案

根據海綿校園技術特點，將校園劃分為濕地走廊(Ⅰ分區)、下沉式綠地(Ⅱ分區)、雨水花園(Ⅲ分區)、雨水滲透池(Ⅳ分區)4類收集雨水，屋頂花園、透水鋪裝用于改造校園房屋建筑、硬質鋪裝，如圖5所示。選擇合適的海綿校園技術手段，將各局部海綿基礎設施實施方案擬定出來，對海綿體(單元)進行技術性改造，每一個有蓄水功能海綿設施，還需要標明其所在區塊面積、設施面積、有效深度和有效容積等指標，使大部分的雨水都可以被收集利用，防止雨水資源的流失，實現了收水、蓄水、用水循環的可持續生態校園。

圖5 海綿校園的分區圖

3 結果與分析

3.1 海綿結構單元設計

(1)濕地走廊

學校I分區的路兩側都是開放的草坪，宜采用濕地走廊形式匯集雨水，如圖6所示。由于走廊周圍草地地勢較高，不利于雨水的匯集，改造時將道路兩邊草地挖低，構建斜坡式草坪；在道路兩旁，模擬自然雨水處理方法，建造生態溝。此方案改造難度小，有利于豐富校園景觀，將濕地與走廊聯系起來。

圖6濕地走廊建設效果及結構示意圖

(2)下沉式綠地

行政樓后有綠地2塊，總面積大約10 000 m2，將平地挖成自然狀態，保證雨水溢出口處于凹地中，建造下沉式綠地可吸納校園Ⅱ分區雨水，如圖7所示。下沉式綠地一般要求比周圍地表高度低5 cm～25 cm，雨水可直接匯入下凹的綠地中，形成調蓄水池。下沉式綠地與場地規劃設計結合，與透水鋪裝搭配，使產生的徑流雨水流入雨水井和調蓄水池，此設施對雨水的吸收能力強。

(3)雨水花園

校園Ⅲ分區中有一片正方形廢置地，面積約 9 000 m2，可通過雨水花園收集雨水，雨水花園設計位置選在此處，如圖8所示。通過人工挖掘、土質改善與草地建設使其形成淺凹綠地，此地將雨水匯聚并吸收來自屋頂或地面雨水，通過植物、沙土的阻濾作用使雨水得到凈化，使雨水得以重新利用。在栽培植物的選擇上應優先選用根系發達、莖葉繁茂、凈化能力強的植物，也可相互搭配種植的植物，使花園內植物豐富多樣。雨水花園其為一項生態可持續的雨洪控制與雨水利用設施，解決校園綠化用水問題、促進校園景觀建設。

圖7下沉式綠地建設效果及結構示意圖

圖8 雨水花園建設效果及結構示意圖

(4)雨水滲透池

人工生態湖的面積約有6 000 m2，綠地環繞湖面周圍，是雨水循環利用的存儲池，用于收集匯聚校園Ⅳ分區的雨水，如圖9所示。滲透池具有面積較大、蓄水容量較大、凈化能力強、效率高、景觀效果強的特點，通常由透水管層、沙滲層、水池組成。

圖9雨水滲透池改造效果及結構示意圖

(5)綠色屋頂

綠色屋頂旨在建立一個真正的生態系統，有效利用土地資源，形成立體綠化，具有降低室內溫度，儲存雨水等作用。校園構筑物屋頂面積約 136 000 m2，建筑物面積較大，屋頂坡度較小，大大提高校園綠化覆蓋率。綠色屋頂的建造結構層從下到上一般由基礎層、屋頂防水層、植物根阻層、隔離層、排水過濾層、營養圖層、植物層組成，如圖10所示。綠色屋頂可大幅改善硬質鋪裝所引發的熱島效應，改善校園小氣候，有效吸收噪音，凈化空氣，為師生創造一個安靜的學習環境。

圖10綠色屋頂效果及結構示意圖

(6)透水鋪裝

透水鋪裝主要針對硬化道路、硬質鋪裝廣場等場地而設計，總面積達 164 000 m2，灰色基礎設施面積大，透水鋪裝主要用于硬化鋪裝的改良，傳統的硬化鋪裝不具吸水能力，造成雨水大量徑流，雨水不能及時下滲，不能使內澇及時得到調節。而透水鋪裝具有較強的透水性，水體在透水材料的下滲過程中，使得懸浮物過濾并截留，在對雨水進行預處理時，也滲透補給了地下水，其通常由路床、砂墊層、基層、緩沖層、透水層組成，如圖11所示。此外，透水鋪裝不僅只是透水，還具有降溫、降噪、防水膜、防炫光等功能。

圖11透水鋪裝效果及結構示意圖

3.2 經濟效益

根據《海綿城市建設技術指南》，參考北京地區低影響開發設施單價和市場上雨水收集地埋式一體化設備單價，總投資 2 584.0萬元，工程成本如表3所示。

海綿校園低影響開發設施及設備造價表 表3

2015年漢中市水價(行政事業類)為3.36元/m3，年雨水水源利用 261 048 m3，可節約 3.36×261048 m3≈87.7萬元。據分析，為減輕污染每投入1元可減少環境損失為3元，即投入產出比1∶3。國家環境保護部《排污費征收標準管理辦法》規定：污水排污費按排污者排放污染物的種類、數量以污染當量計征，每一污染當量征收標準為0.7元。城市管網中每立方米的運行費用為0.08元，故減少的環境損失費為18.28萬元，管網運行費為2.08萬元，每年雨水回用的經濟效益總值為108.1萬元。

4 結 論

高校校園是處于城市中的相對獨立場地，將海綿校園建設作為海綿城市建設的示范點和試驗田，旨在探索高校校園雨水收集、景觀回用和雨水綠化管理相結合的方法，基于低影響開發理念LID對高校校園“灰色”設施進行嘗試性改造，提高水資源利用率、降低雨洪內澇風險，維持水體生態環境可持續發展。主要結論：

(1)海綿城市建設是系統性的過程研究，需要因地制宜，結合自然地理環境、氣象氣候和水文地質因素綜合考慮，在實地調查和分布式徑流模型模擬基礎上進行雨水截留量估計。

(2)雨水收集技術應用在校園整體規劃和功能布局上，不拘泥于經驗，需要結合給水管網、排水管網和處理設施的功能與特點，校園景觀設計中的場地因素與海綿城市建設技術結合起來，選擇合適的海綿城市技術手段進行校園綠色基礎設施景觀設計。

(3)GIS的空間分析功能能夠對分區面積、類型、參數等進行量化，為海綿體和結構單元的二維、三維數據編輯和管理，能夠及時反饋雨水收集、回用和管理環節，為海綿校園建設提供技術支持和理論借鑒。