海綿校園雨水資源化利用綜合效益分析

鹿 巍 趙婧竹 李毛毛

（西安思源學(xué)院,陜西 西安 710038）

“海綿校園”是將海綿城市理論應(yīng)用到校園環(huán)境中，以保護(hù)原有生態(tài)為原則構(gòu)建校園環(huán)境，秉承海綿的品質(zhì)“滲透”和“吸收”，凈化雨水，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，遵循順應(yīng)自然、與自然和諧相處的雨水系統(tǒng)模式。

現(xiàn)如今，我國一方面存在水資源短缺的問題，另一方面遇暴雨時城市又面臨內(nèi)澇的困擾。高校作為科研開發(fā)和技術(shù)推廣的前沿陣地，通過研究雨水科學(xué)排放與回收來解決內(nèi)澇和水資源管理利用問題，對于促進(jìn)我國可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。同時，高校校園作為城市生態(tài)系統(tǒng)中一個獨(dú)立而完整的子系統(tǒng)，具有雨水匯水面積大、水質(zhì)較好、雨水利用潛力大的特點(diǎn)。高校的實(shí)踐研究將減輕城市水網(wǎng)壓力，并對城市雨水資源化利用起到帶頭示范作用。

本文以西安思源學(xué)院作為研究對象，提出校園海綿設(shè)施優(yōu)化建議，并結(jié)合雨水回收利用，分析其綜合效益。

1 區(qū)位概況

西安地處我國大陸腹地黃河流域中部的關(guān)中盆地，暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，降雨量分布極不均衡。多年平均降水量為504.7～719.8 mm，多集中在7—10月，一次大降水的降水量一般在63.2～118.2 mm，占全年平均降水量的12.5%～16.4%[1]。另外，西安土壤結(jié)構(gòu)為濕陷性黃土結(jié)合沙質(zhì)土，在遭受雨水的滲透、浸濕和沖刷后，在重力和外界作用力的影響下易發(fā)生濕陷性形變。

2 校園概況

西安思源學(xué)院分為南北兩校區(qū)，中間隔著水安路。本文以北校區(qū)作為研究對象。北校區(qū)占地約442畝，主要建筑有教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、圖書館、行政樓、實(shí)訓(xùn)中心、創(chuàng)業(yè)中心、食堂及學(xué)生公寓等。

現(xiàn)階段北校區(qū)主干道有貫穿東西的梧桐路及金石路、貫穿南北的時光大道和書苑南路，以金石中路貫穿1號實(shí)驗(yàn)樓、教學(xué)樓及圖書館。西側(cè)建筑以教學(xué)科研區(qū)和行政區(qū)為主，東側(cè)屬于學(xué)生生活休閑區(qū)。

3 場地分析

（1）公共綠地的建設(shè)較少使用低影響開發(fā)措施，雨水大多以自然下滲的方式被綠地就地進(jìn)行消解，也未進(jìn)行雨水的收集存儲。綠地與道路之間基本都用路緣石進(jìn)行分隔，阻擋了道路雨水匯入綠地。當(dāng)遇到大雨，進(jìn)入綠地土壤的雨水量超過其對雨水的極限滲透能力時，綠地雨水反而會流入道路中，加重路面的積水情況。

（2）道路地面均為密實(shí)混凝土路面，地表徑流無法下滲，且道路高程低于綠地高程。廣場磚石之間縫隙較大且年久活絡(luò)，導(dǎo)致雨天縫隙之間存有少量積水，不小心踩踏上去就會濺出泥水。

（3）停車位場地采用普通的植草磚，但是植草磚中的植被生長效果差，很多已經(jīng)露出覆土，隨著雨水的沖刷，使得停車場景觀效果不佳[1]。停車場路緣石沒有切口，道路雨水無法流入旁邊綠地中，同時停車場的豎向關(guān)系使得綠地雨水排向道路。

（4）由于校園處于白鹿原上，依地勢而建，東高西低且落差較大。當(dāng)有強(qiáng)降雨降臨時，積水順應(yīng)山勢，沿校園內(nèi)的道路向地勢較低的西部流淌。校園采用傳統(tǒng)管網(wǎng)排水方式，當(dāng)校園排水系統(tǒng)不能承載累積的水流量時，累積的水不能及時排出，會形成“瀑布”小景觀。

（5）大部分建筑屋頂屬于坡屋頂，且這些屋頂?shù)钠露染哂诰G色屋頂坡度要求上限，還有一部分建筑屋頂安裝有太陽能、空調(diào)設(shè)備等設(shè)施，所以在分析綠色屋頂建設(shè)潛力時不考慮這些建筑，校園內(nèi)只有少量建筑物適用于綠色屋頂?shù)母脑臁?/p>

4 “海綿”設(shè)施構(gòu)建

應(yīng)結(jié)合校園實(shí)際情況，有針對性地布置海綿系統(tǒng)，以解決校園內(nèi)澇問題，實(shí)現(xiàn)對雨水資源的合理處置。

4.1 下沉式綠地

下沉式綠地是指綠地的高度低于地面，一般位于距離路面20 cm左右的地方，用于收納雨水，減少地表徑流。可布置在金石西路、梧桐西路等車行道路邊的綠地中。在實(shí)施過程中，應(yīng)保證路緣石每隔一定距離設(shè)置適當(dāng)缺口，使雨水徑流能夠順利流入滯留設(shè)施中，同時溢流口的高度應(yīng)高于下沉式綠地并低于地面。雨水量超過綠地滲透能力時，徑流溢流至別的雨水設(shè)施或市政管網(wǎng)中。

4.2 透水鋪裝

選用雨水能通過，直接滲入路基的人工鋪筑的鋪裝材料，如透水混凝土、透水瀝青、透水磚等。考慮到路面強(qiáng)度、路基穩(wěn)定性及成本，可考慮布置在校園次要道路、支路、園路、停車場等對承重能力要求不高的道路上，例如金石東路、書苑北路、園丁路上。

4.3 雨水花園

櫻花路及銀杏路附近綠地分布均勻，每部分面積適中，可考慮加入雨水花園的設(shè)計(jì)。在雨水來臨前，它如同普通綠地一般。當(dāng)強(qiáng)降雨來臨，雨水花園的下沉式設(shè)計(jì)，可儲存和滯留部分雨水，還可促進(jìn)和強(qiáng)化雨水下滲。同時，由于綠化植物和土壤的過濾、吸收等作用，雨水中的部分污染物得以降解，外排水質(zhì)可得到顯著改善[2]。

銀杏路的自然坡度大于8%，下雨時會產(chǎn)生流速較快的雨水徑流。可以將此處的雨水花園規(guī)劃為臺地式（如圖1），通過一層一層的階梯，消耗雨水動能，減慢徑流速度。臺階之間應(yīng)用護(hù)坡或擋土墻連接。還可在下方修筑蓄水裝置，未滯留的雨水匯入其中，收集凈化以作灌溉用。

圖1 雨水臺地

另外，在植物的選擇方面，應(yīng)盡量選擇耐水淹的植物種類。暴雨過后，會出現(xiàn)短時間積水，容易滋生蚊蠅。因此，此類雨水花園最好設(shè)置在陽生區(qū)，同時配置適生的植物類型。在陰生區(qū)可以采取礫石帶等形式，創(chuàng)造多樣性的景觀。

4.4 植草溝

植草溝（如圖2）適于布置在書苑南路的山坡兩側(cè)。因與道路間隔較小，植草溝應(yīng)與道路平行布置，以便將道路的水排入溝中，阻止山坡順勢沖下的雨水匯集到道路。滯水效果與溝內(nèi)的植物有較大的關(guān)系，溝內(nèi)的植株密集、枝葉繁茂、葉莖較長時，其滯水效果最為顯著。還可代替?zhèn)鹘y(tǒng)地下排水管網(wǎng)將雨水輸送至指定蓄水區(qū)域，與滯留設(shè)施相連，用作雨水凈化的預(yù)處理環(huán)節(jié)。

圖2 植草溝

4.5 綠色屋頂+調(diào)蓄池

屋頂綠化又可以稱為屋頂花園、種植屋面等，就是在建筑的屋面空間種植以及栽培適宜的綠色植物，從而能夠儲蓄雨水以及減弱雨水徑流。學(xué)院大部分建筑為坡屋頂，可將屋頂雨水順著屋頂坡度匯至各個雨水管。雨水管安裝有初期棄流裝置，在雨水通過時可利用重力將初期雨水中污染較重的那部分雨水引入另外一個廢水管道進(jìn)入廢水收集，剩余水質(zhì)相對較好的雨水則沿著輸水管道再經(jīng)過一道過濾裝置后進(jìn)入地上調(diào)蓄池，經(jīng)過凈水裝置的凈化后再利用。

5 雨水收集效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

5.1.1 中水用量

綠化若按一級養(yǎng)護(hù)考慮，澆灑用水定額為2.0 L/（m2·d），按100 d計(jì)算，澆灑年用水量=2×48 871×100=9 774.2（m3）。

道路沖洗用水定額取0.5 L/（m2·次），年沖洗次數(shù)為30 次，則沖洗年用水量=0.5×16 290×30=244.35（m3）。

人工水體面積約3 565 m2，滲透系數(shù)取5×10-8m/s，多年平均蒸發(fā)量為1 400 mm，年用水量=年均蒸發(fā)量+年均滲透量=(1.4+5×10-8×365×24×3 600)×3 565=10 612.3（m3）。

綜上，年均總用水量為20 630.9 m3。

5.1.2 可回收雨水總量

可收集雨水量公式：W=α×β×ψ×H×A。式中：α為季節(jié)折減系數(shù)；β為棄流系數(shù)；H為平均降水量，ψ為綜合徑流系數(shù)；A為匯水面積。根據(jù)西安市情況，季節(jié)折減系數(shù)選用0.78，初期棄流系數(shù)取0.86，年平均降水量為612 mm。根據(jù)表1可得：

表1 不同匯水面徑流系數(shù)表

平屋頂可收集雨水量W=0.78×0.86×0.612×0.4×6 392=1 050（m3）；

斜屋頂可收集雨水量W=0.78×0.86×0.612×1×30 483=12 514（m3）；

道路可收集雨水量W=0.78×0.86×0.612×0.9×11 144=4 117（m3）；

透水鋪裝可收集雨水量W=0.78×0.86×0.612×0.55×5 146=1 162（m3）；

綠地可收集雨水量W=0.78×0.86×0.612×0.1×48 871=2 006（m3）；

共收集雨水量為1 050+12 514+4 117+1 162+2 006=20 849（m3）。

按照西安市商業(yè)用水價格8.2 元/m3計(jì)算，將為校園每年節(jié)約170 961.8 元。

5.1.3 海綿設(shè)施造價

根據(jù)表2，投資總額約為438.88 萬元。雖然海綿設(shè)施初期建設(shè)投資額較高，但需要注意的是，本次的經(jīng)濟(jì)計(jì)算未考慮國家對于綠色建筑的補(bǔ)貼費(fèi)用，所以，海綿設(shè)施建造的經(jīng)濟(jì)價值要大得多，且投資回收期更短。

表2 海綿設(shè)施造價估算

5.2 生態(tài)效益

在校園里設(shè)置雨水花園、植草溝、透水鋪裝等，能夠使雨水經(jīng)過滲透、過濾、傳輸?shù)淖匀贿^程達(dá)到水文平衡。通過保留綠地、水系，并在建設(shè)海綿設(shè)施時選用一些耐水植物，如野牛草、黑麥草、濕地松、水杉、垂柳等，能提高校園生物多樣性，回補(bǔ)地下水；海綿設(shè)施與景觀環(huán)境相結(jié)合，可提升校園的景觀面貌。

5.3 社會效益

“海綿校園”建設(shè)是一個長期的過程，其核心思想是可持續(xù)發(fā)展。在校園內(nèi)進(jìn)行雨水資源化利用，可帶動整個城市雨水資源化的進(jìn)行，符合可持續(xù)用水的要求；在防洪、雨水收集利用、環(huán)境氣候改變等方面效果顯著，降低了校園洪澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失[3]；在生態(tài)環(huán)境日益惡化的嚴(yán)峻形勢下，改善了校園的環(huán)境氣候，符合“以人為本”的綠色校園建設(shè)理念。

6 結(jié)論

基于量化評價，通過海綿設(shè)施可以較大地減少雨水徑流，同時雨水資源化能夠滿足一部分中水使用需求，充分發(fā)揮其生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。但仍有些問題需進(jìn)一步深入研究：首先是海綿設(shè)施在實(shí)踐中的修正與完善；其次，在效益指標(biāo)的定量評估中，對于量化指標(biāo)的處理方法還可以繼續(xù)調(diào)整和完善，考慮日后設(shè)施的運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用，以提高評價的準(zhǔn)確性。最后，由于海綿設(shè)施建設(shè)初期費(fèi)用較高，需要政府加大對校園雨水資源化利用的投入，在一些校園進(jìn)行雨水利用的實(shí)驗(yàn)研究，建立示范工程，以利于校園雨水資源化利用的推廣。但是我國高校數(shù)量眾多，僅靠政府財(cái)政補(bǔ)貼難以滿足“海綿校園”的建設(shè)需求，因此應(yīng)該積極加強(qiáng)與校外機(jī)構(gòu)、企業(yè)的合作，探索多方位的融資途徑，積極與“綠色校園”“節(jié)約型校園”“海綿校園”等可持續(xù)校園發(fā)展理念對接，促進(jìn)校園雨水管理的科研、教育、宣傳建設(shè)。