海绵城市下的高校 “海绵校园”建设

2017-10-20李力丁琨范卓越

长江大学学报(自科版) 2017年17期

关键词：屋面海绵雨水

李力，丁琨，范卓越

(安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥 230061)

张建坤

(安徽华盛国际建筑设计工程咨询有限公司，安徽合肥 230061)

海绵城市下的高校 “海绵校园”建设

李力，丁琨，范卓越

(安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥 230061)

张建坤

(安徽华盛国际建筑设计工程咨询有限公司，安徽合肥 230061)

基于传统校园建设存在因雨水径流总量变化而引发的内涝问题，按照低影响开发理念，建设“海绵校园”的构想，阐述了海绵校园对城市化和生态环境的影响。根据《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》的年径流总量控制率分区，统计分析各区内的代表高校，论述建设海绵校园的必要性。以安徽省合肥市某高校为例，在校园建设现状的基础上，采用低影响开发措施，提高年径流总量控制率，降低径流污染，并结合绿色评价量化标准进行海绵校园改造设计，有效解决了校园内雨水资源利用、排水防涝、景观绿化和可持续发展等问题，具有良好的经济效益和社会效益，为相关高校 “海绵校园”建设提供参考。

高校；海绵城市；校园建设；绿色评价

高校是人才培养和科学研究的重要场所，随着经济社会的快速发展，高等教育供给侧结构改革不断深入，招生规模日益扩大，不少高校校园基础设施建设却严重滞后，经常出现“非旱即涝”现象，甚至产生“校园看海”奇观，严重干扰了正常教学秩序[1]。原因虽然是多方面的，但主要还是规划设计理念落后，如对校舍前后、道路、广场、活动场所等地面盲目硬化，大范围使用不透水性材料，从而改变了校园原有生态环境和水文特征。鉴于我国高校校园建设现状和对城市生态环境的影响，笔者提出按照低影响开发理念建设“海绵校园”，统计分析海绵校园建设的必要性。并以安徽省合肥市某高校为例，结合《绿色建筑评价标准》(GB/T 50384-2014)中“节地与室外环境”和“节水与水资源利用”的相关量化指标，提出校园改造设计要点，合理规划地表与屋面雨水径流，提高场地内年径流总量控制率，增加非传统水资源利用率，综合解决校园内水资源、水生态、水环境等问题，为相关高校建设“海绵校园”提供借鉴。

1 高校与城市的关系

1.1高校校园对城市化的影响

高校和城市都是人类不断发展的文明产物，高校的产生远没有城市历史悠久，高校发展往往是城市发展的缩影。因此高校往往集中于发展速度相对较快的大中城市。高校一般具有占地面积大、产业关联度高、社会影响力大等特点。高校建设会将周边非城市建设用地转化为城市建设用地，其周边休闲娱乐、餐饮、居宅、交通等促进城市化发展[2]。城市和高校的关系不仅仅只是整体和个体的包含关系，更重要的是相辅相成，相互促进，联动发展的关系。

1.2高校校园对生态环境的影响

高校校园与城市存在密切的空间关系，城市环境质量直接影响校园环境生态。校园绿地可以降低城市噪音，提高空气质量。中心城区建筑密度大，扩建受限，近年来，很多高校为了发展，纷纷到城市新区或市郊征地，建设新校区，明显改变了原有的生态系统[3,4]。高校校园建设带动了商业，娱乐业、医疗卫生等相关产业的快速发展，短时间内形成的生态空间稳定性差[4]。

表1 高校建设概况

高校校园建设用地面积较大，既有良田，也有荒地，还可能有山地和池塘、湖泊等，这些地域可以进行生态恢复建设，主要是对受到破坏的水体、山体以及富有重要意义的生态区域进行逐渐修复。如2003年，华中农业大学在校内实施生态修复计划，减少对湖泊水体污染物的排放，沿湖湿地禁止规划建筑，拆除位于生态廊道范围内的建筑物，改善了校内环境，进而改善了城市生态[4]。

1.3“海绵校园”对“海绵城市”的影响

在《海绵城市建设技术指南》中，将我国大陆地区年径流总量控制率分为5个区，通过搜集整理相关资料，做出了区域、城市、高校及其建设面积的统计如表1所示。

由表1可知，在表1中所列的30所高校中，面积超过4000亩的有15所，面积在2000～4000亩的14所，面积在1000～2000亩的有1所，最小面积1531亩，最大面积13500亩，平均占地3479亩(约233×104m2)。

当单位面积达到有效的调蓄容积时可实现年径流总量控制指标[5]，高校校园的占地面积较大，调蓄容量可观，对建设“海绵城市”的影响力不容忽视。径流控制模式包括2种，一种是场地内控制，一种是场地外控制[5]。实现“海绵城市”的控制目标需要通过这2种控制共同实现，建设“海绵校园”相当于场地内控制，是建设“海绵城市”密不可分的一部分。

2 “海绵校园”建设——以合肥某高校为例

2.1学校概况

合肥市属于湿润多雨带，气候温和，多年平均降雨量为971.3mm, 多年平均蒸发量为812.7mm[6]。2mm以上降雨量占总降雨的比例为96.6%，一年一遇的日最大降雨量为45.3mm，2年一遇的日最大降雨量为82.1mm[7]。降水量和蒸发量季节性变化大，主要集中在夏季,冬季较少。

设计中的高校位于安徽省合肥市，校园规划占地面积800亩，其校园规划图如图1所示，校园内包括教学、办公、学生宿舍等楼宇、广场、绿地、运动场、水体、道路及硬质铺装。按照《海绵城市建设技术指南》中不同下垫面雨量径流系数，采用加权法计算综合径流系数,校园规划面积及径流系数统计如表2所示。

图1 合肥某高校规划图

规划用地面积/m2径流系数屋面宿舍楼/办公楼313810.8实验楼/教学楼332040.8广场普通硬质广场809890.5下沉式广场116870.5道路人行道212500.4车行道525000.8活动场所529760.8绿地1846740.15水体646721综合雨量径流系数0.53

2.2在绿色评价标准下的海绵校园设计

2.2.1设计要点

1)按照低影响开发理念，结合自然与人文环境及现状实际，在条件允许的情况下，将已建成的教学楼、实验楼、办公楼、食堂、学生宿舍等建筑物改造成绿色屋顶，新建的一律建成绿色屋顶(见图2)。

2)校园内优先考虑雨落管断接方式，将普通屋面和绿色屋面的雨水收集回收利用，同时考虑将硬化地面雨水引入周边绿地下渗。

3)将教学楼北面绿地改造成下沉式绿地(见图3)。

4)将机电楼南面池塘改造成生态塘。

5)人行道改造为透水铺装，新建机动车道建成透水沥青路面(见图4)。

6)办公楼、教学楼、图书馆、食堂前的普通广场改造为透水铺装(见图5)。

7)校园内100亩左右的水体(易海)内构建丰富的水生植物(荷花和茭白等经济作物和水生动物系统,并作为调蓄水体充分利用。沿岸浅水区修建防腐滨水木栈道，并加固生态护坡。

8)除特殊情况外，一律不新建硬化地面，原有硬化地面逐渐改造成透水铺装。

校园部分改造前后效果图如图2～6所示。

图2 绿色屋顶结构层大样图图3 下沉式绿地结构层大样图

图4 人行道透水铺装结构层大样图图5 教学、办公等楼前透水铺装结构层大样图

2.2.2技术措施

目前公共建筑采用海绵技术，没有具体的量化指标，因此根据《绿色建筑评价标准》(GB/T50378—2014)中的“节地与室外环境”和“节水与水资源利用”等量化指标，并结合校园现状进行设计[8]。有关研究表明，屋顶绿化截留吸收部分天然雨水，减少径流量，通过植物以及土壤中微生物的作用降解污染物浓度，杜绝沥青材料对径流雨水的二次污染[9]。在实验楼与教学楼建设绿色屋顶，收集校园屋面雨水，经雨水地埋式一体化处理设施处理后用于绿化浇洒，道路冲洗和水体补水。学校南大门左侧绿地附近有2450m3水体，可改造成生态塘。

综合改造后，下凹式绿地的面积和水体面积占校园绿地面积的60%，下凹式绿地面积为43682m2，硬质铺装中透水铺装面积占70%，人行道及广场中的透水面积为79748m2。年径流总量控制率达55%，绿色建筑标准下的海绵校园建设设施面积及径流系数统计如表3所示。

表3 绿色建筑标准下的海绵校园建设设施面积及径流系数统计

2.3海绵校园非传统水资源收集利用

海绵校园将雨水视为宝贵资源，灰绿建筑结合，优化原始校园规划，充分利用雨水资源。

屋面雨水与地面雨水污染程度不同，降落在屋面(绿色屋面和普通屋面)的雨水可通过雨落管断接方式收集，经地埋式一体化设备处理后用于景观绿化、道路浇洒、易海补水等，当旱季水量不能满足要求时，采用市政管网水补充。降落在地面或道路的初期雨水污染较严重，通过初期雨水弃流装置将前期雨水汇入市政污水管网，后期雨水利用渗透铺装、低势绿地、生态塘等设施进行净化、消纳，多余部分排入市政雨水管网。海绵校园非传统水源回用流程图如图7所示。

图7 海绵校园非传统水源回用流程图

2.3.1用水量计算

设计景观按照冷季型设计，根据《民用建筑节水设计标准》(GB50555-2010)和《雨水综合利用》国家建筑标准设计图集(10SS705)，绿化浇洒用水定额一级养护取0.5m3/(m2·a)，道路冲洗用水定额取0.5L/(m2·次)，年浇洒次数按照30次计。合肥的土壤地层多为粉质黏土，渗透系数取5×10-8m/s。雨水处理装置自用水量按日处理水量的5%，未预见用水量按平均日用水量的10%，日变化系数取1.4[7,10,11]。

表4 雨水用水量一览表

雨水用水量如表4所示，由表4可知，平均日用水总量为855.74m3，最高日用水量为1198m3。根据《海绵城市建设技术指南》和《雨水综合利用》(10SS705)，雨水收集回用系统中包含硬质屋面的雨水收集，重现期取2a。合肥市一年重现期最大日降雨量为45.3mm，两年重现期最大日降雨量为82.1mm。普通屋面雨水径流系数取0.8，绿色屋面雨水径流系数取0.3，可回收的降雨量系数取0.7[12,13]。

2.3.2设施规模配置

日雨水径流量Wd：

Wd=0.7×10×ψc×ha×F

(1)

式中，Wd为日雨水径流量，m3；ψc为雨水径流系数；ha为重现期内最大日降雨量，mm；F为汇水面积，hm2。

Wd=0.7×10×(0.8×82.1×3.1381+0.3×45.3×3.3204)=1758.64m3

(2)

考虑2mm初期径流雨水弃流，则弃流雨水量Wq为：

Wq=10×2×(3.1381+3.3204)=129.17m3

(3)

雨水可利用量W:

W=Wd-Wq=1629.47m3

(4)

收集回用设施的供水能力配置必须满足:

∑qinit>W

(5)

式中，q为用水定额；n为用水数量；t为用水时间，一般取3d。计算得:

3×1198m3=3549m3>W

雨水收集地埋式一体化设备如下:设备每日工作20h，处理能力Qy=1198/20=59.9(m3/h)，选取4台设备,Q=20 m3/h，3用1备。

2.4效益分析

2.4.1社会效益

基于低影响开发理念，建设海绵校园充分利用雨水资源，确保校园雨涝调蓄正常，适应环境变化、应对自然灾害。同时对于改善教学、生活环境，营造良好育人氛围，提高节水环保意识,促进和谐发展等具有重要意义。

2.4.2经济效益

根据《海绵城市建设技术指南》，参考北京地区低影响开发设施单价和市场上雨水收集地埋式一体化设备单价，总投资1111.02万元，工程成本如表5所示。

表5 海绵校园低影响开发设施及设备造价表

合肥市水价为2.31元/m3，年雨水水源利用437270m3，可节约2.31×437270≈101万元。据分析，为减轻污染每投入1元可减少环境损失为3元，即投入产出比1∶3[6]。国家环境保护部《排污费征收标准管理办法》规定：污水排污费按排污者排放污染物的种类、数量以污染当量计征，每一污染当量征收标准为0.7元。城市管网中每立方米的运行费用为0.08元[7]，故减少的环境损失费为30.6万元，管网运行费为3.5万元，雨水利用的年总效益为135.1万元，静态投资回收期8.22年。

3 结语

目前，国内学者在低影响开发理念指导下建设海绵校园提出过景观和规划设计思路，但较少涉及对海绵校园建设的必要性分析以及在具体量化指标下如何进行海绵校园设计。海绵校园建设是一项系统工程，应在城市总体规划的指导下，不断优化校园建设方案。对于老旧校园应坚持以问题为导向，对于新建校园应坚持以目标为导向，科学合理建设海绵校园。当地建设、规划、环保、水利等有关部门应出台相应政策措施或激励机制，加大校园建设资金投入，确保海绵校园顺利建设。

[1]朱玉成.政府职能转变视角下的高等教育供给侧改革[J].高等教育研究，2016，37(8)：16～21.

[2] 刘宁.大学园区对城市发展的影响研究[D]. 上海：华东师范大学，2014.

[3] 涂慧君. 理水“纳百川”生态“参天地”——景观生态学运用于大学校园规划设计的思考[J]. 城市建筑，2012 (2)：36～39.

[4] 杨子君.大学校园规划与城市规划的协调发展[D]. 北京：北京林业大学，2005.

[5] 王文亮，李俊奇，车伍，等.海绵城市建设指南解读之城市径流总量控制指标[J].中国给水排水，2015，31(8)：18～23.

[6] 王彩娟.合肥市建筑与小区雨水及中水利用研究[D]. 合肥：合肥工业大学,2010.

[7] GB50555—2010，民用建筑节水设计标准 [S].

[8] GB/T50378—2014，绿色建筑评价标准 [S].

[9]段丙政,赵建伟,高勇,等.绿色屋顶对屋面径流污染的控制效应[J].环境科学与技术,2013,36(9):57～59.

[10] GB50031—2006，室外给水设计规范 [S].

[11]海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)[Z].住房城乡建设部，2014.

[12] 10SS705，雨水综合利用 [S].