喀斯特地區海綿校園建設探究

游媛++楊珍招++楊玉銀++周玉馨

摘要：指出了研究喀斯特地區海綿城市建設，對緩解該地區水資源短缺、水污染和洪澇災害等水問題有重要意義。以貴州師范大學花溪校區為例，分析了該校區建設存在的問題并給出了改進意見。提出了喀斯特地區海綿校園建設應遵循因地制宜、順應自然、低影響開發的原則，針對當前城市“久晴即旱、大雨易澇”的現狀，喀斯特地區雨多地漏的特點認為該校區應充分利用自身地形條件，對人工湖、道路、屋頂和綠地等進行改進。通過數據分析選擇合適的集水區域，設計合理的集水、排水和節水的水文生態系統，以達到防內澇，重雨水利用，建設人與自然和諧統一的海綿校園。

關鍵詞：海綿城市；水資源；喀斯特地區

中圖分類號：TU984

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）12018704

1引言

海綿城市亦稱“水彈性”城市，是指遵循生態優先原則，使城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的“彈性”[1]。中國城鎮化的快速發展使城市人口大量增加，城市規模不斷擴大，加上不合理的城鎮建設使得水資源短缺、城市內澇和經濟可持續發展間的矛盾問題日益凸顯[2，3]。解決城市缺水和內澇等問題，必須順應自然，要建設水生態協調、人與自然生態系統和諧統一的海綿城市[4]。

貴州省屬于我國典型西南喀斯特地區，廣泛分布碳酸鹽類巖石，受季風氣候的影響，降水量比較豐富，具有溶蝕性的雨水沿可溶性巖石裂隙下滲溶蝕，形成發達的地下水系。特殊的地表和地下“二元結構”是該地區“工程性缺水”問題的原因[5，6]。同時，喀斯特地區水文條件特點，也決定了該類地區的海綿城市建設有其特殊之處，傳統的海綿城市建設思路和方案不一定適用于喀斯特地區。

鑒于喀斯特地區海綿城市建設的特殊性，已有部分學者開展了相關的研究工作。鄭永新等結合貴州貴安新區星月湖公園規劃實踐，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”6種途徑，將“低影響開發”理念與公園設計相結合提出下滲、徑流控制、截污、雨水收集處理的四大海綿體建設重點系統[7]。但是喀斯特地區以山地校園為特色的海綿城市建設研究仍較少。

本文以典型喀斯特山地校園——貴州師范大學花溪校區為例，分析該校區建設存在的問題并提出改進建議，同時指出喀斯特地區海綿校園建設的原則和方法。以期為喀斯特地區建設人與自然生態系統和諧統一的現代化校園提供決策參考。

2案例分析

2.1研究區域概況

貴州師范大學花溪校區位于貴州省貴安新區，地理位置為東經106.6°，北緯26.4°，平均海拔為1199 m。地處烏江與珠江流域分水嶺，該區域地表景觀破碎，以山地和丘陵為主，屬于典型喀斯特地貌。主要分布有碳酸鹽類的石灰巖，主要土壤類型為石灰土和黃壤，天然植被以灌木草叢為主。屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，年均溫15.3℃，年均濕度78%，年平均降水總量為1178.1 mm。夏季雨水充沛，約500 mm，秋冬季節降雨量較少。

圖1貴州師范大學花溪校區概況

2.2存在的問題及其解決方案

2.2.1人工湖系統改造

如圖1、圖2所示，貴州師范大學花溪校區內分布有5座山，東部的人工湖建在5座山的匯流出口處。人工湖主要靠抽水泵抽水來保持湖水的補給，同時由于風口處風速較大，較大面積水域在風吹日曬的情況下蒸發量極大，造成嚴重水資源浪費問題。因此，該校區應充分基于5座山形成的匯流地形條件，讓山上、道路和房屋等地的雨水集中匯流到流域低洼處補給人工湖。此外，可充分設計流域內的各棟教學樓未受污染的生活用水通過管道匯集補給人工湖，并形成流動的水循環系統，綜合這樣的方法可以保證充足的水源補給人工湖，起到解決水資源和經濟浪費的嚴重問題。

貴州師范大學人工湖底部為混凝土鋪墊，底部平滑，沿岸為碎石塊。人工湖中土層淺薄，水泥結構緊密，對水中污染物的自凈能力差，且夏季蒸發量大，蒸發迅速。首先應改造人工湖底面，底面不進行硬化，而采用素土夯實處理，雨水流至洼地中能滲入土壤，并部分回灌地下水而提高地下水位[8]。人工植物浮島將生物凈化、生態恢復和景觀建設有機結合，是水庫生態治理的重要技術措施[9]。通過水生植物群落的阻滯、沉降、吸附等物理作用，達到對校園雨水凈化的效果，實際上就是將“死水”變成“活水”的過程[10]。因此，在人工湖的改造中應當引進人工浮島技術。為了防止周邊的泥沙受沖刷流入湖泊，可在岸邊種植喀斯特地區對土壤條件要求不高的植物。除此之外，喀斯特高原地區人工湖泊pH值偏堿，釋磷量比中性條件高。底泥釋放的磷被植物吸收，應定期打撈植物，防止植物腐爛造成二次污染[11]。

2.2.2硬化路面改造

根據W =1000×C×P×F，式中：W為多年平均徑流總量，m3；F為研究流域的集水面積；如圖3、圖4所示即為研究流域的集水面積。P為多年平均降雨量；C為年徑流系數。

彭韜等對喀斯特坡地6種不同土地利用條件下徑流小區的地表徑流，植被穿透雨量以及地下水出口水位進行監測。結果表明：6個徑流小區地表徑流系數均非常小，界于0.01%～12.81%，平均值為0.62%。該校區的D山的山頂是自然狀態，而山腳受人工干擾比較大，所以喀斯特自然地面與硬化路面的對比中綜合考慮喀斯特自然地面年平均徑流系數C1取平均值0.0062。而硬化地面根據《室外給排水設計規范》GB50014-2006中規定，給排水設計屋面、混凝土或瀝青路面徑流系數取值為0.85～0.95，取均值即90%，所以硬化路面年平均徑流系數C2取值為0.9。

如表1所示，硬化路面的集水區域面積為自然地面的3倍左右，但是地表徑流量卻為自然地面的45倍左右。硬化地面徑流系數大，排水不暢，排水過緩導致路面積水嚴重。所以更換路面和廣場地面的材料是解決該校區有效集水和蓄水的突破點。路面可由原本的瀝青和混凝土材料更換為透水混凝土。透水混凝土具有多孔結構，具有良好的透水性，可以補充喀斯特地區的地下水，同時可以減少降雨季節暴雨對路面的排水系統的負擔。

由于園林綠地是非硬化地面，是雨水下滲的主要途徑，城市中屋頂及硬質鋪裝截留的雨水可以導入綠地中[12]。因此在海綿校園的建設過程中，應當增加園林綠地面積。廣場的花崗巖地面可以更換為同樣美觀的嵌草磚，嵌草磚可以通過密集增多洼地，并增多透水自然面來減少積水。而停車場處的路面可以選擇草皮磚，因為草皮磚除了透水之外還有對雨水徑流污染物的削減作用。同時由于土壤包氣帶對污染物具有一定的過濾淋洗功能，當地表水流經包氣帶時，水體經過雜質吸附過程得以凈化補充地下水，此時如果再采取抽排等措施將地下水回補，采用這種人工循環的方式就可以促進水體的有利轉化。此外，還可安裝雨水蓄水PP模塊，以及地理式一體化雨水處理回用系統，其中地理式一體化雨水處理回用系統處理每立方米雨水的費用平均為0.6元。

由于貴州師范大學花溪校區仍處于在建狀態，有大量的建筑垃圾，為了節約成本，還可利用這些建筑垃圾構建一種新型蓄水模式，即隱形蓄水系統模式。它主要利用廢磚、水泥塊和砂卵石等硬質材料砌筑或堆積地下，建成滲蓄坑和滲水盲溝相互連通，并與城市地下排水和地表蓄水系統連接，從而構成整個城市的蓄排水系統[13]。

2.2.3屋頂改造

校區大多數建筑的主樓屋頂為三坡屋頂，其已設計有水泥制的檐溝，屋頂排水的方式為無組織排水，可明顯觀察到墻面已被污染。由于地處多雨的亞熱帶濕潤氣候區，因此，在三坡屋頂的原有設計上，應當考慮發揮其優越的集水能力。可將原有的屋面較為平整的瓷磚置換為波狀屋面以增大其集水能力。同時改善其排水方式，將無組織排水方式改為有組織排水，并在出水處設計小型蓄水池方便儲蓄屋頂集水，蓄水池應具備過濾能力方便過濾雜質。如現有房頂為平屋頂，可充分發揮貴州多雨的優勢，在屋頂上修建雨水收集儲水池，以補充供應洗手沖廁、綠化澆灌用水。經研究，屋頂綠化是最經濟和方便維護的截蓄方式，在學校和公共建筑的平面屋頂中最為適用[14]。研究表明綠色屋頂可以阻滯大約63%的雨水[15]。

2.2.4山體、植被改造

該校區山體土質松散，坡度較陡，在暴雨季節有發生滑坡的可能性，因此有擋土墻。通過觀察，擋土墻的山腳處的水泥地上已經有苔蘚分布，可見此處具有一定的水分條件，且在暴雨時節可以觀察到有大量流水順著擋土墻流至路面形成路面積水。為了美觀可以在擋土墻坡腳處設計緩沖帶，種植灌草叢以起到截流的作用。該校區的植被以灌草叢為主，截流能力比較弱，灌草截留率為9.7%，灌叢截留率為2.2%[16]。但是由于其受土質和氣候的限制，只能通過增加硬化區域的綠化來增大截流面積。同時據北京市園林科學所的最新研究成果，喬、灌、草的配置的適宜比為1∶6∶20∶29，即是在29 m2的綠地上設計1株喬木，6株灌木和20 m2草坪。由于貴州省降雨存在明顯的季節分布不均，土壤的保水能力較弱，常有干旱現象。因此可以借鑒其它地區的先進經驗，在保護自然山體植被前提下，采用合理的人工園林配套種植方式，提高山體植被的涵養水源和保持水土的能力。除此之外，可以利用枯落物制造景觀，削減地表徑流量。枯落物可以吸收水分，使地表徑流轉變為流速緩慢的層間流和層下流，對改善土壤結構具有重要的作用，能增加土壤入滲水，削減地表徑流量，對減少土壤侵蝕有重要作用[17]。

2017年6月綠色科技第12期

2.2.5污水監測機制的建立

當前貴州師范大學花溪校區的污水來源主要為生活污水，可利用度高，可以首先考慮廢水回用。除了在海綿校園的建設過程中將廢水回用之外，還需建設污水處理廠以及建立相應污水監測機制。污水監測是海綿校園建設中的重要后續措施，也是整個海綿校園在發展過程中必不可少的監測制度。貴州師范大學花溪校區位于貴安新區，貴安新區主要位于長江和珠江“兩江”上游地帶，是長江中上游和珠江流域的重要屏障[18]。且喀斯特地區由于特殊的地理和水文地質環境而極易受到人為活動的污染，治理與恢復將是項復雜、困難且耗時的工程[19]。因此進行污水監測勢在必行。

3結論

近幾年，我國城市化速度加快，貴州喀斯特地區由于獨特自然環境條件限制，使得該地區經濟發展緩慢。由于迫切地發展需求，貴州省各地也新增擴建了很多高校校園。過大的需水量與喀斯特地區的工程性缺水產生了矛盾，硬化路面的過度使用導致了校園內澇的產生。筆者為解決這個問題，嘗試以因地制宜、順應自然、低影響開發的原則探索了喀斯特地區海綿校園的建設方案。但是由于缺乏數據支撐的，僅是從理念上分析了喀斯特地區海綿校園的建設，具體的量化設計、資金計算尚缺乏。在后續探索過程中，應將探究重點放在海綿校園建設的具體細節量化上，才可支撐工程實施。

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