基于低影響開發(fā)的校園雨洪管理系統(tǒng)的研究

王文芬 張 羽

（1．江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑智能學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2．江蘇鹽城水利建設(shè)有限公司，江蘇 鹽城 224000）

0 引言

校園作為城市建成環(huán)境中綠色生態(tài)系統(tǒng)，具備管理雨洪的巨大潛力，但是在校園的整體設(shè)計(jì)的過程中卻往往忽略了對(duì)自然水文循環(huán)過程的考慮以及對(duì)形成校園雨洪的管理，因此很多校園內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)積水和洪澇等現(xiàn)象。在當(dāng)前我國(guó)大力推進(jìn)以低影響開發(fā)系統(tǒng)為核心的海綿城市建設(shè)背景下，將建設(shè)海綿城市的基本理論應(yīng)用到校園建設(shè)中，使校園成為海綿城市建設(shè)中的“海綿體”[1-4]。基于海綿城市的建設(shè)理念，把生態(tài)優(yōu)先原則貫穿于校園規(guī)劃、建設(shè)和管理的全過程，將自然途徑與人工措施相結(jié)合，在利用低影響開發(fā)技術(shù)減輕校園內(nèi)澇危害的同時(shí)，最大限度地實(shí)現(xiàn)雨水的自然積存、自然滲透和自然凈化，并將收集的雨水可作為景觀湖的重要補(bǔ)給水源和校園澆灑道路、消防等公共用水，促進(jìn)雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與水資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，使校園能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的彈性，雨季時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水釋放并加以利用[5-8]。

1 校園雨洪管理現(xiàn)狀分析

1.1 區(qū)位

江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院坐落于江蘇省三大都市圈之一、淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)中心城市——徐州。學(xué)校坐落于南區(qū)大學(xué)城，地處徐州市泉山風(fēng)景區(qū)，毗鄰云龍湖、泉山森林公園，占地0.8 km2，建筑面積40 萬 m2。

1.2 用地條件分析

江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院占地總面積720 400m2，匯水面主要涉及教學(xué)樓、行政樓、宿舍樓等建筑屋面，籃球場(chǎng)、小廣場(chǎng)等硬質(zhì)廣場(chǎng)，機(jī)動(dòng)車道、步行道等校園道路，綠地、水體等。經(jīng)測(cè)算，建筑屋頂面積為40 萬m2，硬質(zhì)廣場(chǎng)（含西籃球場(chǎng)）面積12 900m2，道路面積56 900m2，綠地面積243 000 m2，永久性水體（校內(nèi)景觀河道）面積7 600 m2。在校園中，建筑屋面、硬質(zhì)廣場(chǎng)、道路為不透水面，面積約為469 800 m2，約占總面積的65%。學(xué)校總體地形為西北高東南低，地面高程為46 m～68 m。

學(xué)校總體地形為西北高東南低，地面高程為46 m～68 m。具體高程如圖1、表1 所示。

表1 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校區(qū)GPS 控制點(diǎn)成果表

1.3 降雨規(guī)律分析

采用實(shí)測(cè)資料法計(jì)算不同頻率下的設(shè)計(jì)雨量。

目前，徐州中心城區(qū)及周邊的雨量站有藺家壩雨量、解臺(tái)閘雨量站、三堡雨量站和徐州站，從各站分布位置分析唯有徐州站位于城區(qū)中心位置，其余各站均位于城區(qū)周邊之外，而且各站中徐州站系列最長(zhǎng)，從地理位置及系列長(zhǎng)度來看，徐州站的代表性相對(duì)較好。該研究收集了徐州站1981年～2015 年（35 年）逐年最大24 h 降雨，采用皮爾遜Ⅲ型曲線法（圖2）求算不同頻率下的設(shè)計(jì)雨量，具體見表2。

表2 徐州站各頻率下最大24 h 降雨量分析一覽表

1.4 徑流規(guī)律分析

江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院可形成雨水徑流的匯水面有建筑屋面、硬質(zhì)廣場(chǎng)、道路及綠地，其中建筑屋面匯水面面積約為400 000 m2，相應(yīng)的徑流系數(shù)φc為0.85；硬質(zhì)廣場(chǎng)匯水面面積約為12 900 m2，相應(yīng)的徑流系數(shù)φc為0.5；道路匯水面面積為約56 900 m2，相應(yīng)的徑流系數(shù)φc為0.8；綠地匯水面面積約為243 000 m2，相應(yīng)的徑流系數(shù)φc為0.15，各類匯水面面積及相應(yīng)徑流系數(shù)統(tǒng)計(jì)見表3。

雨水徑流總量可按式（1） 計(jì)算：

圖1 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院GPS 控制點(diǎn)布置示意圖

圖2 皮爾遜Ⅲ型曲線法計(jì)算圖

表3 現(xiàn)有各匯水面及相應(yīng)徑流系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

式中：W—雨水徑流總量，m3。

h—降雨量，m。

A—匯水面面積，m2。

φc—徑流系數(shù)，即同一時(shí)段內(nèi)徑流量與降水量之比；依據(jù)《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范（GB 50400—2016） 》，綠地徑流系數(shù)為0.15，硬質(zhì)不透水面綜合徑流系數(shù)取0.7。

徐州市地處暖溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，全市多年平均降雨量860.8 mm，其中汛期6～9 月份降雨量為575 mm，降雨集中、強(qiáng)度大、歷時(shí)短且多暴雨，屬于雨水徑流較大及集雨高效的地區(qū)[9]。由公式（1） 可計(jì)算出不同降雨條件下江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院各匯水面的雨水徑流量，將計(jì)算結(jié)果列入表4。由表4 中的計(jì)算結(jié)果分析可知，對(duì)于6～9 月的汛期來說，時(shí)間雖短，但是徑流總量較大，占全年徑流總量的70%左右；校園場(chǎng)地中建筑屋面、硬質(zhì)廣場(chǎng)及道路等不透水面的年徑流量占整個(gè)校園場(chǎng)地的90%以上，該部分場(chǎng)地為形成校園雨水徑流的主要誘發(fā)地。

表4 各匯水面徑流量統(tǒng)計(jì)表

2 現(xiàn)狀校園雨洪管理存在的問題

目前校園在雨水源頭管理、徑流污染控制、調(diào)節(jié)區(qū)域水文循環(huán)以及景觀多樣性等方面考慮不夠全面。

對(duì)于整個(gè)校園來說，其中綠地和水體面積約達(dá)到250 600 m2，占校園占地總面積的35%，基本達(dá)到《江蘇省學(xué)校建設(shè)用地指標(biāo)》中規(guī)定的要求。但是學(xué)校大多數(shù)綠地仍舊為傳統(tǒng)的方式，其作用僅是單純地增加校園綠化率，給教職工帶來景觀體驗(yàn)，綠地的生態(tài)功能效益未得到最大程度的發(fā)揮。同時(shí)學(xué)校基本未將綠地納入管理校園雨水的范疇，整個(gè)校區(qū)雨水的排放還是通過地下雨水管網(wǎng)匯集后排向城市管網(wǎng)。當(dāng)遭遇大暴雨時(shí)，校園內(nèi)尤其是硬質(zhì)地面匯集的雨水往往不能及時(shí)地排放，坡面匯流形成大大小小的積水，給教職工的工作學(xué)習(xí)帶來不便。

校園雖然利用雨水管網(wǎng)收集部分雨水進(jìn)行綠化澆灌，但是除連接噴頭的豎管外其余灌溉設(shè)施均埋于地下，管理不便且措施相對(duì)單一。

3 改造效果

對(duì)局部場(chǎng)地進(jìn)行雨洪管理典型改造設(shè)計(jì)后，各匯水面面積統(tǒng)計(jì)對(duì)比見表5。其中道路改造后有透水混凝土路面、碎石路面等，采用綜合徑流系數(shù)0.55。

表5 局部改造前后各水面面積統(tǒng)計(jì)表

高校平均每年可收集徑流雨水總量可采用公式（2） 進(jìn)行計(jì)算。

式中：W1為場(chǎng)地平均可收集徑流雨水總量，m3。

α為季節(jié)折減系數(shù)，徐州為0.84。

β為初期雨水棄流系數(shù)，取0.86。其余字母含義同前。

代入公式計(jì)算可得該部分場(chǎng)地平均每年可收集管理徑流雨水總量為5 740 m3。

對(duì)于該區(qū)域，主要涉及公共建筑用水量、消防用水量、澆灑道路和綠地用水量。其中公共建筑用水量主要涉及辦公樓用水量，依據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019） ，辦公樓（坐班制辦公）用水按25 L/（人·班）～40 L/（人·班）計(jì)算；依據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018） ，澆灑道路、廣場(chǎng)和綠地用水量應(yīng)根據(jù)路面、綠化、氣候和土壤等條件確定。澆灑道路和廣場(chǎng)用水可根據(jù)澆灑面積按2.0 L/（m2·d）～3.0 L/（m2·d）計(jì)算，澆灑綠地用水可根據(jù)澆灑面積按1.0 L/（m2·d）～3.0 L/（m2·d）計(jì)算。

每年工作日250 d。冬季、雨天不需澆灑道路和綠地，冬季平均天數(shù)91 d，由江蘇氣象發(fā)布1981～2019 年氣象資料統(tǒng)計(jì)計(jì)算徐州地區(qū)每年平均降雨日83 d，則每年平均需要澆灑道路、綠地為365-91-83=191d。由此計(jì)算可知：該區(qū)域平均每年辦公樓用水量為625 m3；該區(qū)域平均每年澆灑道路用水量為1 890 m3；該區(qū)域平均每年澆灑綠地用水量為3 330 m3。

該部分場(chǎng)地平均每年收集雨水5 740 m3，平均每年用水量為5 845 m3，其中辦公樓用水量為625 m3，澆灑道路用水量為1 890 m3，澆灑綠地用水量為3 330 m3。由此可見，該部分場(chǎng)地每年收集的雨水基本可覆蓋澆灑道路、綠地用水及辦公樓沖廁用水。改造后，在減少學(xué)校的市政用水量的同時(shí)，延長(zhǎng)雨水排放路徑，減少雨水外排量，削減洪峰流量，有效減輕市政排水管網(wǎng)的負(fù)荷；此外，通過綠地對(duì)雨水的管理，一定程度上彌補(bǔ)了雨水的自然循環(huán)過程，也降低了非點(diǎn)源污染。