海綿校園實驗仿真

田嬌嬌 任思成 湯東博

（1.鄭州大學水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001；2.水利與環境國家及實驗教學示范中心，河南 鄭州 450001）

近些年來降雨的不規律性、突發性、難以預測性，給城市發展建設帶來了不可估量的損失，但是受到了各種社會現實因素的制約，大型的海綿城市試點開展依舊較少。海綿校園的建設如果取得了成效，將會給在校師生的生活帶來很大的便利，由點及面，也會給海綿城市的建設提供一個不錯的方案，由此，小隊以鄭州大學為例進行海綿校園實驗仿真。調查了解到鄭州大學的下墊面情況十分復雜，在宿舍區以及教學區下墊面硬化嚴重，每到雨季，學生從宿舍區到教學區都會十分困難。下墊面硬化嚴重，管道老化，排水能力不足都是地面大量積水的原因。因此我們小組決定以鄭州大學為例，選取其中的菊園生活區來論證海綿校園在鄭州大學的可實施性。

1 研究區域概況

鄭州大學新校區選址于鄭州市西邊的高新技術開發區內，鄭州高新技術產業開發區位于鄭州市西北部，南臨西流湖，北接邙山，東與環城快速路聯，西四環穿區而過，距市中心約12 km，南距310國道2 km，北鄰連霍高速公路，對外交通條件優越。鄭州市屬北溫帶大陸性季風氣候，冷暖氣團交替頻繁，春夏秋冬四季分明。冬季漫長而干冷，雨雪稀少；春季干燥少雨多春旱，冷暖多變大風多；夏季比較炎熱，降水高度集中；秋季氣候涼爽，時間短促。全年平均氣溫15.6 ℃；

8月份最熱，月平均氣溫25.9 ℃；1月份最冷，月平均氣溫2.2℃，全年平均降雨量542.2 mm。整個新校區規劃整個新校區規劃由西四環、科學大道、長椿路和蓮花街圍合而成，南北長約2 100 m，東西寬約1 100 m；主要包括辦公樓、教學樓、宿舍樓、餐廳、廣場、操場、道路和綠地等，總面積284.4 hm2，其中綠地總面積約為113.4 hm2，綠地率約為40%。從七月下旬到八月上旬是鄭州雨季，6—8月的降水量達到322.1 mm[1]。鄭州大學位于鄭州市西四環附近，其氣候特征和鄭州市基本吻合。實地調查的結果顯示鄭州大學校園雨后內澇最嚴重的地方是菊園和柳園，其中柳園的試點宿舍在翻新之后，雨后的積水情況也得到了改善，而在菊園卻不同，每當雨季來臨，宿舍樓之間的人行道上內澇問題非常嚴重，路面上的積水已經嚴重的影響了菊園學生的日常通行問題，極具代表性。其中菊園生活區由河園西路、亭云路、秋實路、厚德大道圍合而成，包括6棟學生公寓，一個食堂以及一個澡堂。所有的建筑物都是由不透水材料制成的，為灰色設施，菊園生活區以灰色設施為主，僅有少量區域為綠色設施，菊園占地面積為37 500 m2，綠色設施占地面積為2 250 m2，僅為菊園生活區的6%，部分草地等綠色設施停放大量自行車等交通工具，頻繁踩踏、壓實，甚至成為人行通道，導致雨水下滲率降低，當降雨稍強就會匯集，形成大面積積水。道路大多以柏油路、水泥路為主，透水路面面積小，極大地改變了天然情況的下墊面條件，導致雨水下滲受阻，產匯流時間縮短，洪峰形成時間縮短以及排雨量增大，加劇了排水管道工作壓力路面低洼不平，地勢高低不平，路面不平整的問題，使雨水集中在低洼處，部分路段的少量雨水滿溢過雨水口，最終聚集在地勢相對較低的區域。鄭州大學建成于2000年，菊園生活區管網設施（圖1）僅能滿足20年前鄭州大學的排水蓄水要求，隨著時間的推移，管道逐漸老化，降雨強度也與以前大不相同，雨水井以及排水口數量較少，現有的管網系統已經不能滿足現在的需求[2]。

2 實體模型建立

2.1 研究區域概化處理

項目起初是通過建立微縮版的鄭州大學模型模擬現實的不同雨強下校園內澇問題，但是團隊通過對鄭州大學的實地調查及討論，研究決定運用鄭州大學菊園生活區的微縮模型代替，原因有2點。1）如果建立一個鄭州大學的微縮模型，比例較大，建成的模型小，水的張力及毛細作用將導致模型的部分區域不發生產匯流，模擬與實際情況不符。2）以鄭州大學整體為模型無法顧及一些細節區域，會導致誤差較大，且產生的模型費用較高，超出預計。所以選擇鄭州大學校園內的典型區域——菊園生活區為模型參照，進行實驗仿真。

取菊園為鄭州大學代表地區，通過300 ∶1還原制作菊園降雨排水模型，對校園旱澇情況進行模擬實驗。并在此基礎上，對其地表排水機制和地下排水機制進行重新改善，以實現構建海綿校園的設想。

造成校園內澇的原因之一是生活區綠色設施較少，下墊面透水性太差以及校園的排水系統規劃設計不合理，蓄水空間有限，所以解決內澇的關鍵在于解決地面積水（水不下排）和蓄水空間不足的問題。在制作模型的過程中用泡沫代替泥土，由于模型空間的限制，泡沫相比于實際泥土更具有可塑性，有利于設計管路，規劃空間。同時不像泥土容易潰散，不會給實驗帶來麻煩。此外，泡沫兼具反映實際情況的真實性，通過對地面排水路徑的創新設計來改善路面排水結構并解決地面積水問題。在保證與實際情況契合的基礎上，我們將蓄水空間和排水路徑簡化，使實驗更具有可操作性。

2.2 實體模型建立

模型制作材料：模型的外殼是用亞克力板粘接而成的一個1400 mm×1000 mm×800 mm的1個無蓋長方體（該文稱其為模型箱）、一體式泡沫板、2個功率60 W和揚程3 m的水泵、5個可控制出水量噴頭、8個PVC建筑模型、30 mm厚土壤、5 000 mm2的綠化帶、不定額透水路面。模型垂向空間分布從上至下包括降雨裝置、地面建筑、下墊面、地下管網、基底泡沫板、蓄水區、模型箱、供水與抽水系統8個部分組成。模型箱運用透明亞克力板，實現可視化，其中3個側板都開有小孔，小側板開孔距離頂部20 mm，直徑10 mm，大側板上部開孔距離頂部30 mm，直徑20 mm。側板小孔用于通小徑水管噴頭，設置了5個可開閉噴頭，連通外側水泵，模擬鄭州市降雨，可開閉用于控制雨量，對應鄭州市降雨，分別計量徑流深為的降雨。大側板用于通出水管，出水管與模型箱內固定放置的水泵連接，水泵有滲漏板包圍。模型箱內鋪有整塊100 mm厚的泡沫板，作為模型基底，泡沫板上鋪下墊面材料，包括30 mm土壤、500 mm2綠化帶、透水路面、不透水路面以及水溝渠道等。空地上還設置了成比例縮小的菊園建筑模型。泡沫板下方留有200 mm高的蓄水空間，作為蓄水區，模擬鄭大校園內眉湖。實體模型示意圖如圖2所示。

圖2 模型示意圖

3 實驗仿真

3.1 實驗流程

當外置水泵開始工作時，連通模型箱正上方的雨水噴灑裝置，通過控制噴頭開閉個數與噴頭孔口大小控制降雨量，雨水到達路面后，會通過土壤、綠化帶等處下滲，當降雨量大于下滲率時，產生的地面徑流匯集到預設渠道、水溝，下滲雨水、地面徑流、地下徑流雨水均會匯入模型箱下方的蓄水區；當蓄水區高于水泵高度水位100 mm后，箱內水泵開始工作，用作出水口。模型按上述流程進行實現循環。

3.2 實驗方案

3.2.1 實驗設計

查找并統計整理鄭州歷年降雨資料資料顯示，鄭州市降雨集中在每年的5～8月，。最新一年統計鄭州市降雨中，七月降雨量最多為122 mm，最大日降雨量為48.4 mm。以最大日降雨量為基準，5個噴頭設置降雨量0 mm～50 mm，菊園路面均為不透水路面，按比例縮小的模型綠色設施面積為67 200 mm2（面積占比6%），蓄水空間的最大蓄水量對應的雨強為100 mm。通過噴頭孔的開度控制雨強，同時調整5個噴頭的開度，設置5組實驗，雨強分別控制在0 mm～10 mm、10 mm～20 mm、20 mm～30 mm、30 mm～40 mm、40 mm～50 mm 5個區間段，改變綠色設施面積（增加綠化帶、鋪裝透水磚）、增加排水管個數，觀察模型的吸水、釋水能力。

3.2.2 實驗記錄

小隊模型實驗記錄見表1。

3.2.3 實驗結論

實驗記錄顯示，當單日雨強小于30 mm時，目前模型綠色設施面積為6%即可達到吸水和釋水要求；當雨強超過30 mm時，小于8%的綠色設施面積不能達到要求；當雨強超過40 mm時，綠色設施面積需要超過10%才能達到要求?？梢?，在不改變其他條件的情況下，至少將綠色設施的面積增加到10%，即將綠色設施的面積增加到0.112 m2，實際菊園生活區的綠色設施面積增加到3 750 m2。

4 結論

在實地調查和實驗過程中發現，地面的低洼不平和地勢高低不平會使積水滯留在路面的低洼處，所以增加地面的平整度，減少地面的坑洼是必要的，其次在不影響在校師生日常通行的情況下，在路面施工時，中間比兩邊略高，使地面徑流能夠延傾斜路面排至道路兩側的導水渠道中集中排出。在降雨強度較小的情況下，地面徑流只在道路兩側，不影響道路中部的通行。

綠色設施占比少是菊園生活區內澇的一個重要的原因，適當地增加綠色植物所占的面積，可以增加植物對降雨的截留以及雨水的下滲；也可使用新型的透水磚，增加地面下滲率。如果將所有的不透水路面都鋪設成透水磚，會大大地增加建設的成本，先將徑流引向兩側，在道路兩側鋪設透水磚，使積水下滲，既可以減少地面積水，也比較經濟實惠。

管道的老化以及排水井數量較少也是一個重要的影響因素，大量的雨水都是通過管網設施排出，適當的增加排水井的數量，或適當地增加原管道的直徑，可以增加校區的蓄水排水能力。

海綿城市建設是一個復雜的過程，規劃制定與工程實施橫跨多個部門、多個學科與領域。而目前的研究多從規劃、建筑、土木與水利等理工科視角進行，而在一定程度上忽視了文化、社會與經濟等部門和學科的作用。校園作為城市的一部分，也面臨著城市所面臨的問題，海綿校園的建設相比于海綿城市，更簡單，更具有可行性，且建設周期短。海綿校園的成功建設不僅可以解決在校師生的生活問題，也會為海綿城市的建設提供一個方案。所以，建設海綿校園，有利于全方位打造海綿城市，促進海綿城市發展[3]。