美國高校校園雨水管理實踐研究

劉文玲（上饒師范學院， 江西 上饒 334001）

在大多數城市和郊區，未經處理的雨水直接經屋頂、人行道和草坪流入溝渠和管道，迅速排入當地小溪和河流。整個過程稱之為雨水徑流。這一污染源是導致水質受損的主要因素[1]。城市化、人口增長和氣候變化加劇了洪水頻率和嚴重程度[2-3]。高峰值徑流造成分散的或非特定點的水污染[4]，導致溪流、河流、湖泊和其他水生生態系統退化。我國暴雨洪澇災害頻繁，是世界上洪澇災害出現頻次最高的國家之一，災害損失嚴重[5]。洪澇期間，高校被淹現象屢見不鮮，究其根本在于校園公共空間布局的不合理性。因此，探究合理的雨水管理方式對于可持續校園建設具有重要意義。

1 美國雨水管理概況

1.1 雨水管理發展

20 世紀 70 年代，美國提出了“最佳管理措施”(Best Management Practice, BMPs)，指為減輕因土地利用變化引起的城市徑流量和水質的變化而采取的控制措施[1]。1987 年，美國國會根據《清潔水法》修正案，授權美國環境保護局（Environmental Protection Agency, EPA）根據國家污染物排放消除系統控制雨水排放。為響應立法，20 世紀 80 年代末和 90 年代初 EPA 頒布《雨水管理條例》，徑流水質控制引起越來越多的關注。20 世紀 90 年代末，低影響開發（Low Impact Developmen，LID）理念首先在美國華盛頓特區的馬里蘭州普林斯喬治縣引入[6]。與傳統的集中技術相比，LID 技術是指分散式雨水控制設計，通過模擬開發前的水文條件，促進城市流域的滲透和蒸散蒸騰過程來減少雨水[7-8]。其不依賴于傳統的管道末端或管道結構控制方法，而是將雨水控制整合到整個城市景觀中[9]。

1.2 雨水管理類型

雨水管理過程一般為 2 大類。一類是儲存/滲透型，包括生物滯留區、綠色屋頂、雨水箱和蓄水池、多孔路面、滲透溝、過濾沼澤地、保留盆地等。另一類是渠道型，如草甸[6]，生物滯留區與管道系統結合是雨水控制的最佳選擇[10]。生物滯留區也稱為雨水花園，是指在景觀中降低和處理現場徑流并減少高峰流量的區域[11-12]。其具有儲存雨水的生物系統潛力，能夠通過入滲和蒸發顯著降低暴雨水量[13]。在環境治理方面，生物滯留系統可以有效地去除車輛排放的雨水污染物，特別是石油、油脂以及重金屬[14]，并且該系統在城市地區還可形成一個新的生物中心，對植物、氣候均有積極影響[15]。在實際景觀應用中，可利用多種雨水管理措施與場地限制對管理目標和成本進行權衡。

2 美國高校雨水管理實踐

響應美國政府的雨水管理立法，美國許多州和地方政府都制定了較為完善的雨水管理政策體系。因資源和財政能力有限，無法滿足《清潔水法》對雨水和廢水更新的要求，提倡利用低成本綠色基礎設施項目來滿足其水質和水量需求。本文選取美國 3 所實踐經歷較豐富的高校進行研究分析，如表1 所示。

表1 美國高校雨水管理參賽項目及獲獎情況

3 所高校通過參加 2 類權威性比賽完成綠色基礎設施改造。一是美國風景園林師協會（American Society of Landscape Architects ，ASLA）創辦的國際性專業/學生年度競賽，可獲得 ASLA 基金對獎勵計劃的項目資助，或國家藝術基金會（National Endowment for the Arts，NEA）的創新資助。二是 EPA 自 2012 年開展的校園雨水工程挑戰賽（Aampus Rainworks Challenge，CRC）。大賽旨在促進創新的雨水管理技術，并展示具有環境、經濟和社會效益的綠色基礎設施實踐，EPA以獎金方式鼓勵學生設計創新。設計競賽共分為 2 類。① 總體規劃類別，考察綠色基礎設施如何在校園內廣泛整合。② 項目示范類別，重點關注綠色基礎設施如何解決校園特定地點的雨水污染。在 CRC 挑戰賽中，ASLA 成員作為陪審員參與全部評審過程，ASLA 的權威性也顯示出比賽項目的高水準性。此外，項目還可能獲得可持續場地倡議評級。

3 案例研究

3.1 密西西比州立大學與雨水示范花園

密西西比州立大學是美國密西西比州的領先大學，已實施多個綠色基礎設施項目，雨水示范花園就是其中之一，用以解決密西西比河的水體健康問題。該團隊的“雨水緩解計劃”曾在 2013 年 EPA 雨水工程挑戰賽中榮獲第二名。

3.1.1 雨水管理應用方式

雨水示范花園位于密西西比州立大學風景園林系院內，面積為 139.35 m2。該雨水花園管理著建筑 1/4 的雨水徑流，同時作為一個綠色基礎設施技術教育展示基地，演示了可持續水資源管理的 3 個步驟—運輸、儲存和管理。雨水管理由蓄水箱和雨水花園組成，水從鄰近的兩層工作室大樓屋頂向下流至檐槽，經落水管進入 7 570 L 的蓄水箱，利用蓄水箱延長雨水的滯留時間。蓄水箱連接 1 103 W 的水泵，用于灌溉附近的菜園。當水箱內雨水儲存滿時水會經溢流口流入雨水花園進行過濾、滲透。雨水花園內最高容量可收納 1 892 L 的雨水。當花園內雨水超過最大容量時，水會經溢流管排出至雨水溝。由于雨水花園中存在重黏土，為避免 24 h 內積水，凈化后的雨水將經暗渠排至雨水溝，最終匯入墨西哥灣。

3.1.2 監測內容與結果

監測內容主要為水質和水量的測定，用于準確反映雨水花園的實際應用效果。水質測試由土木工程專業學生在項目施工前完成，作為前期工作的一部分，有助于后期水質的比對。水量變化測定屋頂區域的自然狀態、暴雨狀態和管理狀態的峰值流量，測定的峰值依次為 4.25×10-3m3/s、0.01 m3/s、8.5×10-4m3/s。實驗證明雨水花園具有降低徑流流速的顯著作用。

3.2 賓夕法尼亞大學與舒梅克綠地

舒梅克綠地面積為 11 100 m2，場地位于費城核桃街和云杉街之間的第 33 街正東方，東西向連接中心校園和賓夕法尼亞公園。原場地為老化的網球場、狹窄的道路和一個歷史戰爭紀念館。

3.2.1 雨水管理應用方式

根據賓夕法尼亞大學的氣候行動計劃及可持續校園愿景，將舒梅克綠地改造設計成一個由草坪、林蔭步道和休息區組成的開放空間。場地由多個 BMPs 共同作用，利用地下雨水儲沙床、溝渠和管道組成的網絡樹溝，輸送來自鄰近建筑的地表雨水和屋頂徑流。再結合滲透性鋪裝，減少地表徑流。雨水花園下方設有 75 708 L 的蓄水池以及灌溉系統，用于雨水和空調冷凝水的儲存和再利用，并利用植物蒸騰將水分排入大氣。草坪區下方 0.91 m 處為場地內最大的雨水 BMPs ，襯土基質由粗砂和沙壤混合，利于水分吸收。當土壤中水達到飽和時，水將通過智能排水管道（一種薄塑料帶，由微小的微通道組成，通過自然的毛細作用將水吸走并且不會堵塞）輸送至灌溉系統。舒梅克綠地將綠色草坪空間與雨水花園巧妙地、系統地結合在一起，整合的景觀系統將雨水輸送、過濾和儲存，以作為灌溉之用。多余雨水溢出至合流下水道。

3.2.2 監測內容與結果

該場地場地 BMPs 性能監測由某德洛波貢聯合公司和賓夕法尼亞大學合作進行，歷時 5 a。監測主要內容包括以下 5 個方面。① 運用自動水采樣器測定在“首次沖洗”期間雨水花園的水質。② 測定土壤壓實度，用于評估長期步行對土壤雨水性能的影響，壓實水平高則會影響植物健康。③ 土壤生物定性和定量分析，土壤含真菌菌絲鏈和線蟲這 2 種有益的土壤生物則標明土壤健康。④ 測定植被蒸騰速率，雙色櫟、多花籃果樹及未壓實的草皮蒸騰速率較快。⑤ 使用壓力傳感器監測每個 BMPs 暴雨流量。該場地可處理的暴雨流量是工程模型所能處理的 3 倍。綜合結果顯示，舒梅克綠地整合景觀系統收集了該場地 95% 的雨水，為可持續校園設計設定了一個基準。

3.3 堪薩斯州立大學與國際學生中心雨水花園

在美國堪薩斯州曼哈頓，雨水通常會從發達地區迅速轉移到排水道、小溪、河流和池塘，導致堪薩斯河上游流域的河岸生態系統繼續嚴重退化。此外，大量的地下水被抽到地表，用于景觀灌溉，補充地下水的儲備水越來越少。

3.3.1 雨水管理應用方式

堪薩斯州立大學以堪薩斯城中美洲地區委員會的雨水管理手冊為指導，提出水質恢復及保護策略。項目旨在在校園溪流附近的選定區域設計并建造雨水花園，幫助恢復小溪河岸走廊沿線的自然水文循環，并創造中心庭院景觀。

場地由 2 個單元池、防濺板、雨水碗、水位散布器和滲透性鋪裝組成。雨水花園以一種循序漸進的方式成功地減緩、捕捉、滲透和利用屋頂和地表的雨水徑流。屋頂雨水從排水孔流向 3 個大型石灰石防濺板或 3 個金屬雨碗，隨后進入上部水池。該水池可收集所有風暴的第一批屋頂徑流。2 個單元池被泥土和 3 大塊石灰石板隔開，除作為花園中央通道外，還可防止集中性水流沖刷侵蝕水池周邊土壤。靠近雨水花園的下坡一側為水位散布器，其作用是減少集中、快速離開的水流量。在大的風暴期間，地表水會從建筑東側流經南側的一條由碎石和石灰石構成的滲透性道路，最終匯入雨水花園。

3.3.2 監測內容與結果

項目成員在不同時段分別完成了植物健康監測、4 個土壤密度探頭和 4 個滲透試驗，確保徑流能不受雜草或沉積物影響，順利進入雨水花園，并保持良好的入滲狀況。具體包括以下 4 個過程。① 定期監測、清除雜草和入侵物種，減少過度生長，避免施肥并減少在花園附近施肥。② 清理沉積物、樹葉或其他碎屑，每年春季通過割草或焚燒清除枯死的植被。③ 持續關注土壤含水量與植物的水分吸收狀況，特別是位于樹冠下的植物水分情況。④ 保留秋季或冬季休眠的植物，為鳥類過冬提供食物。項目完成后的第一年半，監控結果顯示雨水花園一般能在 24 h 內實現雨水入滲。

4 案例比較與歸納

4.1 布局方式與應用特點

綠色基礎設施屬于分散式雨水管理實踐網絡，利用綠色屋頂、植被、雨水花園和透水路面，捕捉并滲透雨水、減少徑流、改善水質[16]，是集自然元素的低影響開發綜合實踐系統。上述案例的校園雨洪管理目標較一致，因場地差異采取不同實踐策略，如表2 所示。舒梅克綠地整合點、線、面多種綠地類型，利用滲透性鋪裝、草坪、種植床、樹溝分散徑流，多余徑流匯入雨水花園及多功能調蓄池回灌使之再利用。該設計將大型草坪空間作為雨水收集中心，結合道路排水設施，收集了周圍建筑的大量洪峰流量。設計改造成本高、施工難度較大，但從長遠利益看生態景觀效果卻十分顯著，可解決大型活動空間的雨水徑流。雨水示范花園和國際學生中心雨水花園在實踐中利用蓄水桶、雨水碗進行雨水截留、透水鋪裝促滲，利用多個單元池構成的雨水花園多級滲透降低流速，以解決特定建筑的雨洪，設計實施操作性強，對解決小型場地的雨洪十分有益。

表2 高校校園雨水管理項目實踐策略比較

4.2 場地管理與維護

校園雨水管理以生態效益為首要考慮因素，注重校園場地規劃的前期分析和后期監測，使項目更具科學性。上述案例采用可持續發展跟蹤、評估和評級系統，根據場地類型設計監測方案。主要包括對水質水量、土壤壓實度及生物狀況、植物蒸騰速率、植物健康和土壤含水量的測定。雨水管理作為教育示范項目，通過景觀功能展示向學生、教師和更多社區傳授綠色基礎設施技術，傳達水資源利用的重要性。通過整合教育、研究和實踐，促進多方合作和多學科交流，體現了高校雨水管理的生態、景觀、經濟和社會價值。

5 結 語

綜合以上案例分析，項目規劃以截留、促滲、調蓄為作用原理，垂直與水平空間水文過程共同作用，展現了綠色基礎設施在景觀應用中的多樣性和整合性。如今，綠色基礎設施的雨水管理在我國高校并未得到充分重視，普及程度低。高校以往的綠地空間布局難以應對新的雨洪問題，校園景觀改造面臨多重困難。案例中雨水管理皆為舊場地改造，新的規劃不僅滿足功能需求，也展示了雨水管理的顯著成效。雖然我國與美國高校場地性質不同，但借鑒美國高校雨水管理改造方式與應用仍切實可行。根據校園不同綠地類型系統布置，采用分散式和集中式雨水處理，利用校園大型開放空間如田徑運動場、開放草坪，以及建筑附屬綠地如宿舍、教學樓、辦公樓周邊綠地等，結合場地特征合理規劃校園綠地。多規劃途徑結合，發揮綠色基礎設施的最大效益，創造實用性校園景觀。近年來，我國海綿城市建設發展迅速，學習國外校園雨水管理實踐經驗、傳播綠色生態校園的重要性，對推進我國海綿城市建設具有重要意義。