校園雨水利用設計研究
——以河南工業貿易職業學院為例

李 愫

(河南工業貿易職業學院 藝術設計學院 ，河南 鄭州 450012)

1 引言

2020年河南省人民政府發布《“三線一單”生態環境分區管控的意見》，明確提出不僅要推進生產生活方式的綠色轉型，還要推進水資源節約利用的比例。在當代社會綠色發展的背景下，海綿校園建設概念逐步興起。由于當代高校校園具有大面積的開放空間、植被綠化比例高，在一定程度上具有良好的環境變化適應能力，將海綿的“滲透、吸收”等特點應用到校園建設上來，不僅可以收集凈化雨水，還可以更加高效的應對極端氣候帶來的影響，保障師生和設施的安全，實現人與自然和諧相處的綠色發展[1]。目前針對河南省海綿高校的研究處于萌芽階段，本文旨在以河南工業貿易職業學院龍湖校區為研究對象，對校園雨水徑流的回收利用途徑進行可行性分析，提出海綿校園建設的優化建議。

2 校園概況

河南工業貿易職業學院龍湖校區位于鄭州市新鄭市龍湖大學城，占地面積約20萬m2。主要建筑有位于校園中央的圖書館，西側的實訓樓，教學樓與報告廳，東側的行政樓和教學樓，以及東北側的宿舍群。校園中以圖書館為主要標志性建筑，其余建筑呈放射性分布在校園中，四條垂直主干道貫穿整個校園，其中，西側主干道用于車輛行駛，其余道路用于師生等日常步行需求(圖1)。

圖1 河南工業貿易職業學院區域示意

3 校園場地現狀分析及設計

3.1 校園建筑

校園建筑主要以硬質屋面為主，其主要通過雨水斗和排水立管等結構對降雨徑流進行收集。考慮到校園場地有限和現有綠地空間不足的情況，將原有屋頂改為綠色可持續發展屋頂，達到雨水儲存和美化屋頂的效果，也可以增加空氣中的濕度，減少周邊建筑工地帶來的污染。糧食工程專業為該校的特色專業，將教學樓或實驗室屋頂設計成糧食耕作園區，與課程的實踐教學合理結合。除了教學樓以外，該校的宿舍區域是以整合片區存在的，考慮采用墻體垂直綠化來豐富學生的生活場所。

3.2 道路

現有道路以混凝土地面為主，道路兩旁設置路緣石，為了將綠地與道路區分開，路緣石高于普通地面和綠地，此種設置容易出現積水等現象。在校園的道路設計中，應少設置地下排水管網和路緣石，可采用線性排水溝或植草溝的方式，有秩序地將雨水進行傳輸和分散。校園左側的文化宣傳長廊和人行道，應采用透水鋪裝替代封閉性路面，將雨水滲透地面或澆灌周圍的綠植花園，也可滲入地下進行地下水補給，防止校園出現大面積積水問題。

3.3 操場

該校操場區域位于校園西北角，是校園中最大的下沉空間，沿操場周圍的階梯觀看區可通過設置植草溝進行觀看區域的劃分，且起到緩沖雨水的作用。沿跑道外圍設置線性排水溝，傳輸雨水徑流到蓄水池中[2]。

3.4 綠地

校園中成片的綠地區域并不多，主要以散條狀出現在道路兩旁。綠地對雨水具有良好的凈化功能，大多情況下新鄭市的降水量能被綠地直接吸收，結合當地氣候情況，植物的選擇應以耐寒、耐旱、耐淹的種類為主[3]。

4 降雨徑流水質分析

從鄭州市氣象局的統計資料可知，鄭州市夏季6～9月份降雨量占全年降雨量的約65%，多年平均降雨量625 mm[4]。根據北方地區雨水徑流污染物變化的研究成果，選擇大雨、中雨和小雨等三種典型情景模式[5]，依據水環境監測標準方法，對懸浮物(SS)、總磷(TP)和總氮(TN)三項指標進行分析[6]，探究其污染物濃度與降雨時間的變化關系，判斷雨水資源化利用的可行性。

4.1 懸浮物(SS)

SS是衡量雨水污染程度的重要指標，其主要來自于空氣中的固體顆粒物，當雨水中的SS濃度過高，會導致雨水渾濁，在地面沉積后引起水體狀況惡化[7]。相關研究顯示，雨水中的SS濃度與降雨強度呈現負相關性，小雨中SS濃度約為280 mg/L是大雨中SS濃度的2倍。當降雨時間從0min持續到60 min，SS濃度整體呈現先升后降的趨勢，從平均243 mg/L(升至10 min時的峰值253 mg/L，再降至60 min時的150 mg/L，具體見圖2。

圖2 SS濃度與降雨時間的變化關系

4.2 總磷(TP)

降雨中的TP主要是以磷酸鹽的形式存在， TP吸附的主要載體是降塵[8]。當地表水中TP濃度過高會導致富營養化現象的出現。根據圖3可知，降雨強度越大，強降雨裹挾污染物的能力越強，水中TP濃度相對越高，大雨中TP濃度約為2.4 mg/L是小雨中TP濃度的2.2倍。降雨初期，小雨中TP含量(1.4 mg/L)高于中雨的TP含量(1.2 mg/L)，說明降雨徑流的增加導致污染物濃度被稀釋。隨著降雨時間的延長，TP濃度整體呈現先升后降的趨勢。

圖3 TP濃度與降雨時間的變化關系

4.3 總氮(TN)

TN也是衡量水體富營養化的重要參數之一。從圖4可以看出，降雨初期，TN的濃度與降雨強度沒有顯著的線性關系，大雨和小雨中的TN含量差別不大。與SS和TP相比，在中雨條件下TN濃度最高。隨著降雨時間的延長，不同降雨強度下TN濃度呈現先降后升，最終趨于平穩的趨勢。

圖4 TN濃度與降雨時間的變化關系

根據降雨徑流污染物分析結果可知，降雨強度越大，降雨時間越長，降雨徑流的污染程度越小，經過簡單收集處理的雨水，其水質基本滿足《城市污水再生利用景觀環境用水水質(GB/T 18921-2002)》和《農田灌溉水質標準(GB 5084-2005)》中的相關要求，校園降雨徑流具備水資源化利用化的潛力。

5 校園雨水資源化利用潛力

5.1 水資源化利用量

根據校園場地現狀分析，建筑物屋面、道路和綠地是其主要的下墊面，其面積分別為38000 m2，26000 m2和17800 m2，見圖1。由于降雨在綠地上以滲透為主，收集難度較高，收集量較小，因此建筑物屋面、道路是雨水資源化利用的主要來源。根據計算公式可得，校園年降雨可收集量約為19000 m3，其中建筑物屋面降雨收集量占59.6%；道路降雨收集量占35.2%，詳見表1。降雨可收集量計算公式[9]：

表1 龍湖校區降雨可收集量

Q=q×α×β×P×A×10-3

(1)

式(1)中：Q：年降雨可收集量(m3)；q：徑流系數；α：季節折減系數為0.65；β：初期棄流系數=1-初期棄流雨量(建筑、道路和綠地分別取2 mm、4 mm和1.5 mm)×年均降雨次數(約40次)/年均降雨量；P:年均降雨量(mm)；A:匯水面積(m2)。

目前校園雜用水主要有三個使用途徑：植被灌溉、道路降塵和景觀用水。根據我國目前執行的雜用水標準，校園植被和道路降塵噴灑的灌溉需水量均為1.5 L/m2[10]，年均灌溉和噴灑天數180 d。龍湖校區全年雜用水量約13300 m3，所需水費約5.8萬元(表2)。

表2 龍湖校區雜用水量情況

5.2 效益分析

降雨收集的資源化再利用是綠色發展理念的主要組成部分，也是綠色校園可持續發展的重要體現。從生態效益上看，河南工業貿易職業學院通過收集凈化降雨徑流來灌溉植被、道路降塵和景觀水體補水，不僅可以降低對黃河水資源的消耗，還可以緩解校園內澇和積水現象[11,12]，提升校園居住環境。從經濟效益上看，鄭州市當期水價4.4元/ m3，收集利用降雨的費用約為0.1元/ m3[13]，每年可節約經費5.6萬元。從社會效益上看，通過實際行動上的降雨收集再利用，可以起到良好的綠色生態理念宣傳作用，提高學生和教師的節水意識[14]，符合當前的時代背景和要求[15]。

6 結語

本文通過對河南工業貿易職業學院場地現狀和降雨徑流水質進行分析，經過適當的設計改造后的校園具有很好的雨水徑流收集、再利用的潛力。從水資源化利用量的角度進行核算，平均每年可以節約雜用水量約13300 m3，節省經費5.6萬元。從生態和經濟效益的角度來看，雨水的合理化利用不僅符合社會綠色生態發展的理念與要求，更加推動生態校園的建設。