基于徑流路徑優化的校園景觀海綿化改造研究
——以天津大學青年湖片區為例

雷澤鑫 羅俊杰 許 濤 曹 磊 王 苗

“海綿城市”建設理念在中國得到了大力倡導和廣泛應用。位于市區的大學校園老舊校區面對極端暴雨天氣，極易出現內澇積水，“大學看海”問題頻發，雨洪安全問題亟待解決。近年來，“海綿校園”成為校園景觀建設與改造熱點[1-2]。以老校區為典型代表的校園建成環境海綿化改造難度較大，主要原因有：1)老校區規劃建設較早，校園中建筑密度較高且鋪裝多為硬質，可用于海綿化改造的綠地空間較少；2)校園人口密度大、使用需求多元，硬質公共空間使用頻率高，場地功能需求下可供選擇的海綿化措施有限；3)城市中心區域的老校區場地與建筑排水模式單一、排水設施老化，加重場地雨洪壓力[3]。上述難點也是老舊城區海綿化改造面臨的典型問題[4]。由于大學校園是城市中相對獨立的景觀單元，更新和改造過程中涉及的矛盾與問題相對集中、單一，因此，校園景觀海綿化改造不僅可以作為中小尺度城市建成環境海綿化改造的實踐典型，切實提高建成環境品質，保障場地尺度生態安全，還能夠為類似場地空間提供具有實操性和可落地性的參考經驗。

海綿城市建設的要求之一是量化落實雨洪管控目標[5]。但實踐證明，片面提高下沉綠地率、透水鋪裝率等指標，會造成植物生長不良、土地鹽堿化及養護管理成本提高等負面影響[6-7]。同時也說明，總體不透水區域面積(Total Impervious Area，TIA)這一量化指標不足以表征下墊面變化對于水文過程的影響[8]。因為在TIA中，與排水系統直接相連的有效不透水面(Effective Impervious Area，EIA)[9]才是造成雨洪壓力的不透水區域類型。相比EIA，非有效不透水面(Unconnected Impervious Area，UIA)與透水區域在空間上相連通，來自UIA的產匯流在進入排水管網之前會流經局部或多處下滲的透水區域，可在一定程度上緩解排水壓力。因此，對現有場地的海綿化改造應重點關注EIA區域的地表徑流過程。利用綠色雨水基礎設施(Green Stormwater Instruction，GSI)引導地表產匯流路徑，可分散EIA對管網系統造成的直接壓力，打破城市中傳統“降水-地表徑流-管網排水”的線性水文過程，改善內澇問題。目前，在城市新區[10]、居住組團[11]和排水分區[12]等大尺度空間中的GSI布局優化研究已得到廣泛關注。但城市內澇問題的緩解最終還需落腳到中小尺度建成場地的具體建設和改造中。利用中小尺度建成環境中可獲得的高粒度場地數據，能夠在精準控制場地EIA指標的基礎上，明確GSI的應用類型和空間布局模式，優化產匯流路徑。本研究以天津大學老校區青年湖片區為例，借助UAV航空測繪建模技術，結合ArcGIS與SWMM軟件，模擬在相同土地利用模式、不同降雨重現期下，不同GSI布局方式的產匯流過程，進而得出徑流路徑變化下的場地水文響應規律和校園海綿化景觀改造途徑。

1 數據與方法

1.1 研究區域概況

天津大學青年湖片區位于天津市南開區天津大學老校區北部。青年湖西、北側為宿舍區，東南側緊鄰教學科研區，湖區四周道路為連通校園宿舍區、教研區和體育活動區的主干道；綠地主要以草坪、疏林草地等形式分散分布。目前片區已完成雨污分流工程，降雨情況下，外圍管網無入流；片區內建筑、道路產匯流通過雨水管網排入青年湖。青年湖是校園中最大、最深的人工湖體，汛期泵站預先將其他湖體中的水抽至青年湖，并由青年湖排口集中排入市政管網[13]，以降低校園內澇風險。

青年湖片區內部及周邊硬質化用地面積大、人群活動集中，上下課期間車流、人流潮汐現象明顯，外加青年湖防洪期間排水壓力大，導致該片區成為易澇點最多、雨洪問題最突出的亟待更新改造的典型校園公共活動空間。

1.2 研究邊界劃定

UAV航測技術可獲取場地高精度數字正射影像(DOM)[14](圖1-A)，結合高精度高程與現狀排水管網和道路數據，可在ArcGIS中精確劃出以青年湖為中心的完整匯水區，本研究即以此區域作為研究范圍(圖1-B)。經核算，該片區面積21.94hm2，綠地率33.43%。

圖1 研究區域劃定與技術路線

1.3 SWMM模型構建

通過ArcGIS的watershed水文分析工具，以主要綠地和水體為修正子匯水區邊界的依據[15]，將整個研究區域劃分為59個子匯水區(圖1-C)。將子匯水區的GIS矢量數據集轉換為SWMM的inp格式導入SWMM中。在不同季度多次現場勘察的基礎上，根據已有的校園地下管網數據與空間匯流情況，將59個子匯水區、34個節點及6個雨水出口與34個管段相連，建立整個青年湖片區的SWMM概化模型(圖1-E)。

1.3.1 參數確定

SWMM徑流模擬需要輸入較多參數，參考SWMM模型手冊，以及劉俊[16]、馬姍姍[17]等對天津市區SWMM模型的研究成果，選用Horton公式進行下滲計算，其綠地的初損、初始下滲率f0、穩滲率f、下滲衰減系數α及曼寧系數分別為10/mm、80mm/h、5mm/h、2/h和0.5；不透水區域的初損、固定徑流系數及曼寧系數分別為3/mm、8和0.011。模型過程采用動力波法進行流量計算。

1.3.2 模型驗證

連續性誤差包括地表徑流和流量演算連續性誤差，計算公式為：

式中，QC為連續性誤差；QO為總出流量(徑流量或流量)；QI為總入流量。如果QC＜10，則模型結果可信[18]。

選取2012年7月25日天津降雨實測數據[19]對模型進行驗證。根據模擬結果，地表徑流與流量演算誤差分別為-1.103%和-0.849%(QC10%)，初判模擬結果較為合理。在缺少實測流量數據的情況下，SWMM模型參數準確性可通過模擬結果徑流系數進行驗證[20-21]，得到模擬徑流系數為0.723，符合天津市以不透水下墊面為主的匯水面徑流系數取值要求(0.5～0.9)[22]。綜上，該概化模型能夠較為準確地反映研究區水文響應過程。

1.4 設計降雨

根據《天津市海綿城市建設技術導則》[22]，研究區位于天津暴雨強度適用第Ⅰ分區，設計雨型采用芝加哥雨型，暴雨強度公式為：

式中，q為暴雨強度[L/(s·hm2)]；P為降雨重現期(年)；t為降雨時間(min)。

結合所在片區夏季暴雨雨量較大、降雨時間較長的現狀，綜合考慮校園環境，特別是學生的生活活動區對雨洪安全等級需求較高，選取重現期分別為5、10、20年2h歷時的暴雨設計情景，獲得時間間隔5min的設計降雨(圖1-D)。

1.5 場景方案

片區現狀水文真實反映了城市的排水模式：降水情景下，廣場、道路、停車場及屋頂等不透水下墊面的面積占比超過60%(表1)，地表產匯流直接進入雨水管網或排入水體，僅有部分綠地可實現徑流下滲和蓄滯。根據GSI布局優化產匯流路徑的思路，設置3種場景模擬方案(圖1-F)。

表1 3個設計場景景觀特征指標統計(單位：%)

S1：現狀場景。

S2：基于S1的GSI改造場景，即將研究片區的綠地與部分不透水區域進行GIS改造：1)綠地(如子匯水區31等)全部轉化為下沉綠地，下沉深度為10cm，并在面積較大的集中式綠地中(如子匯水區15等)加入生物滯留設施；2)集中活動廣場(子匯水區34)不透水鋪裝透水化；3)區域內平屋頂全部設置為綠色屋頂。對應在SWMM模型中，則是在子匯水區中增加相符的LID控制單元。

S3：基于S2的EIA減少場景，即保證場地TIA面積基本不變，不透水區域產流直接匯入附近透水區，以減少整個匯水區的EIA面積：1)利用植草溝或礫石溝線性串聯點狀綠地；2)下設盲管、導管等設施將不透水區域與綠地相連通；3)通過雨水桶、礫石溝等方式，將屋面徑流與周邊綠地相接。對應在SWMM模型中，則是將S2經過LID改造的子匯水區演算方式由OUTLET改為PREVIOUS，同時引導子匯水區匯流方向，先將徑流匯入鄰近綠地，再排入管網。

由于SWMM概化模型依靠各匯水模塊的參數輸入實現場地雨洪徑流計算[23]，無法反映GSI在每個子匯水區的具體位置及其造成的用地變化[24]，因此在SWMM模擬過程中難以實現對GSI措施的準確定位和EIA面積的識別測量。但是由于本研究區尺度較小，基于多次現場勘查調研，結合已建立的SWMM模型中各子匯水區的屬性與參數，證明能夠依據場地現狀與景觀改造完成3個設計場景EIA及其相關景觀特征的精確統計。由表2可知，現狀場景S1、GSI改造場景S2和EIA減少場景S3中，TIA基本不變，但是EIA依次降低；綠地率總體不變，但是多項GSI占比依次增加。

2 結果與分析

利用SWMM模型分別模擬3種場景下研究片區的產匯流情況。通過對場地的產匯流結果對比和過程分析的綜合評估，可以得出不同徑流路徑下的水文響應規律及硬質下墊面集中區域的海綿化改造策略。

2.1 研究區產匯流對比

2.1.1 地表徑流量對比

SWMM模擬地表徑流特征結果表明(表2)，同一暴雨事件下現狀場景(S1)的地表徑流量和外部出流量均為3種場景的最大值。換言之，即使不改變場地利用情況，單將場地中的綠地適當進行GSI改造(S2)，相比現狀(S1)可削減大于1/5的徑流量。而在GSI改造場景上適當引導雨水路徑(S3)，則能削減近1/3的地表徑流量。S2和S3的GSI措施相同，但S3考慮的地表徑流路線有效減少了場地EIA，使徑流量又得到了進一步削減。通過降低不透水面積連通度以減少EIA，能在減少徑流量的同時，同比降低外部出流量，從而更加有效地降低場地洪澇風險。但是，隨著暴雨事件的升級和降雨量的增加，無論是GSI改造場景(S2)還是EIA面積減少場景(S3)，雨洪控制能力均有所減弱，這說明低影響開發下的雨洪調控效果隨雨量的增大而受限。

表2 不同重現期下不同場景的產匯流量情況

2.1.2 峰值流量和峰現時間對比

研究區中心湖體青年湖與雨水管網排水口連通，匯水區中的雨水通過排水口或沿地形變化直接匯流進入青年湖。青年湖雨水受納情況可直觀反映場地產匯流的洪峰變化與峰現時間。降雨量越大，洪峰峰值越高，峰現時間越早，管道及地表徑流壓力越大，場地受災風險越高。然而在這一趨勢下，減少EIA面積，仍然能夠有效降低峰值并延遲洪峰(表3)。以5年重現期為例，S1在降雨開始1h35min后出現雨水排放峰值流量，而S2、S3分別出現峰值降低與5、10min的峰現時間延遲。這說明GSI改造可為雨水下滲和調蓄提供更多空間。在此基礎上，EIA面積減少，增加了雨水在GSI中的滯留時間。由前文可知，青年湖作為整個校園的雨水調蓄樞紐，所在匯水區排水峰值降低和時間推遲，對于減少青年湖雨洪壓力、降低宿舍生活區的洪災風險大有裨益。

表3 不同重現期下不同場景的湖體排水受納情況

根據模擬結果，5和20年重現期的峰現時間相同，洪峰延遲的時間在10年重現期的降雨事件中達到最大值。不同暴雨事件中，雨量的增加會導致場地雨洪調蓄能力減弱。洪峰延遲和峰值減少能夠反映場地對于雨洪具有調蓄與控制作用。但是隨著降雨量的增加，GSI下的場地雨洪調蓄能力衰減過程是否會出現先增后減的變化趨勢從而影響峰現的時間，仍有待進一步探究。

2.2 流量過程變化對比

通過對比場地產匯流結果，證明通過優化GSI布局、降低EIA面積，可有效緩解場地雨洪壓力；通過對比不同情景下的流量過程，可進一步得出降低EIA面積的GSI布局優化策略。由SWMM模型(圖1-E)劃分出6個排水口對應的排水分區(以排水口節點序號為排水分區代號)，6個排水分區流量過程線變化趨勢(圖2)可分為3種情況：1)84、73和93號排水口，S1、S2和S3的峰值依次降低，峰現時間無明顯改變；2)83和92號排水口，S1、S2和S3的峰值變化不大，但是峰現時間明顯后移；3)78號排水口，S1、S2和S3的峰值均有所降低，但S3在S2的基礎上并無明顯變化，甚至在降雨量增加的情境下，S3整體水文響應弱于S2。

圖2 排水口出流量變化過程折線圖

對照各排水分區的流量表現與綠地布局(圖3)可解釋GSI布局對雨洪調蓄的影響，并提煉出產匯流控制目標下的GSI布局優化策略。

圖3 不同類型排水口對應排水分區的情景設置對比

1)排水分區73、84和93中存在大量分散、破碎的綠地斑塊，加入GSI設施能夠改善場地徑流和洪峰流量。由于綠地面積有限，適當利用植草溝連通不透水區域與綠地能夠有效減少洪峰流量，但是對于峰現時間影響不大。

2)排水分區83和92緊鄰湖岸，垂直于徑流方向的濱湖綠地串聯形成帶狀阻隔，將排水區中大部分TIA轉化為EIA。徑流垂直進入帶狀綠地后，綠地洼地容積及植物和砂石土壤能夠調蓄雨水，延遲徑流匯入排水口，推遲峰現時間。

3)縱貫排水分區78的主干道可徑直引導雨洪沿場地高程和排水管網快速匯入排水口78。沿道路方向適當增加的GSI設施雖然能夠在一定程度上削減峰值，但是S3中沿道路引導徑流路徑，將周邊雨水引入道路，導致在暴雨量大的情況下，道路末端產生更大的洪峰流量。

綜上，在GSI布局過程中，需要考慮GSI形態格局與徑流路徑的空間關系：垂直于雨水徑流方向的植草溝、生物滯留池能夠有效降低EIA面積；散點狀的布局綠地可使EIA破碎化，緩解徑流流量和流速；對于極易產生大流量、高流速徑流的道路等不透水線性區域，應通過綠地或可滲透鋪裝增大其與附近不透水區域的阻隔，減少周邊徑流的匯入，緩解其雨洪壓力。

3 基于徑流路徑優化的景觀改造策略

青年湖片區存在場地低洼、綠地破碎、不透水下墊面占比高、師生對場地使用頻率較高，以及硬質化空間功能需求大等問題，導致該區域景觀海綿化改造出現“硬質場地軟化難，不透水區域下滲難”的矛盾。基于徑流路徑優化的情景模擬結果，提出青年湖片區海綿化景觀改造策略及對應的優化方案(圖4-A)。

3.1 淺排系統構建，梳理徑流路徑

雨污分流改造后的青年湖片區為獨立完整的匯水單元，再次對場地管網系統改造調整并不現實。因此在現有排水管網的基礎上，通過沿道路、建筑邊緣設置植草溝、礫石槽及淺埋盲管等線性GSI，構建片區淺排系統，連通場地中的綠地(圖4-C)。同時，在面積較大的集中綠地中設置生物滯留設施，將破碎的小型綠地適當下沉約10cm，有效提升綠地對徑流的調蓄作用。由于整個淺排系統中的雨水靠自身重力流動，因此系統縱斷面自上游至下游應與場地地形相適應。

圖4 青年湖片區海綿化改造措施

3.2 灰綠立體融合，打通徑流路徑

由于強降雨事件中GSI的作用受到限制，因此構建灰綠結合的海綿體實現雨水的有效控制。該片區建筑集中，屋面匯水增大了片區雨洪壓力，因此可在片區內食堂、教學樓等平屋頂進行屋頂花園建設，實現“灰色屋頂綠化”。該片區的宿舍樓皆為20世紀70年代建設的具有一定歷史風貌的坡屋頂建筑，無法實現屋頂花園改造，其中坡屋頂產生的屋面匯水通過雨落管直接匯入雨水管網，增加了場地的排水壓力，因此采用雨落管斷接的方式，將屋面匯水引入宿舍樓前的礫石溝，再通過淺排系統引入下沉綠地或排水管網。

灰綠立體融合的排水模式，能夠打通屋面-地面的匯流路徑(圖4-D)。運用坡屋頂雨落管斷接淺排系統、平屋頂設置屋頂花園等綠色雨水處理措施，與屋面匯水、管網系統相配合，形成屋面-地面-水面貫通的產匯流路徑，改善片區由于屋面大面積不透水區域產生的雨洪壓力。

3.3 澇點因地制宜，引導徑流路徑

青年湖片區易澇點皆為人流密集、使用頻繁的區域。這些節點地勢較低且不具備滲透性，周邊屋面、地面產生的徑流匯集于此導致積澇。由于路面的安全要求和對硬質空間的活動需求，片面地將這些節點鋪裝全部透水化并不合理。因此，對不同澇點采用因地制宜的方式引導徑流路徑(圖4-E)。根據情景模擬中3種不同類型的出水口流量過程變化，在不同的排水分區選取3種具有代表性的澇點做海綿化改造。

3.3.1 澇點1

食堂前廣場是潮汐人流聚集地，也是師生節慶活動的主要場地，雨天積澇嚴重影響師生的日常生活。一方面適當抬高廣場周邊臺階高度，阻斷周邊道路徑流匯集進入場地，防止出現情景3的情況；另一方面將場地中的高位花壇降低，形成雨水花園，收集調蓄下沉廣場中的產流。

3.3.2 澇點2

道路高差使主要車行道交叉口出現積澇點，因此對周邊道路的產匯流進行分散引導，如對行道樹池進行生態化改造，引導道路雨水收集；人行道區域增設排水渠，將產匯流引入綠地等。

3.3.3 澇點3

針對濱湖游徑的積澇點，可直接將濱湖一側的綠地降低，形成下凹式的帶狀綠地及濱水活動空間。小徑上的產匯流可順勢流入湖體，但應增設欄桿、警示牌等設施以保證師生游賞安全。

3.4 雨水管理教育，展示徑流路徑

改造后的大學校園海綿景觀空間可成為普及生態知識、倡導城市綠色發展的重要“室外講堂”。傳統課堂缺乏具體教學案例和實踐活動平臺，而校園景觀能為學生提供理解和應用相關生態知識的學習情境，可成為風景園林學、景觀生態學等相關專業學習的有效補充。雨洪調蓄的“景觀化”改造，實現了徑流路徑的“顯性化”展示，如結合片區道路系統，形成“雨水教育”游線，在重要節點展示雨水知識(圖4-A)；結合解說標識系統進行雨水管理教育，鼓勵公眾參與，實現校園海綿化景觀的教育和美育作用。

4 結語

本研究以天津大學老校區青年湖片區為典型案例，通過試驗模擬和改造實踐嘗試解決中小尺度建成環境面對的雨洪內澇問題，提出以徑流路徑優化為目標的海綿化景觀改造策略與措施，有效緩解校園因集中不透水區域難以轉化為透水區域而造成的雨水徑流壓力。基于UAV技術與ArcGIS平臺，構建出中小尺度空間的高精度SWMM概化模型；通過不同暴雨重現期、不同場景的徑流路徑變化下的水文模擬可知，在常見的GSI改造基礎上，通過設置植草溝、盲管等方式連通不透水區域與透水區域，從而降低場地EIA面積占比，能夠進一步降低場地的雨洪壓力和洪澇災害風險。該結論在現有SWMM模擬研究EIA的基礎上[11，25]，進一步明確了有效降低EIA面積的GSI類型應用與布局模式，為校園海綿化景觀改造提供了具有實操性的技術框架和使用方法。

本研究在徑流路徑優化導向下，選擇和組織了不同GSI，實現了校園的“低影響開發”。研究結論與成果可為城市人群使用頻率高、不透水面積占比大的公共活動場地更新改造與景觀提升提供雨洪管控理論支撐，對建成環境的海綿化改造具有較好的實踐與示范意義。

注：文中圖片均由作者繪制。