设计案例 | 基于多目标提升的西北地区校园海绵城市建设方案
海绵城市建设中的绿色基础设施本质上是改变传统城市建设理念，使城市具备弹性适应环境变化与自然灾害的能力，通过海绵城市建设手段，实现开发前后水文特征保持不变。
西宁市于2016年开始海绵城市建设，是全国第二批海绵城市试点中西北地区典型城市，具有鲜明的气候特征。此类特殊气候条件要求海绵设施考虑冻土层厚度，并需在冻土季前排空调蓄型海绵设施中的雨水。同时，针对湿陷性黄土等不利地质条件严格控制雨水花园、植草沟等生物滞留设施距离校园建筑物的距离，防止引起局部沉降。
西宁七中文博校区位于青海省西宁市海湖新区，是西宁市海绵城市示范区内的改造项目。
校园海绵城市建设面临两方面难点。其一是地表径流产生量大，本项目需达到西宁市海绵城市规划中年径流总量控制率为76%的目标，对应设计降雨量为8.5 mm。校园铺装场地等面积较大，综合径流系数较高，雨水径流量较大，导致设计调蓄容积较大。其二是海绵城市建设的同时需要满足校方的教学需求，需对教学实践活动与海绵城市设施相融合的方案进行探讨，并保障场地与学生安全。
本文以学校教学生活特征和现状问题为导向，进行多目标的海绵城市建设设计，解决雨水控制利用，将长廊、广场等学习生活场景与海绵设施和谐融于一体，将绿色交流空间构建与海绵户外观察融于一体，将自然调蓄与自然美育结合。
由于学生活动及教学需要，校园内广场与操场面积较大，主要为不透水铺装(占67.86%)，绿化面积相对较小，面积占比仅为21.59%，综合径流系数约为0.82(表1)。
校园范围内整体平坦，呈现北高南低、西高东低的竖向特征。北侧局部坡向北侧绿地，东侧室外操场低于西侧区域约为2 m。
屋面雨水排放：综合教学楼采用内排水方式，其他校园建筑均采用雨落水管外排雨水的排水方式。
地面雨水排放：在西侧机动车车道、学生活动广场、室外操场均分布雨水口，收集地面雨水径流。
现状雨水管网：沿西侧机动车道、中央景观轴线分别布设雨水排水主管，管坡由北向南，与综合教学楼内排雨水管网相接；室外操场雨水排水至综合教学楼东南侧，接入学校南侧美丽水街市政雨水管网。
(1)现状教学楼建筑的散水出现破损、反坡现象，一方面影响雨水径流收集，造成局部积水；另一方面易造成建筑外墙局部冻涨、破损。
(2)雨水径流直接汇入排水管网，未经生物滞留源头净化，一方面造成短时径流量较大；另一方面雨水径流未经源头净化，为区域地表水质量造成一定压力。
(3)校园硬质下垫面面积较大，导致综合径流系数较大。
进行问题导向改造，达成4个建设目标。(1)海绵城市建设，调蓄与净化雨水径流。针对校园特征进行适应性海绵设计。本项目达成年径流总量控制率为76%的目标，对应设计降雨量为8.5 mm。(2)生态绿地，打造野趣的海绵花园，雨水花园内植物配置充分满足生态性与景观性，参考高原植物配置，打造具有地域生态特色的近自然绿地。(3)学生参与，增加户外研习体验，学校海绵城市建设需提升公众参与度，扩大科学科普。在本次海绵设施细节设计中，增加设施可视性、海绵设施的承重能力，为学生提供近距离观察条件。同时，新增的下凹绿地等开辟为学生实验田，形成利用雨水、观察自然的户外实践用地。(4)校园回忆，构建绿色交流空间，将雨水调蓄、自然美育、学生活动结合，丰富海绵设施的使用层次，为学生提供多样的户外课堂。
相似建设案例和相关研究显示，校园海绵城市建设目标具有多样性特征，对雨水径流的调蓄与净化仅为多样目标之一，针对此特征设定两方面措施：海绵城市建设、“海绵+”改造，具体改造措施如图1所示。
(1)海绵城市建设：以水生态、水环境、水安全、水资源为目标，通过灰色设施与绿色设施结合，有组织地收集雨水，促进雨水渗透，增加源头调蓄净化，丰富雨水利用，减轻末端管网排水负担。
(2)“海绵+”提升：以师生“获得感”和“参与感”为目标，结合海绵设施增加学生实践用地，提升景观效果，将自然调蓄与自然美育结合，打造海绵绿色空间。
图1 海绵校园多目标分析下的建设措施
本项目参照《西宁市海绵城市建设项目系统性方案详细规划(2016～2018年)》中年径流总量控制率在76%以上，年径流污染物削减率在40%以上的建设目标，且将《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》、《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)、《雨水控制与利用工程设计规范》(DB 11/685—2013)、《城市雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》(DB11/T 969—2013)作为主要设计依据。
针对现状问题，将雨水管理对象划分为屋面雨水、道路雨水、场地雨水，相较于海绵城市建设提出的“渗、滞、蓄、净、用、排”方针，西北地区海绵城市建设更强调“渗”和“滞”的源头减排思路，将雨水有组织收集后优先排入绿地进行调蓄。雨水径流路线如图2所示。
图2 海绵城市建设雨水径流管理图
(1)屋面雨水：雨落水管断接至盖板排水沟排入生物滞留设施(雨水花园、下凹绿地等)。
(2)场地雨水：铺装改造与增加绿地面积，以减少雨水径流；雨水径流就近汇入绿地调蓄，或经盖板排水沟收集后排入下凹式绿地或雨水花园进行调蓄与净化。
(3)道路雨水：调整修复路面，使其坡向单侧盖板排水沟，雨水经有组织收集后排入雨水实践田，或排入校园雨水管网。
根据现状校园的雨水管网和场地竖向分析，校园可分为4个排水分区，如图3所示。
图3 排水分区平面分布图
其中，室外塑胶操场现状排水管网完好，与场地教学楼区存在明显的竖向关系，其雨水径流不会对其他教学楼区产生影响。同时，考虑操场使用功能与学生活动安全，对塑胶操场不进行源头改造。降低操场南侧绿地竖向，种植土完成面低于操场10 cm，调控部分径流。
根据《西宁市海绵城市建设项目系统性方案详细规划(2016～2018年)》及修正意见，该改造项目确定年径流总量控制率目标为76%，对应设计降雨量为8.5 mm。
根据计算，校园的综合径流系数为0.82，则设计调蓄容积应为259.6 m3。各排水分区分别为84.6、37.6、65.3、44.1 m3(表2)。
表2 设计调蓄容积计算
(1)增加绿地面积
增加校园内绿地面积约400 m2，设计为下凹式绿地，可调蓄场地雨水径流。同时，将校园外北侧待建地块6 000 m2划为校园附属绿地，其中绿地面积为2 500 m2，结合设计调蓄容积计算，设计1 100 m2为下凹绿地。
(2)增加学生实验田
于原有铺装广场增加下凹实验田，下凹深度为15 cm，供师生种植农作物及蔬菜，用于科学试验观察，同时调蓄周边广场径流，发挥绿地海绵作用。于校园外北侧绿地，增加学生航模基地、实验田、旱溪，分区二的道路雨水径流由盖板排水沟有组织收集后，排入校园外北侧旱溪及实验田，其中实验田为1 100 m2，航模基地为400 m2。
(3)增加交流空间
拆除原有景观座椅，并安置在由新增下凹绿地与雨水花园合围的广场，形成座椅上的“发现之旅”，升级一片可观察、可交流的活动空间，构建一个充斥着一系列学校故事、社会动态和个人回忆的文化长廊。
建设后，综合径流系数由0.82降低为0.81。总调蓄容积为330.78 m3，满足年径流总量控制率对应的设计调蓄容积需求，如表3所示。
项目建设后，雨水径流有组织收集率显著提高，雨水有组织收集后优先排入雨水花园等生物调蓄净化设施，局部由竖向问题产生的积水点消除；原大面积硬质广场中增加了下凹绿地，既可调蓄广场产生的地表径流，又丰富了校园景观。竣工后，已经历多场大雨考验，雨水花园等海绵设施运行正常，雨水管网径流明显减少，校园内没有出现积水内涝现象。
新增下凹实验田(图4)是本次建设的创新点，将“占用”校园空间进行海绵城市建设，转化为利用海绵城市建设增加教学实践场地，并在下凹实验田入水口设计可承担成年人行走的石笼，同时减缓短时暴雨径流对种植土壤的冲刷，亦方便学生观测雨水径流路径、雨水量、水质变化，鼓励学生参与校园管理。
图4 下凹学生实践田(a/b)下凹绿地的缓冲石笼；
(c/d)下凹绿地作为科普实践基地，种植蔬菜
(1)校园海绵城市建设目标应具有多样性
校园海绵设施对雨水径流的管理、调蓄与净化为多样目标之一，应结合学生实践、教学活动等需求对校园景观环境进行提升改造。首先，达到海绵城市建设目标，即以水生态、水环境、水安全、水资源为目标，通过灰色设施与绿色设施结合，有组织地收集雨水，促进雨水渗透，增加源头调蓄净化，丰富雨水利用，减轻末端管网排水负担。同时，应达到提升师生“获得感”和“参与感”的目标，将自然调蓄与自然美育结合，结合雨水花园、下凹绿地等海绵设施，提供观察实践空间，提升校园景观效果。
(2)校园海绵城市建设需要注重安全性
校园内学生活动密集，海绵城市建设中需重视公共安全。冬季前，应与海绵设施进行排空维护，防止冻涨引起铺装破损。需严格控制雨水花园、植草沟与校园建筑物的距离，此类生物滞留设施与建筑的最小距离应大于6 m，防止由于可能的沉降影响建筑安全。设计雨水花园进水石笼应由承重外网包裹，防止学生出于好奇进入雨水花园观察时踩落。下凹绿地下凹深度不宜超过10 cm，防止发生跌倒等意外。海绵设施周边应设置醒目标识。
(3)校园海绵城市建设应提升校园空间使用效果
校园海绵城市建设工程不可避免地“占用”原有校园场地、绿地等，为避免对学校教学生活、校园活动产生不利影响，应丰富雨水花园等海绵设施的使用功能，除发挥调蓄净化功能外，通过植物配置、外观形式等赋予雨水花园自然美育、自然观察、实践教学等方面功能，培育特色校园水文化，将水生态资源有效利用，使海绵城市建设因地制宜。