基于海绵校园背景下校园景观设计研究
摘 要：海绵校园技术的应用是中国校园景观自然式雨洪管理的核心手段，借助于3S技术(GIS、RS、GPS)、UAV摄影测量技术等现代数字信息采集手段，建设更好的校园景观生态，借鉴海绵城市建设的理念与思路，提出相应解决方案，更加详细、科学、有效地挖掘研究区的整体景观结构特征及其对应的景观功能，使针对景观格局水资源综合利用的分析更加完整，有利于南京林业大学校园内受灾严重道路的整改工作，方便学生和老师的学习和生活。
关 键 词：风景园林；UAV；数字摄影测量；南京林业大学
文章编号：1000-6664(2018)06-0065-05
中图分类号：TU 986
文献标志码：A
收稿日期：2018-01-23
修回日期：2018-04-19
基金项目：国家自然科学基金青年项目(编号51608271)、教育部人文社会科学研究青年基金项目(编号14YJC760061)、江苏省博士后科研资助基金项目(编号1501044C)、南京林业大学高学历人才基金项目(编号GXL2014057)、中国博士后科学基金项目(编号2016M601820)、“十二五”国家科技支撑计划项目(编号2015BAL01B03)、国家级园林虚拟仿真实验教学中心、2017年度南京林业大学大学生实践创新训练计划项目“公共空间中特色小镇导视系统设计的研究”(编号:2017NFUSPITP316)和2016年度南京林业大学大学生实践创新训练计划项目“区域特色型生态乡村景观规划设计思考——以内涝地区为例”(编号2016NFUSPITP175)共同资助
通信作者(Author for correspondence) E-mail: [email protected]
Abstract: The application of sponge campus technology is the core means of natural stormwater management in China's campus landscape. With the help of modern digital information collection methods such as 3S technology (GIS, RS, GPS) and UAV photogrammetry technology, a better campus landscape ecology could be built. By using the concepts and ideas of the construction of sponge city, the corresponding solutions to more fully, scientifically and effectively tap the overall landscape structure characteristics of the study area and its corresponding landscape functions are put forward, so as to make the comprehensive analysis of water resources for the landscape pattern more complete. It is conducive to the rectification of the severely damaged roads on the campus of Nanjing Forestry University to facilitate the study and life of students and teachers.
Key words: landscape architecture; UAV; digital photogrammetry; Nanjing Forestry University
1 海绵校园建设的背景及发展现状
在南京突发暴雨的时候，南京各大校园内总是容易发生洪涝灾害。大学校园是一个国家、城市的学术中心，为了能使校园的学习生活有条不紊地进行，校园雨洪管理体系亟待提升。雨洪属于大自然的正常现象，近年来，以海绵系统为主导的雨洪系统理念得到了人们的关注，尤其在一些较为发达，人口密集的城市，如美国早期著名的生态社区——Village Home，其广受推崇的原因是其注重自然排水系统与多方面的环境友好机制，并进入社区自治与管理层面，反映出良好社区的营造实际应是经济、文化、环境目标并重的[1]。因此，国务院颁布了《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》[2]，以期能够充分发挥校园景观结构的实际功能，从而综合有效地排水、泄洪。
大学校园是一个独立系统，其中，校园景观自然式雨洪管理是海绵校园的主要建设工作。海绵校园是指校园能像海绵一样具有自然适应环境变化的能力，从而达到最大化合理利用校园水资源的目标。然而，为了打造良好的校园景观环境，还要突出以人为本的设计原则，挖掘校园文化特色，巧妙运用乔灌草的搭配[3]，创造良好的水循环系统。
国外的海绵校园设计起步较早，如美国的哈佛大学、宾夕法尼亚大学、麻省理工学院、耶鲁大学均制定了一系列校园雨洪管理规划并建设实践了一些生态雨水景观项目，取得了一定的成果，目前海绵校园建设正在国内外的高校园区内紧锣密鼓地进行着。鉴于“海绵城市”理论始于国外，所以在国内起步较晚。继“海绵城市”理论之后，王钰、唐洪亚[4]首次提出“海绵校园”这一概念，即总结海绵城市的相关理论研究，把海绵的“渗透”和“吸收”结合大学校园原有的生态环境，从而实现校园雨洪系统的完善与改进，确保校园内部的学习和生活能够日常有序进行。海绵校园的实质是在源头上控制雨水径流，配合校园的排水系统，解决过量的雨水给校园工作和学习带来的不便。因此，海绵校园只是对校园的内涝灾害起到缓解作用。王卿卿[5]以东南大学四牌楼校区为例着重介绍了校园水资源的入渗方式，在海绵校园的设计过程中，雨水入渗可通过绿地入渗、透水铺装入渗、屋顶景观入渗、浅沟洼地入渗、渗透管道入渗、池井入渗等多种入渗方式，呈现出一个三维立体化的渗透系统。此外，在东南大学水资源综合利用设计中，水资源设计系统不仅考虑到了校园内部的河道、水系，还把校园旁边的玄武湖、秦淮河也考虑到校园水资源综合利用之中。从而利用校园有利的地理位置，借助外力更好地实现了海绵校园吸水、储水最大化。李满园[6]提出大学校园就好像海绵一样，借助自身的弹性，不仅要对雨水进行蓄水和渗水，还需要净水和用水，进而合理地运用校园内部的水资源，不仅改善了校园的水利系统，还可以实现校园景观生态的可持续发展[7-10]。曾彦钦等[11]以“海绵城市”的理念为前提，强调校园水资源低影响开发理念。低影响开发理念应减少对校园环境的冲击，其核心是基于水资源源头控制和减少暴雨对校园生态系统过度冲击的理念，构建与校园环境相符合的综合排水系统，合理利用校园景观地带和“吸”“蓄”“渗”“净”为一体的排水系统对暴雨径流进行控制，减少雨洪对校园景观环境造成的负面影响。刘海龙[12]以清华大学胜因院校园景观环境改造项目为例，提出了景观水文这一综合各学科的设计理念。提倡从地域景观和场所精神入手，通过对场地水资源区域的划分、雨洪系统的设计和管理以及区域性景观特征的综合分析，探讨海绵系统在不同场所和地区的实际应用。这一理念既是景观水文未来的努力方向，也是校园水资源系统综合管理的借鉴范本。
3S技术(GIS、RS、GPS)用于景观规划及评价功能。通过RS遥感技术对地面景观的数据和影像进行采集，再借助GPS卫星定位进行地面景观监控，最后再用GIS对地面景观进行空间数据处理[13-16]。从宏观到微观，大到校园与外界环境的联系，小到局部路面的坡度变化，都要建立模型进行系统化分析。
图1 南京林业大学校园地区无人机航空拍摄曝光点示意图
图2 研究区图像重叠度图
图3 南京林业大学航空影像图
2 海绵校园设计案例
2.1 概况
研究区位于江苏省南京市南京林业大学(以下简称“南林”)。地理上属于华东地区，长江下游中部( 3 1 ° 1 3 ' ~ 3 2 ° 3 6 ' N，118°19'~119°24'E)，气候类型属亚热带季风气候，冬季温和少雨、夏季高温多雨。校园坐落于山水秀丽的紫金山脚下、玄武湖畔，占地面积1.713 2km2，是景观资源综合利用的主要研究对象。
2.2 海绵校园构建方法
2.2.1 UAV数字摄影测量
研究区低空航拍影像数据采集利用小型四旋翼无人机作为遥感平台，为了自动获取高精度的航拍数据，航线设计时使航拍影像之间达到足够的重叠度，因此航拍共设置25条航带(图1)。无人机航拍结束后，需要对拍摄的航空影像进行质量评估，根据所得到的拍摄点、时间、飞机的航向角、横滚角等姿态数据以及拍摄点的三维坐标对所拍航片进行有效筛选。
2.2.2 无人机成图精度检验及成图及地面控制点精度检验
精度检验是制作低空航拍影像不可缺少的一个环节，以便判断生成影像是否满足国家规范要求。Pix4Dmapper软件运行完全检测完成后，会生成一份检验报告，可以对数据处理结果进行评价与误差分析(图2)。
地面控制点的平面位置坐标偏移量平均误差约为0.672，检查点平均误差为1.397(表1)。经过检验，生成三维点云与数字正射影像(图3)。
图4 南京林业大学暴雨淹没动态模拟易涝点
图5 南京林业大学学校功能分区值3 南京林业大学海绵校园景观设计分析
3.1 暴雨淹没动态模拟
通过建立南林正射影像图，实现南林在不同的暴雨雨量情况下区域的淹没范围。根据南京雨量站的统计结果设计雨量，计算该研究区径流模型。通过GIS导出南林水文分析，依据集水区的内涝积水量，计算出淹没区域和淹没深度，得出淹没区严重的3个区域(图4)。
3.2 控制雨量日值
南京市年降雨总量为1 185.1mm，因此本项目雨水径流设计控制雨量参照南京市指标。根据《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》[17]计算出南京市年径流总量(Q为净雨量，即径流量)控制率70%的设计控制雨量为18.9mm。在径流计算过程中，暴雨内涝情景模拟的实际径流量公式表示为：
W=(Q－V)×S
式中，W为内涝积水量，mm；Q为径流量，mm/h；V为排水量，mm/h；S为集水区面积，m2。
通过研究区水文分析及学校功能分区值(图5)，根据GIS得出CN值(反映降雨前流域特征的综合参数，与前期土壤湿润程度、土壤类型和土地利用状况等有关)为81.20。因此计算出，研究区1.7km2的内涝积水量为1 984.06m3，对此南林拟采用下凹式绿地与生物滞留池技术。下凹式绿地即一种高程低于周围路面的公共绿地，也称低势绿地，与“花坛”相反，其理念是利用开放空间承接和贮存雨水，达到减少径流外排的作用，与植被浅沟的“线状”相比其主要是“面”能够承接更多的雨水，而且其内部植物多以本土草本为主[18]。生物滞留池技术不但能滞蓄雨水径流，还能通过植物、土壤和微生物的物理、化学和生物的三重协同作用来净化水质，是海绵城市建设的重要技术手段[19]。在气候温和、雨量充沛、地形较平坦的城市，生物滞留池可以发挥重要作用。因此，为解决南林1 984.06m3的调蓄雨量，下凹式绿地与生物滞留系统的调蓄深度定为0.10m，所需面积为198 406m2，占总绿地面积比例为13.5%，其中下凹式绿地与生物滞留系统面积比按1:6进行分配[20]，即12%绿地采用下凹式绿地，2%绿地采用生物滞留池。
3.3 景观安全格局的构建
从宏观、中观、微观的角度来分析南林校园生态系统，从而提出最佳的海绵校园设计方案，构建校园景观安全格局。宏观来看，南林校园选址位于紫金山西南麓，玄武湖东北部，位于城市两大生态区域的连接处。南林校园内的绿化覆盖率也是南京城区的一大特色，再加之校园的优美环境，无疑是南京城市绿地系统中必不可少的一块区域。南林作为南京城市绿地系统中的重点绿地生态网络，在校园雨洪管理系统中起到主要的雨水径流控制作用。此外，南林有一条连接校园外紫金山和玄武湖的紫湖溪，校园雨洪系统可以充分利用玄武湖这一天然水体对大范围流域雨水径流集中调蓄，因此可以直接将过滤检测的洁净雨水汇入自然河流。从中观来看，南林的核心区域是校园入口林荫大道景观轴的教学区，因为是教学区，所以多为建筑和硬质铺装。因此透水性铺装和绿色屋顶在这一片区域成为校园雨洪系统中的主要规划措施。
位于校园东北部和东南部的生态林地绿核，被南林的师生称为北大山和南大山，一直伴随校园生态空间的发展。因为有着天然的森林覆盖区，南林拥有大面积的天然植被缓冲区，是海绵校园的建设中难能可贵的因素[21]，因为这是水资源综合利用中吸水和渗水的重要环节，可以在暴雨时段通过引流成为校园雨水吸收、下渗和净化的主要场所。紫湖溪生态景观带把南林点状的生态绿地部分串联了起来，是南林的生态驳岸。根据紫湖溪周边地形设置植被缓冲带、下凹式绿地、生态滞留池和植被浅沟等，并结合驳岸对水体内的植物进行综合选取，保持驳岸生态系统的稳定性，从而强化驳岸的渗透、调蓄能力。微观来看，南林校园内有许多公共活动空间，这些活动空间会设置一些树池、活动广场、花园等景观小品，然而这些草坪的高度要高于路面的高度且路牙石阻挡了雨水排入公共花园绿地，因此可以把路牙石用艺术的手法进行分段、打孔处理，让生态草坪和路面尽可能得到充分连接；生态花园采用生物滞留技术，主要通过植被过滤、土壤吸附和微生物作用吸收、过滤雨水，可以起到减少地表雨水滞留和净化地下径流的作用。
图6 主雕塑区雨洪分析解决图
图7 田径场雨洪分析解决图
图8 学生生活区雨洪分析解决图3.4 场地重点淹没区域
南林虽然有着得天独厚的地理位置和大面积的生态绿地，但是在暴雨时路面仍然会积水，部分严重区域的水位甚至会淹没膝盖，严重影响着学生们的学习和生活。南林的生态绿地和发达的水网系统没能及时地对雨洪进行调蓄和下渗，是目前校园雨洪系统亟待解决的问题。通过GIS暴雨淹没动态模拟出南林校园内最容易淹没的3个区域，分别是入口林荫大道的主雕塑区域、运动区的老田径场和学生生活区的玄武公寓。这3处区域地势较低洼，所以在暴雨时期会重度淹没。因此需要用场地内低影响开发的雨洪管理系统加强对该区域的“吸”“蓄”“渗”“净”，减轻雨洪对这些区域带来的不良隐患。
1)第一区域，校园入口林荫大道的主雕塑区域是南林的“迎宾区”，也是进出南林的必经之路。但是这片区域的排水性能极差。经过分析，改良的核心规划措施为以下2个方面(图6)。
(1)因为校园入口处路面为柏油路面，所以规划采用透水性铺装技术，提高场地雨水自然渗入能力。
(2)主雕塑区域被紫湖溪生态景观带所环绕，所以规划要充分利用这些生态景观带的植物、卵石、细沙和土壤进行雨水净化、下渗，把干净的雨水汇入紫湖溪，通过河道快速地把场地雨水带走。
2)第二区域，运动区多数为空旷地带，因此，不仅规划采用透水性铺装技术，还多设置一些人工树池花坛协助雨水的下渗。具体规划措施为以下2个方面(图7)。
(1)人工生态景观需要树池和花池来规范植被，所以雨水下渗会受到阻碍，因此需要设置路牙入水口，让雨水快速汇入树池。
(2)规划设置生物滞留池，把景观隔离带设置成雨水花园；把跑道中心区域设置成下凹式绿地。通过覆盖物、土壤、粗砂和砾石快速吸收和净化雨水，然后汇入地下水位。
3)第三区域，学生生活区多被建筑所覆盖，因此，不仅规划采用透水性铺装技术和路牙入水口，还充分利用建筑和地下车库加速雨水下渗。具体规划措施为以下2个方面(图8)。
(1)因为学生生活区建筑林立，所以规划采用绿色屋顶海绵策略。由于屋顶所占地域面积很大，建筑屋顶产生的径流会增加校园的内涝，因此，规划设置屋顶花园设计，并设置雨水收集设施，既能通过植物根系收集、净化雨水，还能将雨水收集到雨水桶，回收再次利用。
(2)考虑到地下车库的存在，规划设置地库顶板绿地广场。地库板上的水泥地设置成透水路面；绿地做成下凹式雨水花园；透水路面和雨水花园之间根据路牙石的走向设施明沟排水，也就是线性排水。最终把“吸”“蓄”“渗”“净”后的雨水汇入地下车库的地下水箱，等待再次利用。
4 结语
校园的水资源综合利用通过UAV摄影测量技术和3S分析技术进行数据处理，通过对校园地形、建筑、绿地、河流等的采集与分析，用最客观的方式展现出校园水资源综合管理的弊病和解决方案。运用“海绵校园”的建设理念，结合南林校园生态现状，对校园雨水基础设施进行规划再设计。应用校园水资源低影响开发理念，分别落实在道路、场地和绿地等现有地貌上面。通过建设绿色屋顶、透水性铺装、生态滞留池、下凹式绿地雨水花园和河道生态化驳岸，综合管理校园水资源，从而打造出渗水、滞水、净水为一体的雨洪管理系统，解决南林5年、10年甚至50年一遇的洪涝灾害，使其真正成为一个示范性的“海绵校园”。
然而，水资源综合利用不仅要考虑到渗水、净水等问题，还要运用地下管道等现代化设施蓄水、用水，在对水资源径流总量进行有效控制的同时，还可以储蓄干净雨水，等待“释放”并循环利用，这将对环境和经济都带来显著效益。自然途径与人工设施相结合，尊重生态环境和地域景观特色，让“海绵校园”体系在不同场地都可以最大化地应用，这是景观水文未来重要的探究方向。
注：文中图片均由王玮绘制。
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(编辑/李旻)
作者简介：
王 玮
1985年生/女/江苏徐州人/博士/南京林业大学家居与工业设计学院副教授/研究方向为风景园林与规划(南京 221037)
王 浩
1963年生/男/江苏姜堰人/博士/南京林业大学校长，教授，博士生导师/研究方向为风景园林规划与设计/本刊顾问编委(南京 210037)
田晓冬
1959年生/男/安徽阜阳人/博士/南京林业大学艺术设计学院教授/研究方向为公共艺术设计(南京 210037)
李卫正
1978年生/男/山西静乐人/博士/南京林业大学现代分析测试中心讲师/研究方向为3S技术与数字园林(南京 210037)
孔祥炎
1995年生/男/江苏徐州人/南京林业大学艺术设计学院在读硕士研究生/研究方向为风景园林与规划(南京 221037)