智慧海绵校园建设探讨

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  摘 要:该文将海绵校园与智慧化建设相融合,分析了智慧海绵校园建设的特点和功能,并以临沂大学为例,就智慧海绵校园建设提出了建议,以期为建立集互联网、海绵系统和雨洪管理于一体的高效智慧海绵校园提供参考。
  关键词:海绵校园;智慧化;雨水管控
  中图分类号 TU992.01 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2018)24-0127-3
  随着海绵城市如火如荼地建设,“海绵化”的理念早已引入校园,并在积极的规划建设中。海绵校园与海绵城市的理念相近,出发点都是为了增强区域的蓄排水能力,解决内涝和缺水问题,打造像“海绵”一样,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时再将蓄存的水释放出来。而这种海绵系统并不是牢不可破的,在校园的不断整改当中,很多地方的下垫面布局会被改变,因而,不变的海绵系统渐渐已不能适应变化的下垫面布局构造,而且只能被动的应对雨水积存与排放问题,没有准确的数据进行分析,不能实时掌握实际的降水与排水情况。在一个偌大的校园特别是大学,有着多个海绵子系统,且互相间缺乏联系,亟需在其发挥关键作用时进行统一的调控和管理。伴随着互联网的普及,以海绵化为基础、以物联网为主导的“智慧海绵”的呼声渐渐多起来,并率先用于一二线城市的规划建设当中。将“智慧化”理念引入到海绵校园中是否可行,还有待进一步的研究。
  1 智慧海绵校园的构思
  智慧海绵校园的立足点是海绵系统,它的智慧之处在于通过物联网、云计算、大数据等信息技术,把各式各样分散的绿色设施、海绵设施和校园协同起来[1],从而实现校园管理的智慧化与高效化。在海绵校园的运转中加入众多智能系统:包括专业的监控设备,4G、光纤、GPRS等多种通信方式针对水位越线的实时预警系统以及监控中心平台的无缝式信息对接。
  首先,把众多孤立的海绵系统连接起来,建立一个数字化的校园监控中心。通过在雨水调节的重要地点,例如校园公路、主要建筑物附近以及校内河流湖泊断面建立雨水传感器和监控系统,用实际监测数据来检验海绵校园的成果。不仅在网络中联通各个系统,在实际中也尽可能打通主要系统之间的排水联系,对众多海绵系统进行等级划分,针对一些地区由于积水严重导致的局部系统饱和而其他系统尚未发挥作用的情况,通过主要系统与子系统的连通调节以及主要系统之间的调节进行整体性的雨水管控。例如,在校园内可将河流、人工湖作为一级海绵系统尽可能将河湖由点状或线状连接起来,在雨水集中时期可将积水处的排水更多地向河湖当中汇集,也让河湖水流动起来,实现校内水源的循环,解决局部洪涝问题。其次,针对学校内景观和地形的差异性,收集校园区域的地形图、建筑布局图、下水管道系统分布图、地区气候资料与水文特征资料等,进行计算及分析;利用ArcGIS对各要素进行空间叠加分析,对校内的建筑、道路、水体、草地等不同的下垫面进行赋值,通过分析结果因地制宜,提出针对性的改造规划。对于规划建设方案进行模型模擬,优化设备组合、规模和平面布局[2];最后,针对校园内局部改造区的蓄排水状况,跟进海绵系统的建设,进行及时的数据收集与建议分析。
  在智慧海绵校园中,监测与管控是一项非常重要的一步,它包含了众多的功能:(1)雨量监测:监测校园内降水,第一时间为海绵校园的效能分析提供准确参数。(2)排水设施监测:这是应用最广的监测领域。在易积水的地区设立积水监测点,在排水口处设立排水量检测装置,二者协调分析,为分析排水能力和排水管网规划提供参考。(3)海绵体监测:对人工湖、景观河和蓄水池等重要海绵体进行监测,掌握雨水积蓄情况和海绵系统的效能。
  总的来说,智慧海绵校园是立足于海绵校园基础之上,加装智能监控系统以及局部自动调节控制系统,变多个单一为整体,建立监控中心,融入网络与电子设备进行监测与分析,进行实时监测与研究对策。它顺应时代趋势,采取智能化和网络化监管,为师生的学习生活提供实实在在的保障。针对近些年来由于极端气候引起的短时强降雨的增加,智慧海绵校园的发展会更加迅速。
  2 智慧海绵校园的简要设计
  对于海绵校园在各方面的规划措施可以基本遵循,但出于建立一个综合系统和建设监测设施的考虑,还需对一些规划建设稍加改进。在校园,占地面积最大的是教学楼和宿舍楼,改造成本相对较低,且师生日常生活路线多为“教学楼-宿舍楼-餐厅”3点1线。在规划中以此为中心进行设计改造,首先建立一个综合监测系统,在3点1线的主要易积水地点设立监测站点,进行数据收集与分析,检验蓄排水能力。
  2.1 道路规划 利用海绵城市中常用的建筑材料,加大对透水沥青混凝土的使用,同时集中主要排水设施,确保主路排水顺畅。针对局部积水量大的支路,在路旁建设下沉式绿地或蓄水池,缓解下水口的排水压力。同时在支路排水口附近安装水位传感器与电子监控设备,在雨天随时收集数据,计算支路的积水情况与排水能力。在人行道上,多采用透水砖或间隙砖铺装,使地表水能被快速吸收和下渗。或在支路以及人行道两侧多设置下沉式绿地,或酌情增加植草沟,有效吸收多余的降水。在绿地中建立小型蓄水池和喷灌装置,在雨天吸收多余水,晴天时定时开启喷灌装置,为植被生长提供雨水灌溉。
  2.2 建筑设计 利用海绵城市中的屋顶设计,采用绿色屋顶与斜面集水装置相结合,并将楼顶排水管与楼下的绿化带相连,将绿化带植被改造为雨水湿地,对雨水进行二次吸收。在建筑楼周围可建设大小不等的多个蓄水池,并安装水位自动控制设备,雨天时吸纳水,晴天用于绿地浇灌。可以考虑适当在楼群之间开挖人工湖并加以绿化,将部分雨水排水设施与湖区相连,在保证海绵效果的同时,又不失美感。
  2.3 操场和绿地规划 操场是师生生活的重要部分,其一般主要是由塑胶跑道和足球草坪组成。塑胶跑道不利于雨水下渗,多采用渗水井进行排水,但排水效果有限,而中央的草坪则可以很好的分担排水压力,并且由于草坪植被需水量大,蓄水池就显得十分重要。在操场周边以及草坪地下建立蓄水池,并将草坪地下改装为下渗构造。为了增加草坪的下渗能力,采用弧形微地形的设计方式,使草坪微崎岖化,以此增加下渗面积。将草坪下以及四周的蓄水池连通,安装自动监测以及浇灌设备,利用多余的雨水进行灌溉,最大限度地发挥绿地草坪的治水功效。   2.4 河湖布局 将成点状或线状的河流湖泊尽可能连通起来,使水“活动”起来。以校园原有景观为基础,将护校河与各种景观水塘打通,使水循环流动起来[3]。 这样既能保证水质,又能使不同地区的河湖相互协调,避免局部地区水位过高或过低,保证每个地区充分发挥海绵效果。将排水设施连接到河湖中,发挥削峰补枯的效果。同时在河流或者湖泊附近安装水位传感器与监测系统,监控和调节水位的平衡。
  2.5 景观设计 考虑到树林、草地、花园在校园中的环境美感作用、公共空间作用和雨水管控作用,且校园的绿地面积要大于城市,因此在智慧海绵校园建设中充分利用植草沟、湿地花园、下沉式绿地以及生物滞留地,重视树林涵养水源与增加下渗的强大功能。同时,考虑到植被需水量的问题,增加人工蓄水量并充分利用。使此类要素既能呈面状或块状分散于建筑、道路、广场与操场周围,在景观和功能上相互结合,又能结合不同区域的雨水管控条件,安装监控设备对雨水进行合理地存蓄与释放。
  以“3点1线”的生活地区为中心展开工作的同时,仍需看到积水严重、位置偏僻的支路小道依然是海绵校园治理的一个难题,需要依托更加有力的排水手段与监控系统进行信息收集,合理进行雨水管控。另外,由于校园中的绿化面积和河湖面积比重比城市要高得多,在蓄水与排水条件上有明显优势,而众多植被的需水量也会对校园蓄水能力提出更高的要求。在校园内每段时间都会进行不时地地表环境改造,由此对局部地区的海绵系统也有了一定的影响。因此,应通过完善监控系统,分析智慧海绵校园监控中心提供的数据变化,进行后期跟随性的完善和改进。
  由于智慧海绵校园落到建设中要考虑诸多的的现实因素,例如地形、气象状况、校园内各要素的布局构造、建设难度与资金等许多因素,因此以上的构思与建议大多在理论设计方面,再具体到应用中需要灵活地变通,结合实际,方能发挥智慧海绵校园的最佳效果。但随着今后海绵设施的越来越多,其信息化、数字化形成的数据量是相当巨大的,只有通过智慧化系统才能实现对大数据的有效处理[4],从而正确分析,提供合理对策。因此,海绵校园的智慧化会是一个必然趋势。
  3 临沂大学智慧海绵校园建设的探讨
  临沂大学坐落于山东省东南部临沂市,由于季风气候典型,夏秋时节多集中性强降雨,导致校内多处出现积水内涝,影响师生正常生活。近些年来临沂市正在筹划海绵城市建设,临沂大学作为推进区也开始进行筹划改造,但由于校区面积大,且局部性的建设和改造不断,各供排水系统能力有限且缺乏相互协调,治理难度大,因此升级传统校区,加强智慧海绵校园建设成为一项急需的工作。
  临沂大学主校区大致分为第1、第2生活区、中央绿地、教学区与教学实验区几个部分。其中中央绿地面积大,绿化率整体较高,但是过于集中。而且主要建筑物四周的绿化带吸水性较差,局部地方非但不能储水且易积水。在道路排水上,排水井密度为7.0~8.3m/个,餐厅和生活区排水井密度较大,并且出现多个面积较大的排水沟,教学办公区周围排水井密度最小。但一些支路积水严重,且主干路排水口已被杂物堵住,排水能力低,每逢大雨必积水,人行道缺乏透水磚,下渗力差,并且缺乏积水监测系统。在蓄水能力方面,绿地植被多为普通植被,截流蓄水能力不足,缺乏相应的蓄水池和沟渠;蓄水大部分依靠内部的河流与羲之湖等分散的人工湖泊。绿化带的灌溉大部分依靠外部水源。水资源存储利用率差,没有形成完整的雨水循环系统与雨洪管理系统。
  针对当前问题,首先需要的是在大学里建立完整的海绵系统。改进主要建筑物的楼顶排水,建立空中花园,学校绿地要与建筑紧密结合,以建筑为单元形成斑块化布局形态。在楼下绿化带采取种植湿地植被与下沉式绿地、生物滞留地相结合,并在绿地修建适量的小型蓄水池,发挥“海绵功能”;在易积水的支路四周建立下沉式绿地和小型蓄水池,并增加排水口;将无法下渗的雨水尽量滞留在雨水花园、生物滞留地、下沉式绿地等低影响开发措施中[5],做到截流与优化水质的双重功效;针对主路突出的问题要拓宽下水管道,连通校内的河流与人工湖,加强排水能力;面对学校内分散的河湖要尽可能连通一起,形成完整的水循环系统。在提升水质、美化环境的同时,又能充分发挥海绵体的作用。
  建设智慧海绵校园的另一项重要任务是建设智能化、网络化的高效监控系统[6]。首先,建立起一个综合的校园雨水监控中心,承担起收集与分析监测数据、调控蓄水和排水、提供海绵项目建设参考与建议的重任。针对偌大的校园,在不同的片区设立分控点,保证全面监控。其次,在易积水的主路尤其是建筑物之间的支路建立触点式雨水检测系统,在雨天将实时的积水数据上传至监控中心,分析数据并寻找相应的解决措施;要将绿地蓄水池充分利用起来,安装深度检测与自动喷灌装置,充分利用雨水;针对临沂大学内不断进行的改造建设,要同步推进海绵项目与智慧系统的安置,将更多的地方纳入雨水监测中心控制范围,从而掌握临沂大学的综合排水与蓄水能力,对症下药,才能建立起完整的智慧海绵校园,从而保障师生的正常学习与生活。
  4 结语
  综上,将传统的校园在海绵化建设中融入智慧化、网络化建设,不失为一项创新。虽然作为一项新生事物,它的运行与发展面临着很多风险与困难,但是它顺应了时代趋势,充分利用了互联网时代下提供的信息便捷性建设智慧海绵校园,实现了对学校海绵系统的综合管控与调节,有利于更加快捷、高效的解决多杂乱的校园给排水问题,实现了对有限水资源的充分利用,这不仅为校园建设提供了智慧,也为城市的智慧海绵建设和应对可能面临的水危机提供了新的方向。
  参考文献
  [1]李运杰,张弛,冷祥阳,等.智慧化海绵城市的探讨与展望[J].南水北调与水利科技,2016,14(01):161-164.
  [2]应验,刘红波.协同性与智慧化:海绵城市建设的路径选择——基于深圳的实践[J].城市建筑,2017,27:49-52.
  [3]刘胜雪,尉海东,董彬.“海绵校园”建设研究——以临沂大学为例[J].绿色科技,2018,8:156-158.
  [4]董金凯,孟青亮,冯力文.智慧海绵系统的总体架构与关键技术初探[J].智能城市,2017,3(12):19-21.
  [5]胡颖.基于低影响开发理念的海绵校园建设方案研究——以江苏城乡建设职业学院海绵城市示范项目为例[J].节水灌溉,2016,12:112-115.
  [6]张金.智慧海绵在城市建设中的应用[J].智能城市,2017,3(4):90.
  (责编:张宏民)
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