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海绵城市建设的绿化屋顶技术及其水文与环境效应研究进展

来源：花匠小妙招时间：2024-09-14 23:11

1 引言

随着城镇化进程的加快，导致城市越来越多的自然渗透表面被建筑物、道路、广场等不透水表面所替代。城市自然渗透率下降了约70%，以至于许多城市在暴雨时出现“城市看海”现象。同时，随着城市径流增加和绿地的减少，也会带来径流污染、污水管道溢流和城市“热岛效应”等环境问题。因此，人们开始关注城市生态环境系统的可持续发展。例如，美国、英国、澳大利亚、德国等提出的“低影响开发”(Low Impact Devel- opment，LID)，“可持续城市排水系统”(Sustainable Ur- ban Drainage Systems，SUDS)，“水敏性城市”(Water Sensitive Urban Design，WSUD)和“洼地—渗渠系统”(Mulden Rigolen System，MR)等。而我国在2013年12月召开的中央城镇化工作会议提出了建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市。

绿化屋顶技术作为海绵城市建设的重要措施之一，能够有效滞留雨水，过滤和处理雨水，被认为是推动城市可持续发展的有效实践，已在一些发达国家广泛应用。绿化屋顶通过改善传统建筑屋面渗透率而不侵占额外建设用地，能够有效弥补其他海绵城市建设措施被动接纳的缺陷。此外，在城市建筑屋顶、路面、广场、停车场等不透水表面中，城市建筑屋顶占了近40%—50%的比例，具有较大的开发潜力。

绿化屋顶也被称为屋顶花园、种植屋面、生态屋顶或绿色屋顶等。现代绿化屋顶起源于20世纪60年代的德国，早期的绿化屋顶主要用于屋顶隔热，以减少太阳辐射和建筑物能耗。2002年，德国大约有14%的建筑物建设了绿化屋顶。而我国仅有少数几个科研院所开展绿化屋顶水文、环境和热性能相关研究，因此，深入研究绿化屋顶对于加快我国绿化屋顶推广应用和产业发展具有重要意义。

2 绿化屋顶效益定量分析

2.1雨水滞留性能

绿化屋顶系统最重要的效益是其对降雨的保留，并通过逐步排水和蒸散释放到大气中，从而在更长的时间内分配暴雨径流，有助于城市雨水管理。绿化屋顶雨水滞留性能主要体现在径流开始时间和径流峰值时间延迟、径流量和径流峰值的衰减。通过文献梳理发现，与普通屋顶相比，不同区域气候条件和不同绿化屋顶类型的雨水年滞留率大多集中在50%～90%，而单个降雨事件的绿化屋顶雨水滞留率在0～100%不等，这主要取决于降雨强度、降雨量、前期干旱时间、基质水力特性、蓄排水层类型、植被类型和覆盖率等。基于海绵城市建设理念，绿化屋顶技术可视为将城市开发前的自然渗透面“迁移”至建筑屋面，有效降低城市不透水表面比例。

2.2热性能

绿化屋顶的反照率远高于普通屋顶，这意味着绿化屋顶对太阳辐射的吸收减少，从而有助于缓解城市热岛效应。研究表明，绿化屋顶反射了27%的太阳辐射，植物和基质吸收了60%，仅有13 %传输到基质。在炎热的夏季，绿化屋顶能够保持室内温度凉爽，减小屋面昼夜温差波动，从而降低建筑物能耗，缓解屋顶由冷热交替引起的开裂破坏。与普通屋顶相比，绿化屋顶能够将城市环境温度降低约0.3℃—3℃，将室内温度降低约3℃~4℃，而绿化屋顶屋面日温度变幅仅为普通屋顶的45%左右。在绿化屋顶热性能研究中，目前还没有足够的数据表明其对区域环境温度的缓解作用，大部分研究仍然是基于模型试验、单个绿化屋顶数据或数值模拟分析。事实上，绿化屋顶对建筑物室内温度的改善效果是显然的，但能否替代传统建筑屋面的保温隔热层有待进一步研究。而对于绿化屋顶在屋面混凝土结构板或防水层耐久性方面的研究也缺乏有效监测手段和试验方法，大多仅是通过屋面温差变化幅度间接反应其潜在效益。

2.3其他生态环境效益

绿化屋顶的其他生态环境效益主要来自于基质层或植被层所带来的直接效益，包括降低空气和噪音污染、改善雨水径流质量、增加城市绿化和生物多样性等。Connelly等通过对不同基质深度、含水率、植物类型的绿化屋顶和普通屋顶进行试验，结果表明，在低频和中频范围内绿化屋顶分别比普通屋顶降低噪声 l0dB和20dB。与普通屋顶相比，绿化屋顶每年对 PM10的去除量约为0.42～9.lg/m2。此外，也有研究表明绿化屋顶基质层和植被层能够在降雨时吸收或过滤雨水中的污染物，有效改善雨水径流水质，并能够将雨水径流pH值从5-6提高到7—8。绿化屋顶也有助于减少城市生物栖息地损失，增加城市生物多样性，并提供更美观的城市绿化环境。因此，有国家和地区将绿化屋顶建设作为城市绿化面积指标量化的替代措施进行推广。

3 绿化屋顶主要结构特征

3.1基质土壤

绿化屋顶因受气象因素、建筑物荷载安全、植被生长等条件约束，基质土壤通常采用渗透性和保水性较强的轻质改良土壤，以保持足够的水和养分供植被生长。目前，绿化屋顶基质常用的无机材料主要包括陶粒、浮石、珍珠岩、蛭石、煤渣、碎砖等；而有机质主要是泥炭或堆肥。基质中的有机质含量一般不超过20%，以最大程度地减少因分解而引起的基质收缩，并避免径流中浸出过多的养分。Chen Haoming等通过在基质中添加一定比例的生物炭，以有效调节绿化屋顶基质的水分、温度和养分，进而促进植物生长、微生物群落和生态效益。在绿化屋顶结构中，基质层的功能性最强，因为绿化屋顶的大部分效益与基质土壤性质直接相关。因此，许多学者在基质深度、材料选择、配比和粒径分布上做了很多有益尝试，以满足基质轻量化、保水性高、渗透性和吸附性强、养分适宜、促进生物多样性等诸多特点。然而，因地制宜选择当地土壤作为绿化屋顶基质层并没有得到很好的应用，这造成了高昂的建设和维护管理成本。

3.2植被类型

绿化屋顶成功的关键取决于植被是否健康生长，因为不同区域气候条件下，绿化屋顶上的植物需要适应温度、降雨、光照和风的极端变化，这就要求植被具有很强的生存能力。理想的植被选择具有耐旱、耐热、耐涝、维护少、覆盖好、成本低、抗病虫害等特点。 Dvorak等通过对绿化屋顶植被应用的大量文献梳理发现，景天属植物在深度为7—10cm的基质中表现最佳，甚至在无水条件下能承受长达4个月的干旱时间，因此，景天属植物由于其很强的耐旱性而在绿化屋顶中广泛应用。但也有研究表明景天属植物较低的蒸腾量在降雨事件之间可能无法满足补充降雨滞留空间的作用。因此，也有学者探讨了不同单一植物和植物多样性对绿化屋顶生态环境效益的影响，特别是植被类型对雨水径流量的影响存在显著差异；与单一植物相比，绿化屋顶混合种植植物冠层密度和长期生存表现潜力更佳。

3.3蓄排水材料

绿化屋顶蓄排水层主要是为绿化屋顶系统提供氧和水的平衡，防止过多的水造成植被根系腐烂，以确保植物具有良好的生长基质。近年来，应用于绿化屋顶的排水材料主要有两种类型：一是高强度土工合成材料排水板（聚乙烯或聚苯乙烯）；另一种是排水骨料（如陶粒、卵石、砂砾、橡胶屑等）。为提高绿化屋顶的保水能力，土工合成材料排水模块通常具有一定蓄水能力，保持排水性能的同时蓄一部分水供植物生长，这有益于缓解径流峰值和减少植被滴灌维护。 Wongc3u使用一种2.5cm厚的塑料专用排水板，其凹槽保水能力约为4.3L/m2。另外，为缓解城市内涝和水资源充分利用，有必要按照海绵城市建设理念，将绿化屋顶排水径流收集起来，用于绿化屋顶灌溉或生活用水，进一步促进绿化屋顶可持续发展。

4 雨水滞留性能影响因素

4.1气象因素

绿化屋顶的雨水滞留性能主要取决于降雨强度对入渗率和表面径流量的影响、降雨量对雨水滞留率的影响，以及前期干旱时间温度、湿度、风速、太阳辐射等气象因素对绿化屋顶蒸散量和基质初始含水量的影响。Villarreal认为绿化屋顶的雨水滞留率在很大程度上取决于降雨强度，因为降雨强度大于基质入渗率时，基质土壤快速饱和而产生地表径流，反而降雨强度较小时，雨水保留率较大。由于绿化屋顶的雨水滞留率等于雨水滞留量与降雨量的百分比，因此当降雨量超过绿化屋顶雨水滞留能力产生径流，雨水滞留率也随着降雨量增加而减小。另外，前期干旱时间通过蒸散和重力排水来释放水分，从而为二次降雨提供可用滞留空间，以提高绿化屋顶的雨水滞留能力。事实上，大多数降雨和蒸发都随着季节性变化而不同，但绿化屋顶建设却很难适应这种季节性变化．比如季节性雨水变化和冬季冻融条件等。

4.2结构配置

绿化屋顶上的雨水可以通过植被截流、基质滞留、排水层蓄水等减少径流量，最终经由基质表面蒸发和植物蒸腾过程释放回大气中。Liu Wen等认为绿化屋顶基质材料及其深度是影响绿化屋顶雨水滞留能力的主要因素，并给出绿化屋顶4个结构配置的贡献大小顺序为基质材料>基质深度>坡度>植被。基质水力特性主要包括含水量、导水率、入渗率等，较低的初始含水率和较高的田间持水量对应较高的径流减少和径流延迟，意味着更强的雨水保留能力。蒸发、蒸腾是影响绿化屋顶雨水滞留性能的关键参数，而植物对绿化屋顶雨水保持性能的影响主要体现在蒸腾作用，因为蒸腾是恢复降雨事件之间基质保水能力的主要过程。另外，植物对绿化屋顶水文性能的影响还表现为冠层截留、根系吸水、根系引入优先入渗路径、根系挤占滞留空间等。

4.3建筑物荷载安全限制

建筑物结构荷载安全、建设成本和后期维护管理成本是影响绿化屋顶水文性能必须要考虑的限制条件。根据我国《建筑结构荷载规范》规定，不上人的屋面活荷载标准值为0.5kN/m2，其他屋面活荷载标准值在2—3kN/m2，而生长基质深度在5—20cm的简单式绿化屋顶总重量约70～l70kg/m2，由此，大多数屋面都能够满足绿化屋顶的建设荷载需求。但为获得满足基质特性的轻质土壤，一些学者选用珍珠岩、蛭石、陶粒、椰糠、绿色废弃物堆肥等轻质材料改良土壤，另外还对保水能力超过80%的矿物岩棉板、绝缘软木板(ICB)等轻质培养基进行研究。绿化屋顶荷载安全需要考虑绿化屋顶结构建设初期的荷载以及基质饱和、蓄水、植被生长所增加的荷载。

4.4建设和维护管理成本制约

绿化屋顶的建设成本取决于地理位置、人工成本、绿化屋顶类型和材料等，简单式绿化屋顶基质和排水层约占总成本的48%，植被成本占31%，阻根防水成本占16%,滴灌成本占5%。根据Niu等的研究，华盛顿绿化屋顶的建设成本比传统屋顶成本高27%。而绿化屋顶的定期管理维护主要包括灌溉、施肥、除杂草、排水和基底检查等。为确保长期可持续灌溉，潜在的解决方案主要是雨水收集再利用、提高保水性、增加滞留层、生活用水灌溉和智能控制灌溉等。尽管绿化屋顶的诸多潜在效益远比建设成本重要，但这些潜在效益往往不能产生直接利润，而是一种间接或长期日报。同时，增加初期建设成本、维护管理和浪费水资源等方式通常被认为是不可持续的做法，这也是阻碍绿化屋顶发展的重要因素。

4.5径流污染和屋面渗漏风险

有研究表明，绿化屋顶也是氮和磷等污染物的来源，这可能与绿化屋顶基质本身的富营养化和养分浸出有关。虽然部分学者通过在基质中添加陶粒、海藻、生物炭等材料对于改善径流污染取得了一定成效，但能否消除径流水质带来的负面影响仍是影响绿化屋顶是否可持续发展的一个重要因素。尽管绿化屋顶对屋面防水卷材具有一定保护作用，但任何屋面都有可能出现渗漏风险，针对绿化屋顶开发的防水卷材并不多见，解决屋顶渗漏问题也是绿化屋顶发展的关键因素。

5 结论与展望

绿化屋顶具有滞留雨水、减少雨水径流和径流峰值、推迟径流峰值时间以及过滤和处理雨水等诸多雨水管理优势，同时还具有降低建筑物能耗、延长建筑物寿命、缓解城市热岛效应、增加生物多样性、减少噪音和空气污染等生态环境效益，能够有效改善由城镇化快速发展所带来的生态环境问题，是一种可持续的低影响开发方式，在我国海绵城市建设中具有较大的应用前景。绿化屋顶水文性能主要受气象因素和结构配置（植被、基质、蓄排水材料等）影响，同时存在建筑物荷载安全限制、建设成本较高、维护管理难、径流污染浸出、屋面渗漏风险、缺乏区域有效实践数据等困难和挑战。而最新的研究都指向了降低成本、节能环保、资源循环利用等可持续发展方式，并建立效益有效性与绿化屋顶结构性能参数优化之间的相互影响关系。基于已有文献的研究，提出开展我国绿化屋顶技术深入研究的一些建议和研究方向。

(1)深入开发绿化屋顶在当地的潜在效益。坚持绿色发展理念，加快海绵城市建设，让城市既有“里子”也有“面子”，提高新型城镇化发展质量是大势所趋，具有较好发展前景。然而绿化屋顶技术作为源头管理的主动式海绵城市建设措施的优越性并没有引起广泛关注，特别是不同区域气候条件下绿化屋顶在当地的适宜性研究也需要进一步加强。另外，绿化屋顶技术作为水文、环境、土木等交叉学科研究，需要加强学科间的交流合作，充分发挥各学科潜在优势。

(2)结构性能综合优化。开发低成本、高性能、少维护的绿化屋顶或成为其推广应用的重要支撑。而绿化屋顶大多理想的结构特征存在相互制约（如增加基质厚度与荷载安全等），需要整体考虑绿化屋顶结构优化与最佳效益之间的相互影响关系，以便优化一项功能不会对另一项功能产生负面影响。

(3)绿化屋顶机理模型研究。目前绿化屋顶研究广泛应用的机理模型大多源于土壤水动力学或地下水动力学相关入渗模型、热传递模型、根系吸水模型和蒸发（蒸腾）模型等理论模型，但绿化屋顶基质层厚度有限和排水层作为下边界条件等特点有别于自然土层的特殊性，且绿化屋顶水分运移与热传递作为其最重要的两个性能存在密切相关，如何基于已有研究开发绿化屋顶水分运移、热传递及水热耦合机理模型有待进一步研究。

(4)制定有关政策措施和技术规范。对比国外绿化屋顶发展较好的一些国家，均出台了强有力的激励和支持政策，尽管我国部分城市配套了相关政策，但相比这些强制性措施、补贴政策、奖惩措施以及雨水费制度等有效做法，其实际效果并不理想。另外，绿化屋顶的推广应用除了受政策激励外，加强相关基础研究，因地制宜制定和完善理论与实践相结合的技术标准和规范显得尤为重要。

摘自《水文》2021年第1期