基質材料對綠色屋頂滯水保溫性能的影響*

丁子航，唐中亞，時振翔，楊仕明，叢海兵

（1.揚州大學 環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127；2.揚州市給排水管理處,江蘇 揚州 225009）

0 引言

城市化在農田草地上建設房屋和馬路，大大增加了不透水地表面積［1-2］，據統計，城市的平均透水面積只占25%，這大大縮減了雨水下滲量，增大了雨水徑流量，加大了城市排水系統的壓力，增大了洪澇風險［3-4］。

為了盡可能降低城市化帶來的雨水排水壓力，提出了海綿城市建設理念，通過增加流域面透水面積和蓄水能力，提高對雨水的滲、滯、蓄能力，從而減少雨水徑流總量，削減排水洪峰。常見的做法有下凹綠地、透水路面、綠色屋頂、蓄水塘等，在不影響工程建設和使用的前提下充分利用建筑平面和空間滯納雨水。屋頂是城市不透水面積的重要組成部分，占不透水區域的40%～50%，具有很大的海綿建設潛力，如果在屋頂鋪上種植基質，種植草坪花卉，將能夠吸收大量的雨水徑流，還能改善空氣質量，減輕噪聲污染，減少熱島效應等［5-6］。

綠色屋頂建設的關鍵是種植基質結構的確定和植物的選配，基質厚度薄不利于植物生長，吸水能力差，但厚度太厚又增大屋頂結構重量。基質材料質地要輕，還要有涵水能力，保障植物生長［7-8］。植物選配上要耐旱澇，耐寒熱［9］。不同地區的降雨強度不同，需要的雨水滯蓄能力不同，基質結構要求不同；氣候條件不同，能適應的植物也不同［10］。因此，本研究針對長江下游城市，設計了三組綠色屋頂，采用不同的基質結構，配置幾種植物，進行模擬降雨實驗，以評估其徑流削減性能、隔熱性能等，考察植物生長狀況，以期為該地區綠色屋頂建設提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

綠色屋頂實驗裝置建設于揚州市某建筑的屋頂，建筑高度約20 m，屋頂為混凝土平屋面，用粘土磚砌筑圍成長寬高分別為2 m、1 m、0.45 m的區域，共有4套實驗系統，其中3套內敷設種植基質厚度分別為15 cm、25 cm、35 cm，第4個不敷設基質，作為對照。考慮到植物的生長環境和屋頂的承載力，選擇了四種混合類型的輕質材料作為生長基質，混合物的體積比為田園土∶蛭石∶珍珠巖∶鋸末=4∶3∶2∶1。植物包括種植的佛甲草及土壤自然萌發的植物，經自然生長半年后，主要剩余佛甲草，其他植物受佛甲草競爭而萎縮，說明佛甲草是該地區適宜的綠色屋頂植物。貼近種植基質表面安裝出水管，管出口伸出裝置外，并安裝水表計量出流量。裝置上方安裝人工降雨穿孔管及連接水箱，用于模擬人工降雨，如圖1所示。

1.2 降雨模擬

暴雨強度是根據揚州市暴雨強度公式設計的，表示為：

式中，q為設計暴雨強度[L/(s?hm2)]；P為暴雨重現期（年）；t為降雨歷時（min）。

根據《室外排水工程設計規范》，選取暴雨重現期為1年、3年、5年；根據平原河網地區的排水距離，選取降雨歷時為30 min、60 min、120 min。

以上公式計算的是降雨歷時t分鐘內的平均降雨強度，實際的降雨強度過程是先增加，達到峰值后再減小。參照臨近城市雨型，降雨峰值出現在0.461t時間，降雨強度過程服從芝加哥雨型［23］。

模擬降雨實驗時，根據芝加哥雨型計算的降雨量，每間隔5 min調節一次降雨強度，保證降雨強度與芝加哥雨型的降雨量相當。

1.3 屋面溫度測量

用TP-101型號的電子溫度計測量自然屋面的溫度，測量裸露屋面時，將感溫探頭放置在屋面，上面覆蓋棉花，避免太陽直射，等溫度計示數穩定之后進行讀數；測量綠色屋頂下屋面溫度時，將溫度計通過基質材料，使探頭接觸到混凝土屋面，待示數穩定后進行讀數。測量時間為每天下午1時，連續測量一周。

2 結果與討論

2.1 屋頂植物的適應性

實驗結果表明，35 cm和25 cm基質深度下的植物群落具有更優的豐富度和大小，其中佛甲草生長狀況最佳，其次為野豌豆，其他植物雖有存活但是數量遠遠少于佛甲草和野豌豆。佛甲草為景天科多年生草本植物，冬季葉片呈黃綠色，來年春季又會變成綠色，且對屋頂環境表現出了良好的適應性；雖然野豌豆也具有較好的適應性，但是野豌豆屬于一年生草本植物，生存周期短，并且伴有嚴重的蟲害，因此不適合作為綠色屋頂植物。

表1 綠色屋頂植物種類

2.2 綠色屋頂對暴雨徑流削減性能對比

各綠色屋頂相對于自然屋面的徑流總量削減率、徑流峰值減率，見表2、表3所示。

表2 各綠色屋頂相對于自然屋面的徑流總量削減率（%）

表3 各綠色屋頂相對于自然屋面的徑流峰值削減率（%）

根據實驗結果可見，在重現期1～5年，降雨歷時30～120 min的條件下，三種綠色屋頂對徑流總量和徑流峰值均具有較大的削減作用。35 cm、25 cm、15 cm的綠色屋頂對降雨徑流總量的削減率分別為：64.3%～100%、59.7%～100%、46.6%～100%；對徑流峰值的削減率分別為：59.3%～100%、53.4%～100%、40.5%～100%。

綠色屋頂對于雨水徑流的削減主要依靠基質的孔隙，其多孔的結構能夠允許較高的持水量?；|材料的密度、孔隙率、水導率、營養和持水能力對徑流削減和植物生長關系密切，基質中的田園土主要為植物提供營養，土和鋸末的持水能力提供植物生長持續的水分。蛭石和珍珠巖提供支撐孔隙，透水保溫。為了減少地表徑流并防止屋頂雨水泛濫，基質應具有適當的透水性以促進滲透［11］。研究結果表明僅增加基質材料的深度并不能顯著提高綠色屋頂的保水能力，即當基質材料深度從15 cm增加到25 cm時，徑流削減率增長為2%～25%；當基質材料深度繼續從25 cm增加到35 cm時，徑流削減率僅增長5%～8%。因此，建議采用25 cm厚的種植基質。

2.3 不同綠色屋頂保溫隔熱能力對比

2019年8月2日至8日連續測量裸露的自然屋面上表面、綠色屋頂的屋面上表面溫度見表4所列。

表4 綠色屋頂及自然屋頂下午1時屋面上表面溫度（℃）

從表4可以看出，各綠色屋頂相比于自然屋面對于屋頂的熱負荷具有明顯的降低作用，基質厚度35 cm、25 cm的綠色屋頂的隔熱性能相近，在下午1時溫度基本維持在32℃～35℃，對屋頂熱負荷的降低比率為43%～13%；基質厚度15 cm的綠色屋頂隔熱性能較優于基質厚度35 cm、25 cm的綠色屋頂，溫度基本維持在31℃～33℃左右，對屋頂熱負荷的降低比率為45%～19%。

理論上，種植基質的厚度越大，保溫隔熱效果越好，而表4數據顯示基質厚度越小，屋面上表面溫度越低。這是因為在夏季高溫條件下，由于不通風導致室內溫度高于當地氣溫，室內的熱量通過混凝土屋面向其上方的綠色屋頂系統傳遞，較深的基質材料阻礙了屋面板向上散熱使熱量積蓄在基質下，因而使屋面溫度較高，這恰恰說明了在冬季基質層具有的保溫效果。如果夏季室內是具有空調的涼爽環境，較厚的基質層能更好地隔離外熱向室內傳遞。

3 結論

采用體積比為田園土:蛭石:珍珠巖:鋸末=4:3:2:1的綠色屋頂基質種植植物，培育綠色屋頂雨水削減系統，通過人工模擬降雨產流實驗，探討了不同基質厚度綠色屋頂對降雨徑流削減和隔熱保溫的影響，主要結論如下：

（1）重現期1～3年、降雨歷時30～120 min的芝加哥設計暴雨雨型條件下，基質厚度15～35 cm的綠色屋頂對徑流總量削減率為48.3%～100%，徑流系數0～0.44；對降雨徑流峰值的削減率40.5%～100%。建議采用25 cm厚基質。

（2）佛甲草適合作為長江下游地區綠色屋頂植物。

（3）綠色屋頂夏季能降低屋面溫度5℃～25℃，具有顯著的建筑節能效果。