綠色屋頂影響降雨徑流滯蓄效應(yīng)的研究進(jìn)展

馮蘊(yùn)哲， 王 勝

(1.中鐵二十局集團(tuán)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 重慶 401336； 2.重慶市市政設(shè)計(jì)研究院， 重慶 400020)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，城市土地利用類型發(fā)生改變，不透水下墊面的劇增導(dǎo)致城市內(nèi)澇與徑流污染問題日益突出[1]。作為城市“第五屋面”的屋頂，不僅占城市不透水下墊面面積的40%左右[2]，還可作為大氣污染物沉降的主要載體，協(xié)同屋面材料污染物的析出作用，致使屋頂降雨徑流成為城市雨洪削減和污染控制的開拓新區(qū)域。運(yùn)用生態(tài)技術(shù)原理的綠色屋頂可在一定程度上緩解城市內(nèi)澇，尤其是大面積綠色屋頂?shù)膽?yīng)用，可通過(guò)調(diào)控洪峰流量和徑流量降低內(nèi)澇發(fā)生的概率[3]，已成為海綿城市建設(shè)中廣泛采用的源頭類雨水控制措施。綠色屋頂通常由植被層、基質(zhì)層、過(guò)濾層和蓄排水層組成，并具有一定的坡度[4]。在工程應(yīng)用中，綠色屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)影響其對(duì)降雨徑流的滯蓄效應(yīng)，進(jìn)而影響海綿城市建設(shè)效果。有研究發(fā)現(xiàn)，栽種植物的綠色屋頂可削減50%的徑流峰值，延遲洪峰8 min，并對(duì)雨水的截留率提高4%[5]；基質(zhì)種類和厚度也會(huì)影響屋頂?shù)慕涤陱搅鳒钚Ч鸞2]；蓄水層的設(shè)置可顯著提高綠色屋頂對(duì)降雨徑流的削減能力[6]。此外，屋面坡度也可影響綠色屋頂對(duì)降雨徑流的滯蓄效應(yīng)[7]。為此，以植物和基質(zhì)的水文調(diào)控原理為主線，總結(jié)分析植物種類與多樣性、基質(zhì)成分與厚度、蓄排水層和屋頂坡度對(duì)綠色屋頂滯蓄效應(yīng)的影響機(jī)理，以期為海綿城市建設(shè)過(guò)程中綠色屋頂?shù)慕ㄔ旒吧钊胙芯刻峁﹨⒖肌?/p>

1 植物對(duì)綠色屋頂滯蓄效應(yīng)的影響

1.1 水文調(diào)控原理

植物對(duì)屋面徑流的水文調(diào)控主要通過(guò)水分截留、吸收和蒸騰作用實(shí)現(xiàn)。一般而言，屋面徑流產(chǎn)生量受控于降雨量、植物攔截雨水量、基質(zhì)保水量、植物蒸散量和基質(zhì)蒸發(fā)量[8]。降雨初期，植物冠層通過(guò)水分吸收和植物表面蒸發(fā)作用截留部分降雨和屋頂徑流[9]。在場(chǎng)次降雨期間，被吸收的水分通過(guò)蒸騰作用返回大氣中，而該過(guò)程又促使植物不斷吸收基質(zhì)內(nèi)保留的水分，進(jìn)而提高基質(zhì)的保水能力[10]。此外，有些植物還可通過(guò)根系在基質(zhì)中形成的優(yōu)先流對(duì)徑流產(chǎn)生影響[11]。植物根系還可通過(guò)構(gòu)型特征影響基質(zhì)的蓄水能力，如發(fā)達(dá)的須根系會(huì)大量占據(jù)土壤孔隙，反而降低基質(zhì)的蓄水空間[12]。

1.2 植物種類

植物種類會(huì)顯著影響綠色屋頂對(duì)降雨徑流的水文調(diào)控效應(yīng)。王書敏等[13]研究發(fā)現(xiàn)，種植麥冬的屋頂可延緩降雨產(chǎn)流25～48 min，徑流削減率為40%～58%；接骨草屋頂則可延緩降雨產(chǎn)流60～130 min，徑流削減率高達(dá)54%～80%。章孫遜等[14]研究發(fā)現(xiàn)，馬齒莧屋頂平均徑流削減率為51.3%，高于高羊茅屋頂(36.3%)和佛甲草屋頂(41.5%)。不同植物對(duì)綠色屋頂滯蓄效應(yīng)的影響與植株形態(tài)有關(guān)，一般而言，株徑和高度較大，根系發(fā)達(dá)的植物會(huì)提高綠色屋頂對(duì)雨水的滯蓄能力。有研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)花綠色屋頂在徑流消減率、產(chǎn)流和峰現(xiàn)時(shí)間均優(yōu)于佛甲草綠色屋頂，這主要是由于太陽(yáng)花的株高和單位面積生物量均高于佛甲草[15]；與木本植物景天相比，高植株、大株徑和高莖根生物量的非禾本科草本植物對(duì)徑流的滯蓄效果更好[16]。

綠色屋頂?shù)臏钅芰Σ粌H受植株形態(tài)影響，還受控于植物的蒸騰作用強(qiáng)弱。有研究發(fā)現(xiàn)，高蒸發(fā)率(ET)的鼠尾草屬(Salvia)和水蘇屬(Stachys)對(duì)雨水的滯蓄率高達(dá)72%，明顯高于低ET的景天[17]；由于ET存在差異，草本植物屋頂對(duì)徑流的滯蓄效應(yīng)要優(yōu)于景天植物屋頂[18]；非肉質(zhì)植物因其較高的耗水量，在降雨期間較肉質(zhì)植物會(huì)滯蓄更多的雨水，但非肉質(zhì)植物難以適應(yīng)較長(zhǎng)的干旱天氣[19]；高耗水植物能滯蓄更多的降雨徑流，但易受干旱天氣影響而難以存活[20]。

此外，部分植物在不同生長(zhǎng)周期也會(huì)改變綠色屋頂?shù)臏钚?yīng)。胡尹超等[21]研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)花在生長(zhǎng)季節(jié)(3—6月)具有更強(qiáng)的雨水滯蓄能力，而臥地延命草、洋竹草和佛甲草等植物的滯蓄能力并不受生長(zhǎng)期影響。

1.3 植物多樣性

植物多樣性是否影響綠色屋頂對(duì)降雨徑流的滯蓄作用，目前尚未有統(tǒng)一結(jié)論。有研究發(fā)現(xiàn)，由多須草(Lomandralongifolia)、山菅屬(Dianellaadmixta)和彎藥百合屬(Stypandraglauca)3種植物混合種植的綠色屋頂，雖然生物量較豐富，但其徑流滯蓄效果低于單一植物屋頂[11]；混合栽種豆科植物、草本植物、小型灌木和多肉植物的屋頂較單一植物屋頂?shù)乃譁钅芰Ω頪22]。但地中海本土灌木和草本植物組成的綠色屋頂，其保水性要高于單一植物屋頂[23]；栽種濕地植物和旱地植物的綠色屋頂，較單一植物屋頂可滯蓄更多的降雨徑流[24]。此外，單一植物的冠層會(huì)阻止綠色屋頂中的水分蒸發(fā)，而多樣性較高的屋頂可通過(guò)植物間水分吸收的時(shí)間互補(bǔ)性提高其對(duì)雨水的滯蓄能力，種植5種植物的屋頂對(duì)雨水的滯蓄效應(yīng)強(qiáng)于種植3種植物的屋頂[25]。

2 基質(zhì)對(duì)綠色屋頂滯蓄效應(yīng)的影響

2.1 水文調(diào)控原理

在綠色屋頂各結(jié)構(gòu)參數(shù)中，基質(zhì)對(duì)雨水的滯蓄效應(yīng)影響最顯著[26]。綠色屋頂中基質(zhì)主要通過(guò)滲透、儲(chǔ)存和表面蒸發(fā)等途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的蓄滯作用[27]。降雨初期，基質(zhì)表面的雨水被吸附至內(nèi)部孔隙中進(jìn)行儲(chǔ)存，并受基質(zhì)孔隙率和電導(dǎo)率影響，且孔隙率和電導(dǎo)率越大，基質(zhì)對(duì)雨水的儲(chǔ)存效果越好。基質(zhì)儲(chǔ)水量介于永久萎蔫點(diǎn)和最大持水量之間[28]，而持水量與基質(zhì)的不均勻系數(shù)有關(guān)，基質(zhì)粒徑越均勻，持水量越少[29]。隨著降雨的持續(xù)，基質(zhì)儲(chǔ)水量開始飽和，不斷下滲至排水層內(nèi)，而下滲速率受基質(zhì)水力傳導(dǎo)性能影響[30]。與此同時(shí)，基質(zhì)表面產(chǎn)生徑流并受基質(zhì)形狀和表面紋理影響，尤其是粗糙的紋理能更有效地輸送雨水徑流[31]。降雨停止后，基質(zhì)中裸露的水分將蒸發(fā)至大氣中，從而降低基質(zhì)含水量，釋放出基質(zhì)的存儲(chǔ)空間，使其恢復(fù)滯蓄性能。

2.2 基質(zhì)成分

2.2.1 基質(zhì)材質(zhì) 不同基質(zhì)材質(zhì)會(huì)影響綠色屋頂?shù)臏钚?yīng)，輕質(zhì)基質(zhì)有助于降雨徑流的滯蓄。如輕基質(zhì)、改良土和田園土綠色屋頂?shù)钠骄鶑搅飨鳒p率分別為82.2%、88.4%和89.4%，而對(duì)產(chǎn)流的平均延遲時(shí)間分別達(dá)48.8 min、106.2 min和163.9 min[32]。張千千等[33]通過(guò)模擬降雨強(qiáng)度為50～80 mm的降雨事件，研究不同基質(zhì)對(duì)綠色屋頂徑流量的影響，結(jié)果表明，商業(yè)基質(zhì)的滯蓄率高達(dá)51.1%，而火山巖基巖、田園土的滯蓄率分別為33.6%和30.4%。印定坤等[34]研究表明，超輕基質(zhì)的水力傳導(dǎo)率為改良土的4倍，而平均滯蓄率僅相差5%。

2.2.2 基質(zhì)組配 唐立鴻[35]采用土壤改良劑、泥炭和陶粒，分別以3∶4∶3和4∶4∶2的質(zhì)量比混合形成組合基質(zhì)，結(jié)果以4∶4∶2配比基質(zhì)對(duì)水分的滯蓄效果更優(yōu)。李淑英[36]用田園石、椰糠、蛭石和珍珠巖以不同質(zhì)量比組配成9種基質(zhì)，研究滯蓄效果，結(jié)果表明，以2∶3∶4∶1的質(zhì)量比組配時(shí)，綠色屋頂對(duì)雨水的滯蓄效果最好。

2.2.3 基質(zhì)添加物 相關(guān)研究表明，在基質(zhì)中添加某些物質(zhì)可有效改善綠色屋頂對(duì)雨水的滯蓄效果。如將椰子皮和堆肥樹皮混合的有機(jī)物添加至基質(zhì)中，發(fā)現(xiàn)綠色屋頂?shù)臏钚阅茈S基質(zhì)中有機(jī)物含量的增加而增強(qiáng)[37]；在基質(zhì)中分別添加0%、10%、20%、30%和40%(體積比)的生物炭，結(jié)果表明，生物炭能顯著提高基質(zhì)的持水能力，當(dāng)添加40%生物炭時(shí)基質(zhì)的持水性最佳[38]。但商業(yè)基質(zhì)和生物炭基質(zhì)的滯蓄性能并無(wú)顯著差異，其平均滯蓄率分別為72.54%和72.08%[39]。這可能與有機(jī)質(zhì)對(duì)基質(zhì)持水能力的改善效果不同有關(guān)。CLAIRE C等[40]研究表明，添加硅酸顆粒和水凝膠等保水劑可改善基質(zhì)的持水能力，其中，硅酸鹽可提高火山渣和碎赤陶土瓦片基質(zhì)的持水能力，而水凝膠只可改善火山渣的持水能力。

2.3 基質(zhì)厚度

基質(zhì)厚度對(duì)綠色屋頂滯蓄性能的影響僅次于基質(zhì)材質(zhì)[41]。屋頂產(chǎn)流時(shí)間隨基質(zhì)厚度增加而延長(zhǎng)，徑流峰值也隨之降低，而滯蓄水量隨之增加，當(dāng)基質(zhì)厚度為300 mm時(shí)，雨水滯蓄效果達(dá)到最佳[42]。同時(shí)，綠色屋頂徑流削減率、洪峰削減率和產(chǎn)流時(shí)間延遲率與基質(zhì)厚度成正比[32，43]，但基質(zhì)厚度對(duì)徑流的滯蓄能力還受植物所影響，如種植克里特奧勒岡和高羊茅的綠色屋頂，其滯蓄能力隨基質(zhì)厚度的增加而增大，種植千佛手的綠色屋頂無(wú)此規(guī)律[43]。此外，基質(zhì)厚度對(duì)滯蓄能力的影響也有所不同，印定坤[44]研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)厚度從100 mm增至150 mm時(shí)，滯蓄率增加6.5%；從150 mm增至200 mm時(shí)，滯蓄率僅增加4.9%。

3 蓄排水層

為提高綠色屋頂?shù)男钆潘芰Γ深~外添加排水基質(zhì)并通過(guò)提升排水管出水口位置來(lái)設(shè)置蓄排水層。有研究發(fā)現(xiàn)，排水層基質(zhì)材料對(duì)排水層產(chǎn)流時(shí)間和峰值流量削減能力無(wú)顯著影響，而蓄水層厚度對(duì)綠色屋頂滯蓄效應(yīng)影響較大[44-45]。秦華鵬等[6]研究表明，相同雨強(qiáng)下，綠色屋頂?shù)膹搅飨鳒p性能隨蓄水層厚度的增加而增加，其中，當(dāng)蓄水層飽和后，徑流削減量達(dá)到最大；當(dāng)蓄水層無(wú)儲(chǔ)水時(shí)，徑流削減能力將達(dá)到最大。但陳曉昱[46]研究發(fā)現(xiàn)，綠色屋頂?shù)臏钅芰κ苄钏畬芋w積比的影響不顯著。此外，蓄水層的設(shè)置還可增大屋頂?shù)膶?shí)際蒸發(fā)量，進(jìn)而可有效減少屋頂徑流量[47]。

4 坡度對(duì)綠色屋頂滯蓄效應(yīng)的影響

目前，針對(duì)綠色屋頂坡度是否會(huì)影響其滯蓄效應(yīng)還存在一定的爭(zhēng)議。BENGTSSO L等[48]研究表明，屋頂坡度和長(zhǎng)度對(duì)屋頂徑流影響不顯著。而GETTER K L等[49]研究表明，屋頂坡度在2%～25%范圍時(shí)，坡度對(duì)滯蓄性能影響較顯著，且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和ANOVA模型模擬分析表明，綠色屋頂?shù)臏盥孰S坡度的增加而降低。同樣，其他相關(guān)研究也證實(shí)了這一結(jié)論[50-51]。分析認(rèn)為，屋頂坡度的增加會(huì)導(dǎo)致雨水匯流速度加快，基質(zhì)難以發(fā)揮其空間存儲(chǔ)作用。

5 結(jié)論與展望

1) 植物不僅會(huì)影響綠色屋頂?shù)膹搅鳒钚?yīng)，還會(huì)影響其景觀效果，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)選取本土植物進(jìn)行試驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于綠色屋頂種植植物方面研究較少，未來(lái)應(yīng)積極探索國(guó)內(nèi)本土植物及其不同植物配置徑流滯蓄效果的研究，以篩選出最佳功能植物，并確定植物配置模式。

2) 基質(zhì)成分會(huì)對(duì)綠色屋頂?shù)膹搅鳒钚阅墚a(chǎn)生影響，但會(huì)受植物種類調(diào)控。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)植物與基質(zhì)耦合作用的研究，如植物根系構(gòu)型對(duì)基質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。

3) 設(shè)置蓄排水層在一定程度上改善了綠色屋頂?shù)膹搅鳒钚阅?，并可通過(guò)增大水分蒸發(fā)能力減小徑流量。目前，屋頂坡度對(duì)滯蓄效應(yīng)的影響尚未形成統(tǒng)一共識(shí)，未來(lái)可圍繞屋頂?shù)膹搅鳒钚阅芎蜔嵝?yīng)開展屋頂坡度研究，以確定適宜的屋頂坡度。