粗放型屋頂綠化雨水滯蓄研究展望

蔡君一，黃 瑞

(西南交通大學，四川 成都 610097)

1 引言

在世界范圍內，城市化地區正在迅速取代自然植被，導致不透水表面大量增加，引發了極具復雜性和綜合性的城市雨水問題。有學者指出，城市水文系統必須應對高度波動的地表徑流水量，這些水量在降雨期間可能變得非常高，而在其余時間則保持低水平。全球性氣候變化可能會進一步加劇這些波動，特別是洪水風險將進一步增加[1]。屋頂綠化是海綿城市源頭削減和城市綠地補給的有效方式，在緩解用地難題的同時也能在雨水的滯蓄方面發揮重要作用。因此，充分了解粗放型屋頂綠化的徑流調控作用，對緩解城市水環境問題有重要意義。

2 粗放型屋頂綠化的雨水滯蓄能力

粗放型屋頂綠化(Extensive Green Roof)，又稱拓展型屋頂綠化，是最簡單的輕型綠化形式，對屋頂設計載荷要求為60～150 kg/m2，土壤基質層較淺，結構雖輕，但卻有較好的生態環境效益，后期無需復雜的灌溉工程和頻繁養護，因此建造、維護和管理成本低，便于推廣[2]。據資料顯示，在德國，屋頂綠化僅20%為屋頂花園，其余80%都為粗放型屋頂綠化[3]。1985年德國文獻首次提到綠色屋頂的保水能力，其后大量研究證實，與傳統的裸露屋頂相比，屋頂綠化在減少雨水徑流量，推遲初雨徑流，降低并推遲洪峰等方面具有顯著作用。Nicholaus D[4]通過兩項實驗研究發現，粗放型屋頂綠化最高能削減 82. 8%的雨水徑流，明顯高于無綠化的普通屋頂。Bruce G Gregoire和John C Clausen[5]總結了北美和歐洲13州相關的研究測試，結合在康涅狄格大學屋頂的實驗研究發現，粗放型綠色屋頂可以攔截、保留和蒸發34%到69%的降水，平均滯蓄率為56%。Mark T Simmons 等[6]在得克薩斯州的一項重復研究中發現，粗放型綠色屋頂在中型和大型降雨事件的最大雨水滯蓄率分別為88%和44%。

3 粗放型屋頂綠化對徑流調控的影響因素

屋頂綠化和城市雨水的地域性特征和變化多樣的特性使得不同研究之間的結果差異較大，不同的研究方法產生的量化數據也有較大偏差。目前針對屋頂綠化的滯蓄影響因子，國外已經開始展開對外部因素的研究(如建筑坡面、降雨強度、季節氣候等)，但國內的相關研究還是集中在自身系統要素方面，通過研究植被(植物的類型和植被組合方式)方式、基質層(基質深度、基質組成類型、基質含水量等)和其他構造層對雨水滯蓄效應的影響[7]。

3.1 基質

屋頂綠化雨水滯.蓄能力最大的影響因素是基質厚度。隨著基質深度增加，基質內部可以蓄水的空間變大，因此蓄水能力更強。縱觀以往不同類型屋頂綠化的雨水滯蓄研究，不難發現，密集型屋頂綠化的滯蓄能力往往大于粗放型屋頂綠化，除了植被豐富度和覆蓋度的影響以外，基質的厚度是最重要的影響因子。Mentens[1]等通過分析總結過去已發表的相關文獻，發現密集的綠色屋頂由于其厚的基底層的存儲能力，在減少徑流方面比粗放型的綠色屋頂更有效。Andrea Nardini等[8]在意大利東北部的一個實驗性綠色屋頂中研究了基質深度和植被類型對雨水徑流減少的相對貢獻，200 mm厚比120 mm厚的能多削減20%的徑流。張彥婷[9]在上海粗放型屋頂綠化基質層對雨水的滯蓄影響研究中發現，對比基質厚度為100 mm和200 mm的粗放型屋頂綠化小試裝置，300 mm基質厚度的滯蓄能力最強，滯蓄率達57.52%，初始產流時間最高達80 min。陳興武[10]基于植被類型和基質深度兩個要素進行的雨水滯蓄實驗結果表明：16 cm基質的屋頂綠化裝置水分吸收能力普遍高于8 cm基質的綠化裝置。

粗放型屋頂綠化的栽培基質主要采用人工配比的輕型基質。較小的基質密度、高持水能力和高孔隙率是用于綠色屋頂的生長基質所需的物理特性。較基質成分一般是由有機質土壤(如田園土、輕質泥炭土、堆肥)和一些無機礦質材料(如陶粒、沙、浮石、珍珠巖、蛭石等)配比而成。其組成成分和各組成物質之間配比的量對綠色屋頂的雨水滯蓄能力也有重要影響。土壤基質的總孔隙度、濕容重、水分滲透速率等都會影響屋頂綠化的雨水滯蓄能力。基質中的小粒徑顆粒物所占比例會影響滯蓄能力，其含量越高，滯蓄能力就越好，基質配比中直徑小于1 mm顆粒比例的增加可以提高保水率[11]。細顆粒會填充較大顆粒之間的孔隙，從而產生更多的保水孔隙，提升基質的雨水滯蓄能力。與此同時，也有不少研究發現，基質的有機質含量也是影響其滯蓄能力的重要因素。Claire Farrell[12]等的研究指出，生物炭是增加屋頂綠化基質保水量以此提高雨水滯蓄能力而不增加基質重量的有效途徑，向基質中增添40%的生物炭可以顯著提高基質的雨水保持能力。

3.2 植被

植物是綠色屋頂與環境之間的關鍵界面。從理論上講，植被葉片首先可以阻擋和攔截一部分雨水，同時植物的蒸騰作用和生長代謝也可以吸收和消耗雨水。Eline Vanuytrecht[13]等使用水平衡模型(Green Roof)評估了氣候變化對兩種綠色屋頂類型(一種為景天苔蘚植被，一種為草本植物)和標準瀝青屋頂對植被干旱脅迫和雨水滯留的影響，在夏季3種類型的屋頂分別可以減少76%、64%和10%的雨水徑流，草本綠色屋頂比景天苔蘚綠色屋頂減少的徑流更多，但對增加的干旱壓力更敏感。北京建筑大學的張賢魏[14]在北京市氣候特征下，進行實驗研究發現，植物種類對綠色屋頂滯蓄能力具有顯著影響，佛甲草和八寶景天滯蓄效果較好，三七景天和紅葉景天滯蓄效果一般。

再者，除了植物種類的影響以外，屋頂綠化植被豐富度和植物配置形式可能也會對滯蓄結果產生影響，但對這一項具有爭議。Lundholm等[15]選取了生命形態不同的15種植物(矮草、藤本灌木、多肉植物等)，研究了單一植被和三種、五種類型的植被混植的屋頂綠化系統對雨水的滯蓄效果，結果發現，混植的植物水分消耗速率更快，吸水性更優。然而，Nagase等[16]的研究結果卻表明，植物多樣性和物種豐富度并沒有顯著影響雨水徑流量。

3.3 坡度

屋頂綠化的雨水滯蓄能力與屋面坡度有著密切聯系，通常隨著坡度的增加，綠色屋頂滯蓄能力會有所減小，許多研究測試也證實了這一點。Kristin L. Getter[17]等為了量化屋頂坡度對綠化屋頂雨水滯留的影響，對在4個坡度(分別為2%，7%，15%和25%)上構建的12個粗放型綠色屋頂平臺進行了徑流分析。數據顯示平均滯蓄率在坡度為25%時最小(76.4%)，而在坡度為2%時最大(85.6%)。Nicholaus D[4]等人的研究也得出了同樣的結論，覆蓋植物的粗放型綠色屋頂在基質深度為4 cm，屋頂坡度為2%時滯蓄能力最強，合并所有降雨事件，其平均滯蓄率最高能達到87%。

3.4 降雨量和降雨強度

當降雨強度增大時，屋頂綠化的土壤基質會快速吸收水分，土壤基質很快便能達到水飽和狀態，甚至當降雨強度過大時，雨水在土壤中甚至來不及下滲，雨水會溢流而出形成地面徑流，屋頂綠化的滯蓄能力會因此減弱。徐田婧[18]等研究發現，雨量和雨強與徑流削減率均呈顯著負相關關系(P<0.01)，徑流削減率隨降雨量增加呈遞減趨勢。Lee[19]等通過定量研究發現，粗放型屋頂綠化在降雨量<20 mm/h時有很強的保水能力。但隨著降雨強度的增加，保水能力下降。同樣，鄭美芳等[20]對成都市兩個粗放型屋頂綠化的監測結果顯示，綠色屋頂的截留能力隨雨強的增大而減弱，日雨量<10 mm時，兩綠色屋頂截流率為99.7%，暴雨時僅有30.9%，約為小雨時的1/3。張華等[21]基于37次模擬降雨實驗，通過建立產流時間數學模型研究降雨量和降雨強度對屋頂綠化初始徑流時間影響，得出的結論與上述研究結果一致，二者呈負相關。

4 研究趨勢與展望

4.1 粗放型屋頂綠化雨水滯蓄效應的地域性研究

粗放型屋頂綠化的滯蓄影響因子眾多，但無論是基質類型、植物的選擇，還是區域氣候的干擾，都具有地域性特征。尤其在植物篩選方面，粗放型屋頂綠化生長環境較為極端，要選擇抗旱、抗寒、抗貧瘠、耐濕熱的本土性植物，同時對篩選出的本土植物進行雨水滯蓄研究。目前相關的研究結論爭議較大，需要以地區為例進一步明確影響因素，構建雨水滯蓄更為高效的植物配置模式。除此之外，在不同的氣候區，例如溫潤多雨的四川與干旱少雨的西北各省，綠色屋頂的截流能力及規律也會有所差異。因此，以具體城市的屋頂為主要研究對象，根據其所在地區的地理氣候條件篩選適宜的植被和屋頂構建模式更具實踐意義。

4.2 宏觀視角下粗放型屋頂綠化雨水滯蓄效應的價值評估

目前的研究對象主要是一些單體建筑屋頂或小型模擬屋頂實驗模型，大多數學者都是從微觀個體的角度出發研究其雨水滯蓄的相關性質，理論成果也頗為豐富。但是在宏觀視角下，即城市區域尺度內，大規模應用粗放型屋頂綠化后的雨水滯蓄總體效應研究還尚少，難以精確衡量粗放型屋頂綠化在城市雨洪管理中所做出的貢獻，未來這一方向的深入研究可以為城市規劃者和屋頂綠化的建設者提供更具參考性的理論依據。

4.3 基于多因素的粗放型屋頂綠化雨水滯蓄效應綜合研究

屋頂綠化雨水滯蓄能力的影響因素眾多，除了上文所述的幾類研究較多的方面，還包含了屋頂所在建筑高度、屋頂面積、朝向、屋頂運行時間、基質保水劑含量、基質初始含水量等更為詳細的因素。多種因素之間的相互作用可能是導致實驗結果差異較大的重要原因，例如在研究植被類型對雨水滯蓄能力影響的同時，還需考慮到植物自身在不同季節的生長狀況的變化，不同的季節研究結果可能會截然相反。王紅兵[22]等人通過文獻調研，提取國內外有關屋頂綠化的實驗數據并根據因素之間的互作關系，分析推導屋頂綠化的徑流量公式，最后提出了要控制基質有機質含量、基質初始濕度、基質厚度、生物量、降雨強度等關鍵指標。但目前這類研究還處于起步階段，大部分研究依舊還停留在單個因素的對照分析，對于多因素的綜合作用，無論是研究方法還是研究結論都有待進一步探索。