屋顶绿化灌溉技术研究现状与发展趋势

(银川能源学院 土木工程实践教育中心，银川 750105)

1 研究背景

随着城市化进程的加快，钢筋混凝土建筑的日益增多，城市热岛效应越来越强烈[1]，同时排放物增多，PM2.5逐渐增加，有关研究表明，除了污染物的排放外，主要是由于城市绿化面积大量减少造成的[2]。目前，我国市区人口超过100万的大城市有150多个，人口高度密集，原有的生态环境遭到破坏。联合国生态环境组织提出最佳城市人均居民绿地面积为60 m2，联合国在城市规划中规定人均绿化面积要达到30～40 m2[3]。随着我国城市化的不断扩张，城市的绿化用地越来越少。全国绿化委员会办公室发布的《2015年中国国土绿化状况公报》[4]显示我国人均拥有公园绿地面积仅13.16 m2，与国际标准还相差甚远，为改善城市环境，提高城市绿化率，扩大城市绿地面积显得颇为重要。

鉴于上述背景，在有限的城市用地资源下，尽可能地提高绿化率成为城市绿化的主导方向。近年来，屋顶绿化越来越被更多的人们认同，屋顶绿化不仅能有效提高城市有限空间的绿色覆盖率，减缓大气颗粒物污染[5]，对改善城市生态环境及建设低碳环保型社会起着至关重要的作用[6]。同时屋顶绿化可以吸收雨水，有效缓解地表径流[7]，降低雨水流速。在天然降水的过程中大约有70%被截流，可以有效地促进海绵城市的建设[8]。相关研究表明，屋顶绿化后，屋面变小，可以有效降低建筑能耗[9]，延缓屋顶建材的有效使用寿命[10]。

屋顶绿化的实现，除了要考虑屋顶荷载的限制因素外，最主要的还是屋顶绿化灌溉用水的保证，屋顶植被由于受到屋顶地理位置高、风度大、光照强烈等因素的影响，蒸发量也会随之增多[11]，如果不采取节水灌溉的技术措施，屋顶绿化的耗水量是巨大的。屋顶绿化主要是要保证屋顶植被的正常生长，在有限的水资源条件下，实现节水灌溉技术与屋顶绿化的结合，是推广屋顶绿化重要的保证条件之一。

2 屋顶绿化的构成

一套完整的屋顶绿化系统通常由防水层、隔离层、种植层等基本的构造层次和灌溉系统组成。由于我国地域辽阔，各构造层次在不同的地域存在区别[12]。西北地区实现屋顶绿化还要考虑植被越冬期的防风层设置；带有蓄水功能的屋顶绿化还要考虑设置滤水层；降雨量大的屋面还要进行排水方面的设计。防水层的设置通常采用高分子卷材；隔离层的设置主要防止植被的根系穿刺，通常采用钢筋混凝土；种植层的设置要根据屋顶绿化的植被确定，厚度以满足根系生长为宜，种植层通常采用泥炭种植土，以此减轻重量。灌溉系统的设计要结合植被以及当地的环境因素进行整体考虑，以滴灌与渗灌为主。

目前，屋顶绿化的构造层次在国内基本已经研究成熟，各城市的标准也相差不大，主要的设计原则是在保证建筑屋顶的安全和屋顶植被成活的条件下，尽可能减轻屋顶绿化各构造层次的整体重量。

3 屋顶绿化节水灌溉技术研究现状

屋顶绿化灌溉用水主要以自来水为主，但目前国内学者已经从屋面雨水的收集与灌溉系统整体设计[13]，以此达到节水的目的。屋顶绿化的灌溉方式主要以喷灌、滴灌、渗灌为主，灌溉的实现主要靠人工。自动化的屋顶灌溉技术发展相对滞后，随着近几年太阳能技术的发展，越来越多的绿色屋顶采用太阳能来实现屋顶绿化灌溉的自动化。

3.1 屋顶绿化灌溉用水

屋顶绿化的灌溉用水，目前以自来水为主，屋顶灌溉均需要一定的加压设备，直接将灌溉设备接入自来水，不需要额外的加压设备，便捷省力。但这种灌溉方式直接使用饮用水，会带来大量的浪费，同时屋顶绿化的建造成本也会增加[14]。随着水资源日益紧缺，屋顶绿化灌溉用水根据屋顶植被的特点已经开始了中水、屋顶雨水等水资源利用的相关研究。

中水中污染物除COD外，其余均有所下降，虽然水质略有恶化，但可以直接用于绿化灌溉。屋顶绿化用水单独采用中水应用不多，这与城市中水管网系统的普及存在一定的关系。针对昆明市屋顶绿化灌溉用水的特点，岳秀林[15]提出把中水作为旱季屋顶绿化灌溉用水的备用水源，研究发现中水浇灌屋顶绿化具有很大的可行性。

随着水资源的日益紧缺，已经开始了针对城市屋顶雨水的利用相关研究。屋面雨水存在一定的污染物，研究表明屋面雨水径流污染物主要为化学需氧量和水中固体悬浮物，这是由屋面防水采用的防水卷材造成的[16]。但在屋顶绿化后的屋面，雨水的污染物明显降低，这是由于屋顶绿化可以通过土壤的渗透作用达到净化屋面雨水的效果，同时可以有效地减小径流速度[17-20]，降低雨水流量。针对屋面雨水的回收利用，国内学者主要开展2方面的研究：一方面主要是针对屋面雨水的水质及屋面雨水的污染物如何净化展开，却没有对净化后的雨水如何利用展开探讨[21-25]；另一方面主要针对屋面雨水的收集利用流程以及屋面蓄水池的设计影响因素等确定雨水的利用方法[26-28]。随着研究的深入，雨水被越来越多地作为屋顶绿化灌溉用水。

在旱季和缺水的西北地区，雨水只能作为屋顶绿化灌溉用水的备用水源，比较好的做法是对屋面降水进行收集利用再处理，通过中水回用系统进行屋顶绿化[29]。在成都地区的研究表明[30]，屋顶绿化技术和雨水中水利用技术能明显地提高经济效益、社会效益和环境效益。

保水剂在屋顶绿化草坪中也得到了一定的应用，例如在北方屋顶绿化常用的高羊茅草坪中，采用浓度为0.5%的保水剂，距离土壤表层5 cm处施入，灌溉用水节约得最多[31]。研究表明，在屋顶绿化草坪中使用保水剂能产生可观的经济效益。保水剂的使用虽能起到一定的节水作用，但由于保水剂的使用时效问题，在屋顶绿化中使用不多。

3.2 屋顶绿化节水灌溉技术措施

3.2.1 喷灌

喷灌在屋顶绿化中有一定的应用。研究表明喷灌可以有效改善屋顶局部小气候，有效地降低局部气候的温度[32-34]。但由于建筑屋顶风力大，对喷灌效果存在一定的影响[35]。同时在屋顶面积不大的屋面，喷灌极易造成漏水，有女儿墙的屋顶绿化可以考虑使用喷灌技术。

3.2.2 滴灌

国外的现代学徒制的发展主要是在以技术与继续教育学院的基础上，联合了社会各类主体来共同参与，以达到培养高素质人才为目的，他们在全国设有统一的职业教育与培训课程的质量保障体系和认可标准，及统一的培训计划，并将工作与实践紧密结合，德国的双元制更是将校本理论教学与未来工作实践紧密结合的系统培训。

滴灌技术在屋顶绿化中应用广泛。滴灌不受风力的影响，建造成本不大，是目前屋顶绿化的主流灌溉方式。通过雨水的收集和滴灌系统的有效组合[36]，可以方便地实现雨水收集、贮存、滴灌，减少人工灌溉管理，能有效地降低屋顶绿化的成本。

3.2.3 渗灌

渗灌技术主要通过低压管道和埋置于植物根系层的灌水器来实现，该技术可以定时定量地根据植物生长的需水量向土壤中渗水，其灌溉水利用率比滴灌节水20%，比漫灌节水70%[37-41]。北京市屋顶绿化灌溉方式主要采用滴灌和渗灌为主[42]。G20峰会的主会场杭州国际博览中心屋顶花园属于大型屋顶绿化工程，采用人工灌溉耗时耗力，经过研究，屋顶采用仿生精确灌溉渗灌系统进行灌溉，该系统通过模拟植物根系对土壤水分的需求量，对植物根系进行微量、精准灌溉[43]。

3.2.4 负压灌溉

一种新型的负压灌溉技术开始应用于屋顶绿化灌溉系统[44]，其主要是利用作物消耗水分后产生的土壤基质吸力产生负压，以此实现灌溉。该灌溉技术具有自动补给、自我调控的优点，但在技术设计上有一点难度。

3.2.5 自动灌溉

自动节水灌溉技术由于省去了人工管理的环节，可以降低屋顶绿化的建造成本，在近几年的屋顶绿化灌溉方式研究中，更多学者开始关注屋顶节水灌溉的自动化设计。针对屋顶绿化自动化灌溉的无人化管理，高凯等[45]研究了一种对雨水进行无动力收集和定时灌溉的装置，该装置由雨水收集器、集水箱、浮水控制器和滴灌系统4部分组成。曹传生等[46]根据屋顶作物的需水量设计可行的雨水收集系统及自动灌溉系统，灌溉系统优先采用收集的雨水进行灌溉，当用水量不足时采用市政用水补充，以此可以节约灌溉用水67.2%，雨水利用率可达54.55%，这对北方地区屋顶绿化雨水的回收利用有一定的借鉴作用。上海世博会罗阿案例馆种植屋面采用滴喷灌与渗灌相结合的方式来达到节水的目的，浇灌系统的供水管布置在种植箱之间，通过智能化的设备，根据不同温度控制灌溉水量，可以最大限度实现水资源的节约。该系统由土壤温度传感器、管路系统、绿化控制柜等组成[47]。考虑到屋顶绿化灌溉的无人化管理，自动灌溉技术有一定的可行性。

3.3 屋顶绿化节水灌溉形式

3.3.1 传统电力能源配合节水技术自动化灌溉

目前屋顶绿化实现自动灌溉，采用传统的电力作为灌溉能源是最常见的形式。该种灌溉形式不需要单独设计能源驱动，直接接入建筑电网即可实现。但在一些大型屋顶绿化工程方面，由于耗电量增多，该种灌溉形式能耗较大。

3.3.2 太阳能配合节水技术的自动化灌溉

太阳能与灌溉系统的结合能实现灌溉能源的绿色环保[48-50]，目前在公路绿化带灌溉系统中已经得到应用[51]。国内学者也开始了屋顶绿化灌溉系统与太阳能的结合研究[52-53]，苏建华等[54]在太阳能自动灌溉技术和喷淋技术的基础上，增设种植挡板解决屋顶绿化栽培基质的维护以及喷淋造成的漏水问题，通过太阳能自动灌溉控制器能实现屋顶绿化的全自动灌溉。都淼等[55]对屋顶绿化自动灌溉系统进行设计，设计过程中屋顶绿化的用水以自然降水为主，机械用电通过太阳能电池实现，整个设计过程实现了绿色环保。

4 屋顶绿化节水灌溉发展趋势

屋顶绿化面临诸多问题，如屋顶荷载的限制、防渗漏问题、灌溉施肥等日常管理[56-58]。在新建建筑物或老建筑物实现屋顶绿化，灌溉是能保证绿化植被成活的重要因素，目前大部分屋顶绿化都配套节水灌溉技术，灌水定额要根据土壤含水率、节水灌溉技术等因素科学地确定，以此减少屋顶绿化的耗水量[59]。节水灌溉技术在屋顶绿化中有以下发展趋势。

4.1 灌溉自动化

随着自动化技术的发展，灌溉控制逐渐实现灌溉自动化，通过设定的控制程序对屋顶绿化植被进行定时定量的自动化灌溉。减少人为控制灌溉，节省大量人力。

4.2 人工智能化

通过埋置在植被根系处的传感器，根据植物生长模拟进行设计模型，实现灌溉方式的智能化。在自动化智能节水灌溉系统的设计中，主要考虑因素为土壤相对湿度，其次为温度和降雨量[60]。灌溉用水的设计以自然降水为主，综合利用城市中水进行智能化灌溉。

4.3 节能化

全国有2/3的地区年日照时数在2 200 h以上①。太阳能在屋顶绿化灌溉系统可以实现灌溉能源的绿色环保，自动灌溉用电不需要额外接入电源，并且在太阳能资源丰富的北方地区，太阳能所发电量除满足灌溉用电外，还可以给建筑供电，实现节能。在今后的屋顶绿化中太阳能技术将被广泛应用。

4.4 控制系统多样化

通过对屋顶类型、温度、土壤湿度等进行实时监测，建立基于模块化的立体绿化用水定额[61]和多参数的智能绿化灌溉系统[62]，实现灌溉控制系统的多样化。不同的屋顶绿化植被，在不同的季节、不同的屋顶类型中需水量存在一定的差异，应合理根据实际情况设置不同的灌溉控制系统，不同季节、不同作物合理选择不同的灌溉方式，最大限度地满足植物对生长环境的要求。

5 结 语

屋顶绿化灌溉技术已经由传统的喷灌、滴灌、渗灌向智能自动化灌溉发展。本文在介绍屋顶绿化必要性的基础上，对屋顶绿化灌溉技术的发展现状进行了详细的论述，对比了喷灌、滴灌、渗灌以及自动化灌溉技术在屋顶绿化灌溉中的应用现状。由于屋顶类型的不同、屋顶绿化植被的多样性以及地域差异，屋顶绿化灌溉技术将会向灌溉自动化、人工智能化、节能化、控制系统多样化等方面发展。