绿色屋顶影响降雨径流滞蓄效应的研究进展

2020-12-16冯蕴哲

农技服务 2020年9期

冯蕴哲，王胜

(1.中铁二十局集团房地产开发有限公司，重庆 401336； 2.重庆市市政设计研究院，重庆 400020)

随着我国城市化进程加快，城市土地利用类型发生改变，不透水下垫面的剧增导致城市内涝与径流污染问题日益突出[1]。作为城市“第五屋面”的屋顶，不仅占城市不透水下垫面面积的40%左右[2]，还可作为大气污染物沉降的主要载体，协同屋面材料污染物的析出作用，致使屋顶降雨径流成为城市雨洪削减和污染控制的开拓新区域。运用生态技术原理的绿色屋顶可在一定程度上缓解城市内涝，尤其是大面积绿色屋顶的应用，可通过调控洪峰流量和径流量降低内涝发生的概率[3]，已成为海绵城市建设中广泛采用的源头类雨水控制措施。绿色屋顶通常由植被层、基质层、过滤层和蓄排水层组成，并具有一定的坡度[4]。在工程应用中，绿色屋顶的结构参数会影响其对降雨径流的滞蓄效应，进而影响海绵城市建设效果。有研究发现，栽种植物的绿色屋顶可削减50%的径流峰值，延迟洪峰8 min，并对雨水的截留率提高4%[5]；基质种类和厚度也会影响屋顶的降雨径流滞蓄效果[2]；蓄水层的设置可显著提高绿色屋顶对降雨径流的削减能力[6]。此外，屋面坡度也可影响绿色屋顶对降雨径流的滞蓄效应[7]。为此，以植物和基质的水文调控原理为主线，总结分析植物种类与多样性、基质成分与厚度、蓄排水层和屋顶坡度对绿色屋顶滞蓄效应的影响机理，以期为海绵城市建设过程中绿色屋顶的建造及深入研究提供参考。

1 植物对绿色屋顶滞蓄效应的影响

1.1 水文调控原理

植物对屋面径流的水文调控主要通过水分截留、吸收和蒸腾作用实现。一般而言，屋面径流产生量受控于降雨量、植物拦截雨水量、基质保水量、植物蒸散量和基质蒸发量[8]。降雨初期，植物冠层通过水分吸收和植物表面蒸发作用截留部分降雨和屋顶径流[9]。在场次降雨期间，被吸收的水分通过蒸腾作用返回大气中，而该过程又促使植物不断吸收基质内保留的水分，进而提高基质的保水能力[10]。此外，有些植物还可通过根系在基质中形成的优先流对径流产生影响[11]。植物根系还可通过构型特征影响基质的蓄水能力，如发达的须根系会大量占据土壤孔隙，反而降低基质的蓄水空间[12]。

1.2 植物种类

植物种类会显著影响绿色屋顶对降雨径流的水文调控效应。王书敏等[13]研究发现，种植麦冬的屋顶可延缓降雨产流25～48 min，径流削减率为40%～58%；接骨草屋顶则可延缓降雨产流60～130 min，径流削减率高达54%～80%。章孙逊等[14]研究发现，马齿苋屋顶平均径流削减率为51.3%，高于高羊茅屋顶(36.3%)和佛甲草屋顶(41.5%)。不同植物对绿色屋顶滞蓄效应的影响与植株形态有关，一般而言，株径和高度较大，根系发达的植物会提高绿色屋顶对雨水的滞蓄能力。有研究发现，太阳花绿色屋顶在径流消减率、产流和峰现时间均优于佛甲草绿色屋顶，这主要是由于太阳花的株高和单位面积生物量均高于佛甲草[15]；与木本植物景天相比，高植株、大株径和高茎根生物量的非禾本科草本植物对径流的滞蓄效果更好[16]。

绿色屋顶的滞蓄能力不仅受植株形态影响，还受控于植物的蒸腾作用强弱。有研究发现，高蒸发率(ET)的鼠尾草属(Salvia)和水苏属(Stachys)对雨水的滞蓄率高达72%，明显高于低ET的景天[17]；由于ET存在差异，草本植物屋顶对径流的滞蓄效应要优于景天植物屋顶[18]；非肉质植物因其较高的耗水量，在降雨期间较肉质植物会滞蓄更多的雨水，但非肉质植物难以适应较长的干旱天气[19]；高耗水植物能滞蓄更多的降雨径流，但易受干旱天气影响而难以存活[20]。

此外，部分植物在不同生长周期也会改变绿色屋顶的滞蓄效应。胡尹超等[21]研究发现，太阳花在生长季节(3—6月)具有更强的雨水滞蓄能力，而卧地延命草、洋竹草和佛甲草等植物的滞蓄能力并不受生长期影响。

1.3 植物多样性

植物多样性是否影响绿色屋顶对降雨径流的滞蓄作用，目前尚未有统一结论。有研究发现，由多须草(Lomandralongifolia)、山菅属(Dianellaadmixta)和弯药百合属(Stypandraglauca)3种植物混合种植的绿色屋顶，虽然生物量较丰富，但其径流滞蓄效果低于单一植物屋顶[11]；混合栽种豆科植物、草本植物、小型灌木和多肉植物的屋顶较单一植物屋顶的水分滞蓄能力更差[22]。但地中海本土灌木和草本植物组成的绿色屋顶，其保水性要高于单一植物屋顶[23]；栽种湿地植物和旱地植物的绿色屋顶，较单一植物屋顶可滞蓄更多的降雨径流[24]。此外，单一植物的冠层会阻止绿色屋顶中的水分蒸发，而多样性较高的屋顶可通过植物间水分吸收的时间互补性提高其对雨水的滞蓄能力，种植5种植物的屋顶对雨水的滞蓄效应强于种植3种植物的屋顶[25]。

2 基质对绿色屋顶滞蓄效应的影响

2.1 水文调控原理

在绿色屋顶各结构参数中，基质对雨水的滞蓄效应影响最显著[26]。绿色屋顶中基质主要通过渗透、储存和表面蒸发等途径实现对雨水的蓄滞作用[27]。降雨初期，基质表面的雨水被吸附至内部孔隙中进行储存，并受基质孔隙率和电导率影响，且孔隙率和电导率越大，基质对雨水的储存效果越好。基质储水量介于永久萎蔫点和最大持水量之间[28]，而持水量与基质的不均匀系数有关，基质粒径越均匀，持水量越少[29]。随着降雨的持续，基质储水量开始饱和，不断下渗至排水层内，而下渗速率受基质水力传导性能影响[30]。与此同时，基质表面产生径流并受基质形状和表面纹理影响，尤其是粗糙的纹理能更有效地输送雨水径流[31]。降雨停止后，基质中裸露的水分将蒸发至大气中，从而降低基质含水量，释放出基质的存储空间，使其恢复滞蓄性能。

2.2 基质成分

2.2.1 基质材质不同基质材质会影响绿色屋顶的滞蓄效应，轻质基质有助于降雨径流的滞蓄。如轻基质、改良土和田园土绿色屋顶的平均径流削减率分别为82.2%、88.4%和89.4%，而对产流的平均延迟时间分别达48.8 min、106.2 min和163.9 min[32]。张千千等[33]通过模拟降雨强度为50～80 mm的降雨事件，研究不同基质对绿色屋顶径流量的影响，结果表明，商业基质的滞蓄率高达51.1%，而火山岩基岩、田园土的滞蓄率分别为33.6%和30.4%。印定坤等[34]研究表明，超轻基质的水力传导率为改良土的4倍，而平均滞蓄率仅相差5%。

2.2.2 基质组配唐立鸿[35]采用土壤改良剂、泥炭和陶粒，分别以3∶4∶3和4∶4∶2的质量比混合形成组合基质，结果以4∶4∶2配比基质对水分的滞蓄效果更优。李淑英[36]用田园石、椰糠、蛭石和珍珠岩以不同质量比组配成9种基质，研究滞蓄效果，结果表明，以2∶3∶4∶1的质量比组配时，绿色屋顶对雨水的滞蓄效果最好。

2.2.3 基质添加物相关研究表明，在基质中添加某些物质可有效改善绿色屋顶对雨水的滞蓄效果。如将椰子皮和堆肥树皮混合的有机物添加至基质中，发现绿色屋顶的滞蓄性能随基质中有机物含量的增加而增强[37]；在基质中分别添加0%、10%、20%、30%和40%(体积比)的生物炭，结果表明，生物炭能显著提高基质的持水能力，当添加40%生物炭时基质的持水性最佳[38]。但商业基质和生物炭基质的滞蓄性能并无显著差异，其平均滞蓄率分别为72.54%和72.08%[39]。这可能与有机质对基质持水能力的改善效果不同有关。CLAIRE C等[40]研究表明，添加硅酸颗粒和水凝胶等保水剂可改善基质的持水能力，其中，硅酸盐可提高火山渣和碎赤陶土瓦片基质的持水能力，而水凝胶只可改善火山渣的持水能力。

2.3 基质厚度

基质厚度对绿色屋顶滞蓄性能的影响仅次于基质材质[41]。屋顶产流时间随基质厚度增加而延长，径流峰值也随之降低，而滞蓄水量随之增加，当基质厚度为300 mm时，雨水滞蓄效果达到最佳[42]。同时，绿色屋顶径流削减率、洪峰削减率和产流时间延迟率与基质厚度成正比[32，43]，但基质厚度对径流的滞蓄能力还受植物所影响，如种植克里特奥勒冈和高羊茅的绿色屋顶，其滞蓄能力随基质厚度的增加而增大，种植千佛手的绿色屋顶无此规律[43]。此外，基质厚度对滞蓄能力的影响也有所不同，印定坤[44]研究发现，基质厚度从100 mm增至150 mm时，滞蓄率增加6.5%；从150 mm增至200 mm时，滞蓄率仅增加4.9%。

3 蓄排水层

为提高绿色屋顶的蓄排水能力，可额外添加排水基质并通过提升排水管出水口位置来设置蓄排水层。有研究发现，排水层基质材料对排水层产流时间和峰值流量削减能力无显著影响，而蓄水层厚度对绿色屋顶滞蓄效应影响较大[44-45]。秦华鹏等[6]研究表明，相同雨强下，绿色屋顶的径流削减性能随蓄水层厚度的增加而增加，其中，当蓄水层饱和后，径流削减量达到最大；当蓄水层无储水时，径流削减能力将达到最大。但陈晓昱[46]研究发现，绿色屋顶的滞蓄能力受蓄水层体积比的影响不显著。此外，蓄水层的设置还可增大屋顶的实际蒸发量，进而可有效减少屋顶径流量[47]。

4 坡度对绿色屋顶滞蓄效应的影响

目前，针对绿色屋顶坡度是否会影响其滞蓄效应还存在一定的争议。BENGTSSO L等[48]研究表明，屋顶坡度和长度对屋顶径流影响不显著。而GETTER K L等[49]研究表明，屋顶坡度在2%～25%范围时，坡度对滞蓄性能影响较显著，且现场实验和ANOVA模型模拟分析表明，绿色屋顶的滞蓄率随坡度的增加而降低。同样，其他相关研究也证实了这一结论[50-51]。分析认为，屋顶坡度的增加会导致雨水汇流速度加快，基质难以发挥其空间存储作用。