基于海绵城市理念的生态屋顶集雨系统设计研究

王立荣，齐建军，卢艳玲

（兰州石化职业技术学院）

1 引言

目前，大多城市建筑屋顶在遇到下雨天气时，为避免雨水堆积在屋顶，其排水系统就会最大程度地将降落的雨水从屋顶经排水管道排放至地面，不仅没有减小城市对雨洪的排泄压力[1]，反而成为了城市内涝的“帮凶”，造成城市“雨水病”的日益加剧，且大量雨水在屋顶汇集后直接进入下水道与污水一同流走，水资源被白白浪费掉，十分可惜。

海绵城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，是新一代城市雨洪管理概念，又称之为“水弹性城市”，国际通用术语为“低影响开发雨水系统构件”。海绵城市的建设理念在于下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，干旱缺水时又将蓄存的水释放并加以利用，从而让水在城市中的迁移活动更加“自然”。

2 基于海绵城市理念的生态屋顶集雨系统设计

2.1 设计目标

屋面雨水是城市低水质用水的理想水源，属于轻度污染水，有机物含量极低，溶解氧接近饱和，总硬度小，可直接作为绿化和生态补水为绿色植物生长所需。屋面雨水的有效利用能有效缓解水资源短缺问题，既实现了开源节流，又提升了城市的整体绿化率，创造出宜人的城市景观。塑料泡沫拥有质轻、绝热、吸音、防震、耐腐蚀等特点，生产、加工和设计简单方便，基于屋面雨水和塑料泡沫的以上特点，以“慢排缓释，源头分散，生态环保”等具有“海绵城市”特征的雨水收集、利用、排泄方式为设计理念[2]，设计一种以塑料泡沫为载体，将栽种有绿色植物的生态育苗罐体置于其中。该套装置置于城市小区楼房屋顶，组合成一套集雨水收集、储存、利用及处理的生态屋顶集雨系统，可实现对城市雨水的就地消纳和利用，从而有效缓解城市雨水的径流压力，减轻城市雨水的排放负担，减少了雨水资源的浪费，实现海绵城市中雨水的吸、渗、滞、蓄、用、排等多维功用。

2.2 材料与方法

2.2.1 设计材料

①生态育苗罐体，由粘土、堆肥作为基料，并添加农作物秸秆（包括小麦秸秆、小麦壳、玉米秸秆、玉米叶等常见农作物或以上农作物秸秆的组合），按比例拌和均匀后利用压制机制作而成。

②田间土壤和矿物细砂，田间土壤为一般农田中具有一定肥力的土壤，矿物细砂要求粒径为0.16mm～2mm。

③塑料泡沫箱体，由聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯等树脂制成的塑料泡沫制成。

④绿色植物，根据当地地域、气候环境、雨水多少及作物生长习性等特点选择吸水性较强的绿色栽培植物，绿色植物栽培方式根据实际情况，可选择移栽、扦插或种子种植等多种方式。

⑤生态育苗罐体压制机及无污染的拌和用水。

2.2.2 设计方法与内容

1）制备生态育苗罐体。由粘土、堆肥作为基料（粘土与堆肥质量比为5:1），添加质量占比为5%的农作物秸秆（包括小麦秸秆、小麦壳、玉米秸秆、玉米叶等常见农作物或以上农作物秸秆的组合），要求将秸秆粉碎为2cm长度的小段，将以上材料拌和均匀并加水后利用压制机制作而成。制成的生态育苗罐体为圆柱体，中间留有贯通孔，其外径为8cm，内径为 4cm，高度为12cm，每个生态育苗罐体约0.75kg，上下底面相互连通（见图 1）。

图1 生态育苗罐体结构示意图

①生态育苗罐体制好后，用具有一定肥力的田间土壤填充生态育苗罐体的贯通孔，填至距离上表面孔口5cm为止，将吸水性较强的绿色植物幼苗或种子栽种其中，并在表面覆盖2cm厚的矿物细砂，细砂粒径为0.16mm～2mm。

②制备塑料泡沫箱体。塑料泡沫箱体由聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯等树脂制成的塑料泡沫制成，并按生态育苗罐体直径大小留孔，塑料泡沫箱体长160cm，宽80cm，高40cm，塑料泡沫箱体上表面四周边设有10 cm高的护边。当雨水量较大时，多余雨水可从护边溢出流走。塑料泡沫箱体表面开挖圆柱形凹槽，用来承载、安装栽种有绿色植物的生态育苗罐体，凹槽直径为14cm，凹槽底面距离塑料泡沫箱体底面的距离为3cm，凹槽深度为18cm，每个凹槽之间间隔距离为10cm。

装有多个生态育苗罐体的一个塑料泡沫箱体作为一个种植单元，在生态育苗罐体中种植好绿色植物，将多个种植单元并排或者规则排放至城市中小区楼房屋顶，每个种植单元之间间隔30cm，作为雨水过流通道和人行通道，形成一种基于海绵城市理念的生态屋顶集雨系统。下雨时，该生态屋顶集雨系统对雨水进行收集利用。需要说明的是，因每个种植单元较小，故其将屋顶的大面积拆分成多个种植绿色植物的小面积，当实施操作时，只需将多个种植单元并排或者规则放置在屋顶即可，然后在每个种植单元内种植植物，操作十分方便（见图2、图3）。

2.3 效果分析

在由粘土、堆肥作为基料，并添加有农作物秸秆的生态育苗罐体、绿色吸水植物、塑料泡沫箱体等构成的生态屋顶集雨系统中，堆肥和农作物秸秆质轻，所制成的每个生态育苗罐体质量约0.75kg，移栽搬运十分方便[3]。同时，堆肥和农作物秸秆可为绿色植物提供营养，生态育苗罐体制作原材料生态环保，有效促进了植物根系的发育和生长，为植物生长营造良好的生态环境，实现了水、土、肥、苗耦合的生命体。塑料泡沫箱体具有质轻、绝热、保温、吸音、防震、耐腐蚀等特点，生产、加工和设计简单方便，所覆盖的矿物细砂原材料来源丰富，且具有一定的保墒保水作用。以上材料所构成的生态屋顶集雨系统整体质量轻、寿命长、环保自然、无污染，且不额外占用城市建设用地，具有节能、增加城市绿地、降低城市热岛效应等多种优点，该生态系统置于城市小区楼顶，可有效改善顶楼住户“冬冷夏热”的不利条件，让环境温度和气象状况得到回归调整和平衡，使城市生活更加舒适、滋润。

图2 栽种有绿色植物的生态育苗罐体示意图

图3 一个种植单元的生态屋顶集雨系统结构示意图

笔者根据所在城市甘肃省兰州市的地域、气候环境及雨水等特点，采用种子种植方式，选择沙冬青进行种植试验，试验设于兰州市西固区某住宅小区楼顶。将沙冬青种子种植于所设计的生态屋顶集雨系统的生态育苗罐体中，经第一次种植浇水后，沙冬青苗木全部长出，长势良好[4]。后期遇到下雨，当雨量较小时，雨水全部被生态屋顶集雨系统截流，成为沙冬青生长所需用水，当雨量较大时，一部分雨水被生态屋顶集雨系统截流，另一部分未截留雨水沿着塑料泡沫箱体四周的护边溢流出去，从屋顶经排水管道排放至小区地面，但从小区屋顶的落水管流出的水量较未安放生态屋顶集雨系统的同小区楼房相比明显减少。此外，经测试，当白天气温较高时，同一小区中有该生态屋顶集雨系统的顶楼住户与没有该生态屋顶集雨系统的顶楼住户相比，室内温度平均降低了3℃，增加了良好的居住舒适度。

3 结语

基于海绵城市设计理念，设计出一种以生态育苗罐体、绿色植物、塑料泡沫箱体等组成的生态屋顶集雨系统，通过试验表明，该集雨系统能够有效截留城市屋顶的雨水，明显减少屋顶产生的雨水径流量，从而有效缓解了城市雨水的径流压力，减轻了城市雨水的排放负担。该生态屋顶集雨系统整体质量轻、使用寿命长、无污染，且不额外占用城市建设用地，具有节能、环保、增加城市绿地等多种优点。此外，该生态屋顶集雨系统具有降低城市热岛效应的功能，当白天温度较高时，测得顶楼住户室内温度平均降低了3℃，有效改善了顶楼住户“冬冷夏热”的不利条件，让环境温度和气象状况得到回归调整和平衡，增加了良好的居住舒适度，使城市生活更舒适、滋润，构筑起一个真正现代化的生态“海绵城市”。