粗放型屋顶绿化雨水滞蓄研究展望

蔡君一，黄 瑞

(西南交通大学，四川 成都 610097)

1 引言

在世界范围内，城市化地区正在迅速取代自然植被，导致不透水表面大量增加，引发了极具复杂性和综合性的城市雨水问题。有学者指出，城市水文系统必须应对高度波动的地表径流水量，这些水量在降雨期间可能变得非常高，而在其余时间则保持低水平。全球性气候变化可能会进一步加剧这些波动，特别是洪水风险将进一步增加[1]。屋顶绿化是海绵城市源头削减和城市绿地补给的有效方式，在缓解用地难题的同时也能在雨水的滞蓄方面发挥重要作用。因此，充分了解粗放型屋顶绿化的径流调控作用，对缓解城市水环境问题有重要意义。

2 粗放型屋顶绿化的雨水滞蓄能力

粗放型屋顶绿化(Extensive Green Roof)，又称拓展型屋顶绿化，是最简单的轻型绿化形式，对屋顶设计载荷要求为60～150 kg/m2，土壤基质层较浅，结构虽轻，但却有较好的生态环境效益，后期无需复杂的灌溉工程和频繁养护，因此建造、维护和管理成本低，便于推广[2]。据资料显示，在德国，屋顶绿化仅20%为屋顶花园，其余80%都为粗放型屋顶绿化[3]。1985年德国文献首次提到绿色屋顶的保水能力，其后大量研究证实，与传统的裸露屋顶相比，屋顶绿化在减少雨水径流量，推迟初雨径流，降低并推迟洪峰等方面具有显著作用。Nicholaus D[4]通过两项实验研究发现，粗放型屋顶绿化最高能削减 82. 8%的雨水径流，明显高于无绿化的普通屋顶。Bruce G Gregoire和John C Clausen[5]总结了北美和欧洲13州相关的研究测试，结合在康涅狄格大学屋顶的实验研究发现，粗放型绿色屋顶可以拦截、保留和蒸发34%到69%的降水，平均滞蓄率为56%。Mark T Simmons 等[6]在得克萨斯州的一项重复研究中发现，粗放型绿色屋顶在中型和大型降雨事件的最大雨水滞蓄率分别为88%和44%。

3 粗放型屋顶绿化对径流调控的影响因素

屋顶绿化和城市雨水的地域性特征和变化多样的特性使得不同研究之间的结果差异较大，不同的研究方法产生的量化数据也有较大偏差。目前针对屋顶绿化的滞蓄影响因子，国外已经开始展开对外部因素的研究(如建筑坡面、降雨强度、季节气候等)，但国内的相关研究还是集中在自身系统要素方面，通过研究植被(植物的类型和植被组合方式)方式、基质层(基质深度、基质组成类型、基质含水量等)和其他构造层对雨水滞蓄效应的影响[7]。

3.1 基质

屋顶绿化雨水滞.蓄能力最大的影响因素是基质厚度。随着基质深度增加，基质内部可以蓄水的空间变大，因此蓄水能力更强。纵观以往不同类型屋顶绿化的雨水滞蓄研究，不难发现，密集型屋顶绿化的滞蓄能力往往大于粗放型屋顶绿化，除了植被丰富度和覆盖度的影响以外，基质的厚度是最重要的影响因子。Mentens[1]等通过分析总结过去已发表的相关文献，发现密集的绿色屋顶由于其厚的基底层的存储能力，在减少径流方面比粗放型的绿色屋顶更有效。Andrea Nardini等[8]在意大利东北部的一个实验性绿色屋顶中研究了基质深度和植被类型对雨水径流减少的相对贡献，200 mm厚比120 mm厚的能多削减20%的径流。张彦婷[9]在上海粗放型屋顶绿化基质层对雨水的滞蓄影响研究中发现，对比基质厚度为100 mm和200 mm的粗放型屋顶绿化小试装置，300 mm基质厚度的滞蓄能力最强，滞蓄率达57.52%，初始产流时间最高达80 min。陈兴武[10]基于植被类型和基质深度两个要素进行的雨水滞蓄实验结果表明：16 cm基质的屋顶绿化装置水分吸收能力普遍高于8 cm基质的绿化装置。

粗放型屋顶绿化的栽培基质主要采用人工配比的轻型基质。较小的基质密度、高持水能力和高孔隙率是用于绿色屋顶的生长基质所需的物理特性。较基质成分一般是由有机质土壤(如田园土、轻质泥炭土、堆肥)和一些无机矿质材料(如陶粒、沙、浮石、珍珠岩、蛭石等)配比而成。其组成成分和各组成物质之间配比的量对绿色屋顶的雨水滞蓄能力也有重要影响。土壤基质的总孔隙度、湿容重、水分渗透速率等都会影响屋顶绿化的雨水滞蓄能力。基质中的小粒径颗粒物所占比例会影响滞蓄能力，其含量越高，滞蓄能力就越好，基质配比中直径小于1 mm颗粒比例的增加可以提高保水率[11]。细颗粒会填充较大颗粒之间的孔隙，从而产生更多的保水孔隙，提升基质的雨水滞蓄能力。与此同时，也有不少研究发现，基质的有机质含量也是影响其滞蓄能力的重要因素。Claire Farrell[12]等的研究指出，生物炭是增加屋顶绿化基质保水量以此提高雨水滞蓄能力而不增加基质重量的有效途径，向基质中增添40%的生物炭可以显著提高基质的雨水保持能力。

3.2 植被

植物是绿色屋顶与环境之间的关键界面。从理论上讲，植被叶片首先可以阻挡和拦截一部分雨水，同时植物的蒸腾作用和生长代谢也可以吸收和消耗雨水。Eline Vanuytrecht[13]等使用水平衡模型(Green Roof)评估了气候变化对两种绿色屋顶类型(一种为景天苔藓植被，一种为草本植物)和标准沥青屋顶对植被干旱胁迫和雨水滞留的影响，在夏季3种类型的屋顶分别可以减少76%、64%和10%的雨水径流，草本绿色屋顶比景天苔藓绿色屋顶减少的径流更多，但对增加的干旱压力更敏感。北京建筑大学的张贤魏[14]在北京市气候特征下，进行实验研究发现，植物种类对绿色屋顶滞蓄能力具有显著影响，佛甲草和八宝景天滞蓄效果较好，三七景天和红叶景天滞蓄效果一般。

再者，除了植物种类的影响以外，屋顶绿化植被丰富度和植物配置形式可能也会对滞蓄结果产生影响，但对这一项具有争议。Lundholm等[15]选取了生命形态不同的15种植物(矮草、藤本灌木、多肉植物等)，研究了单一植被和三种、五种类型的植被混植的屋顶绿化系统对雨水的滞蓄效果，结果发现，混植的植物水分消耗速率更快，吸水性更优。然而，Nagase等[16]的研究结果却表明，植物多样性和物种丰富度并没有显著影响雨水径流量。

3.3 坡度

屋顶绿化的雨水滞蓄能力与屋面坡度有着密切联系，通常随着坡度的增加，绿色屋顶滞蓄能力会有所减小，许多研究测试也证实了这一点。Kristin L. Getter[17]等为了量化屋顶坡度对绿化屋顶雨水滞留的影响，对在4个坡度(分别为2%，7%，15%和25%)上构建的12个粗放型绿色屋顶平台进行了径流分析。数据显示平均滞蓄率在坡度为25%时最小(76.4%)，而在坡度为2%时最大(85.6%)。Nicholaus D[4]等人的研究也得出了同样的结论，覆盖植物的粗放型绿色屋顶在基质深度为4 cm，屋顶坡度为2%时滞蓄能力最强，合并所有降雨事件，其平均滞蓄率最高能达到87%。

3.4 降雨量和降雨强度

当降雨强度增大时，屋顶绿化的土壤基质会快速吸收水分，土壤基质很快便能达到水饱和状态，甚至当降雨强度过大时，雨水在土壤中甚至来不及下渗，雨水会溢流而出形成地面径流，屋顶绿化的滞蓄能力会因此减弱。徐田婧[18]等研究发现，雨量和雨强与径流削减率均呈显著负相关关系(P<0.01)，径流削减率随降雨量增加呈递减趋势。Lee[19]等通过定量研究发现，粗放型屋顶绿化在降雨量<20 mm/h时有很强的保水能力。但随着降雨强度的增加，保水能力下降。同样，郑美芳等[20]对成都市两个粗放型屋顶绿化的监测结果显示，绿色屋顶的截留能力随雨强的增大而减弱，日雨量<10 mm时，两绿色屋顶截流率为99.7%，暴雨时仅有30.9%，约为小雨时的1/3。张华等[21]基于37次模拟降雨实验，通过建立产流时间数学模型研究降雨量和降雨强度对屋顶绿化初始径流时间影响，得出的结论与上述研究结果一致，二者呈负相关。

4 研究趋势与展望

4.1 粗放型屋顶绿化雨水滞蓄效应的地域性研究

粗放型屋顶绿化的滞蓄影响因子众多，但无论是基质类型、植物的选择，还是区域气候的干扰，都具有地域性特征。尤其在植物筛选方面，粗放型屋顶绿化生长环境较为极端，要选择抗旱、抗寒、抗贫瘠、耐湿热的本土性植物，同时对筛选出的本土植物进行雨水滞蓄研究。目前相关的研究结论争议较大，需要以地区为例进一步明确影响因素，构建雨水滞蓄更为高效的植物配置模式。除此之外，在不同的气候区，例如温润多雨的四川与干旱少雨的西北各省，绿色屋顶的截流能力及规律也会有所差异。因此，以具体城市的屋顶为主要研究对象，根据其所在地区的地理气候条件筛选适宜的植被和屋顶构建模式更具实践意义。

4.2 宏观视角下粗放型屋顶绿化雨水滞蓄效应的价值评估

目前的研究对象主要是一些单体建筑屋顶或小型模拟屋顶实验模型，大多数学者都是从微观个体的角度出发研究其雨水滞蓄的相关性质，理论成果也颇为丰富。但是在宏观视角下，即城市区域尺度内，大规模应用粗放型屋顶绿化后的雨水滞蓄总体效应研究还尚少，难以精确衡量粗放型屋顶绿化在城市雨洪管理中所做出的贡献，未来这一方向的深入研究可以为城市规划者和屋顶绿化的建设者提供更具参考性的理论依据。

4.3 基于多因素的粗放型屋顶绿化雨水滞蓄效应综合研究

屋顶绿化雨水滞蓄能力的影响因素众多，除了上文所述的几类研究较多的方面，还包含了屋顶所在建筑高度、屋顶面积、朝向、屋顶运行时间、基质保水剂含量、基质初始含水量等更为详细的因素。多种因素之间的相互作用可能是导致实验结果差异较大的重要原因，例如在研究植被类型对雨水滞蓄能力影响的同时，还需考虑到植物自身在不同季节的生长状况的变化，不同的季节研究结果可能会截然相反。王红兵[22]等人通过文献调研，提取国内外有关屋顶绿化的实验数据并根据因素之间的互作关系，分析推导屋顶绿化的径流量公式，最后提出了要控制基质有机质含量、基质初始湿度、基质厚度、生物量、降雨强度等关键指标。但目前这类研究还处于起步阶段，大部分研究依旧还停留在单个因素的对照分析，对于多因素的综合作用，无论是研究方法还是研究结论都有待进一步探索。