上海梅雨期佛甲草轻薄屋顶绿化的滞蓄效果监测评估

骆天庆 黄胤

为应对全球气候变化，基于绿色基础设施和气候适应的海绵城市得到了空前的关注[1]。中国的城市开发普遍高度密集，洪水泛滥和水质污染等问题因而愈发严重[2]。在高度城市化地区，复杂的下垫面建设情况和有限的建设用地制约了以地面为载体的海绵技术措施，若利用占城市下垫面65%的屋顶来进行绿化[3]，借助绿色屋顶的植被层、基质层以及排蓄水层滞蓄降水，在一定程度上降低径流峰值、减少径流总量、延缓产流和峰值时间，可在立体空间上增加“海绵”数量，发挥降雨径流调控效益，从而在土地资源紧缺的情况下有效改善城市水安全与促进可持续发展[4]。

绿色屋顶作为一项重要的海绵技术措施，目前国际上的研究应用大都局限于小型控制实验区，随着海绵城市建设的推进，中国有望将其应用扩展到城市规模[5]，但造价高昂是制约其建设的主要因素[6]。出于经济性的考虑，鉴于绿色屋顶的滞蓄作用受降水特征（强度、历时和间隔）、基质状况（厚度、吸水和持水性能）、屋面坡度、植物（品种和蒸腾量）等的影响，随着气候条件和设计特征的不同而具有显著差异[7]，故针对具体城市的地域性研究至关重要[8-9]。各个城市在推进绿色屋顶建设之前，有必要结合本地气候特征、屋面条件和屋顶绿化产品切实测评屋顶绿化的滞蓄效益，以明晰这一技术手段的实效。

上海是第二批海绵城市建设试点城市，地处亚热带季风气候区，雨热同期，每年初夏梅雨期的集中、连绵降水以及短时强降水易引发城市内涝和洪涝灾害，绿色屋顶是适合当地气候条件的低影响开发技术[10]，然而有模拟研究表明上海以绿色屋顶削减城市雨洪的效果不及德国、美国、加拿大的部分城市[11-13]。面向城市高密度建成区存量建筑的规模化绿色屋顶建设宜采用轻薄的拓展型产品[14]，但目前普遍认为拓展型产品的滞蓄能力不如基质较厚的绿色屋顶[9,15]。在上海的邻近城市南京，通过屋顶的气象、土壤观测及水量平衡方程估算，也发现拓展型绿化屋顶全年径流削减率仅约为花园型的2/3，且四季之中绿化屋顶的径流削减效应反而以夏季为最低[16]。并且，雨季时绿色屋顶会因为基质含水量饱和而使滞蓄能力大幅下降（如属于温带海洋性气候的美国俄勒冈州所报告的下降幅度可达50%以上[17]）。因此，实测拓展型绿色屋顶产品在梅雨期的历时滞蓄实效以及对短时强降水的滞蓄能力，对于评估其实际价值极为关键。

一直以来，屋顶绿化滞蓄研究或采用相对便捷的受控试验法（设定降水条件测取个别设计变量的短时滞蓄效果），或借助间接估算法（通过气象观测数据和水量平衡方程模拟分析屋顶绿化的历时滞蓄规律），对于特定地域复杂的自然降水条件，多变量非受控作用下的滞蓄效果具有不确定性，这方面的实测研究相对较少[18]。上海目前在自然降水条件下的相关研究见诸报告的，仅有基于时降雨量界定屋顶绿化生长最佳土层厚度的研究[19]。

此外，有研究表明，植被类型和植物多样性对绿色屋顶截流能力的影响也有显著差异，佛甲草（Sedum lineare）对于径流的削减作用相对较差[20]，甚至与无绿化屋面相差无几[18]。但佛甲草作为上海具有代表性的景天属植物，长期被用于轻型屋顶绿化，可满足低荷载、低维护的需求[21]。因此，本研究针对适于上海地区推广的拓展型佛甲草屋顶绿化产品，测量其在梅雨期自然降水和典型屋面形式下的滞蓄实效，旨在获取直接、客观的在地性数据支撑，以切实评估拓展型佛甲草屋顶绿化在梅雨期的历时及单次降雨下的实际滞蓄效果，并借此讨论和推断其全年的滞蓄实效，既可供上海的海绵城市建设直接参考，又可为其他同样遭受长江中下游地区梅雨困扰的城市提供借鉴。

1 研究背景

上海梅雨期 （6—7 月 ）和台风雨期 （8 月 ）暴雨频发，其中强暴雨、大范围及长时间的暴雨更容易在6 月出现[22]，因此6 月往往降水量最大、变异性最为显著，且近年来上海的降雨中心向中心城区集聚[23]。

上海宜采用坡屋面建筑以利于保温隔热、减少屋顶渗漏，屋面坡度范围应在15°～35°[24]。前期研究通过对上海中心城区建筑的抽样调查，发现在适于屋顶绿化推广建设的低层和多层建筑中：坡屋顶占比高于平屋顶；坡度大于30°的屋顶较少[25]。

目前上海地区屋顶绿化建设项目多采购市场上常见的营养土与蛭石等进行混合。佛甲草用于上海大面积轻型屋顶绿化，采用深度为8 cm 的基质（简称8 cm 基质）既可满足存量建筑屋面荷载限制，又可顺利越冬[25]。

2 研究方法

本研究选取0°和26.6°（坡比为1∶2）为试验研究的典型屋面坡度，在同济大学建筑与城市规划学院文远楼楼顶设置试验装置，对2019 年6—7 月梅雨期自然降雨过程及佛甲草模块滞蓄情况进行持续记录观察，并参照试验期间土壤湿度的测定数据，解析佛甲草模块对于梅雨全期及单次典型降雨过程的滞蓄实效（图1）。

对平、坡屋面进行对照试验，是因为既有研究对于不同屋面坡度下屋顶绿化的滞蓄试验结果尚存在差异。如Chow 等[26]的研究表明，屋面坡度越大，拓展型屋顶绿化的滞蓄率越低，坡度从2%增加至7%，滞蓄率会从56.9%减少到52.3%；而Liu 等[27]的研究则表明相较于7%和12%的屋面坡度，坡度为2%的拓展型屋顶绿化的径流排放量更大。通过对照试验可确认上海地区典型屋面条件下的滞蓄效果差异，有助于研判绿色屋顶作为海绵技术手段的推进策略。基质含水量也会影响绿色屋顶尤其是拓展型绿化屋顶的截流能力，降雨前基质干燥的绿色屋顶较降雨前基质相对湿润者截流效率明显会高出很多[16]，因此本研究参考前期降水情况和土壤湿度测定值筛选基质含水整体较高但仍有差异的单次降雨，以深入评估模块在梅雨期的滞蓄力下降情况。此外，囿于经费和可操作性，试验装置仅设置了一组，试验地点位于上海中心城区中暴雨发生水平较高的杨浦区[23]，借助较为极端的实证个案归纳推断上海地区的滞蓄下限。

2.1 试验装置设计

选取佛甲草生长成熟稳定的试验模块共6 个，种植基质以上海地区市场上常见的营养土（火山岩2%、珍珠岩28%、蚯蚓粪34%、泥炭36%）与蛭石以1∶1 体积混合而成。用角铁搭建平、坡屋面的模拟构架，构架上部固定放置试验模块（在平、坡屋面模拟构架上各放置3 个试验模块，为平、坡屋面组），下部放置记录仪器，并通过密封胶管将模块的渗漏槽与仪器相连，确保经过模块滞蓄后的降水能够全部流入仪器中（图2）。记录仪器为7 台美国SPECTRUM WatchDog 2000 系列气象站。仪器雨量筒的直径为20.5 cm，测量范围为0.25 mm，测量精度为降水量＜5 cm/h 时±2%。其中仪器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ作为试验组分别连接平、坡屋面模拟构架上的各个试验模块，仪器Ⅶ作为对照组测量实际降水量。试验数据记录间隔时间设置为1 min。

2 试验装置Test apparatus

2.2 土壤湿度测定

采用正大仪器的手持式ZD-06 土壤酸碱度/湿度专用测定仪进行土壤湿度测定，湿度测定范围为10%～80%，测量精度为±1%。利用降雨间隔在每个测验模块中随机选择3 个分散的测点，依次将测定仪插入土壤底部读取湿度数据并计算平均值。囿于试验模块的土壤厚度小于测定仪准确测量所要求的15 cm测量深度，该数据仅作为土壤湿度相对判定的参考依据。

2.3 滞蓄效益测算

滞蓄率、削减量以及延缓时间是目前评价屋顶绿化滞蓄力的3 种常用的核心参数。其中滞蓄率和削减量分别以无量纲和有量纲的方式考察屋顶绿化对雨水的减量情况，延缓时间则可分为产流延缓时间和峰值延缓时间。本研究通过滞蓄率考察梅雨全期的滞蓄效益，通过滞蓄率和延缓时间考察梅雨期内单次降雨事件的滞蓄效益。

2.3.1 梅雨全期滞蓄效益

2019 年上海官方宣布的入梅时间为6 月17 日，出梅时间为7 月20 日，总持续时间为33 天。本研究取该时间段内仪器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ记录总量的平均值反映平屋面试验模块的滞蓄后排放总量（R平），仪器Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ记录总量的平均值反映坡屋面试验模块的滞蓄后排放总量（R坡），仪器Ⅶ的记录总量反映总降水量（P）。通过比较R平、R坡对于P的削减量来计算平、坡屋面滞蓄雨量对梅雨全期降水量的滞蓄率，进而分析比较不同屋面条件下的滞蓄效益差异。由于试验模块与仪器雨量筒的受雨面积不同，试验组和对照组仪器的记录数值在比较前需按式（1）进行换算，整个梅雨期试验模块的滞蓄率计算式如式（2）所示：

式中：R′为换算后的滞蓄后排放量（mm）；R为试验组仪器记录的滞蓄后排放量R平或R坡（mm）；0.25m2为试验模块的受雨面积，0.033 m2为仪器雨量筒的受雨面积；φ为滞蓄率（%）；P为降水量（mm）；x为表面径流流失系数，x=0 时表示屋面坡度为0°。

囿于试验装置较为简陋，未能搜集测得模块的表面径流部分。因屋面坡度越大，模块的表面径流流失更多[26]，故参考GB 50014—2021《室外排水设计标准》[28]中规定的绿地径流系数经验值（为0.1～0.2），取上限值0.2作为坡屋面模块表面径流流失系数x。

2.3.2 单次降雨事件的滞蓄效益

以6 h 为最小降雨间隔时间[29]区分单次降雨事件。在单次降雨事件i时段内同样通过仪器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的记录总量平均值以及仪器Ⅶ的记录总量获得平、坡屋面试验模块的滞蓄后排放量（Ri平和Ri坡）及该次降水量（Pi），按式（1）对Ri平、Ri坡进行换算后，再按式（2）计算平、坡屋面滞蓄雨量在该次降水量下的滞蓄率（φi）。比较该次降雨事件中对照组仪器的初始降水时间和试验组仪器初始产流时间以反映产流延缓时间（Ti/min），以及比较该次降雨事件中对照组仪器的瞬时最大峰值时间和试验组仪器的瞬时最大峰值时间以反映峰值延缓时间（Ti'/min）。由于单场降雨过程往往呈现多个峰值，在分析Ti'时也需讨论排放峰值与多个降雨峰值的关系。

鉴于生长成熟、稳定的拓展型佛甲草模块在既定的屋面条件下，基质含水量是影响其滞蓄作用的重要自身系统因素，降雨强度则是影响其滞蓄作用的主要外部环境因素[30]，因此分别选择梅雨期间前期降水和土壤湿度情况不同但本场降水特征类似的同雨型单次降雨事件，进一步区分半湿润组和湿润组，考察基质含水量和雨型差异对滞蓄效益的影响。按照中国气象局的降水等级划分[31]，以24 h 内的累计降水量判定单次降雨事件的雨型。对于降水过程超过24 h 的单次降雨事件，其降水量及试验模块滞蓄后排放量的分析均采用了完整降水过程的测量数据。

2.4 滞蓄差异性分析

本研究视数据正态性和方差齐性情况，通过独立样本t 检验或曼-惠特尼检验判断梅雨全期平、坡屋面组，单次降雨事件下平、坡屋面组，以及同雨型同屋面条件下半湿润、湿润组的滞蓄差异，通过单因素方差分析或克鲁斯卡尔-沃利斯检验判断屋面和土壤湿度条件相同时不同雨型下各组的滞蓄差异，p＜0.050 则表明组间差异显著。因样本量小，若差异不显著则进一步考察差异幅度Cohen’s d 值，以0.200、0.500、0.800 分别对应小、中、大临界点。

3 结果与分析

3.1 梅雨期降水概况及单次降雨事件筛选结果

2019 年上海梅雨季整体雨期偏长，是近20 年来最长梅雨期，总体降水量偏多，具有典型性。整个梅雨期仪器Ⅶ的记录总量为355.3 mm，与官方公布的上海市各区观测站点测得的降水量平均值364.1 mm 较为接近。

整个梅雨期仪器Ⅶ共记录具有显著降水过程的单次降雨事件16 场，其中小雨10 场、大雨3 场、暴雨3 场。期间进行了9 次土壤湿度测定，其中平、坡屋面组平均土壤湿度有3 次≥80%，3 次为70%～＜80%，另有2 次在60%左右，1 次仅在40% 左右。从中选取降水特征较为接近、前期降水差异较大且土壤湿度测定值相对较高的小、大、暴雨各2 场，分别归入半湿润组和湿润组进行单次降雨事件的滞蓄分析（表1）。

表1 单次降雨事件筛选Tab.1 Selected single rainfall events

3.2 梅雨全期滞蓄率

整个梅雨期内，仪器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的记录总量在210～230 mm，仪器Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的记录总量在150～200 mm。平、坡屋面各试验模块对降水总量的滞蓄率在23%～41%，平均滞蓄率分别为38.9% 和30.6%；独立样本t 检验p值为0.117，平、坡屋面组间滞蓄率差异不显著；但Cohen’s d 值为1.625，表明差异幅度非常大，且平屋面试验模块比坡屋面试验模块平均多滞蓄降水29.4 mm，滞蓄率高8.3%，滞蓄力相对较优（表2）。

表2 梅雨期平、坡屋面试验模块的测量数据及滞蓄率Tab.2 Measurement data and rainwater retention rates of test modules for flat and pitched roofs during the plum rain season

3.3 单次降雨滞蓄率

考察各单次降雨事件下各试验模块的滞蓄率及各组试验模块的平均滞蓄率（图3），坡屋面湿润组试验模块在暴雨事件下的平均滞蓄率最低，为11.6%；平屋面半湿润组试验模块在小雨事件下的平均滞蓄率最高，为100%。不同组别试验模块的单次降雨滞蓄率差异性分析结果表明，除平、坡屋面的湿润组在暴雨和大雨事件下滞蓄率差异不大外，平、坡屋面的半湿润组在暴雨事件下，平、坡屋面的湿润组在小雨事件下，以及坡屋面的半湿润组和湿润组在暴雨事件下虽然p值略大于0.05，但Cohen’s d 值分别为2.211、1.776 和2.154，差异非常大；其余组别p值均小于0.050，差异显著。佛甲草模块滞蓄率的基本变化规律为：屋面坡度越小、基质含水率越低、降水强度越低，佛甲草模块的滞蓄率越高。

3 单次降雨事件的滞蓄率比较Comparison of rainwater retention rates of single rainfall events

3.4 单次降雨产流延缓时间

考察各单次降雨事件的产流延缓时间标示图（图4），在小雨事件⑯的整个降雨过程中，平、坡屋面组仪器Ⅰ～Ⅵ的记录值始终为0 mm，因此尽管坡屋面组在修正表面径流流失总量后计算得到的滞蓄率并非100%，但其滞蓄后排放曲线囿于瞬时数据难以修正，平、坡屋面组均未反映产流延缓时间T16；不过在其余降雨事件中，仪器记录均反映产流延缓时间。其中，延缓时间最短的为湿润组小雨事件⑫下的平屋面组，T12=5 min；延缓时间最长的则为半湿润组大雨事件⑤下的平屋面组，T5=900 min。标示结果表明，在基质半湿润时，平屋面组试验模块的产流延缓优于坡屋面组；在基质湿润时，则是坡屋面组试验模块表现略优。但对半湿润组和湿润组的平、坡屋面模块进行独立样本t 检验，p值分别为0.904 和0.933，Cohen’s d 值分别为0.136和0.073，平、坡屋面组之间的差异幅度非常小。

4 单次降雨事件的产流延缓时间Discharge delay of single rainfall events

3.5 单次降雨峰值延缓时间

考察各单次降雨事件的峰值延缓时间Ti'标示图（图5），在小雨事件⑯的整个降雨过程中，平、坡屋面组仪器Ⅰ～Ⅵ的记录值始终为0 mm，因此坡屋面组的滞蓄后排放曲线同样囿于瞬时数据难以修正，也未反映峰值延缓时间T16'。此外，在半湿润组暴雨事件②下首次出现降雨峰值（最大峰值）时仪器尚未记录到模块的排放数据，模块排放峰值与第二次降雨峰值同步出现，距首次降雨峰值滞后240 min。在其余降雨事件中试验组仪器所记录的峰值时间均与最大降雨峰值时间一致，未反映峰值延缓时间Ti'。

5 单次降雨事件的峰值延缓时间Peak delay of single rainfall events

4 讨论

尽管本研究测取的土壤湿度数据不尽准确，仅为参考，不过试验期间模块的土壤湿度变化基本可对应全期的降雨过程，基质湿度总体较高，并不利于滞蓄雨水。基质厚度是屋顶绿化雨水滞蓄能力的最大影响因子[9]，8 cm 基质屋顶绿化装置的滞蓄能力普遍不及基质厚度大于15 cm 者[18,32]，但梅雨全期平、坡屋面模块的滞蓄率基本在30%～40%，虽然低于现有研究所报告的拓展型屋顶绿化平均滞蓄率（为56%）[33]，与同纬度的成都的研究结果（成都2010 年7 月暴雨期的总雨量约为上海2019 年梅雨期的50%，相同基质厚度的佛甲草绿色屋顶滞蓄率约为45%）相比也略有不及[34]，却与相邻城市南京的简易型屋顶绿化在夏季的径流滞蓄率估算值32.9%相当[16]，且略高于广州（更为湿热）30 mm 以上基质厚度的垂盆草屋顶绿化的年均降雨滞蓄率实测水平[35]。这一颇为理想的滞蓄表现除了基质成分和配比的影响之外，可能还因为上海梅雨期雨热同期，且此时佛甲草临近开花期，生长旺盛，蒸腾作用较强。蒸腾作用是绿色屋顶滞蓄雨水的驱动因素，可在降雨间隙令基质生成新的滞蓄空间[36]。根据Zheng 等[18]对相关研究的统计，植物的高蒸腾作用也有利于绿色屋顶发挥滞蓄效能，高温多雨的热带地区以及大陆性气候条件下植物蒸腾作用显著，绿色屋顶的滞蓄效能相对理想。如长期实测得到的纽约州雪城（大陆性气候）景天屋顶的平均滞蓄率可达95.9%[37]，远远高于德国斯图加特（温带海洋性气候）在干旱年份测得的40%[38]。上海梅雨期的湿热天气叠合佛甲草的高蒸腾作用，所达到的30%～40%滞蓄率已接近屋顶绿化研究和建设水平领先的德国对于屋顶绿化雨水滞蓄的行业通用标准要求（如对于土壤基质深度为20～40 mm、坡度为2%的绿色屋顶，该标准要求年降水滞蓄率为40%～45%）[39]，应能有效缓解上海地区在梅雨期所面临的雨洪问题。按照这一滞蓄率水平，以上海梅雨期降水量占全年水量近30%[40]估算，若推广受试的8 cm 基质佛甲草屋顶绿化产品，仅在梅雨期就有望贡献至少10%的年径流总量控制率，这对于上海建设海绵城市、防范洪涝灾害可发挥重要作用。

本次试验单次降雨事件中滞蓄率随降雨强度、屋面坡度和基质含水量的增大而减小，基本符合既往研究得出的规律[9,41]。尽管同为亚热带季风气候区但更为湿热的香港有研究表明，8 cm 基质的绿色屋顶在频繁的强降雨下滞蓄效果会减弱，仅能降低径流峰值、延缓峰值时间[42]，但本次试验无论是湿润组还是半湿润组，均在降低径流峰值、减少径流总量和延缓产流时间上发挥一定作用，而延缓峰值时间作用并不显著。这可能是梅雨期雨势连绵、峰值出现之前往往会有较长时间降雨、基质含水趋于饱和、排放与降雨同步的缘故。因此暴雨事件②是入梅初期的首次显著降水过程，也是唯一显现延缓峰值时间的作用（即试验模块的排放峰值后于降雨的第一次峰值出现）的降雨事件，这与广州报告的暴雨事件中拓展型绿色屋顶可有效延迟暴雨峰值时间，但持续的复峰大降雨会令峰值延迟作用消弭相吻合[35]。基质含水量高对于大雨，尤其暴雨情况下模块滞蓄率的影响也非常显著，湿润组在大、暴雨下的滞蓄率仅有20%～25%和10%左右，比半湿润组在同等雨型下低近20%～35%。而广州拓展型绿色屋顶在复峰大降雨中报告的滞蓄率减少也在10%以上[35]。但目前中国城市对于屋顶绿化在自然降雨事件下的滞蓄实测试验数量有限，今后需通过更多研究进行验证并总结规律。

平屋面模块相较于坡屋面模块，其滞蓄率以梅雨全期计算会高8.3%，不同雨型下则平均高10.7%，除土壤湿度较高时的大、暴雨事件外，均有明显差异。但本研究未能搜集测得模块的表面径流，借助径流系数估算坡屋面模块的表面径流流失量，难免会有误差，有待进一步研究论证。不过既往研究得出的规律也是平屋面绿化的滞蓄能力高于坡屋面绿化[9,41]，若本着雨水滞蓄效益推广屋顶绿化，应遵循平屋面建筑优先的原则。

5 结论

本研究通过对适于上海地区推广的拓展型佛甲草屋顶绿化产品在当地梅雨期自然降水和典型屋面形式下的滞蓄实测分析，发现佛甲草轻薄屋顶绿化在上海梅雨期可发挥较为理想的降低径流峰值、减少径流总量和延缓产流作用；在上海及长江中下游梅雨地区对各类建筑，尤其是平屋顶建筑进行推广建设，可有效缓解城市雨洪压力；但对于连绵降雨过程中的强降水，其滞蓄作用较为有限，应进一步改良产品性能并整合其他有效的海绵措施。拓展型屋顶绿化可用作高度城市化地区的节地型海绵技术措施。中国城市今后应针对本地的气候特征，对其在自然降雨事件下的滞蓄实测进行更多的研究，发现、验证、总结拓展型屋顶绿化在不同地域的滞蓄效益和规律。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

文中图表均由作者绘制或拍摄。