(銀川能源學院 土木工程實踐教育中心，銀川 750105)

1 研究背景

隨著城市化進程的加快，鋼筋混凝土建筑的日益增多，城市熱島效應越來越強烈[1]，同時排放物增多，PM2.5逐漸增加，有關研究表明，除了污染物的排放外，主要是由于城市綠化面積大量減少造成的[2]。目前，我國市區(qū)人口超過100萬的大城市有150多個，人口高度密集，原有的生態(tài)環(huán)境遭到破壞。聯(lián)合國生態(tài)環(huán)境組織提出最佳城市人均居民綠地面積為60 m2，聯(lián)合國在城市規(guī)劃中規(guī)定人均綠化面積要達到30～40 m2[3]。隨著我國城市化的不斷擴張，城市的綠化用地越來越少。全國綠化委員會辦公室發(fā)布的《2015年中國國土綠化狀況公報》[4]顯示我國人均擁有公園綠地面積僅13.16 m2，與國際標準還相差甚遠，為改善城市環(huán)境，提高城市綠化率，擴大城市綠地面積顯得頗為重要。

鑒于上述背景，在有限的城市用地資源下，盡可能地提高綠化率成為城市綠化的主導方向。近年來，屋頂綠化越來越被更多的人們認同，屋頂綠化不僅能有效提高城市有限空間的綠色覆蓋率，減緩大氣顆粒物污染[5]，對改善城市生態(tài)環(huán)境及建設低碳環(huán)保型社會起著至關重要的作用[6]。同時屋頂綠化可以吸收雨水，有效緩解地表徑流[7]，降低雨水流速。在天然降水的過程中大約有70%被截流，可以有效地促進海綿城市的建設[8]。相關研究表明，屋頂綠化后，屋面變小，可以有效降低建筑能耗[9]，延緩屋頂建材的有效使用壽命[10]。

屋頂綠化的實現(xiàn)，除了要考慮屋頂荷載的限制因素外，最主要的還是屋頂綠化灌溉用水的保證，屋頂植被由于受到屋頂?shù)乩砦恢酶?、風度大、光照強烈等因素的影響，蒸發(fā)量也會隨之增多[11]，如果不采取節(jié)水灌溉的技術(shù)措施，屋頂綠化的耗水量是巨大的。屋頂綠化主要是要保證屋頂植被的正常生長，在有限的水資源條件下，實現(xiàn)節(jié)水灌溉技術(shù)與屋頂綠化的結(jié)合，是推廣屋頂綠化重要的保證條件之一。

2 屋頂綠化的構(gòu)成

一套完整的屋頂綠化系統(tǒng)通常由防水層、隔離層、種植層等基本的構(gòu)造層次和灌溉系統(tǒng)組成。由于我國地域遼闊，各構(gòu)造層次在不同的地域存在區(qū)別[12]。西北地區(qū)實現(xiàn)屋頂綠化還要考慮植被越冬期的防風層設置；帶有蓄水功能的屋頂綠化還要考慮設置濾水層；降雨量大的屋面還要進行排水方面的設計。防水層的設置通常采用高分子卷材；隔離層的設置主要防止植被的根系穿刺，通常采用鋼筋混凝土；種植層的設置要根據(jù)屋頂綠化的植被確定，厚度以滿足根系生長為宜，種植層通常采用泥炭種植土，以此減輕重量。灌溉系統(tǒng)的設計要結(jié)合植被以及當?shù)氐沫h(huán)境因素進行整體考慮，以滴灌與滲灌為主。

目前，屋頂綠化的構(gòu)造層次在國內(nèi)基本已經(jīng)研究成熟，各城市的標準也相差不大，主要的設計原則是在保證建筑屋頂?shù)陌踩臀蓓斨脖怀苫畹臈l件下，盡可能減輕屋頂綠化各構(gòu)造層次的整體重量。

3 屋頂綠化節(jié)水灌溉技術(shù)研究現(xiàn)狀

屋頂綠化灌溉用水主要以自來水為主，但目前國內(nèi)學者已經(jīng)從屋面雨水的收集與灌溉系統(tǒng)整體設計[13]，以此達到節(jié)水的目的。屋頂綠化的灌溉方式主要以噴灌、滴灌、滲灌為主，灌溉的實現(xiàn)主要靠人工。自動化的屋頂灌溉技術(shù)發(fā)展相對滯后，隨著近幾年太陽能技術(shù)的發(fā)展，越來越多的綠色屋頂采用太陽能來實現(xiàn)屋頂綠化灌溉的自動化。

3.1 屋頂綠化灌溉用水

屋頂綠化的灌溉用水，目前以自來水為主，屋頂灌溉均需要一定的加壓設備，直接將灌溉設備接入自來水，不需要額外的加壓設備，便捷省力。但這種灌溉方式直接使用飲用水，會帶來大量的浪費，同時屋頂綠化的建造成本也會增加[14]。隨著水資源日益緊缺，屋頂綠化灌溉用水根據(jù)屋頂植被的特點已經(jīng)開始了中水、屋頂雨水等水資源利用的相關研究。

中水中污染物除COD外，其余均有所下降，雖然水質(zhì)略有惡化，但可以直接用于綠化灌溉。屋頂綠化用水單獨采用中水應用不多，這與城市中水管網(wǎng)系統(tǒng)的普及存在一定的關系。針對昆明市屋頂綠化灌溉用水的特點，岳秀林[15]提出把中水作為旱季屋頂綠化灌溉用水的備用水源，研究發(fā)現(xiàn)中水澆灌屋頂綠化具有很大的可行性。

隨著水資源的日益緊缺，已經(jīng)開始了針對城市屋頂雨水的利用相關研究。屋面雨水存在一定的污染物，研究表明屋面雨水徑流污染物主要為化學需氧量和水中固體懸浮物，這是由屋面防水采用的防水卷材造成的[16]。但在屋頂綠化后的屋面，雨水的污染物明顯降低，這是由于屋頂綠化可以通過土壤的滲透作用達到凈化屋面雨水的效果，同時可以有效地減小徑流速度[17-20]，降低雨水流量。針對屋面雨水的回收利用，國內(nèi)學者主要開展2方面的研究：一方面主要是針對屋面雨水的水質(zhì)及屋面雨水的污染物如何凈化展開，卻沒有對凈化后的雨水如何利用展開探討[21-25]；另一方面主要針對屋面雨水的收集利用流程以及屋面蓄水池的設計影響因素等確定雨水的利用方法[26-28]。隨著研究的深入，雨水被越來越多地作為屋頂綠化灌溉用水。

在旱季和缺水的西北地區(qū)，雨水只能作為屋頂綠化灌溉用水的備用水源，比較好的做法是對屋面降水進行收集利用再處理，通過中水回用系統(tǒng)進行屋頂綠化[29]。在成都地區(qū)的研究表明[30]，屋頂綠化技術(shù)和雨水中水利用技術(shù)能明顯地提高經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

保水劑在屋頂綠化草坪中也得到了一定的應用，例如在北方屋頂綠化常用的高羊茅草坪中，采用濃度為0.5%的保水劑，距離土壤表層5 cm處施入，灌溉用水節(jié)約得最多[31]。研究表明，在屋頂綠化草坪中使用保水劑能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。保水劑的使用雖能起到一定的節(jié)水作用，但由于保水劑的使用時效問題，在屋頂綠化中使用不多。

3.2 屋頂綠化節(jié)水灌溉技術(shù)措施

3.2.1 噴灌

噴灌在屋頂綠化中有一定的應用。研究表明噴灌可以有效改善屋頂局部小氣候，有效地降低局部氣候的溫度[32-34]。但由于建筑屋頂風力大，對噴灌效果存在一定的影響[35]。同時在屋頂面積不大的屋面，噴灌極易造成漏水，有女兒墻的屋頂綠化可以考慮使用噴灌技術(shù)。

3.2.2 滴灌

國外的現(xiàn)代學徒制的發(fā)展主要是在以技術(shù)與繼續(xù)教育學院的基礎上，聯(lián)合了社會各類主體來共同參與，以達到培養(yǎng)高素質(zhì)人才為目的，他們在全國設有統(tǒng)一的職業(yè)教育與培訓課程的質(zhì)量保障體系和認可標準，及統(tǒng)一的培訓計劃，并將工作與實踐緊密結(jié)合，德國的雙元制更是將校本理論教學與未來工作實踐緊密結(jié)合的系統(tǒng)培訓。

滴灌技術(shù)在屋頂綠化中應用廣泛。滴灌不受風力的影響，建造成本不大，是目前屋頂綠化的主流灌溉方式。通過雨水的收集和滴灌系統(tǒng)的有效組合[36]，可以方便地實現(xiàn)雨水收集、貯存、滴灌，減少人工灌溉管理，能有效地降低屋頂綠化的成本。

3.2.3 滲灌

滲灌技術(shù)主要通過低壓管道和埋置于植物根系層的灌水器來實現(xiàn)，該技術(shù)可以定時定量地根據(jù)植物生長的需水量向土壤中滲水，其灌溉水利用率比滴灌節(jié)水20%，比漫灌節(jié)水70%[37-41]。北京市屋頂綠化灌溉方式主要采用滴灌和滲灌為主[42]。G20峰會的主會場杭州國際博覽中心屋頂花園屬于大型屋頂綠化工程，采用人工灌溉耗時耗力，經(jīng)過研究，屋頂采用仿生精確灌溉滲灌系統(tǒng)進行灌溉，該系統(tǒng)通過模擬植物根系對土壤水分的需求量，對植物根系進行微量、精準灌溉[43]。

3.2.4 負壓灌溉

一種新型的負壓灌溉技術(shù)開始應用于屋頂綠化灌溉系統(tǒng)[44]，其主要是利用作物消耗水分后產(chǎn)生的土壤基質(zhì)吸力產(chǎn)生負壓，以此實現(xiàn)灌溉。該灌溉技術(shù)具有自動補給、自我調(diào)控的優(yōu)點，但在技術(shù)設計上有一點難度。

3.2.5 自動灌溉

自動節(jié)水灌溉技術(shù)由于省去了人工管理的環(huán)節(jié)，可以降低屋頂綠化的建造成本，在近幾年的屋頂綠化灌溉方式研究中，更多學者開始關注屋頂節(jié)水灌溉的自動化設計。針對屋頂綠化自動化灌溉的無人化管理，高凱等[45]研究了一種對雨水進行無動力收集和定時灌溉的裝置，該裝置由雨水收集器、集水箱、浮水控制器和滴灌系統(tǒng)4部分組成。曹傳生等[46]根據(jù)屋頂作物的需水量設計可行的雨水收集系統(tǒng)及自動灌溉系統(tǒng)，灌溉系統(tǒng)優(yōu)先采用收集的雨水進行灌溉，當用水量不足時采用市政用水補充，以此可以節(jié)約灌溉用水67.2%，雨水利用率可達54.55%，這對北方地區(qū)屋頂綠化雨水的回收利用有一定的借鑒作用。上海世博會羅阿案例館種植屋面采用滴噴灌與滲灌相結(jié)合的方式來達到節(jié)水的目的，澆灌系統(tǒng)的供水管布置在種植箱之間，通過智能化的設備，根據(jù)不同溫度控制灌溉水量，可以最大限度實現(xiàn)水資源的節(jié)約。該系統(tǒng)由土壤溫度傳感器、管路系統(tǒng)、綠化控制柜等組成[47]?？紤]到屋頂綠化灌溉的無人化管理，自動灌溉技術(shù)有一定的可行性。

3.3 屋頂綠化節(jié)水灌溉形式

3.3.1 傳統(tǒng)電力能源配合節(jié)水技術(shù)自動化灌溉

目前屋頂綠化實現(xiàn)自動灌溉，采用傳統(tǒng)的電力作為灌溉能源是最常見的形式。該種灌溉形式不需要單獨設計能源驅(qū)動，直接接入建筑電網(wǎng)即可實現(xiàn)。但在一些大型屋頂綠化工程方面，由于耗電量增多，該種灌溉形式能耗較大。

3.3.2 太陽能配合節(jié)水技術(shù)的自動化灌溉

太陽能與灌溉系統(tǒng)的結(jié)合能實現(xiàn)灌溉能源的綠色環(huán)保[48-50]，目前在公路綠化帶灌溉系統(tǒng)中已經(jīng)得到應用[51]。國內(nèi)學者也開始了屋頂綠化灌溉系統(tǒng)與太陽能的結(jié)合研究[52-53]，蘇建華等[54]在太陽能自動灌溉技術(shù)和噴淋技術(shù)的基礎上，增設種植擋板解決屋頂綠化栽培基質(zhì)的維護以及噴淋造成的漏水問題，通過太陽能自動灌溉控制器能實現(xiàn)屋頂綠化的全自動灌溉。都淼等[55]對屋頂綠化自動灌溉系統(tǒng)進行設計，設計過程中屋頂綠化的用水以自然降水為主，機械用電通過太陽能電池實現(xiàn)，整個設計過程實現(xiàn)了綠色環(huán)保。

4 屋頂綠化節(jié)水灌溉發(fā)展趨勢

屋頂綠化面臨諸多問題，如屋頂荷載的限制、防滲漏問題、灌溉施肥等日常管理[56-58]。在新建建筑物或老建筑物實現(xiàn)屋頂綠化，灌溉是能保證綠化植被成活的重要因素，目前大部分屋頂綠化都配套節(jié)水灌溉技術(shù)，灌水定額要根據(jù)土壤含水率、節(jié)水灌溉技術(shù)等因素科學地確定，以此減少屋頂綠化的耗水量[59]。節(jié)水灌溉技術(shù)在屋頂綠化中有以下發(fā)展趨勢。

4.1 灌溉自動化

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，灌溉控制逐漸實現(xiàn)灌溉自動化，通過設定的控制程序?qū)ξ蓓斁G化植被進行定時定量的自動化灌溉。減少人為控制灌溉，節(jié)省大量人力。

4.2 人工智能化

通過埋置在植被根系處的傳感器，根據(jù)植物生長模擬進行設計模型，實現(xiàn)灌溉方式的智能化。在自動化智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設計中，主要考慮因素為土壤相對濕度，其次為溫度和降雨量[60]。灌溉用水的設計以自然降水為主，綜合利用城市中水進行智能化灌溉。

4.3 節(jié)能化

全國有2/3的地區(qū)年日照時數(shù)在2 200 h以上①。太陽能在屋頂綠化灌溉系統(tǒng)可以實現(xiàn)灌溉能源的綠色環(huán)保，自動灌溉用電不需要額外接入電源，并且在太陽能資源豐富的北方地區(qū)，太陽能所發(fā)電量除滿足灌溉用電外，還可以給建筑供電，實現(xiàn)節(jié)能。在今后的屋頂綠化中太陽能技術(shù)將被廣泛應用。

4.4 控制系統(tǒng)多樣化

通過對屋頂類型、溫度、土壤濕度等進行實時監(jiān)測，建立基于模塊化的立體綠化用水定額[61]和多參數(shù)的智能綠化灌溉系統(tǒng)[62]，實現(xiàn)灌溉控制系統(tǒng)的多樣化。不同的屋頂綠化植被，在不同的季節(jié)、不同的屋頂類型中需水量存在一定的差異，應合理根據(jù)實際情況設置不同的灌溉控制系統(tǒng)，不同季節(jié)、不同作物合理選擇不同的灌溉方式，最大限度地滿足植物對生長環(huán)境的要求。

5 結(jié) 語

屋頂綠化灌溉技術(shù)已經(jīng)由傳統(tǒng)的噴灌、滴灌、滲灌向智能自動化灌溉發(fā)展。本文在介紹屋頂綠化必要性的基礎上，對屋頂綠化灌溉技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了詳細的論述，對比了噴灌、滴灌、滲灌以及自動化灌溉技術(shù)在屋頂綠化灌溉中的應用現(xiàn)狀。由于屋頂類型的不同、屋頂綠化植被的多樣性以及地域差異，屋頂綠化灌溉技術(shù)將會向灌溉自動化、人工智能化、節(jié)能化、控制系統(tǒng)多樣化等方面發(fā)展。