蔡君一，黃 瑞

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610097)

1 引言

在世界范圍內(nèi)，城市化地區(qū)正在迅速取代自然植被，導(dǎo)致不透水表面大量增加，引發(fā)了極具復(fù)雜性和綜合性的城市雨水問題。有學(xué)者指出，城市水文系統(tǒng)必須應(yīng)對高度波動(dòng)的地表徑流水量，這些水量在降雨期間可能變得非常高，而在其余時(shí)間則保持低水平。全球性氣候變化可能會(huì)進(jìn)一步加劇這些波動(dòng)，特別是洪水風(fēng)險(xiǎn)將進(jìn)一步增加[1]。屋頂綠化是海綿城市源頭削減和城市綠地補(bǔ)給的有效方式，在緩解用地難題的同時(shí)也能在雨水的滯蓄方面發(fā)揮重要作用。因此，充分了解粗放型屋頂綠化的徑流調(diào)控作用，對緩解城市水環(huán)境問題有重要意義。

2 粗放型屋頂綠化的雨水滯蓄能力

粗放型屋頂綠化(Extensive Green Roof)，又稱拓展型屋頂綠化，是最簡單的輕型綠化形式，對屋頂設(shè)計(jì)載荷要求為60～150 kg/m2，土壤基質(zhì)層較淺，結(jié)構(gòu)雖輕，但卻有較好的生態(tài)環(huán)境效益，后期無需復(fù)雜的灌溉工程和頻繁養(yǎng)護(hù)，因此建造、維護(hù)和管理成本低，便于推廣[2]。據(jù)資料顯示，在德國，屋頂綠化僅20%為屋頂花園，其余80%都為粗放型屋頂綠化[3]。1985年德國文獻(xiàn)首次提到綠色屋頂?shù)谋Ｋ芰?，其后大量研究證實(shí)，與傳統(tǒng)的裸露屋頂相比，屋頂綠化在減少雨水徑流量，推遲初雨徑流，降低并推遲洪峰等方面具有顯著作用。Nicholaus D[4]通過兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，粗放型屋頂綠化最高能削減 82. 8%的雨水徑流，明顯高于無綠化的普通屋頂。Bruce G Gregoire和John C Clausen[5]總結(jié)了北美和歐洲13州相關(guān)的研究測試，結(jié)合在康涅狄格大學(xué)屋頂?shù)膶?shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，粗放型綠色屋頂可以攔截、保留和蒸發(fā)34%到69%的降水，平均滯蓄率為56%。Mark T Simmons 等[6]在得克薩斯州的一項(xiàng)重復(fù)研究中發(fā)現(xiàn)，粗放型綠色屋頂在中型和大型降雨事件的最大雨水滯蓄率分別為88%和44%。

3 粗放型屋頂綠化對徑流調(diào)控的影響因素

屋頂綠化和城市雨水的地域性特征和變化多樣的特性使得不同研究之間的結(jié)果差異較大，不同的研究方法產(chǎn)生的量化數(shù)據(jù)也有較大偏差。目前針對屋頂綠化的滯蓄影響因子，國外已經(jīng)開始展開對外部因素的研究(如建筑坡面、降雨強(qiáng)度、季節(jié)氣候等)，但國內(nèi)的相關(guān)研究還是集中在自身系統(tǒng)要素方面，通過研究植被(植物的類型和植被組合方式)方式、基質(zhì)層(基質(zhì)深度、基質(zhì)組成類型、基質(zhì)含水量等)和其他構(gòu)造層對雨水滯蓄效應(yīng)的影響[7]。

3.1 基質(zhì)

屋頂綠化雨水滯.蓄能力最大的影響因素是基質(zhì)厚度。隨著基質(zhì)深度增加，基質(zhì)內(nèi)部可以蓄水的空間變大，因此蓄水能力更強(qiáng)?？v觀以往不同類型屋頂綠化的雨水滯蓄研究，不難發(fā)現(xiàn)，密集型屋頂綠化的滯蓄能力往往大于粗放型屋頂綠化，除了植被豐富度和覆蓋度的影響以外，基質(zhì)的厚度是最重要的影響因子。Mentens[1]等通過分析總結(jié)過去已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)密集的綠色屋頂由于其厚的基底層的存儲(chǔ)能力，在減少徑流方面比粗放型的綠色屋頂更有效。Andrea Nardini等[8]在意大利東北部的一個(gè)實(shí)驗(yàn)性綠色屋頂中研究了基質(zhì)深度和植被類型對雨水徑流減少的相對貢獻(xiàn)，200 mm厚比120 mm厚的能多削減20%的徑流。張彥婷[9]在上海粗放型屋頂綠化基質(zhì)層對雨水的滯蓄影響研究中發(fā)現(xiàn)，對比基質(zhì)厚度為100 mm和200 mm的粗放型屋頂綠化小試裝置，300 mm基質(zhì)厚度的滯蓄能力最強(qiáng)，滯蓄率達(dá)57.52%，初始產(chǎn)流時(shí)間最高達(dá)80 min。陳興武[10]基于植被類型和基質(zhì)深度兩個(gè)要素進(jìn)行的雨水滯蓄實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：16 cm基質(zhì)的屋頂綠化裝置水分吸收能力普遍高于8 cm基質(zhì)的綠化裝置。

粗放型屋頂綠化的栽培基質(zhì)主要采用人工配比的輕型基質(zhì)。較小的基質(zhì)密度、高持水能力和高孔隙率是用于綠色屋頂?shù)纳L基質(zhì)所需的物理特性。較基質(zhì)成分一般是由有機(jī)質(zhì)土壤(如田園土、輕質(zhì)泥炭土、堆肥)和一些無機(jī)礦質(zhì)材料(如陶粒、沙、浮石、珍珠巖、蛭石等)配比而成。其組成成分和各組成物質(zhì)之間配比的量對綠色屋頂?shù)挠晁疁钅芰σ灿兄匾绊?。土壤基質(zhì)的總孔隙度、濕容重、水分滲透速率等都會(huì)影響屋頂綠化的雨水滯蓄能力?；|(zhì)中的小粒徑顆粒物所占比例會(huì)影響滯蓄能力，其含量越高，滯蓄能力就越好，基質(zhì)配比中直徑小于1 mm顆粒比例的增加可以提高保水率[11]。細(xì)顆粒會(huì)填充較大顆粒之間的孔隙，從而產(chǎn)生更多的保水孔隙，提升基質(zhì)的雨水滯蓄能力。與此同時(shí)，也有不少研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)的有機(jī)質(zhì)含量也是影響其滯蓄能力的重要因素。Claire Farrell[12]等的研究指出，生物炭是增加屋頂綠化基質(zhì)保水量以此提高雨水滯蓄能力而不增加基質(zhì)重量的有效途徑，向基質(zhì)中增添40%的生物炭可以顯著提高基質(zhì)的雨水保持能力。

3.2 植被

植物是綠色屋頂與環(huán)境之間的關(guān)鍵界面。從理論上講，植被葉片首先可以阻擋和攔截一部分雨水，同時(shí)植物的蒸騰作用和生長代謝也可以吸收和消耗雨水。Eline Vanuytrecht[13]等使用水平衡模型(Green Roof)評估了氣候變化對兩種綠色屋頂類型(一種為景天苔蘚植被，一種為草本植物)和標(biāo)準(zhǔn)瀝青屋頂對植被干旱脅迫和雨水滯留的影響，在夏季3種類型的屋頂分別可以減少76%、64%和10%的雨水徑流，草本綠色屋頂比景天苔蘚綠色屋頂減少的徑流更多，但對增加的干旱壓力更敏感。北京建筑大學(xué)的張賢魏[14]在北京市氣候特征下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，植物種類對綠色屋頂滯蓄能力具有顯著影響，佛甲草和八寶景天滯蓄效果較好，三七景天和紅葉景天滯蓄效果一般。

再者，除了植物種類的影響以外，屋頂綠化植被豐富度和植物配置形式可能也會(huì)對滯蓄結(jié)果產(chǎn)生影響，但對這一項(xiàng)具有爭議。Lundholm等[15]選取了生命形態(tài)不同的15種植物(矮草、藤本灌木、多肉植物等)，研究了單一植被和三種、五種類型的植被混植的屋頂綠化系統(tǒng)對雨水的滯蓄效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混植的植物水分消耗速率更快，吸水性更優(yōu)。然而，Nagase等[16]的研究結(jié)果卻表明，植物多樣性和物種豐富度并沒有顯著影響雨水徑流量。

3.3 坡度

屋頂綠化的雨水滯蓄能力與屋面坡度有著密切聯(lián)系，通常隨著坡度的增加，綠色屋頂滯蓄能力會(huì)有所減小，許多研究測試也證實(shí)了這一點(diǎn)。Kristin L. Getter[17]等為了量化屋頂坡度對綠化屋頂雨水滯留的影響，對在4個(gè)坡度(分別為2%，7%，15%和25%)上構(gòu)建的12個(gè)粗放型綠色屋頂平臺(tái)進(jìn)行了徑流分析。數(shù)據(jù)顯示平均滯蓄率在坡度為25%時(shí)最小(76.4%)，而在坡度為2%時(shí)最大(85.6%)。Nicholaus D[4]等人的研究也得出了同樣的結(jié)論，覆蓋植物的粗放型綠色屋頂在基質(zhì)深度為4 cm，屋頂坡度為2%時(shí)滯蓄能力最強(qiáng)，合并所有降雨事件，其平均滯蓄率最高能達(dá)到87%。

3.4 降雨量和降雨強(qiáng)度

當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時(shí)，屋頂綠化的土壤基質(zhì)會(huì)快速吸收水分，土壤基質(zhì)很快便能達(dá)到水飽和狀態(tài)，甚至當(dāng)降雨強(qiáng)度過大時(shí)，雨水在土壤中甚至來不及下滲，雨水會(huì)溢流而出形成地面徑流，屋頂綠化的滯蓄能力會(huì)因此減弱。徐田婧[18]等研究發(fā)現(xiàn)，雨量和雨強(qiáng)與徑流削減率均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，徑流削減率隨降雨量增加呈遞減趨勢。Lee[19]等通過定量研究發(fā)現(xiàn)，粗放型屋頂綠化在降雨量<20 mm/h時(shí)有很強(qiáng)的保水能力。但隨著降雨強(qiáng)度的增加，保水能力下降。同樣，鄭美芳等[20]對成都市兩個(gè)粗放型屋頂綠化的監(jiān)測結(jié)果顯示，綠色屋頂?shù)慕亓裟芰﹄S雨強(qiáng)的增大而減弱，日雨量<10 mm時(shí)，兩綠色屋頂截流率為99.7%，暴雨時(shí)僅有30.9%，約為小雨時(shí)的1/3。張華等[21]基于37次模擬降雨實(shí)驗(yàn)，通過建立產(chǎn)流時(shí)間數(shù)學(xué)模型研究降雨量和降雨強(qiáng)度對屋頂綠化初始徑流時(shí)間影響，得出的結(jié)論與上述研究結(jié)果一致，二者呈負(fù)相關(guān)。

4 研究趨勢與展望

4.1 粗放型屋頂綠化雨水滯蓄效應(yīng)的地域性研究

粗放型屋頂綠化的滯蓄影響因子眾多，但無論是基質(zhì)類型、植物的選擇，還是區(qū)域氣候的干擾，都具有地域性特征。尤其在植物篩選方面，粗放型屋頂綠化生長環(huán)境較為極端，要選擇抗旱、抗寒、抗貧瘠、耐濕熱的本土性植物，同時(shí)對篩選出的本土植物進(jìn)行雨水滯蓄研究。目前相關(guān)的研究結(jié)論爭議較大，需要以地區(qū)為例進(jìn)一步明確影響因素，構(gòu)建雨水滯蓄更為高效的植物配置模式。除此之外，在不同的氣候區(qū)，例如溫潤多雨的四川與干旱少雨的西北各省，綠色屋頂?shù)慕亓髂芰耙?guī)律也會(huì)有所差異。因此，以具體城市的屋頂為主要研究對象，根據(jù)其所在地區(qū)的地理氣候條件篩選適宜的植被和屋頂構(gòu)建模式更具實(shí)踐意義。

4.2 宏觀視角下粗放型屋頂綠化雨水滯蓄效應(yīng)的價(jià)值評估

目前的研究對象主要是一些單體建筑屋頂或小型模擬屋頂實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，大多?shù)學(xué)者都是從微觀個(gè)體的角度出發(fā)研究其雨水滯蓄的相關(guān)性質(zhì)，理論成果也頗為豐富。但是在宏觀視角下，即城市區(qū)域尺度內(nèi)，大規(guī)模應(yīng)用粗放型屋頂綠化后的雨水滯蓄總體效應(yīng)研究還尚少，難以精確衡量粗放型屋頂綠化在城市雨洪管理中所做出的貢獻(xiàn)，未來這一方向的深入研究可以為城市規(guī)劃者和屋頂綠化的建設(shè)者提供更具參考性的理論依據(jù)。

4.3 基于多因素的粗放型屋頂綠化雨水滯蓄效應(yīng)綜合研究

屋頂綠化雨水滯蓄能力的影響因素眾多，除了上文所述的幾類研究較多的方面，還包含了屋頂所在建筑高度、屋頂面積、朝向、屋頂運(yùn)行時(shí)間、基質(zhì)保水劑含量、基質(zhì)初始含水量等更為詳細(xì)的因素。多種因素之間的相互作用可能是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大的重要原因，例如在研究植被類型對雨水滯蓄能力影響的同時(shí)，還需考慮到植物自身在不同季節(jié)的生長狀況的變化，不同的季節(jié)研究結(jié)果可能會(huì)截然相反。王紅兵[22]等人通過文獻(xiàn)調(diào)研，提取國內(nèi)外有關(guān)屋頂綠化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并根據(jù)因素之間的互作關(guān)系，分析推導(dǎo)屋頂綠化的徑流量公式，最后提出了要控制基質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量、基質(zhì)初始濕度、基質(zhì)厚度、生物量、降雨強(qiáng)度等關(guān)鍵指標(biāo)。但目前這類研究還處于起步階段，大部分研究依舊還停留在單個(gè)因素的對照分析，對于多因素的綜合作用，無論是研究方法還是研究結(jié)論都有待進(jìn)一步探索。