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容器式屋顶绿化技术在海绵城市建设中的作用

作者: 邹敏,吴昊,谭兴晏 时间:2017-3-31 阅读次数:2223

随着城市化进程的加剧,城市的社会和经济效益得到飞速发展,同时一系列的城市环境问题也接踵而至,城市内涝灾害、城市缺水、城市热岛等问题严重阻碍了城市的健康发展与进步。容器式屋顶绿化在满足城市上层空间景观的同时,还对改善城市环境起到重要作用,是实现海绵城市建设的有效技术之一。雨水经屋顶绿化植被层和基质层的吸收、滞留、和渗透的过程,实现减少屋面雨水径流量、延缓峰值、削弱径流污染等作用。其植被层通过光合作用和蒸腾作用及基质层水分蒸发,空气湿度产生影响,使得容器式屋顶绿化对屋面有降温增湿的作用,实现隔热节能的效果。

图1/种植屋面基本构造层次图片来源 JGJ155-2013《种植屋面工程技术规程》

1/容器式屋顶绿化技术

种植屋面设计的基本构造从上到下主要分为5层,依次是:植被层、种植土层、滤水层、排(蓄)水层及防水层。根据气候特点、屋面形式、植物种类、现场管理,可增减屋面构造层次[1]。

图2/容器式屋顶绿化构造层次 图片来源 自绘

容器式屋顶绿化的基本构造主要由植被层、轻型营养基质层、生态型种植容器构成,生态型种植容器集滤水层、排(蓄)水层、耐根穿刺防水层为一体,符合JGJ155-2013《种植屋面工程技术规程》容器式屋顶绿化技术规程。该容器式屋顶绿化使用独特的园林营养土配方,具有质轻、养分释放缓慢、不易板结、排水透气性好等特点,基质密度0.48g/cm2,而理想的基质密度应在0.1~0.8g/cm2 ,最好为0.5g/cm2 [2]。植物主要是以佛甲草为主,佛甲草有耐阴、耐寒、耐旱、耐贫瘠、易养护等特性,夏季能抗60℃高温,冬季能在-10℃存活,对生长基质要求较低,施工灵活简便。

2/容器式屋顶绿化在海绵城市建设中的作用

2.1 容器式屋顶绿化调节径流的作用

随着城市建设用地的不断变化,城市不透水区域面积所占比例越来越大,而建筑屋面作为城市不透水面积的重要组成部分之一,增长速率较快。如上海市城区2005年屋顶面积已占整个不透水区的75%以上[3]。屋顶绿化对调节屋面径流具有重要作用,因此,充分利用建筑屋顶进行绿化,对城市水资源循环利用和生态平衡具有重要意义。

容器式屋顶绿化的植被层、基质层和生态型容器具有蓄水、渗水、滞水能力,因此,针对一般的降雨事件,容器式屋顶绿化可以截留屋顶径流,控制屋面径流总量和径流峰值,减轻雨水排放压力;其基质层对雨水具有较好的过滤作用,从而可以消除屋顶初期径流污染,净化径流水质。 基质层厚度的增加,可促使屋顶绿化径流水量控制效果更好,表现为:径流开始、结束时间延迟,径流截留量增加,径流峰值流量减小,污染负荷削减率提高[4]。

(1)径流总量控制

就城市裸露建筑屋顶而言,城市降雨除部分被蒸发外,绝大部分雨水都汇入了地下管网,混合其他污水排出,对城市市政排水管线造成极大压力。雨季,裸露平屋顶的径流系数为0.9,径流雨水通过檐沟和落水管排入排水管道中,再加上不透水路面所形成的地表径流,季极易造成排水不畅,导致城市洪涝灾害。随着城市硬化面积的扩张,暴雨峰流量明显增大。

屋顶绿化通过截留、吸收、蒸发降雨量,能有效降低屋面雨水径流量,减轻了城市排水系统的压力[5],顶绿化的雨水径流系数为0.3[6]。随着屋顶绿化面积增大,可提高雨水资源的利用,从而有效的调节城市雨水的自然循环和生态平衡[7-8]。屋顶绿化本身需要用水,可以通过种植层、基质层与(蓄)排水层,共同达到蓄存部分雨水的功能。许多学者的研究表明,不同气候条件下,屋顶绿化可以截留 50%-70%的降水,Mentens 总结了 1987-2003年德国屋顶绿化研究结果表明:密集型屋顶绿化年径流削减率为85%-65%,开敞型屋顶绿化年径流削减率为81%-27%[9]。容器式屋顶绿化对削减暴雨径流能力的大小,主要与种植层植物种类、研究期间的基质层厚度及材料、基质层含水率、降雨强度和降雨历时等因素密切相关[4]。通过对湖北全年降雨时间的研究发现,常规屋顶绿化、容器式屋顶绿化分别对降雨的截留量为12%、35%[10]。

(2)径流峰值控制

在降雨中,容器式屋顶绿化通过基质层、蓄水层能有效的滞留降雨量,延缓屋顶雨水径流进入城市排水管道的时间,削减城市暴雨径流峰值流量,缓解城市排水防涝压力[11-12]。王书敏等对重庆市屋顶绿化的研究结果显示;在屋顶占城市区域总面积的比例为25%、降雨量3.7 mm、降雨强度14.8mm·h-1的条件下,当区域内屋顶全部绿化时,峰值降雨径流降低 5.3%[13]。容器式屋顶绿化对降雨事件(>6mm)削减径流洪峰约1.06mm,延缓径流峰时约30min,推迟径流开始时间约10min[10]。

(3)径流污染控制

大量研究表明,屋面雨水污染负荷是城市径流的主要污染源之一。屋面雨水污染负荷主要包括降雨污染负荷和屋面径流污染负荷。降雨污染负荷是指降雨过程中雨水与大气中污染物质接触所形成的污染负荷,屋面径流污染负荷是指雨水在屋面汇流过程中所形成的污染负荷。研究显示屋面类型和降雨特性是影响径流水质的主要因素[14],屋顶污染物质来源于大气湿沉降物和屋顶材料析出物[15]。魏艳萍等的研究结果显示:天然雨水中污染物浓度普遍较低,未经绿化屋面的径流雨水尤其是初期径流污染严重,主要污染物是化学需氧量(COD)和悬浮物(SS)[16]。M.C.Gromair-Mertz等的研究表明,法国巴黎的屋面径流中的化学需氧量(COD)和悬浮物(SS)浓度较低,这可能与法国良好的空气质量有关;重金属Pb、Zn、Cu等浓度较高,这可能与屋面材料、屋面雨水集流系统材料有关[17]。车武等曾对北京连续4年城区屋面径流的初期径流水质和各场降雨平均浓度进行分析,结果表明:北京屋面初期径流COD、SS、合成洗涤剂、酚、石油类和重金属铅都超出北京地下水人工回灌水质标准[18]。

容器式屋顶绿化对污染负荷的削减主要是对暴雨径流污染的削减,经植物、土壤、微生物对径流中污染物吸附、拦截和微生物降解等作用,雨水径流污染得到控制[19]。轻型屋顶绿化屋面径流中化学需氧量(COD)、悬浮物(SS)、总氮(TN)、总磷(TP)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、铅(Pb)浓度分别为普通屋面径流的29.3%、23.3%、74.1%、48.9%、5.7%、3.0%、5.3%、4.0%;重型屋顶绿化屋面径流中COD、SS、TN、TP、Fe、Cu、Zn、Pb浓度分别为普通屋面径流的22.6%、16.9%、63.0%、31.2%、5.4%、2.2%、3.4%、2.9%16。非降雨时期,屋顶绿化还能对屋顶积累的大量沉积物和屋面材料老化产生的物质起到较好的净化和减轻作用[20]。

2.2容器式屋顶绿化隔热节能的作用

城市屋顶面积达城市总面积的30%,如果能够充分利用城市建筑屋顶进行绿化,增加城市绿化率,可以有效的缓解“热岛效应”。KSKC对纽约市的研究中发现,如果将纽约市 50%的屋顶都改造成屋顶绿化,整个纽约市屋顶温度可降低 0.1℃-0.8℃[21]。

屋顶绿化具有反射、遮挡、吸收、消耗太阳辐射的作用,使得屋顶绿化屋面结构的贮热量减少,从而实现较好的隔热节能效果[11]。李耕等通过对夏季重庆市轻型屋顶绿化与普通屋顶对比热工试验研究结果表明:绿化屋顶的太阳辐射吸收系数0.85、它对太阳辐射的遮蔽系数0.14、植物对土层水分的蒸发起到一定的抑制作用,夏季绿化屋顶的隔热率是68%[22]。吴志能等对重庆市屋顶绿化的降温效应研究结果表明:简单式、花园式屋顶绿化对室内温度的平均降温程度分别是1.75℃、4.35℃,对屋顶环境的平均降温程度分别为2.55℃、9.81℃,降低地表温度的程度分别为7.93℃和18.14℃[23]。德国的测试数据同样也证明了这一规律[24]。屋顶绿化能有效降低使用空调系统和供暖设备的建筑物的能耗水平,减少资源浪费,实现建筑节能。

3/小结

作为海绵城市(LID)建设技术中的一种,屋顶绿化拥有广阔的运用前景,以城市第五空间作为绿化场所可以极大地提高城市绿化率。容器式屋顶绿化作为屋顶绿化新技术,在城市旧房改建和新建建筑的屋顶绿化建设中具有重要的现实意义。屋顶绿化通过调节径流、隔热节能等主要作用和其他的一些辅助功能,能有效的缓解城市径流总量、延缓径流峰值、削减径流污染;并能有效降低屋顶热量,实现建筑节能等。从而改善城市开发建设所带来的负面影响,为城市实现开发前的环境状态作出重要贡献。

参考文献:

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