綠色屋頂的雨水管理效能研究*

王 敏

同濟大學建筑與城市規劃學院景觀學系 上海

1 引言

一般來說，城區雨水主要有屋面、道路、廣場、綠地等匯水面。研究測試表明：在這幾種匯水面中，地面徑流雨水水質較差；城市道路初期雨水中COD通常高達3000～4000mg/L；綠地徑流雨水基本以滲透為主，可收集雨量有限；比較而言，屋面雨水水質較好、徑流量大、便于收集利用，其利用價值最高[1]。在這樣的背景下，突破屋頂花園建設的美學傳統和游憩功能瓶頸，探討綠色屋頂在改善城市生態環境，特別是雨水管理方面的作用業已成為世界各國政府、專家關注的焦點話題[2]。

2 綠色屋頂的雨水管理基本構成

綠色屋頂廣義上是指在各類建筑物、構筑物、橋梁（立交橋）等的頂層、露臺、天臺、陽臺或者大型人工假山體上進行綠化、種植樹木花卉的統稱，狹義上僅指在屋頂平臺上種植植物以擴大城市綠色空間和綠色面積。一般情況下，綠色屋頂的結構從上到下依次是植被層、種植基質層、過濾層、排（蓄）水層、隔根保護層、分離滑動層、屋面防水層、保溫隔熱層、屋面板、屋頂支撐結構[3]。其中，參與屋面雨水管理的主要結構層是植被層、種植基質層以及排（蓄）水層[4]。

植被層是綠色屋頂綠化發揮生態效益、過濾雨水和控制雨水徑流的主要功能層之一。適應屋頂的綠化生態環境特點是植物選擇的基本出發點。種植基質層是指滿足植物生長條件，具有一定滲透性能、蓄水能力和空間穩定性的輕質覆土材料層。為使植物生長良好，同時盡量減輕屋頂的附加荷重，綠色屋頂的種植基質不直接選用地面的自然土壤（主要是因為土壤太重且保水性能差），而是選用既含有各種植物生長所需元素又質地輕、保水好、透水的人工基質。綠色屋頂的排（蓄）水層位于保護層和防水層之上、過濾層下，一般可采用蓄水板的形式，目的在于順暢排水的同時收集和儲存部分屋面雨水，既能提供屋頂綠化生長之需，又能暫時延緩屋面雨水排泄，在每年的降雨高峰期減少城市排水系統壓力。

3 屋面雨水管理效能的影響因素

3.1 屋面的工程狀況

根據種植基質層厚度的不同，通常將綠色屋頂分為2種：粗放型綠色屋頂（extensive green roof）和精細型綠色屋頂（intensive green roof）。目前，學界對于二者種植基質層厚度的界定并不相同（表1），但一致認為，粗放型綠色屋頂基質層較薄、植被自然生長、幾乎不需要人工灌溉和管理養護；精細型綠色屋頂基質層較厚、植被類型較多、需要經常灌溉和精心養護[5]。研究表明，屋面的工程類型是影響屋面雨水徑流系數的主要因素[6]。表2統計了傳統的非綠色屋頂、礫石屋頂、粗放型綠色屋頂和精細型綠色屋頂對于屋面年徑流系數的影響情況。數據顯示，綠色屋頂能夠極大地減少屋頂雨水徑流量，傳統的非綠色屋頂的徑流系數可高達91%，而精細型綠色屋頂的徑流系數將降至15%；在綠色屋頂中，精細型較之粗放型能夠更有效的減少雨水徑流[7]。

屋面坡度對于屋面雨水管理效能的影響主要體現在雨水的集蓄能力上。實驗研究表明：綠色屋頂的屋面坡度并不影響雨水徑流的水文過程，但影響雨水在屋面的滯留情況；屋面坡度越小，降雨強度越低，屋面集蓄的雨水量占總降雨量的比例越高；相同降雨強度下，坡度2%的屋面所集蓄的雨水量是坡度14%的屋面的2倍[8]。

3.2 種植基質層土壤的厚度與孔隙率

由表2可知，精細型綠色屋頂比粗放型能夠更有效地減少雨水徑流，這主要是因為前者的基質層土壤厚度更大。研究表明，屋頂的雨水管理效能與基質層的厚度和結構緊密相關。通常情況下，基質層土壤厚度越大，越有利于屋面雨水在土壤中的集蓄。值得注意的是，出于建筑結構安全、抗滲防漏方面的考慮，綠色屋頂的覆土厚度必須嚴格控制；并且隨著綠色屋頂使用時間的增加，種植基質層會發生不同的物理和化學變化。例如，土壤微粒減少，可溶解的物質隨著水流沖刷而流失，有機質含量增加，土壤的孔隙容積由于植物根系的生長而發生相應變化等。這些會對種植基質層的貯水能力以及雨水徑流的水質產生影響。

3.3 植被的種類與覆蓋率

大多數專家認為，綠色屋頂所選擇的植被種類以及覆蓋狀況對于減少屋面雨水徑流、提高雨水集蓄量，效果并不顯著[9]。植被對于屋面雨水管理效能的影響更多體現在凈化雨水，控制雨水徑流污染以及減小雨水徑流流速，保護土壤在大暴雨時不被沖刷，減少水土流失。當雨水流經植被層時，污染物在過濾、滲透、吸收及生物降解的聯合作用下被去除，同時雨水流速降低也有利于顆粒物的沉淀篩除。

3.4 季節和天氣的影響

季節與天氣對于屋面雨水管理效能的影響主要在屋面雨水的集蓄效率上。綠色屋頂集蓄利用雨水的工作過程一般為集蓄－利用－再集蓄－再利用，若每次集蓄后在兩場雨的間隔期間所收集的雨水或蒸發或者被植被全部利用，則每場雨的集蓄效率最高；否則，由于屋頂集蓄雨水的規模限制，多余的雨水只能溢流排放。因此，降雨間隔期長的地區，綠色屋頂的雨水積蓄效率高；一年之中，夏季的蒸發量大，屋面集蓄雨水的利用率高，集蓄效率也相應的為一年之中最高[10]。

4 基于雨水管理優化的設計策略

綠色屋頂的雨水管理目的：一是減少雨水資源的流失，調節雨水的自然循環和平衡；二是削減屋面雨水徑流量，減輕城市防洪排澇壓力；三是改善綠色屋頂徑流的水質，有利于后續的收集利用。為此，有必要從雨水積蓄、污染控制以及雨水綜合利用等方面提出相應的綠色屋頂設計策略。

表1 不同專家學者對于粗放型綠色屋頂與精細型綠色屋頂的介質土厚度的界定（舉例）

表2 不同工程類型屋面的雨水徑流系數

4.1 雨水集蓄措施

綠色屋頂雨水集蓄按照雨水的用途和集蓄位置分為屋面直接集蓄使用和專用設施收集貯存2種類型。降雨初期，屋面雨水大部分直接貯存在綠色屋頂的種植基質層以及排（蓄）水層，除少量蒸發外，多用于維持屋頂植被的正常生長。為了更多地直接集蓄利用雨水，建筑物屋面適宜采用小坡度（比如小于2%），但對防水要求相應提高。當降雨量超出綠色屋頂的設計集蓄雨水量時，雨水徑流將通過專用設施（例如檐溝、收集管、水落管、連接管等）被收集、運輸至雨水貯存池或低勢綠地等，處理后綜合利用。

種植基質層土壤的選擇對于優化雨水集蓄非常關鍵。一方面必須滿足植物生長的條件，如貯水能力、孔隙容積和營養物質；另一方面也要保證良好的滲透性，以便降雨時能及時使雨水下滲，減少表面淹水。設計時一般選擇孔隙率高、密度小、耐沖刷、可供植物生長的潔凈天然或人工材料。最常用的有火山石、沸石、浮石、膨脹頁巖、膨脹黏土、爐渣等與土壤的混合料，或者專門的介質土。

4.2 雨水污染控制

屋面雨水污染主要來自降雨污染和屋面徑流污染2部分。降雨污染是降雨過程中雨水與大氣中污染物質接觸形成的。屋面徑流污染是雨水在屋面匯流沖刷過程中形成的，未經綠化的屋面初期徑流污染比較嚴重，主要污染物是COD 和SS。綠色屋頂設計主要從4個方面進行雨水污染控制：一是通過屋頂植被層截留、吸納部分天然雨水，并利用植物和人工種植土層中微生物的作用降解所積累的污染物質；二是利用種植基質層土壤滲透過程凈化天然雨水中的部分污染物質，在滿足植物正常生長要求的前提下，盡可能選用滲濾速率和吸附凈化污染物能力較大的混合基質和土壤填料，例如沸石對氮磷有較高的去除率、高礦爐渣對磷有較高的去除效果等；三是杜絕屋面材料對徑流雨水的污染，綠色屋頂幾乎可以100%削弱這部分污染；四是植物配置考慮減少殺蟲劑和肥料的使用。

4.3 雨水綜合利用

屋面雨水綜合利用系統是指通過綜合性的技術措施實現屋面雨水資源的多重目標和功能，要求在綠色屋頂設計時綜合考慮屋面雨水的集蓄利用、屋頂綠化、滲透、凈化、水景塑造、排洪減澇等，實現多種子系統的優化組合。通常，由于屋面采用了綠化設計，屋面雨水的徑流系數將大大降低，相同降雨量下專用貯水池、調蓄池收集到的雨水會相應減少，一些小雨甚至不會形成徑流；而且經過植被層和種植基質層土壤的預處理，雨水徑流水質會明顯改善，與傳統非綠化屋面相比，可以省去初期雨水棄流等控制措施。雨后，調蓄池的部分雨水和屋面綠化可以形成一個循環，在滿足屋面綠化用水的同時改善建筑景觀和微氣候環境；另一部分雨水可供室外水景使用或者滲透、回灌補充地下水。為了保證整個系統的持續良好運行，特別是干旱季節屋頂綠化的正常生長，屋面雨水綜合利用在綠化給水子系統設計上通常采用設管網噴澆或滴灌的形式，同時考慮市政供水或者建筑中水回用等作為補充水源。

[1] 唐真,丁邵剛.基于雨水資源利用的集水型公園綠地建設[J].中國城市林業,2009,9(2):50-53.

[2] 曹秀芹,車武.城市屋面雨水收集利用系統方案設計分析[J].給水排水,2002,28(1):13-15.

[3] Werthmann, C. Green roof; a Case study [M]. New York:Princeton Architectural Press,2007.

[4] Mentens J, Raes D, Hermy M. Green roofs as a tool for solving the rainwater runoff problem in the urbanized 21st century? [J].Landscape and Urban Planning, 2006, 77:217-226.

[5] Berndtsson J. C. Green roof performance towards management of runoff water quantity and quality: A review [J]. Ecological Engineering, 2010, 36: 351-360.

[6] Berndtsson J. C. Green roof performance towards management of runoff water quantity and quality: A review [J]. Ecological Engineering, 2010, 36: 351-360

[7] Mentens J, Raes D, Hermy M. Green roofs as a tool for solving the rainwater runoff problem in the urbanized 21st century? [J].Landscape and Urban Planning, 2006, 77:217-226

[8] Villarreal E L, Bengtsson L. Response of a sedum green-roof to individual rain events[J]. Ecological Engineering, 2005,25: 1-7.

[9] Dunnett N, Nagase A, Booth R, Grime, P.. Influence of vegetation composition on runoff in two simulated green roof experiments[J]. Urban Ecosyst,2008,11: 385-398.

[10] Villarreal E L, Semadeni-Davies A, Bengtsson L. Inner city stormwater control using a combination of best management practices[J]. Ecological Engineering, 2004 (22): 279-298.