綠色屋頂在城市雨洪管理中的應用研究綜述

魏寧寧

(南京農業大學公共管理學院；江蘇 南京 210095)

0 引言

改革開放以來，中國的城鎮建設取得了舉世矚目的成就[1]，城鎮化率從1978年的17.92%增加到2016年的57.35%，年均增加1.02%；城市建設用地面積快速擴張，從1978年的5820.57km2增長到2016年的64531.48km2。中國在城鎮快速建設的過程中，由于土地利用變化等將自然透水表面改變為堅硬、不透水的表面(如道路、建筑物和屋頂)，改變了雨水徑流量和徑流速率，影響自然水文循環，導致中國許多城市一遇到暴雨天氣就會出現比較嚴重的城市內澇問題[2]。例如，2012年北京“7·21”城市洪水導致79人死亡[3]；2016年僅上半年，中國有15省(區、市)受到嚴重洪災的影響，其直接損失超過144億元人民幣[4]。造成這種問題一方面是公共基礎設施(如排水系統)供應不足所致，另一方面是由于當前的灰色建筑設施組成的不透水區域會產生大量的雨水徑流，可能導致洪水泛濫和其他與水有關的問題。基于此，我國在2014年提出了“海綿城市”的概念，為全國30個試點城市的發展示范項目提供資金。海綿城市建設的首要任務是實現對城市雨洪的有效管理，使城市在暴雨時能夠吸水，緩解地表徑流量，缺水時排水，增加地表徑流量，從而達到有效的城市雨洪管理。

海綿城市的概念不僅限于城市雨洪管理，還有增加綠色空間、改善生物棲息地等。而廣泛綠色空間的應用不僅有效緩解城市地區的內澇問題，也為在城市環境中生活和工作的人提供更美觀的空間，改善鳥類和其他生物的城市棲息地，是建設海綿城市的最主要工具手段。

1 海綿城市提出的背景和內涵特征

1.1 提出背景

政府主導的城市化和相關的土地利用變化并沒有考慮到減少的地表水滲透對城市水管理的累積和綜合影響[5]，導致每年的季風季節，中國大多數城市會出現城市內澇問題。為了應對洪災風險，多年來，中國一直在采取硬工程控制措施，如建設洪水蓄洪設施。1950年以來，我國已經修建了98000多座大壩，其中大部分是在1978年以前修建的，目的是統籌防洪、供水、灌溉和水力發電等，經過幾十年的使用，現已破舊老化[6]。改革開放以后，城鎮化快速發展，土地利用快速變化，以前的自然透水表面已經被城市發展轉變為道路，建筑物和各種其他形式的城市基礎設施等不透水層表面。降雨入滲的減少導致城市地區雨水徑流量和徑流速率的增加，雨水保留能力降低，地下水補給量減少。從20世紀80年代到21世紀初，上海市城市徑流排放量增加了20%～25%[7]。目前，中國許多城市排水系統的運行超出了最初設計的條件，由于過時的排水系統無法應對臺風/氣旋增強的暴雨和亞熱帶暴雨的強度，許多城市遭受了反復發生的洪水。

2013年12月的中心城市化工作會議，首次提出“海綿城市”概念，旨在解決由于快速城市化而增加的洪水風險，并創建一個包括城市水資源管理，城市規劃和可持續發展的關鍵組成部分的總體概念。該概念于2014年底在住房和城鄉建設部、財政部和水利部的指導下正式啟動。該政策最初確定了16個城市進行試點項目，后來擴大到其他14個城市(2015年的遷安、白城、鎮江、嘉興、池州、廈門、萍鄉、濟南、鶴壁、武漢、常德、南寧、重慶、遂寧、貴安新區和西咸新區；2016年的福州、珠海、寧波、玉溪、大連、深圳、上海、慶陽、西寧、三亞、青島、固原、天津、北京)。目標是將能夠吸收地表水排放的城市土地面積增加約20%，并在2020年前保留或再利用約70%的城市雨水；到2030年，進一步再利用高達80%的雨水[8]。海綿城市概念不僅解決城市洪水風險，還采取積極主動的方法來收集、凈化和再利用中國城市的城市雨水，以應對未來的氣候極端事件(洪水和干旱)。

縱觀世界其他國家對城市雨洪管理的實踐可以發現，海綿城市并不是一個全新的概念，其概念類似于美國的低影響開發(LID)方法[9]、英國的可持續的城市排水系統(SuDs)[10]和藍綠色城市(BGCs)方法[11]、澳大利亞的水敏感城市設計(WSUD)[12]和新西蘭的低影響發展城市設計(LIDUD)[13]。實際上，xia等人[14]將“海綿城市”概念描述為中國城市規劃的突破，因為期概念、相關指導方針和政策有可能增強可持續性原則(通過解決生態和社會經濟方面)，以及鼓勵城市水資源管理(和洪水風險管理)更好地融入城市規劃和設計實踐。

1.2 內涵特征

(1)提高對城市峰值徑流的有效控制，并臨時儲存、回收和凈化雨水。

(2)使用更多綠色基礎設施(例如建造地下蓄水池、透水路面和綠色屋頂)來升級改造傳統的排水系統，并增加現有的排水保護標準，以抵消峰值排放并減少多余的雨水。

(3)整合天然水體(例如濕地和湖泊)，并鼓勵在排水設計中實現多功能目標(例如加強生態系統服務)，同時提供更多的人工水體和綠地，以提供更高的美化環境價值。

2 綠色基礎設施作為城市雨洪問題的緩解策略

海綿城市計劃通過促進使用更具滲透性的路面和道路材料，增加城市雨水的降雨滲透和儲存，更多地使用洼地和滲透通道，在城市公園內建立人工濕地[15]，生物洼地、雨水花園、透水路面和綠色屋頂等綠色基礎設施，通常旨在模擬自然水文響應，通過植被和土壤吸收城市雨水滲透、雨水保留、儲存、凈化、補給地下水，改善徑流水質(表1)。

表1 綠色基礎設施及其相應指標[8]

注：●—強；◎—中；〇—弱；×—無

生物洼地和雨水花園的建設，可以增強城市綠化，增加城市綠地的整體面積，為鳥類、昆蟲類等提供新的棲息地，改善城市生態系統的多樣性[16]。公園綠地可以創造更大的娛樂空間，為公眾帶來多重好處(圖1)。

圖1 海綿城市示意圖[16]

在自然環境中，地表水可以滲透到地下，從而平衡地下水供應和水質。然而，城鎮化將自然透水表面改變為堅硬、不透水的表面，當遭遇暴雨天氣時，城市不透水區域(如道路、建筑物和屋頂)會產生大量的雨水徑流，這可能導致城市洪水泛濫等問題。在城市地區，屋頂表面積占所有不透水表面積的40%～50%[17]，因此，在設計海綿城市的雨洪管理系統時考慮屋頂區域非常重要。

綠色屋頂通常也被稱為植被屋頂或生態屋頂，是減少徑流和峰值流量的有效技術。與普通屋頂相比，綠色屋頂能夠長時間保留土壤和植被介質中的雨水，延遲峰值排水時間，減少峰值排水量[18]。大量研究表明，綠色屋頂是降低城市地區的洪水泛濫問題的有效方法。通常，綠色屋頂由6層組成：植被層、基質層、過濾層、排水層、保護層和防水層(圖2)。綠色屋頂可以根據基層的深度分類為廣泛的屋頂和密集的屋頂[19]，廣泛的屋頂通常具有小于150mm的基底深度，而密集屋頂的基底深度大于150mm。

圖2 綠色屋頂結構示意圖[18]

與傳統的屋頂相比，雨水儲存在綠色屋頂的植被層中，有助于減少峰值流量，綠色屋頂植被的蒸散作用，也有助于減少徑流量，城市地區使用綠色屋頂的徑流峰值和徑流量延遲情況如圖3所示。

圖3 綠色屋頂和傳統屋頂的降雨地表徑流響應[17]

綠色屋頂除了具有截留雨水的功能外，還有隔熱降溫、固定溫室氣體、生物棲息、美化景觀等功能。其實，在歐美發達國家，綠色屋頂并不是一種新技術，在過去的30年里，它們的廣泛使用，尤其是城市雨水管理，為全球城市地區帶來了諸多好處。例如：德國、澳大利亞、奧地利、美國，日本，新加坡和韓國等國家都在推廣建設綠色屋頂[20]，其中德國14%的平屋頂由綠色屋頂支撐[21]，韓國的“低碳綠色增長建筑法”強烈支持綠色屋頂作為低影響發展(LID)技術[22]，以實現更安全和更可持續的城市發展。

國外大量的研究表明，與傳統屋頂相比，綠色屋頂在減少徑流量和徑流峰值徑流延遲方面發揮重要作用。綠色屋頂的徑流截留率(徑流截留的百分比通常定義為雨后事件中綠色屋頂控制的總降雨量的百分比)為50%～80%(表1)。多種因素會影響綠色屋頂的徑流截留率，如氣候條件、屋頂設計、綠化屋頂坡度、綠化屋頂的基質深度、類型和植被類型等。

研究綠色屋頂在不同降雨條件下長時間的徑流截留中的作用是非常重要的。Bengtsson[23]應用水平衡方法檢查不同降雨條件下綠色屋頂的水文性能，結果表明，綠色屋頂可以截留大量雨水，徑流流量平均可以減少64%。根據在謝菲爾德(英國)種植小型綠色屋頂的Stovin等人[24]的研究結果顯示，不同降雨條件的徑流量保持率約為50%～59%。同樣，Kohler等人[25]研究了德國的綠色屋頂，結果表明，由于綠色屋頂蒸發量大，降雨徑流量可降低達60%～80%。Shafique等人[20]對韓國首爾市的綠色屋頂研究表明，在不同降雨事件中，綠化屋頂的平均徑流截留率為10%～60%。國內的葛德等人[18]基于4種植被覆蓋類型綠色屋頂，監測了2017年不同降雨條件下綠色屋頂的徑流截留量，結果表明，降雨量<10mm，徑流截留率接近100%，降雨量>30mm，徑流截留率下降到70%以下。

綠色屋頂的徑流截留結果也取決于綠色屋頂的年齡。已用的研究表明，與新的綠色屋頂相比，較舊的綠色屋頂可以保留更多的降雨徑流。Getter等人[26]的實驗驗證了這一說法，其結果表明，在5年的時間里，綠色屋頂土壤基質的有機質含量增加了一倍，因此，孔隙空間加倍并且增加了綠色屋頂的持水能力。根據Seters等人[27]的研究結果，與加拿大多倫多的新的綠色屋頂相比，較舊的綠色屋頂可以將徑流流量減少63%。意大利學者的研究獲得了類似的結果，較舊的綠色屋頂比新的綠色屋頂的徑流量多減少10%[28]。

土壤基質的特征也是影響徑流量截留的突出因素。與綠色屋頂基材相比，植物/植被的影響不太重要。然而，對于綠色屋頂，植被在提高蒸發蒸騰速率方面起著更重要的作用，這有助于通過降低外部溫度來冷卻建筑物[29]。Carter和Rasmussen[30]應用了美國喬治亞大學的綠色屋頂來評估其減少徑流的性能。從31次風暴事件中監測徑流截留量，結果表明，與普通屋頂相比，綠色屋頂能夠長時間保持降雨，并且可以保持近78%的徑流量。美國的其他研究采用了類似的程序，綠色屋頂的徑流滯留量分別減少了50%～80%的徑流量[31-33]。

綠色屋頂土壤介質深度的選擇是減少峰值流出的一個非常重要的因素。Fassman-Beck等人[34]監測了新西蘭奧克蘭大學4個綠色屋頂的水文性能，在這4個綠色屋頂中，在合成排水層上使用50～150mm深度的基材，研究結果表明，土壤基質深度對徑流截留性能影響很大，徑流截留率的變化幅度在45%～70%之間，平均徑流截留率為56%。Shafique等人[35]在韓國首爾市人口密集的地區改造了綠色屋頂(使用不同土壤介質深度)，以減少徑流，結果表明，與普通屋頂相比，綠色屋頂可以減少高達68%的徑流，土壤基質深度對徑流截留率的影響程度在40%～60%之間。

綠色屋頂不僅能減緩徑流水量，還能夠改善徑流水質。相較于減緩徑流水量，綠色屋頂在改善徑流水質方面的研究相對較少，在不同研究條件下得出的綠色屋頂改善徑流水質差異較大。Moran等人[36]連續觀測9個月位于美國北卡羅來納州的兩個綠色屋頂的徑流水質情況，并未發現水質改善現象。Tim[37]監測了美國波特蘭市某公寓綠色屋頂的徑流水質情況，發現氮的濃度在兩年內隨時間而降低，且低濃度發生在少雨的夏季，觀測到的高濃度銅極有可能是受屋頂材料的影響。Berghage等人[38]主持的賓夕法尼亞州立大學綠色屋頂項目開展了較為全面的徑流水質監測，21次降雨事件的采樣結果中，綠色屋頂水樣顏色發黃，pH值和可溶性鹽濃度偏高，營養物質(磷和鉀)濃度和硬度(鈣和鎂)相同或更高。國內只有極少學者開展綠色屋頂對徑流水質影響的研究，劉瑞芬[39]以成都某綠色屋頂(高度約15m，屋面面積10m×27m)為例，監測時間為2009年3—5月，采樣方法為混合人工采樣，獲取流量成比例混合樣，檢測污染物EMC值，監測結果表明該綠色屋頂水質普遍呈堿性，對酸雨有一定程度的緩解作用，TSS，COD，NH3-N，TN，TP的污染負荷減少量分別為72.1kg，172.8kg，4.2kg，21.8kg，0.3kg，改善徑流水質效果明顯。

3 中國城市雨洪管理面臨的挑戰

通過以上分析可以發現，綠色基礎設施是城市雨洪可持續管理的有效手段，是建設海綿城市的基礎性工作。然而，海綿城市建設是一項重大活動，是中國城市發展的新城市規劃戰略，其實施過程中會面臨一系列挑戰。根據海綿城市建設指南，在該計劃的第一階段(2018—2020年)，試點研究區域應覆蓋其所在城市的20%以上，這可能是一個相當大的挑戰。中國大多數城市，城市洪水緩解措施的設計與傳統的工程基礎設施(即閘門、混凝土基礎設施和超大型排水溝)相關聯，旨在盡快將城市排放物排放到下游出口(較大的河流，湖泊和海岸)。然而，這種方法在適應無序的城市擴張和增加不透水的城市地表面方面既昂貴又不靈活。隨著城市空間的擴大，這種方法也無法應對強降雨事件，中國的許多城市都遭受了城市洪水帶來嚴重的經濟影響和人員傷亡。城市擴張和城市人口增加的另一個影響是水污染。隨著不可阻擋的城市土地利用擴張[40]，面源污染物(路邊排放、國內工農業滲漏和徑流)越來越多地排入和降解城市河流。例如，在長江三角洲的許多城鎮，大約有70%的城市水體(如河流、池塘、水道和涵洞)污染嚴重(按照國家水質標準GB3838)，達到或低于四級。所以海綿城市建設的成本可能相當高昂，據Xia等人[14]的研究，僅海綿城市指南的改造和重建估計每平方千米花費0.1億～1.15億人民幣。而且現有的城市基礎設施設計規范也要和海綿城市建設的要求相適應。

我國有一個復雜的治理體系來管理水問題，其中相關的管理機構很多。例如：雖然城市洪水問題由水利水文部門管理，但城市水污染由生態環境部管理。同樣，涉及地表水截留存儲和防止土壤侵蝕的植被、樹木和森林砍伐問題及所有其他土地利用規劃由自然資源部(林業局)管理。所有相關機構都有自己的行為準則、立法實踐和政策，然而，鑒于城市持續快速發展和極端氣候變化的影響，同時解決城市水問題將是困難的，往往會出現“九龍治水”困境。

為了促進海綿城市概念的采用和實施，2016年住房城鄉建設部對《城市綠地設計規范》(GB50420-2007)進行了修訂并正式發布。該文件強調了對城市綠地設計和建設的協調方法，特別是在排水管理方面、儲水空間的用途、土壤類型、入滲和排放量之間的關系，以及在正常和潮濕條件下維持所需的土壤田間容量的最小允許流量。此外，《城市道路工程設計規范》(CJJ37-2012)也在2016年進行了修訂，以適應海綿城市實踐的要求。綠色基礎設施的安裝，例如生物洼地在道路上的安裝，需要在行人、自行車道和機動道路之間增加額外空間，例如：修訂后的CJJ37-2012城市道路設計規范包括一個新的部分(16—綠色基礎設施)，要求城市道路保留至少1.5m的寬度，以適應合適的綠色基礎設施。

海綿城市建設涉及到一系列制度、組織機構、規范、技術標準的轉變，需要相當高昂的建設成本，也需要廣大民眾思想觀念的轉變，所以，海綿城市建設是一個循序漸進的過程，切記不能搞大躍進式的建設，每個城市要按照自身能力分階段分步驟建設完成。

海綿城市的概念，旨在改變城市規劃過程，同時促進保護和創造城市地區的綠色景觀。該概念如能成功實施，將更有效地促進未來的土地利用和空間規劃，并改善城市生態系統的多樣性和社會福祉。實現海綿城市目標將會使河流和其他城市水體和濕地得到更大地保護，并相應增加其他城市綠地(例如植被區、森林、農田)。然而，這一概念并不是排斥使用工程基礎設施(灰色基礎設施：如城市河流渠化、土地利用排水和防洪)對城市雨水的管理，而是將綠色基礎設施和灰色基礎設施相配合，在極端降雨事件期間控制城市徑流和儲存雨水，以解決更廣泛的城市用水和環境問題，這在中國將是一個突破。

4 結論

該研究旨在證明在海綿城市的建設過程中，綠色基礎設施是一項非常有用的城市雨洪管理技術，并探討綠色基礎設施建設中面臨的一系列挑戰。

當前，政府主導的城市化和相關的土地利用變化并沒有考慮到減少的水滲透對城市水管理的累積和綜合影響，許多城市遭受了反復發生的城市洪水問題。作為回應，海綿城市的概念應運而生，海綿城市建設在傳統基礎設施基礎上，采用更具靈活能力的基礎設施(綠色屋頂、透水路面等)，同時整合天然水體(濕地和湖泊等)，以實現對城市雨水的管理，同時，實現改善環境、維持生物多樣性等多種福利。

綠色基礎設施有多種類型，如：透水路面、綠色屋頂、雨水花園、生物洼地等，不同類型的綠色基礎設施其在減少地表徑流量和降低峰值徑流方面的表現各不相同，同時在建設成本和維護成本方面也有差異。該文闡述了綠色屋頂的結構、類型、功能作用等。已用的研究結果表明，綠色屋頂的徑流截留率(徑流截留的百分比通常定義為雨后事件中綠色屋頂控制的總降雨量的百分比)在50%到80%之間。多種因素差異影響綠色屋頂的徑流截留，如氣候條件、屋頂設計、綠化屋頂坡度、綠化屋頂的基質深度和類型和植被類型等。綠色屋頂不僅能減緩徑流水量，還能夠改善徑流水質，在不同研究條件下得出的綠色屋頂改善徑流水質差異較大。

綠色基礎設施是城市雨洪可持續管理的有效手段，是建設海綿城市的基礎性工作，其實施過程中會面臨一系列挑戰。因此，海綿城市建設是一個循序漸進的過程，切記不能搞大躍進式的建設，每個城市要按照自身能力分階段分步驟建設完成。

綜上所述，海綿城市概念在城市水資源管理、緩解城市洪水和氣候風險、生態建設和提高社會福利等方面對城市發展戰略無疑具有重大的革命性；仍然存在許多挑戰(例如，維持海綿城市項目的資金和成本、跨部門的協調、公眾的認知和支持、海綿城市項目有效性的評估等)。優勢與劣勢相對，機遇與挑戰共存，必須利用自身優勢，抓住城市快速發展的機遇，逐步解決面臨的挑戰，最終實現新的城市形態。