綠色屋頂影響降雨徑流滯蓄效應的研究進展

馮蘊哲， 王 勝

(1.中鐵二十局集團房地產開發有限公司， 重慶 401336； 2.重慶市市政設計研究院， 重慶 400020)

隨著我國城市化進程加快，城市土地利用類型發生改變，不透水下墊面的劇增導致城市內澇與徑流污染問題日益突出[1]。作為城市“第五屋面”的屋頂，不僅占城市不透水下墊面面積的40%左右[2]，還可作為大氣污染物沉降的主要載體，協同屋面材料污染物的析出作用，致使屋頂降雨徑流成為城市雨洪削減和污染控制的開拓新區域。運用生態技術原理的綠色屋頂可在一定程度上緩解城市內澇，尤其是大面積綠色屋頂的應用，可通過調控洪峰流量和徑流量降低內澇發生的概率[3]，已成為海綿城市建設中廣泛采用的源頭類雨水控制措施。綠色屋頂通常由植被層、基質層、過濾層和蓄排水層組成，并具有一定的坡度[4]。在工程應用中，綠色屋頂的結構參數會影響其對降雨徑流的滯蓄效應，進而影響海綿城市建設效果。有研究發現，栽種植物的綠色屋頂可削減50%的徑流峰值，延遲洪峰8 min，并對雨水的截留率提高4%[5]；基質種類和厚度也會影響屋頂的降雨徑流滯蓄效果[2]；蓄水層的設置可顯著提高綠色屋頂對降雨徑流的削減能力[6]。此外，屋面坡度也可影響綠色屋頂對降雨徑流的滯蓄效應[7]。為此，以植物和基質的水文調控原理為主線，總結分析植物種類與多樣性、基質成分與厚度、蓄排水層和屋頂坡度對綠色屋頂滯蓄效應的影響機理，以期為海綿城市建設過程中綠色屋頂的建造及深入研究提供參考。

1 植物對綠色屋頂滯蓄效應的影響

1.1 水文調控原理

植物對屋面徑流的水文調控主要通過水分截留、吸收和蒸騰作用實現。一般而言，屋面徑流產生量受控于降雨量、植物攔截雨水量、基質保水量、植物蒸散量和基質蒸發量[8]。降雨初期，植物冠層通過水分吸收和植物表面蒸發作用截留部分降雨和屋頂徑流[9]。在場次降雨期間，被吸收的水分通過蒸騰作用返回大氣中，而該過程又促使植物不斷吸收基質內保留的水分，進而提高基質的保水能力[10]。此外，有些植物還可通過根系在基質中形成的優先流對徑流產生影響[11]。植物根系還可通過構型特征影響基質的蓄水能力，如發達的須根系會大量占據土壤孔隙，反而降低基質的蓄水空間[12]。

1.2 植物種類

植物種類會顯著影響綠色屋頂對降雨徑流的水文調控效應。王書敏等[13]研究發現，種植麥冬的屋頂可延緩降雨產流25～48 min，徑流削減率為40%～58%；接骨草屋頂則可延緩降雨產流60～130 min，徑流削減率高達54%～80%。章孫遜等[14]研究發現，馬齒莧屋頂平均徑流削減率為51.3%，高于高羊茅屋頂(36.3%)和佛甲草屋頂(41.5%)。不同植物對綠色屋頂滯蓄效應的影響與植株形態有關，一般而言，株徑和高度較大，根系發達的植物會提高綠色屋頂對雨水的滯蓄能力。有研究發現，太陽花綠色屋頂在徑流消減率、產流和峰現時間均優于佛甲草綠色屋頂，這主要是由于太陽花的株高和單位面積生物量均高于佛甲草[15]；與木本植物景天相比，高植株、大株徑和高莖根生物量的非禾本科草本植物對徑流的滯蓄效果更好[16]。

綠色屋頂的滯蓄能力不僅受植株形態影響，還受控于植物的蒸騰作用強弱。有研究發現，高蒸發率(ET)的鼠尾草屬(Salvia)和水蘇屬(Stachys)對雨水的滯蓄率高達72%，明顯高于低ET的景天[17]；由于ET存在差異，草本植物屋頂對徑流的滯蓄效應要優于景天植物屋頂[18]；非肉質植物因其較高的耗水量，在降雨期間較肉質植物會滯蓄更多的雨水，但非肉質植物難以適應較長的干旱天氣[19]；高耗水植物能滯蓄更多的降雨徑流，但易受干旱天氣影響而難以存活[20]。

此外，部分植物在不同生長周期也會改變綠色屋頂的滯蓄效應。胡尹超等[21]研究發現，太陽花在生長季節(3—6月)具有更強的雨水滯蓄能力，而臥地延命草、洋竹草和佛甲草等植物的滯蓄能力并不受生長期影響。

1.3 植物多樣性

植物多樣性是否影響綠色屋頂對降雨徑流的滯蓄作用，目前尚未有統一結論。有研究發現，由多須草(Lomandralongifolia)、山菅屬(Dianellaadmixta)和彎藥百合屬(Stypandraglauca)3種植物混合種植的綠色屋頂，雖然生物量較豐富，但其徑流滯蓄效果低于單一植物屋頂[11]；混合栽種豆科植物、草本植物、小型灌木和多肉植物的屋頂較單一植物屋頂的水分滯蓄能力更差[22]。但地中海本土灌木和草本植物組成的綠色屋頂，其保水性要高于單一植物屋頂[23]；栽種濕地植物和旱地植物的綠色屋頂，較單一植物屋頂可滯蓄更多的降雨徑流[24]。此外，單一植物的冠層會阻止綠色屋頂中的水分蒸發，而多樣性較高的屋頂可通過植物間水分吸收的時間互補性提高其對雨水的滯蓄能力，種植5種植物的屋頂對雨水的滯蓄效應強于種植3種植物的屋頂[25]。

2 基質對綠色屋頂滯蓄效應的影響

2.1 水文調控原理

在綠色屋頂各結構參數中，基質對雨水的滯蓄效應影響最顯著[26]。綠色屋頂中基質主要通過滲透、儲存和表面蒸發等途徑實現對雨水的蓄滯作用[27]。降雨初期，基質表面的雨水被吸附至內部孔隙中進行儲存，并受基質孔隙率和電導率影響，且孔隙率和電導率越大，基質對雨水的儲存效果越好。基質儲水量介于永久萎蔫點和最大持水量之間[28]，而持水量與基質的不均勻系數有關，基質粒徑越均勻，持水量越少[29]。隨著降雨的持續，基質儲水量開始飽和，不斷下滲至排水層內，而下滲速率受基質水力傳導性能影響[30]。與此同時，基質表面產生徑流并受基質形狀和表面紋理影響，尤其是粗糙的紋理能更有效地輸送雨水徑流[31]。降雨停止后，基質中裸露的水分將蒸發至大氣中，從而降低基質含水量，釋放出基質的存儲空間，使其恢復滯蓄性能。

2.2 基質成分

2.2.1 基質材質 不同基質材質會影響綠色屋頂的滯蓄效應，輕質基質有助于降雨徑流的滯蓄。如輕基質、改良土和田園土綠色屋頂的平均徑流削減率分別為82.2%、88.4%和89.4%，而對產流的平均延遲時間分別達48.8 min、106.2 min和163.9 min[32]。張千千等[33]通過模擬降雨強度為50～80 mm的降雨事件，研究不同基質對綠色屋頂徑流量的影響，結果表明，商業基質的滯蓄率高達51.1%，而火山巖基巖、田園土的滯蓄率分別為33.6%和30.4%。印定坤等[34]研究表明，超輕基質的水力傳導率為改良土的4倍，而平均滯蓄率僅相差5%。

2.2.2 基質組配 唐立鴻[35]采用土壤改良劑、泥炭和陶粒，分別以3∶4∶3和4∶4∶2的質量比混合形成組合基質，結果以4∶4∶2配比基質對水分的滯蓄效果更優。李淑英[36]用田園石、椰糠、蛭石和珍珠巖以不同質量比組配成9種基質，研究滯蓄效果，結果表明，以2∶3∶4∶1的質量比組配時，綠色屋頂對雨水的滯蓄效果最好。

2.2.3 基質添加物 相關研究表明，在基質中添加某些物質可有效改善綠色屋頂對雨水的滯蓄效果。如將椰子皮和堆肥樹皮混合的有機物添加至基質中，發現綠色屋頂的滯蓄性能隨基質中有機物含量的增加而增強[37]；在基質中分別添加0%、10%、20%、30%和40%(體積比)的生物炭，結果表明，生物炭能顯著提高基質的持水能力，當添加40%生物炭時基質的持水性最佳[38]。但商業基質和生物炭基質的滯蓄性能并無顯著差異，其平均滯蓄率分別為72.54%和72.08%[39]。這可能與有機質對基質持水能力的改善效果不同有關。CLAIRE C等[40]研究表明，添加硅酸顆粒和水凝膠等保水劑可改善基質的持水能力，其中，硅酸鹽可提高火山渣和碎赤陶土瓦片基質的持水能力，而水凝膠只可改善火山渣的持水能力。

2.3 基質厚度

基質厚度對綠色屋頂滯蓄性能的影響僅次于基質材質[41]。屋頂產流時間隨基質厚度增加而延長，徑流峰值也隨之降低，而滯蓄水量隨之增加，當基質厚度為300 mm時，雨水滯蓄效果達到最佳[42]。同時，綠色屋頂徑流削減率、洪峰削減率和產流時間延遲率與基質厚度成正比[32，43]，但基質厚度對徑流的滯蓄能力還受植物所影響，如種植克里特奧勒岡和高羊茅的綠色屋頂，其滯蓄能力隨基質厚度的增加而增大，種植千佛手的綠色屋頂無此規律[43]。此外，基質厚度對滯蓄能力的影響也有所不同，印定坤[44]研究發現，基質厚度從100 mm增至150 mm時，滯蓄率增加6.5%；從150 mm增至200 mm時，滯蓄率僅增加4.9%。

3 蓄排水層

為提高綠色屋頂的蓄排水能力，可額外添加排水基質并通過提升排水管出水口位置來設置蓄排水層。有研究發現，排水層基質材料對排水層產流時間和峰值流量削減能力無顯著影響，而蓄水層厚度對綠色屋頂滯蓄效應影響較大[44-45]。秦華鵬等[6]研究表明，相同雨強下，綠色屋頂的徑流削減性能隨蓄水層厚度的增加而增加，其中，當蓄水層飽和后，徑流削減量達到最大；當蓄水層無儲水時，徑流削減能力將達到最大。但陳曉昱[46]研究發現，綠色屋頂的滯蓄能力受蓄水層體積比的影響不顯著。此外，蓄水層的設置還可增大屋頂的實際蒸發量，進而可有效減少屋頂徑流量[47]。

4 坡度對綠色屋頂滯蓄效應的影響

目前，針對綠色屋頂坡度是否會影響其滯蓄效應還存在一定的爭議。BENGTSSO L等[48]研究表明，屋頂坡度和長度對屋頂徑流影響不顯著。而GETTER K L等[49]研究表明，屋頂坡度在2%～25%范圍時，坡度對滯蓄性能影響較顯著，且現場實驗和ANOVA模型模擬分析表明，綠色屋頂的滯蓄率隨坡度的增加而降低。同樣，其他相關研究也證實了這一結論[50-51]。分析認為，屋頂坡度的增加會導致雨水匯流速度加快，基質難以發揮其空間存儲作用。

5 結論與展望

1) 植物不僅會影響綠色屋頂的徑流滯蓄效應，還會影響其景觀效果，應根據當地氣候特點選取本土植物進行試驗。目前，國內關于綠色屋頂種植植物方面研究較少，未來應積極探索國內本土植物及其不同植物配置徑流滯蓄效果的研究，以篩選出最佳功能植物，并確定植物配置模式。

2) 基質成分會對綠色屋頂的徑流滯蓄性能產生影響，但會受植物種類調控。因此，今后應加強植物與基質耦合作用的研究，如植物根系構型對基質微觀結構的影響機制。

3) 設置蓄排水層在一定程度上改善了綠色屋頂的徑流滯蓄性能，并可通過增大水分蒸發能力減小徑流量。目前，屋頂坡度對滯蓄效應的影響尚未形成統一共識，未來可圍繞屋頂的徑流滯蓄性能和熱效應開展屋頂坡度研究，以確定適宜的屋頂坡度。