基于海綿城市理念的生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王立榮，齊建軍，盧艷玲

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

1 引言

目前，大多城市建筑屋頂在遇到下雨天氣時(shí)，為避免雨水堆積在屋頂，其排水系統(tǒng)就會(huì)最大程度地將降落的雨水從屋頂經(jīng)排水管道排放至地面，不僅沒(méi)有減小城市對(duì)雨洪的排泄壓力[1]，反而成為了城市內(nèi)澇的“幫兇”，造成城市“雨水病”的日益加劇，且大量雨水在屋頂匯集后直接進(jìn)入下水道與污水一同流走，水資源被白白浪費(fèi)掉，十分可惜。

海綿城市在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)雨水帶來(lái)的自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，是新一代城市雨洪管理概念，又稱之為“水彈性城市”，國(guó)際通用術(shù)語(yǔ)為“低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)件”。海綿城市的建設(shè)理念在于下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，干旱缺水時(shí)又將蓄存的水釋放并加以利用，從而讓水在城市中的遷移活動(dòng)更加“自然”。

2 基于海綿城市理念的生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

屋面雨水是城市低水質(zhì)用水的理想水源，屬于輕度污染水，有機(jī)物含量極低，溶解氧接近飽和，總硬度小，可直接作為綠化和生態(tài)補(bǔ)水為綠色植物生長(zhǎng)所需。屋面雨水的有效利用能有效緩解水資源短缺問(wèn)題，既實(shí)現(xiàn)了開(kāi)源節(jié)流，又提升了城市的整體綠化率，創(chuàng)造出宜人的城市景觀。塑料泡沫擁有質(zhì)輕、絕熱、吸音、防震、耐腐蝕等特點(diǎn)，生產(chǎn)、加工和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，基于屋面雨水和塑料泡沫的以上特點(diǎn)，以“慢排緩釋，源頭分散，生態(tài)環(huán)保”等具有“海綿城市”特征的雨水收集、利用、排泄方式為設(shè)計(jì)理念[2]，設(shè)計(jì)一種以塑料泡沫為載體，將栽種有綠色植物的生態(tài)育苗罐體置于其中。該套裝置置于城市小區(qū)樓房屋頂，組合成一套集雨水收集、儲(chǔ)存、利用及處理的生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)城市雨水的就地消納和利用，從而有效緩解城市雨水的徑流壓力，減輕城市雨水的排放負(fù)擔(dān)，減少了雨水資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)海綿城市中雨水的吸、滲、滯、蓄、用、排等多維功用。

2.2 材料與方法

2.2.1 設(shè)計(jì)材料

①生態(tài)育苗罐體，由粘土、堆肥作為基料，并添加農(nóng)作物秸稈（包括小麥秸稈、小麥殼、玉米秸稈、玉米葉等常見(jiàn)農(nóng)作物或以上農(nóng)作物秸稈的組合），按比例拌和均勻后利用壓制機(jī)制作而成。

②田間土壤和礦物細(xì)砂，田間土壤為一般農(nóng)田中具有一定肥力的土壤，礦物細(xì)砂要求粒徑為0.16mm～2mm。

③塑料泡沫箱體，由聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯等樹(shù)脂制成的塑料泡沫制成。

④綠色植物，根據(jù)當(dāng)?shù)氐赜?、氣候環(huán)境、雨水多少及作物生長(zhǎng)習(xí)性等特點(diǎn)選擇吸水性較強(qiáng)的綠色栽培植物，綠色植物栽培方式根據(jù)實(shí)際情況，可選擇移栽、扦插或種子種植等多種方式。

⑤生態(tài)育苗罐體壓制機(jī)及無(wú)污染的拌和用水。

2.2.2 設(shè)計(jì)方法與內(nèi)容

1）制備生態(tài)育苗罐體。由粘土、堆肥作為基料（粘土與堆肥質(zhì)量比為5:1），添加質(zhì)量占比為5%的農(nóng)作物秸稈（包括小麥秸稈、小麥殼、玉米秸稈、玉米葉等常見(jiàn)農(nóng)作物或以上農(nóng)作物秸稈的組合），要求將秸稈粉碎為2cm長(zhǎng)度的小段，將以上材料拌和均勻并加水后利用壓制機(jī)制作而成。制成的生態(tài)育苗罐體為圓柱體，中間留有貫通孔，其外徑為8cm，內(nèi)徑為 4cm，高度為12cm，每個(gè)生態(tài)育苗罐體約0.75kg，上下底面相互連通（見(jiàn)圖 1）。

圖1 生態(tài)育苗罐體結(jié)構(gòu)示意圖

①生態(tài)育苗罐體制好后，用具有一定肥力的田間土壤填充生態(tài)育苗罐體的貫通孔，填至距離上表面孔口5cm為止，將吸水性較強(qiáng)的綠色植物幼苗或種子栽種其中，并在表面覆蓋2cm厚的礦物細(xì)砂，細(xì)砂粒徑為0.16mm～2mm。

②制備塑料泡沫箱體。塑料泡沫箱體由聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯等樹(shù)脂制成的塑料泡沫制成，并按生態(tài)育苗罐體直徑大小留孔，塑料泡沫箱體長(zhǎng)160cm，寬80cm，高40cm，塑料泡沫箱體上表面四周邊設(shè)有10 cm高的護(hù)邊。當(dāng)雨水量較大時(shí)，多余雨水可從護(hù)邊溢出流走。塑料泡沫箱體表面開(kāi)挖圓柱形凹槽，用來(lái)承載、安裝栽種有綠色植物的生態(tài)育苗罐體，凹槽直徑為14cm，凹槽底面距離塑料泡沫箱體底面的距離為3cm，凹槽深度為18cm，每個(gè)凹槽之間間隔距離為10cm。

裝有多個(gè)生態(tài)育苗罐體的一個(gè)塑料泡沫箱體作為一個(gè)種植單元，在生態(tài)育苗罐體中種植好綠色植物，將多個(gè)種植單元并排或者規(guī)則排放至城市中小區(qū)樓房屋頂，每個(gè)種植單元之間間隔30cm，作為雨水過(guò)流通道和人行通道，形成一種基于海綿城市理念的生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)。下雨時(shí)，該生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)對(duì)雨水進(jìn)行收集利用。需要說(shuō)明的是，因每個(gè)種植單元較小，故其將屋頂?shù)拇竺娣e拆分成多個(gè)種植綠色植物的小面積，當(dāng)實(shí)施操作時(shí)，只需將多個(gè)種植單元并排或者規(guī)則放置在屋頂即可，然后在每個(gè)種植單元內(nèi)種植植物，操作十分方便（見(jiàn)圖2、圖3）。

2.3 效果分析

在由粘土、堆肥作為基料，并添加有農(nóng)作物秸稈的生態(tài)育苗罐體、綠色吸水植物、塑料泡沫箱體等構(gòu)成的生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)中，堆肥和農(nóng)作物秸稈質(zhì)輕，所制成的每個(gè)生態(tài)育苗罐體質(zhì)量約0.75kg，移栽搬運(yùn)十分方便[3]。同時(shí)，堆肥和農(nóng)作物秸稈可為綠色植物提供營(yíng)養(yǎng)，生態(tài)育苗罐體制作原材料生態(tài)環(huán)保，有效促進(jìn)了植物根系的發(fā)育和生長(zhǎng)，為植物生長(zhǎng)營(yíng)造良好的生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了水、土、肥、苗耦合的生命體。塑料泡沫箱體具有質(zhì)輕、絕熱、保溫、吸音、防震、耐腐蝕等特點(diǎn)，生產(chǎn)、加工和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，所覆蓋的礦物細(xì)砂原材料來(lái)源豐富，且具有一定的保墑保水作用。以上材料所構(gòu)成的生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)整體質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、環(huán)保自然、無(wú)污染，且不額外占用城市建設(shè)用地，具有節(jié)能、增加城市綠地、降低城市熱島效應(yīng)等多種優(yōu)點(diǎn)，該生態(tài)系統(tǒng)置于城市小區(qū)樓頂，可有效改善頂樓住戶“冬冷夏熱”的不利條件，讓環(huán)境溫度和氣象狀況得到回歸調(diào)整和平衡，使城市生活更加舒適、滋潤(rùn)。

圖2 栽種有綠色植物的生態(tài)育苗罐體示意圖

圖3 一個(gè)種植單元的生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

筆者根據(jù)所在城市甘肅省蘭州市的地域、氣候環(huán)境及雨水等特點(diǎn)，采用種子種植方式，選擇沙冬青進(jìn)行種植試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)于蘭州市西固區(qū)某住宅小區(qū)樓頂。將沙冬青種子種植于所設(shè)計(jì)的生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)的生態(tài)育苗罐體中，經(jīng)第一次種植澆水后，沙冬青苗木全部長(zhǎng)出，長(zhǎng)勢(shì)良好[4]。后期遇到下雨，當(dāng)雨量較小時(shí)，雨水全部被生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)截流，成為沙冬青生長(zhǎng)所需用水，當(dāng)雨量較大時(shí)，一部分雨水被生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)截流，另一部分未截留雨水沿著塑料泡沫箱體四周的護(hù)邊溢流出去，從屋頂經(jīng)排水管道排放至小區(qū)地面，但從小區(qū)屋頂?shù)穆渌芰鞒龅乃枯^未安放生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)的同小區(qū)樓房相比明顯減少。此外，經(jīng)測(cè)試，當(dāng)白天氣溫較高時(shí)，同一小區(qū)中有該生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)的頂樓住戶與沒(méi)有該生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)的頂樓住戶相比，室內(nèi)溫度平均降低了3℃，增加了良好的居住舒適度。

3 結(jié)語(yǔ)

基于海綿城市設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)出一種以生態(tài)育苗罐體、綠色植物、塑料泡沫箱體等組成的生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)表明，該集雨系統(tǒng)能夠有效截留城市屋頂?shù)挠晁?，明顯減少屋頂產(chǎn)生的雨水徑流量，從而有效緩解了城市雨水的徑流壓力，減輕了城市雨水的排放負(fù)擔(dān)。該生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)整體質(zhì)量輕、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染，且不額外占用城市建設(shè)用地，具有節(jié)能、環(huán)保、增加城市綠地等多種優(yōu)點(diǎn)。此外，該生態(tài)屋頂集雨系統(tǒng)具有降低城市熱島效應(yīng)的功能，當(dāng)白天溫度較高時(shí)，測(cè)得頂樓住戶室內(nèi)溫度平均降低了3℃，有效改善了頂樓住戶“冬冷夏熱”的不利條件，讓環(huán)境溫度和氣象狀況得到回歸調(diào)整和平衡，增加了良好的居住舒適度，使城市生活更舒適、滋潤(rùn)，構(gòu)筑起一個(gè)真正現(xiàn)代化的生態(tài)“海綿城市”。