高度城市化地區(qū)屋頂綠化徑流調(diào)控效益評價(jià)
——以廈門島為例

董 菁,左 進(jìn),*,吝 濤,劉君濤,王 寧

1 天津大學(xué)建筑學(xué)院, 天津 300072

2 天津市創(chuàng)意城市設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072

3 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廈門 361021

4 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

5 廈門市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 廈門 361012

20世紀(jì)50年代全球城市化的平均水平達(dá)到30%,此后的60多年里,世界城市化進(jìn)程進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期[1]。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局最新報(bào)告,中國城市化率從1978年的17.92%增加到2018年的59.58%,用不到40年時(shí)間完成超過50%的城市化率。高度城市化地區(qū)的不透水地表覆蓋率高,自然土壤和植被的流失通過增加徑流速度和流量、限制蒸散和截留顯著影響水循環(huán),嚴(yán)重削弱了城市的降雨徑流調(diào)控能力,影響城市水安全[2]。此外,在全球氣候變化背景下,暴雨等極端事件逐漸增加[3]。城市化和氣候變化的雙重影響導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。近年來,在中國大部分城市發(fā)生的洪澇災(zāi)害造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)可以最小化城市化的負(fù)面影響[5],然而,在高度城市化地區(qū)土地的稀缺以及高昂的土地成本導(dǎo)致的財(cái)政壓力限制了綠地的供應(yīng)[6]。其中,屋頂綠化因其生態(tài)功能以及在建成區(qū)內(nèi)易于實(shí)現(xiàn)而成為最可行的緩解措施。與傳統(tǒng)屋頂不同,作為國外城市暴雨管理理念中緩解城市雨洪的重要方式,屋頂綠化可以有效地減少徑流量、延緩產(chǎn)流時(shí)間、降低峰值流量和改善水質(zhì)[7—8]。在一些發(fā)達(dá)城市,屋頂面積約占城市不透水表面面積的40%—50%[9],利用閑置的屋頂空間進(jìn)行生態(tài)化改造緩解高度城市化地區(qū)的雨洪問題,具有較大發(fā)展空間。

國內(nèi)外大量研究表明屋頂綠化在削減地表徑流和峰值流量方面的有效性,但大多數(shù)定量研究多針對建筑、街區(qū)空間的微觀尺度,基于實(shí)際觀測方法再現(xiàn)降雨-徑流過程、探索其影響因子[10—12],關(guān)注于不同屋頂綠化類型、結(jié)構(gòu)的徑流調(diào)控效益[13—14]。受城市氣候、降雨特征、屋頂綠化組成等因素影響,已有研究顯示的屋頂綠化降雨徑流調(diào)控效益差別較大,徑流減少率10%—100%[15—16]、洪峰延遲3—55 min[17—18]、洪峰流量減少18%—100%不等[19—20]。其中,Carter等[21]、Zhou等[22]在城區(qū)尺度使用徑流曲線數(shù)(Soil Conservation Service Curve Number, SCS-CN)模型分別模擬了佐治亞州雅典城、北京市中心城區(qū)的屋頂綠化降雨徑流調(diào)控效益,表明在不同重現(xiàn)期降雨事件中,屋頂綠化可以緩解平均7.6%—7.9%的地表徑流。因此,單個(gè)城市的研究成果不具備普適性,具有不同氣候條件、空間特征的城市,屋頂綠化的降雨徑流調(diào)控效益可能不同,開展特定氣候條件、降雨特征下的針對性研究對目標(biāo)城市水安全及可實(shí)施性的生態(tài)化建設(shè)具有重要作用。

雖然SWMM(Storm Water Management Model)等基于過程的水文模型近年來取得了一定的進(jìn)展,但由于獲取10 km2以上城市水文參數(shù)的成本和難度較高,屋頂綠化在城市尺度的降雨徑流調(diào)控效益研究受到限制[22],阻礙了屋頂綠化在城市尺度的科學(xué)發(fā)展。目前,不同的降雨徑流模型被應(yīng)用于城市等大流域尺度地表產(chǎn)流分析研究,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[23]、水平衡模型[24]、合理徑流系數(shù)模型[25]和SCS-CN模型[26]等。其中SCS-CN是當(dāng)前降雨徑流模擬中使用最廣泛的模型[27],該方法綜合考慮了影響徑流產(chǎn)生的因素,包括降雨量、土壤類型、土地利用類型和前期土壤濕度,這些因素被納入一個(gè)參數(shù)(CN值),具有所需參數(shù)少、物理概念明確、結(jié)構(gòu)簡單、精度較好等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于各種尺度、各種土地利用類型和氣候條件的研究,包括流域工程規(guī)劃[28]、流域水土保持[29]和城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評估[30—31]等,尤其適用于大尺度水文資料缺乏地區(qū)。鑒于此,本研究采用ArcGIS與SCS-CN水文模型相結(jié)合的方法,選取典型高度城市化地區(qū)廈門島為研究對象,對城市尺度屋頂綠化的降雨徑流調(diào)控效益進(jìn)行評價(jià),并據(jù)此提出差異化生態(tài)策略。為此,制定了以下兩個(gè)研究目標(biāo):(1)基于屋頂綠化分期建設(shè)實(shí)施階段設(shè)定了四個(gè)綠化場景,運(yùn)用SCS-CN水文模型進(jìn)行四個(gè)綠化場景在不同降雨重現(xiàn)期下的降雨徑流模擬,分析屋頂綠化對城市地表徑流的削減效果,并通過城市雨水淹沒模型研究屋頂綠化對城市積水的改善作用；(2)在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析屋頂綠化徑流調(diào)控效益在廈門島的空間分異特征,以此作為未來針對性生態(tài)化緩解策略制定的依據(jù)。

(2)

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

廈門市位于福建省東南沿海,是我國重要的港口之一,屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。根據(jù)廈門統(tǒng)計(jì)年鑒資料,年平均氣溫在21℃左右,年平均降雨量在1200 mm左右,每年5—8月份雨量最多。此外,廈門市建成區(qū)面積由1981年的12 km2擴(kuò)大到2017年的364.08 km2,在不到40年的時(shí)間中增加了近30倍,新增建設(shè)用地空間有限。本文研究區(qū)廈門島是廈門市的發(fā)祥地、政治經(jīng)濟(jì)中心,土地面積142 km2(不包含鼓浪嶼),主要由思明區(qū)和湖里區(qū)構(gòu)成,下轄十四個(gè)街道(圖1)。2017年常住人口238.18萬人(廈門金磚會(huì)議期間公安部門入戶調(diào)查數(shù)據(jù)),人口密度為16773人/km2,常住人口口徑城鎮(zhèn)化率達(dá)89.0%,已達(dá)到城市化高級階段,是典型的高度城市化地區(qū)。廈門島不透水面積占城市面積的71.66%,島內(nèi)地形復(fù)雜,地貌多為丘陵和條帶狀平原,地勢起伏不平,由南向北傾斜,地帶性植被為亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林。由于特殊的地理位置,廈門市常受西太平洋和南海臺(tái)風(fēng)影響,由此帶來的強(qiáng)風(fēng)暴雨往往造成嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害[32]。例如,2016年9月15日全球最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”正面重創(chuàng)廈門,此次災(zāi)難共造成道路積水195處,人員轉(zhuǎn)移46327人,因?yàn)?zāi)死亡1人,直接經(jīng)濟(jì)損失102億元。而作為第一批海綿城市建設(shè)試點(diǎn),廈門城市積水和人口增長的壓力,使其通過開展城市尺度屋頂綠化建設(shè)改善城市積水、提升生態(tài)環(huán)境成為重中之重。自2015年起,廈門島開始逐步建設(shè)屋頂綠化,到2017年,廈門島屋頂綠化面積達(dá)0.54 km2,占整個(gè)城市屋頂面積的2%[33]。

圖1 研究區(qū)區(qū)位和匯水區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)主要包括來自廈門市自然資源和規(guī)劃局的廈門島2017年土地利用數(shù)據(jù),下載自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)的30 m分辨率廈門市DEM數(shù)據(jù),來自中國科學(xué)院南京土壤研究所的1∶100萬廈門市土壤類型數(shù)據(jù),屋頂綠化場景數(shù)據(jù)來自于課題組先期的研究成果[33]。

1.2.1DEM數(shù)據(jù)

通過ArcGIS 的水文分析模塊對廈門島DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理,計(jì)算排水方向和匯流累積量,同時(shí)結(jié)合實(shí)地觀測的排水方向更正完善結(jié)果,形成獨(dú)立和封閉的匯水區(qū),并確保匯水區(qū)不跨越河流、山體,最終廈門島被劃分為20個(gè)匯水區(qū)(圖1)。

1.2.2土壤類型數(shù)據(jù)

城市地表徑流形成與土壤滲透性密切相關(guān),土壤滲透性的影響因素主要包括土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量和地表覆蓋物類型等。美國土壤分類系統(tǒng)(SCS-CN 模型的土壤分類標(biāo)準(zhǔn))根據(jù)土壤的滲透性將土壤類型分為A、B、C、D四類,滲透性依次降低(表1)。廈門島的土壤類型包括磚紅壤、紅壤、黃紅壤、水稻土、風(fēng)沙土、鹽土、潮土等7種,以1∶100萬廈門市土壤數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù)SCS-CN 模型的土壤分類標(biāo)準(zhǔn),按照滲透率進(jìn)行歸并,對廈門島土壤柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行了重分類,得到符合 SCS-CN 模型要求的廈門島土壤分類結(jié)果(圖2)。

圖2 廈門島土壤水文類型

表1 徑流曲線數(shù)模型土壤分類[26]

1.2.3土地利用數(shù)據(jù)

以廈門島2017年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù) SCS-CN 模型需要和廈門島實(shí)際情況,最終將廈門島土地利用分為林地、草地、建設(shè)用地、水域、灘涂五類(圖3)。

圖3 廈門島土地利用分類

2 研究方法

首先,運(yùn)用SCS-CN水文模型計(jì)算各匯水區(qū)的產(chǎn)流。通過整合各匯水區(qū)的潛在屋頂綠化和土地利用,計(jì)算不同綠化場景的曲線(curve number,CN)值。其次,通過計(jì)算四種不同重現(xiàn)期(2、5、10、20年)降雨事件下的徑流減少率,分析屋頂綠化的徑流削減效應(yīng)。最后,計(jì)算四種降雨事件下的城市積水量,并對比屋頂綠化實(shí)施前后積水面積的變化,進(jìn)一步結(jié)合屋頂綠化徑流調(diào)控效益的空間分異分析,提出差異性、針對性生態(tài)化緩解策略。所有的空間分析在ArcGIS 10.2平臺(tái)上進(jìn)行。

2.1 屋頂綠化實(shí)施場景

課題組先期開展了廈門島屋頂綠化實(shí)施潛力研究[33],研究成果結(jié)合屋頂綠化實(shí)施的必要性(規(guī)劃分區(qū)層面)以及建筑改造的可行性(建筑分類層面)總結(jié)屋頂綠化實(shí)施潛力影響因子,綜合規(guī)劃分區(qū)層面的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益以及建筑分類層面的建筑屬性、屋頂屬性建立屋頂綠化實(shí)施潛力評估方法,將廈門島具有實(shí)施屋頂綠化潛力(占廈門島總建筑屋頂面積的81.3%,用地面積的14.6%)的建筑屋頂依實(shí)施難易程度分為四級。結(jié)合廈門島屋頂綠化實(shí)施潛力分級結(jié)果,按近中遠(yuǎn)期分期建設(shè)實(shí)施階段設(shè)定了4個(gè)綠化場景(表2、圖4)。

圖4 屋頂綠化實(shí)施場景

2.2 降雨徑流模型構(gòu)建

SCS-CN模型是由美國農(nóng)業(yè)部水土保持局(USDA-SCS)開發(fā)的用于流域徑流量估算的水文經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚11],已被應(yīng)用于各種規(guī)模(2500—1000 km2)地表徑流的評價(jià)[34—35],同時(shí),在屋頂綠化徑流計(jì)算中也被廣泛采用[2,11,21—22]。SCS-CN模型的計(jì)算公式如下[22]:

(1)

Ia=λS

(3)

式中,Q為徑流量(mm),P為降雨量(mm),Ia為降雨的初損量(mm),即徑流開始前由于低洼儲(chǔ)水、植被吸收、蒸發(fā)等造成的損失量。S為流域的最大入滲量。初損率λ是一個(gè)常數(shù),通常在0.0—0.2之間,美國農(nóng)業(yè)部水土保持局提出適用于較濕潤地區(qū)的比例系數(shù)為0.2。CN為產(chǎn)流參數(shù),是模型中反映下墊面地表特征的一個(gè)綜合指標(biāo),范圍在0—100之間,CN值越大,產(chǎn)流能力越高。不同土地利用類型的CN值與流域土壤前期濕度(antecedent moisture condition, AMC)、土壤類型、土地利用類型、坡度及水文特征等有關(guān),可以根據(jù)美國自然資源保護(hù)服務(wù)中心(NRCS)創(chuàng)建的CN值檢索表確定[22]。在本研究中,土壤前期濕度為AMC II。將廈門島土壤類型和土地利用類型重分類結(jié)果在ArcGIS中進(jìn)行疊加分析,通過查表得到廈門島不同土地覆蓋類型的CN值(表3)。

表3 廈門島各類土地覆蓋類型面積及其對應(yīng)的曲線數(shù)值(包括屋頂綠化)(AMCII)

屋頂綠化的CN值結(jié)合既有研究成果與實(shí)測方法得到。國內(nèi)外學(xué)者基于不同氣候區(qū)與植被土壤特征得到的結(jié)果顯示,屋頂綠化CN值介于 80—96 之間[11,36—38]。Fassman-Beck等[37]通過給屋頂綠化分配一定的CN值,當(dāng)實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值之間的平方差最小時(shí),可以得到最優(yōu)值。運(yùn)用此方法對21個(gè)不同結(jié)構(gòu)組成和不同氣候條件下的屋頂綠化降雨-徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,得出所屬氣候區(qū)的屋頂綠化CN值的范圍在90—94之間。此外,考慮到當(dāng)前屋頂綠化技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展與大規(guī)模實(shí)施的可行性,本研究選擇三種不同基質(zhì)深度的簡易型屋頂綠化開展監(jiān)測實(shí)驗(yàn),選取最常見的景天屬植物,監(jiān)測時(shí)間為2019年1月至12月。篩選20個(gè)降雨量大于2 mm降雨事件的降雨徑流數(shù)據(jù)[11,37](表4),運(yùn)用公式(1)、(2)和(3)計(jì)算屋頂綠化CN值(范圍在86—93,平均值為91),最終認(rèn)為91是廈門島屋頂綠化的平均CN值(表3),與徐田婧等人在同氣候區(qū)南京的研究結(jié)果(簡易型屋頂綠化CN值平均值為92)相似[11]。

表4 廈門島屋頂綠化徑流削減特性與降雨條件的關(guān)系

根據(jù)廈門市降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間-頻率的關(guān)系,設(shè)計(jì)了2小時(shí)降雨事件的4個(gè)重現(xiàn)期(T=2、5、10、20年)[39],這些降雨事件的最大強(qiáng)度發(fā)生在降雨的中間時(shí)間。本研究運(yùn)用芝加哥雨型對降雨進(jìn)行時(shí)程分配,得到四個(gè)重現(xiàn)期累計(jì)降雨量分別為57.7 mm、69.0 mm、77.6 mm和86.2 mm[22]。

2.3 徑流調(diào)控效益評價(jià)

通過分析在四種屋頂綠化實(shí)施場景(100%、40.6%、28.2%、10.4%)下,2年、5年、10年和20年重現(xiàn)期降雨事件中的地表徑流削減和城市積水緩解效果,評估城市尺度屋頂綠化的徑流調(diào)控效益?，F(xiàn)狀未綠化建筑屋頂作為參考場景,四種分期實(shí)施綠化屋頂對應(yīng)規(guī)劃場景。在ArcGIS 平臺(tái)采用基于DEM的雨水淹沒分析方法開展城市積水緩解分析,按成因主要分為有源淹沒和無源淹沒。在只考慮因降水造成的水位抬升,而不考慮地表徑流流速和淹沒區(qū)連通性的情況下,無源淹沒將凡是高程低于給定水位的點(diǎn)都計(jì)為淹沒區(qū)。本研究假設(shè)整個(gè)區(qū)域是均勻降水且城市積水處于相對靜止?fàn)顟B(tài),因此模擬的降雨積水可以看作是無源淹沒。根據(jù)徑流總量與地面匯流區(qū)積水量相等的原理(等體積法),模擬淹沒區(qū)和區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)的淹沒高度[40],積水量計(jì)算方法如下:

W=Q×S透+(Q-V)×S不透

(4)

式中,W為積水量(mm)；Q為單位面積徑流量(mm),可由 SCS-CN 模型求得(公式1)；S透和S不透分別表示城市透水面和不透水面的匯水面積(m2)；V為單位面積的排水量(mm)。廈門市室外排水標(biāo)準(zhǔn)為一年一遇,即V=48.327 mm。

3 結(jié)果分析

3.1 屋頂綠化的徑流削減效應(yīng)

在100%屋頂綠化實(shí)施場景下,城市尺度屋頂綠化可以有效改善高度城市化地區(qū)地表透水性,起到削減地表徑流的作用。屋頂綠化顯著降低廈門島11.4%地表的CN值,部分地表CN值由98降至91,全島平均CN值從90降至89。在4個(gè)重現(xiàn)期降雨事件(T=2、5、10、20年)下,屋頂綠化可使匯水區(qū)平均徑流減少率由2.86%下降到2.01%。從2年重現(xiàn)期到20年重現(xiàn)期降雨事件,徑流減少率超過5%的區(qū)域從總面積的50%下降到21.5%(圖5)。從空間上來看,廈門島內(nèi)部徑流減少率總體上高于邊緣區(qū)(沿海片區(qū)),北部地區(qū)的徑流減少率高于南部地區(qū)。此外,隨著降雨強(qiáng)度的增加,屋頂綠化的徑流減少效應(yīng)呈減弱趨勢,屋頂綠化起到顯著徑流減少作用的區(qū)域縮小到廈門島內(nèi)部。在重現(xiàn)期為2年的降雨事件下,徑流減少率在5%以上的匯水區(qū)分布于大部分研究區(qū)。然而,東南沿海匯水區(qū)的徑流減少率均在5%以下,低于北部。當(dāng)降雨重現(xiàn)期達(dá)到20年時(shí),徑流減少率在5%以上的匯水區(qū)僅有一個(gè),位于中山路商圈。

圖5 100%屋頂綠化實(shí)施場景和四個(gè)降雨事件下徑流減少率

在2年重現(xiàn)期降雨事件中,10.4%屋頂綠化實(shí)施場景下的地表徑流減少率范圍為0.01%—1.27%,平均地表徑流減少率為1.10%；28.2%屋頂綠化實(shí)施場景下的地表徑流減少率范圍為0.1%—2.61%,平均地表徑流減少率為2.19%；40.6%屋頂綠化實(shí)施場景下的地表徑流減少率范圍為0.17%—4.39%,平均地表徑流減少率為2.74%；100%屋頂綠化實(shí)施場景下的地表徑流減少率范圍為1.04%—8.84%,平均地表徑流減少率為5.41%。此外,具有明顯徑流減少效應(yīng)的匯水區(qū)是中山路商圈所在的匯水區(qū)20,在100%屋頂綠化實(shí)施場景中,這個(gè)匯水區(qū)的徑流減少率可達(dá)8.84%,在40.6%屋頂綠化實(shí)施場景中達(dá)到4.39%(圖6)。

圖6 重現(xiàn)期為2年降雨事件和四種屋頂綠化實(shí)施場景下各匯水區(qū)徑流減少率

3.2 屋頂綠化的積水緩解效果

通過城市雨水淹沒模型計(jì)算了不同場景下城市積水的淹沒高程和面積。模擬結(jié)果表明,廈門島積水區(qū)在不同屋頂綠化實(shí)施場景和降雨重現(xiàn)期下的淹沒高程和面積差異顯著(圖7),總體表現(xiàn)為降雨強(qiáng)度越大,積水面積和最大淹沒高程越大。廈門島積水區(qū)主要分布在高崎機(jī)場、西北部港口、筼筜湖、五緣灣和環(huán)島路；在相同重現(xiàn)期降雨事件下,隨著城市屋頂綠化實(shí)施數(shù)量的增加,廈門島屋頂綠化積水緩解效果明顯,平均積水深度降低分別為1.68、4.68、6.45、14.43 cm,平均積水面積減少分別為6.11、16.89、23.29、52.06 hm2,平均積水面積減少率為0.20%、0.57%、0.79%、1.76%。同時(shí),在100%屋頂綠化實(shí)施場景中,4個(gè)重現(xiàn)期降雨事件下(T=2、5、10、20年)積水面積減少分別為49.52、52.93、53.34、52.46 hm2,積水面積減少率分別為2.24%、1.84%、1.59%、1.37%；但廈門島北部沿海仍有較大部分區(qū)域積水,盡管如此,這些區(qū)域的積水面積在逐漸減少；而隨著降雨強(qiáng)度的增加,廈門島積水面積減少率以及其減少幅度隨之降低(表5),即屋頂綠化的積水緩解效益減弱,表明屋頂綠化對中低強(qiáng)度降雨的積水緩解效果顯著。

圖7 4種不同重現(xiàn)期降雨事件和4種屋頂綠化實(shí)施場景下積水分布

表5 4種不同重現(xiàn)期降雨事件下的積水面積和積水深度

在2年重現(xiàn)期降雨條件中,10.4%、28.2%、40.6%、100%屋頂綠化實(shí)施場景下的積水減少面積分別為3.21、16.4、22.46、49.52 hm2,積水面積減少率范圍分別為0.03%—0.58%、0.15%—2.95%、0.2%—4.04%、0.44%—8.91%(表6)。從空間上來看,屋頂綠化的積水緩解效益由東南至西北逐漸降低,其中,效益最明顯的區(qū)域是東南沿海黃厝風(fēng)景區(qū)所在的匯水區(qū)2。在100%屋頂綠化實(shí)施場景中,此匯水區(qū)的積水面積減少率可達(dá)8.91%?？傮w來說,只有在100%屋頂綠化實(shí)施場景下,才會(huì)有近一半的匯水區(qū)減少3%以上的積水面積,其他綠化場景并不會(huì)產(chǎn)生明顯的積水緩解效益。同時(shí),在廈門島積水較為嚴(yán)重的北部沿海地區(qū),盡管屋頂綠化可以減少一定的積水面積,但這種作用微乎其微,這些區(qū)域應(yīng)增加更綜合的生態(tài)緩解策略。

表6 2年重現(xiàn)期降雨事件和4種屋頂綠化實(shí)施場景下各匯水區(qū)積水面積減少率

4 討論

城市化和氣候變化導(dǎo)致了地表徑流急劇增加,增加了高度城市化地區(qū)內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重影響城市水安全。從整體上看,在高度城市化地區(qū)實(shí)施城市尺度屋頂綠化可以有效削減地表徑流、緩解城市積水。研究表明,在4個(gè)降雨重現(xiàn)期事件(T=2、5、10、20a)下,100%屋頂綠化實(shí)施可使廈門島平均地表徑流減少3.81%—5.41%,說明大規(guī)模屋頂綠化有助于緩解暴雨期間的過量地表徑流。依據(jù)《廈門市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃》的建設(shè)要求,廈門島的年徑流總量控制率取值范圍為 55%—60%,在本研究中,廈門島超過一半的區(qū)域,如果具有屋頂綠化實(shí)施潛力的屋頂進(jìn)行100%綠化實(shí)施,可以有效解決2年重現(xiàn)期或更頻繁降雨的過量地表徑流,徑流總量控制貢獻(xiàn)率約為10%。但在20年降雨重現(xiàn)期的強(qiáng)暴雨期間,徑流減少率下降幅度會(huì)降低,屋頂綠化徑流削減效益減弱。與相關(guān)研究對比,在屋頂綠化實(shí)施比例和降水條件相似的情況下,本研究的徑流減少率為5.5%,與Carter等[21](7.6%)、Zhou等[22](7.9%)的結(jié)果存在差異,主要是由于研究區(qū)所處氣候區(qū)不同導(dǎo)致的屋頂綠化CN值不同。積水緩解方面,在2年重現(xiàn)期的降雨事件中,100%屋頂綠化實(shí)施場景下,20個(gè)匯水區(qū)中的9個(gè)匯水區(qū)積水面積減少率均在3%以上,積水得到明顯改善。但在20年重現(xiàn)期降雨事件下,僅有3個(gè)匯水區(qū)積水得到改善,大部分匯水區(qū)還需要綜合其他緩解措施。此外,課題組先期開展的屋頂綠化實(shí)施潛力研究中,將坡屋頂納入不適建屋頂中,事實(shí)上一些傾斜角度較小的坡屋頂也可用于屋頂綠化實(shí)施；同時(shí),本研究考慮到當(dāng)前屋頂綠化技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展與大規(guī)模實(shí)施的可行性,選擇了簡易型屋頂綠化開展監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。而根據(jù)徐田婧等的研究[11],花園型屋頂綠化的平均CN值為88,徑流削減效益更高,意味著本研究在一定程度上低估了廈門島屋頂綠化的徑流調(diào)控效益。

城市屋頂綠化徑流削減和積水緩解效益空間異質(zhì)的分析,為城市生態(tài)化治理提供了明確的科學(xué)指導(dǎo)與針對性引導(dǎo)策略。在本研究中,廈門島屋頂綠化徑流削減效益較高(最高徑流削減率>7.5%)的區(qū)域位于思明區(qū)中山路商圈,在相對頻繁的降雨期間,可以通過在該匯水區(qū)實(shí)施40.6%的屋頂綠化來防止過量地表徑流；然而,在20年降雨重現(xiàn)期的降雨事件中,只有100%的屋頂綠化實(shí)施才能使此匯水區(qū)有明顯的徑流削減效應(yīng)。同時(shí),商業(yè)建筑密集分布在此區(qū)域,這意味著更高的內(nèi)澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)損失,也顯示了屋頂綠化的良好緩解潛力,此區(qū)域在制定生態(tài)策略時(shí)應(yīng)作為屋頂綠化的重點(diǎn)建設(shè)區(qū)。由于該區(qū)域產(chǎn)權(quán)明晰單一,可以通過采用花園型屋頂綠化,進(jìn)一步提升徑流調(diào)控效益。而屋頂綠化徑流削減效益較低(最高徑流削減率<1%)的地區(qū)位于東南沿海、西北港口和高崎機(jī)場片區(qū),其中東南沿海地區(qū)即使進(jìn)行了100%屋頂綠化實(shí)施,也只能減少微量的地表徑流,這些區(qū)域屋頂綠化的徑流削減效益潛力較小,但此區(qū)域生態(tài)本底較好,透水地表覆蓋率高,內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)較低；相比之下西北部港口和高崎機(jī)場片區(qū)積水嚴(yán)重,西北部港口具有綠化實(shí)施潛力的屋頂數(shù)量較少,應(yīng)考慮下沉式綠地等更廣泛的生態(tài)策略,以降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)；高崎機(jī)場片區(qū)計(jì)劃近年完成整體搬遷工作、統(tǒng)一發(fā)展規(guī)劃,采用廣泛生態(tài)策略的同時(shí),可以通過綠色空間指數(shù)規(guī)劃工具將屋頂綠化納入發(fā)展規(guī)劃的強(qiáng)制性內(nèi)容,項(xiàng)目審批、土地出讓條件、城市設(shè)計(jì)導(dǎo)則、建設(shè)規(guī)定等剛性手段也可納入其中,將屋頂綠化與新建建筑進(jìn)行一體化規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工。其他區(qū)域面積超過全島的50 %(1%<最高徑流削減率<7.5%),積水風(fēng)險(xiǎn)較低,可以結(jié)合“島內(nèi)大提升”計(jì)劃、充分利用城市更新改造契機(jī),將適合進(jìn)行屋頂綠化建設(shè)的既有建筑整合到建筑物本體改造中的屋面整治項(xiàng)目。

5 結(jié)論

城市尺度屋頂綠化的徑流調(diào)控效益研究為削減地表徑流、緩解城市積水提供一種新的途徑,也是城市管理部門開展生態(tài)規(guī)劃、海綿城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)。然而,城市尺度屋頂綠化徑流調(diào)控效益的研究尚少。本研究基于前期開展的屋頂綠化實(shí)施潛力成果、結(jié)合分期建設(shè)實(shí)施規(guī)劃建立了四個(gè)綠化場景,研究了大規(guī)模屋頂綠化的徑流調(diào)控效益。采用SCS-CN水文模型,評價(jià)了四種降雨條件下城市屋頂綠化的徑流削減效應(yīng)以及積水緩解效果。研究結(jié)果表明:

(1)屋頂綠化在廈門島的徑流削減效應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。廈門島平均地表徑流減少率隨城市屋頂綠化量的增加而從0.91%增加至4.51%,隨降雨事件重現(xiàn)期的增加而從2.86%下降到2.01%。屋頂綠化對地表徑流削減有效的匯水區(qū)位于廈門島中部,在2年重現(xiàn)期的降雨事件中,100%屋頂綠化實(shí)施場景下,這些有效匯水區(qū)可以減少5%以上的地表徑流,最有效的匯水區(qū)(中山路商圈)達(dá)8.84%。

(2)屋頂綠化對緩解城市積水有顯著的效果。廈門島易積水區(qū)域主要分布在高崎機(jī)場、西北部港口、筼筜湖、五緣灣和環(huán)島路,隨著屋頂綠化量的增加,廈門島平均積水深度降低從1.68 cm增加至14.43 cm,平均積水面積減少率從0.2%增加至1.76%；而隨著降雨強(qiáng)度的增加,積水面積減少率以及其減少幅度降低,屋頂綠化對中低強(qiáng)度降雨的積水緩解效果顯著。在2年重現(xiàn)期的降雨事件中,100%屋頂綠化實(shí)施場景下,20個(gè)匯水區(qū)中的9個(gè)匯水區(qū)會(huì)得到改善(積水面積減少率均在3%以上)。

(3)屋頂綠化徑流調(diào)控效益的空間分異特征為差異化生態(tài)緩解策略制定提供了科學(xué)指導(dǎo)。建筑最密集且屋頂綠化徑流削減效益最高的中山路商圈,應(yīng)將屋頂綠化作為該地區(qū)緩解城市積水的重點(diǎn)生態(tài)策略；建筑密度低且內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)高的西北港口則應(yīng)考慮蓄水池、下沉式綠地等其他更廣泛的生態(tài)策略；積水較為嚴(yán)重的高崎片區(qū)應(yīng)結(jié)合機(jī)場搬遷后的統(tǒng)一發(fā)展規(guī)劃,在采用廣泛生態(tài)策略基礎(chǔ)上,將屋頂綠化納入發(fā)展規(guī)劃的強(qiáng)制性內(nèi)容。此外,這項(xiàng)研究是在亞熱帶季風(fēng)氣候的沿海城市背景下開展的,其結(jié)果可能不適用于其他氣候條件以及不同屋頂綠化類型,但是對相似的比較研究將具有參考意義。