綠色屋頂在高寒地區(qū)海綿化改造中的應(yīng)用*

劉潔靈 賈一非 王沛永,2

1 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 北京 100083

2 城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室 北京 100083

隨著城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,城市不透水面積迅速增加,破環(huán)了原有的自然排水系統(tǒng),削弱了自然對于雨水的控制力。與此同時全球氣候也發(fā)生了巨大的變化,極端雨雪天氣頻發(fā),導(dǎo)致城市洪澇日益嚴(yán)重[1-3]。自20世紀(jì)80年代以來,各國根據(jù)本國現(xiàn)狀提出了多種城市雨洪處理方法,我國在2014年提出建設(shè)海綿城市,使用多種自然或工程措施以達(dá)到自然積存、自然滲透、自然凈化的目標(biāo)[4-5]。在試點區(qū)域海綿城市建設(shè)過程中,建筑屋頂面積占城市不透水面積的40%以上,充分利用好建筑屋頂空間進(jìn)行雨水徑流控制,可以有效提高城市對雨洪的調(diào)控能力[6-7],其中綠色屋頂是一種常用的方式。綠色屋頂可以增加城市綠地面積,改善城市熱島效應(yīng)；還可以增加城市下墊面的透水面積,改善日益惡化的人居環(huán)境。綠色屋頂在海綿城市建設(shè)中的主要作用是能夠在屋頂平面儲存和延緩屋面徑流的形成,目前已成為緩解城市雨洪的有效方式。例如,Stovin等[8]研究發(fā)現(xiàn)綠色屋頂?shù)挠旰槠骄亓髀蕿?0.2%；Beecham等[9]發(fā)現(xiàn)干旱區(qū)域綠色屋頂?shù)挠旰榻亓袈蕿?4%；李俊生等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)綠色屋頂對于場地產(chǎn)流量、徑流峰值、產(chǎn)流時間具有較好的控制。目前,對于綠色屋頂在我國的建設(shè)及應(yīng)用研究主要集中在中東部氣候溫和的地區(qū),由于嚴(yán)寒地區(qū)薄土層種植植物越冬困難等問題的限制,在高海拔嚴(yán)寒地區(qū)城市鮮見使用。本文以西寧市安泰華庭小區(qū)海綿化改造項目的綠色屋頂為例,結(jié)合SWMM模型驗證其對于徑流量控制、雨水徑流峰值削減的作用；同時,驗證不同厚度的基質(zhì)提高綠色屋頂對于雨水的削減能力,為該地區(qū)海綿城市建設(shè)中綠色屋頂?shù)膶嵤┨峁┌咐梃b和理論支撐。

1 研究地概況

西寧市地處我國西北部,青藏高原邊緣。夏季溫度適宜,冬季寒冷干燥,氣溫最低可達(dá)-18.9℃,屬大陸性高原半干旱氣候。平均海拔高于2 261 m,屬高海拔嚴(yán)寒地區(qū)[12]。西寧市降雨主要集中在5—9月,占全年降雨量的80%以上。高寒地區(qū)陽光照射強(qiáng)烈,紫外線強(qiáng)度大,晝夜溫差大,風(fēng)力強(qiáng),這些不利因素增加了屋頂綠化的建設(shè)難度。西寧市作為我國海綿城市建設(shè)的第二批試點城市,占地面積21.61 km2,主要位于海湖新區(qū)行政范圍。試點區(qū)域建立“治山、理水、潤城”的系統(tǒng)性技術(shù)路線,打造“山涵水、水融山、城依水、水襯城”的生態(tài)宜居海綿城市[5]。西寧市的建筑屋頂面積占建成區(qū)面積的56%,在海綿城市建設(shè)過程中,可以進(jìn)行屋頂綠化改造的區(qū)域較多,但至今除本項目以外,西寧市暫無其他屋頂綠化項目,無可借鑒的經(jīng)驗,所以探索該市的綠色屋頂建設(shè)非常重要。

安泰華庭小區(qū)是2011年建成入住的新建小區(qū),主要由高層住宅建筑(20～32層)、商業(yè)建筑(2～10層)、綠地、水系和道路廣場組成,總面積為10.65 hm2。建筑屋面均采用建筑內(nèi)排水的方式,有利于管道不受凍害的影響,但是內(nèi)排水的雨落管直接引至地下車庫,使屋面雨水無法通過自流的方式進(jìn)入綠地消納,造成屋面雨水利用困難,也是該類地區(qū)海綿化建設(shè)的一大挑戰(zhàn)。該小區(qū)臨街商業(yè)的建筑屋頂采用外排水落水管,且為不可上人屋頂,局部具備屋頂綠化的條件,因此選取部分臨街商業(yè)屋頂進(jìn)行改造試驗,總面積為6 337.58 m2。

2 綠色屋頂設(shè)計

2.1 屋頂結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過分析現(xiàn)狀屋頂?shù)暮奢d情況以及排水方式等,在安泰華庭小區(qū)選擇樓層為2層的臨街商業(yè)屋面作為改造對象,屋頂為不可上人的平屋頂。本次建設(shè)綠色屋頂?shù)哪康氖菫榱诵罘e雨水,具有一定的試驗性目的,因此以達(dá)到海綿城市建設(shè)的基本要求為原則。同時考慮到整個工程的低造價、低影響及安全性的要求,還要考慮綠化栽植植物的成活率,因此該小區(qū)的綠色屋頂設(shè)計以封閉式、科研型、地毯式、粗放型的容器式托盤綠化形式為主色屋頂,所選擇的容器(圖1)長寬高為42 cm×42 cm×15 cm。屋頂結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了防水改造,并鋪設(shè)了2 cm厚HDPE隔根層和80 cm厚蓄排水層,在基質(zhì)與蓄排水層之間設(shè)置無紡布過濾。

圖1 托盤容器結(jié)構(gòu)示意

植被層、基質(zhì)層和排(蓄)水層是參與屋面雨水管理的主要結(jié)構(gòu)層。植被層在綠色屋頂?shù)纳鷳B(tài)效益、過濾雨水和控制雨水徑流等過程中發(fā)揮著重要作用[13],基質(zhì)層為各種植物生長提供所需元素,而具有收集和儲存屋面雨水作用的排(蓄)水層鋪設(shè)在防水層之上、過濾層之下。托盤容器的設(shè)置主要是為了在試驗失敗、植物大面積死亡的情況下,能夠方便更換基質(zhì)與植物,為長期順利試驗打下基礎(chǔ)。本方案中采用的厚15 cm的容器形式,在設(shè)置后可使屋面排水順暢,同時還能收集雨水提供屋頂綠化植物生長之需。

2.2 植物選擇

綠色屋頂?shù)闹参镌灾策x擇具有一定的特殊性,既要適應(yīng)特殊氣候環(huán)境,又要符合建筑的安全性等各方面要求。因此,在選擇植物栽植時,必須考慮各種潛在影響植物生長的因素[14]。對于西寧市安泰華庭小區(qū)來說,其特殊的地理條件和建設(shè)海綿城市的目的,使其屋頂綠化對植物的選擇設(shè)置了更多的限制條件。通過對現(xiàn)有研究的總結(jié)[15-16],選取適合作為地毯式綠色屋頂?shù)闹参锓N類(表1),并根據(jù)西寧市氣候及該小區(qū)的建筑屋頂實際情況對這些植物的抗寒性、耐蔭性、抗旱性、抗?jié)承?、景觀性、管理難度及當(dāng)?shù)孛缒竟┙o情況進(jìn)行評估[17]。本項目最終選擇景天屬的費菜(Sedum aizoon)、八寶景天(Hylotelephium erythrostictum)、胭脂紅景天(Sedum spurium)3種栽植植物。

表1 綠色屋頂植物種類

2.3 基質(zhì)選擇

屋頂基質(zhì)厚度的選擇由植被層生長的需要和建筑屋頂?shù)暮奢d等因素共同決定。綠色屋頂植被層的生長需要必要的營養(yǎng)元素,根系的固定需要足夠厚度的基質(zhì),這樣才能達(dá)到植物生長的最佳狀態(tài)；基質(zhì)的重量需滿足現(xiàn)有建筑屋頂?shù)木己奢d的要求,以保證建筑使用的安全性；同時,為了收集和蓄積雨水,基質(zhì)的厚度不能過低,防止其在暴雨期間被沖毀。常見的屋頂綠化基質(zhì)主要分3類,即改良土壤、天然種植土和人工合成種植土(無機(jī)栽培基質(zhì))[18]?？偨Y(jié)國內(nèi)現(xiàn)有研究和已實施項目所使用的基質(zhì)類型[10,19-22],發(fā)現(xiàn)國內(nèi)多使用改良種植土和人工合成種植土。這2類基質(zhì)的選配有一定的交叉,均可根據(jù)植物的生長和環(huán)境要求對材料和數(shù)量進(jìn)行配比,調(diào)整基質(zhì)營養(yǎng),減輕整體重量等。為了滿足所選景天類植物的生長需求,參考以上研究總結(jié),本項目選擇150 mm厚,3:3:3:1的寶綠素人造土＋草炭土＋種植土＋有機(jī)肥的基質(zhì)組合,混合后濕重約為800 kg/m3,滿足屋頂荷載的需求。

2.4 建造實施

綠色屋頂?shù)氖┕み^程嚴(yán)格按照設(shè)計及工藝流程進(jìn)行,屋頂防水工程完成后進(jìn)行閉水試驗；然后在防水層上依次鋪設(shè)隔根層、排(蓄)水層、過濾層。托盤容器安裝后填筑土壤基質(zhì),進(jìn)行植物種植。項目實施后經(jīng)過2個全年生長周期(2017年12月—2019年12月)的觀察,綠色屋頂植物均能安全越冬,夏季生長良好,證明以攔蓄雨水為目標(biāo)的屋頂綠化技術(shù)在西寧地區(qū)具有一定的實施可能性。

3 SWMM模型驗證

3.1 模型參數(shù)率定

為了驗證所設(shè)計的綠色屋頂是否達(dá)到攔蓄雨水的目標(biāo),得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析,需要建立SWMM模型。根據(jù)小區(qū)管道連接實際情況,建立改造前后2個模型(是否添加綠色屋頂設(shè)施),共有7個子匯水區(qū)、9個節(jié)點、9條排水管道,管徑300～600 mm,管網(wǎng)末端排放口1個(圖2)。

圖2 小區(qū)的SMWW概化模型構(gòu)建

SWMM模型相關(guān)參數(shù),如子匯水區(qū)面積、匯水寬度和坡度直接根據(jù)研究區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算獲取；水文水力模塊率定參數(shù)曼寧系數(shù)、地表洼蓄量和入滲模型參數(shù),根據(jù)模型手冊中的典型值和測試值以及《西寧市海綿城市建設(shè)項目系統(tǒng)性詳細(xì)規(guī)劃(2016-2018)》中的推薦參考值進(jìn)行參數(shù)調(diào)試,驗證模型的可靠性,模型中的雨水干管管長由模型自動測量工具獲取；雨水管道的曼寧系數(shù)根據(jù)手冊經(jīng)驗值取0.013；雨水傳輸采用運(yùn)動波方程,下滲采用Horton模型[23-24]。

3.2 模型校準(zhǔn)

首先使用實測降雨事件(2018年6月7日)輸入SWMM模型得到排水口流量變化值,然后與在該排水口實際測量值進(jìn)行對比,結(jié)果如圖3所示,即模擬水文圖和觀測水文圖較為吻合。同時,采用納什系數(shù)評估模擬值與實測值的擬合程度[25],計算出流量模擬的納什系數(shù)RNS＝0.877,由此可見,所選參數(shù)率的結(jié)果較為準(zhǔn)確,該模型可以恰當(dāng)?shù)胤从钞?dāng)?shù)氐乃?水力過程。

3.3 改造前后排水口流量分析

根據(jù)氣象資料,從2019年4月1日—10月31日共80次有效降雨,降雨深度范圍為0.5～30 mm。利用這些降雨資料使用SWMM模型進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,改造前后全年徑流總量、排水口的產(chǎn)流速率、流量峰值出現(xiàn)的時間均有明顯變化。通過對圖3、圖4中數(shù)據(jù)的分析可看出:1)綠色屋頂?shù)膶嵤涤甑目倧搅髁俊⒎逯祻搅髁坑幸欢ǖ南鳒p作用,可以緩解暴雨對雨水管網(wǎng)帶來的壓力。2)改造后徑流總量削減率達(dá)到83.92%,排水口全年總流量降低83.14%。3)零徑流量的降雨事件從改造前的30次變?yōu)楦脑旌蟮?3次,產(chǎn)生徑流的7次降雨事件分別為2019年5月6日、6月15日、8月20日、8月26日、8月30日、9月12日和9月13日,其峰值流量削減率分別為92%、80%、78.38%、76.92%、50%、25%、75%。

圖3 排水口模擬水文與觀測水文對比

圖4 改造前后總徑流量變化

3.4 改變基質(zhì)厚度的排水口流量模擬分析

選取極端降雨重現(xiàn)期為50年,降雨時長2 h為基礎(chǔ)條件,先后做2種模擬條件的對比:一是保持基質(zhì)厚度為150 mm不變,改變洼蓄量為100 mm、200 mm、350 mm；二是保持洼蓄量為50 mm不變,改變基質(zhì)厚度為200 mm、300 mm、450 mm,模擬結(jié)果如圖6至圖9所示。

圖6 改變洼蓄量排水口流量變化

圖9 改變基質(zhì)厚度總徑流和峰值流量削減率變化

通過對比分析發(fā)現(xiàn),在保持基質(zhì)厚度不變、改變洼蓄量時,排水口流量無變化,總徑流和峰值流量削減率也無變化,說明提高護(hù)堤高度無法提高綠色屋頂對高強(qiáng)度降雨的蓄積能力。

當(dāng)保持洼蓄量不變、改變基質(zhì)厚度時,相對于150 mm厚基質(zhì)厚度,總徑流量削減率呈現(xiàn)顯著增長趨勢,分別提高5.9%、20.8%、26.2%,說明隨著基質(zhì)厚度的增加,綠色屋頂可以蓄積更多的雨水。但峰值流量削減率無變化,說明綠色屋頂應(yīng)對高強(qiáng)度降雨峰值削減能力有限。

圖5 改造前后排水口流量變化

圖7 改變洼蓄量總徑流和峰值流量削減率變化

4 結(jié)語

安泰華庭小區(qū)的海綿化改造項目中,綠色屋頂工程從2017年12月開始,經(jīng)過兩年時間完成了實施及后期維護(hù)管理的全過程。無論是植物的生長還是后期的SWMM理論模型驗證,都證明在高寒高海拔地區(qū)建設(shè)以蓄積雨水為目的綠色屋頂具有一定的可行性。

在住宅小區(qū)的海綿化改造中設(shè)置綠色屋頂,可增強(qiáng)雨水管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)對不同重現(xiàn)期的雨水徑流的調(diào)蓄能力,減少總徑流量并且削減洪峰。在建筑屋頂條件允許的狀態(tài)下,提高綠色屋頂基質(zhì)厚度可有效提高其對于雨水的蓄積能力,達(dá)到更好的改造效果。

圖8 改變基質(zhì)厚度排水口流量變化