屋頂綠化植物配置研究
——基于海綿城市技術(shù)背景

鄧翔文，金秀峰

（1.棗莊學(xué)院，山東 棗莊 277160；2.啟明大學(xué)，韓國 大邱 42601）

中國水資源匱乏，同時(shí)面臨著水污染、洪水和水生棲息地喪失等多種水問題[1]。中國擁有世界約20%的人口，但僅占世界淡水儲(chǔ)量的5%～7%[2]。另一方面，中國遭受嚴(yán)重的洪水和內(nèi)澇，特別是在城市地區(qū)。據(jù)調(diào)查，中國654個(gè)城市中有641個(gè)城市經(jīng)常被淹[3]，每年至少有130個(gè)城市被淹[4]。中國過度使用化肥，以及來自牲畜、家庭和工業(yè)來源的氮排放量增加，導(dǎo)致廣泛的水污染和對淡水質(zhì)量的威脅[5]。根據(jù)研究，1990年至2010年間，中國因城市擴(kuò)張損失了2 883 km2的濕地。大部分濕地?fù)p失是由于城市建成區(qū)的擴(kuò)張，而不是工業(yè)或交通用地的使用。這些水問題不僅限于一個(gè)地區(qū)或一個(gè)部門，而是相互關(guān)聯(lián)和相互依存的，具有不同的管理影響，需要采用系統(tǒng)和全面的方法以整體方式解決這些問題。

例如，缺水意味著節(jié)約水資源、珍惜雨水及充分利用新鮮雨水的管理需要。這應(yīng)該是中國所有涉水項(xiàng)目的基本戰(zhàn)略。防洪與復(fù)原力和可持續(xù)性相結(jié)合，促進(jìn)了城市安全規(guī)劃戰(zhàn)略的實(shí)施，以選擇和開發(fā)新的城市化區(qū)域，避免和預(yù)防洪水，同時(shí)恢復(fù)或維護(hù)天然水/生態(tài)系統(tǒng)和綠地[6]。因此，為了鼓勵(lì)實(shí)施這種系統(tǒng)性方法，中國將海綿城市概念或綠色基礎(chǔ)設(shè)施作為與水并存的城市化和發(fā)展的主要戰(zhàn)略?！昂＞d”一詞是指地球景觀所承載的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施。每一寸土地都具有一定的雨水蓄水、涵養(yǎng)水源和凈化雨水污染等功能，整個(gè)陸地生命系統(tǒng)都具有自身復(fù)雜而豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力。生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施——“海綿系統(tǒng)”——由對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)起決定性作用的各種要素和空間聯(lián)系組成。在國際上，澳大利亞對水敏感的城市設(shè)計(jì)已經(jīng)從早期與雨水管理的聯(lián)系發(fā)展為更廣泛的可持續(xù)城市水資源管理框架。其提供了一種通用和統(tǒng)一的方法來整合城市建筑形式（包括城市景觀）和城市水循環(huán)之間的相互作用。韓國的分散式雨水管理系統(tǒng)可以補(bǔ)充現(xiàn)有集中式系統(tǒng)的安全性。在哥本哈根和鹿特丹等城市實(shí)施的水敏感設(shè)計(jì)，例如水廣場或擋水路面，有助于了解建筑特征、美學(xué)、便利設(shè)施、建筑環(huán)境、開放空間和街景如何在復(fù)雜的城市環(huán)境中傳播[7]。

1 基本概念

1.1 海綿城市

“海綿城市”是一種以自然為海綿的城市建設(shè)方法和理念。海綿城市概念旨在擁抱和加強(qiáng)低影響開發(fā)，以提高對城市高峰徑流的有效控制，提供臨時(shí)儲(chǔ)存、回收和雨水凈化，并提高雨水管理的有效性。利用更多的抗洪基礎(chǔ)設(shè)施（如地下蓄水池和隧道的建設(shè)）升級(jí)傳統(tǒng)排水系統(tǒng)，并通過低影響開發(fā)提高現(xiàn)行排水保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，以抵消高峰流量，減少過量降雨。其還旨在整合天然水體（如濕地和湖泊）并鼓勵(lì)在排水設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)多功能目標(biāo)（如增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)），同時(shí)還提供額外的人工水體和綠色空間，以提高人們的舒適度和享受度環(huán)境[8]。

在《城市景觀之路：與市長們交流》一書中，作者將“海綿”的概念定義為調(diào)節(jié)自然生態(tài)水系統(tǒng)的濕地、河流等自然生態(tài)水系統(tǒng)面對城市旱澇災(zāi)害。之后，有學(xué)者在首鋼工業(yè)區(qū)改造過程中提出了“生態(tài)海綿城市”的概念，這是結(jié)合理論研究提出的全新概念。“海綿城市”的概念最早是在2012年的低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇上提出的，至今仍然存在。隨著海綿城市假說的實(shí)施，全國各地掀起了一股建設(shè)熱潮。各種理論、技術(shù)導(dǎo)則、試點(diǎn)應(yīng)用和專項(xiàng)規(guī)劃等都隨著時(shí)間的推移而一一出臺(tái)。作為中國高效雨水管理的典范，海綿城市也成為了一個(gè)受歡迎的旅游目的地。

1.2 低影響開發(fā)

這個(gè)詞的第一個(gè)也是最有影響力的用法很可能是在1990年代初期在美國馬里蘭州喬治王子縣。低影響開發(fā)不被視為現(xiàn)場設(shè)計(jì)、集水區(qū)方法或主要的雨水管理方法。大型管端保持系統(tǒng)通常在不使用低影響開發(fā)的情況下交付。另一方面，低影響開發(fā)的特點(diǎn)是位于徑流源處或附近的小型雨水處理設(shè)備，例如生物滯留系統(tǒng)、綠色屋頂和沼澤。1998年低影響開發(fā)中心成立時(shí)，到20世紀(jì)90年代中期低影響開發(fā)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和成熟。到20世紀(jì)90年代末，由于設(shè)計(jì)界的影響，低影響開發(fā)的解釋已經(jīng)偏離了其原始含義，以涵蓋任何雨水處理實(shí)踐（即通常為1 hm2以下的小流域）。從2005年到2010年，美國研究人員試圖將低影響開發(fā)重新引入其最初的目的。

1.3 可持續(xù)城市排水系統(tǒng)

英國在1960年開始關(guān)注排水系統(tǒng)與環(huán)境之間的矛盾，發(fā)展可持續(xù)排水系統(tǒng)，重點(diǎn)是通過源頭控制和自然處理措施保護(hù)自然水環(huán)境，并恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)以保護(hù)水源循環(huán)。除英國外，包括斯堪的納維亞半島在內(nèi)的歐洲都非常熱衷于實(shí)施可持續(xù)城市排水系統(tǒng)。?steb?l等在1990年發(fā)現(xiàn)，蘇格蘭采用雨水管理的速度比英格蘭和威爾士更快，部分原因是蘇格蘭環(huán)境保護(hù)署大力推動(dòng)在其新開發(fā)的項(xiàng)目中實(shí)施BMP立法。D"Arcy于1998年首次提出可持續(xù)排水三角形的概念，包括數(shù)量、質(zhì)量、棲息地和便利性。2000年，“可持續(xù)城市排水系統(tǒng)”這一術(shù)語在一套主要的指導(dǎo)文件中正式確定。2009年，英國政府頒布了相關(guān)法律法規(guī)，包括洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)條例。在實(shí)踐中，在英國，可持續(xù)城市排水系統(tǒng)指的是各種雨水/地表水排放技術(shù)，這些技術(shù)可以說比傳統(tǒng)解決方案更具可持續(xù)性。其主要概念是基于盡可能復(fù)制場地性質(zhì)并開發(fā)排水系統(tǒng)的理念，這與前面描述的低影響開發(fā)的基本原則是一致的?？沙掷m(xù)城市排水系統(tǒng)通常被配置為雨水實(shí)踐和技術(shù)的集合，當(dāng)其結(jié)合起來時(shí)，可以形成一個(gè)管理系統(tǒng)[9]。

1.4 屋頂綠化

為了改善由這種城市環(huán)境問題引起的異常的城市生態(tài)系統(tǒng)和城市小氣候，迫切需要逐步確保，即使是很小的一片綠地。但是，由于現(xiàn)有建筑物和市區(qū)的密集空間結(jié)構(gòu)及市中心的高地價(jià)，要獲得與城市公園相同數(shù)量的綠色空間并不容易。在這種背景下，屋頂綠化是改善城市環(huán)境，擴(kuò)大綠地，控制城市氣候，減輕城市熱島和節(jié)約能源的替代方法。

屋頂綠化（圖1）也稱為種植屋頂?shù)龋鶕?jù)種植基質(zhì)的深度、景觀和花園的復(fù)雜程度分為3種類型[10]。簡易型集約型屋頂綠化基層深度一般不超過150 mm，而綠化屋頂花園植樹基層深度可達(dá)600 mm以上，屋頂綠化設(shè)計(jì)可參照植樹屋頂工程學(xué)科。

圖1 屋頂綠化

屋頂綠化是土地資源有限的城市建筑的海綿措施。其可以安裝在建筑物的屋頂上，可分為密集型、半開放式或開放式[11]。植被層、基質(zhì)層、過濾層、蓄水層和排水層構(gòu)成綠色屋頂結(jié)構(gòu)。對于植物選擇，通常使用灌木類型、耐高溫和耐旱的原生植物。由于建筑物屋頂?shù)耐寥郎疃扔邢?，可以選擇具有高抗風(fēng)性和短根系的適應(yīng)性植物。多項(xiàng)研究表明，黃柏最常被用作綠色屋頂設(shè)計(jì)，因?yàn)槠浣ㄔ诮ㄖ锏奈蓓斏?，通常?huì)給建筑物的居民提供100～200元/m2的政府補(bǔ)貼。屋頂綠化減少了降雨引起的地表徑流，減少了約70%，峰值延遲了20 min。降雨強(qiáng)度也會(huì)影響綠色屋頂?shù)男阅?，以及綠色基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命。先前的研究還表明，綠色屋頂具有良好的懸浮物（SS）去除效果，適用于水中懸浮顆粒含量較高的區(qū)域[12]。

2 屋頂綠化植物景觀配置及植物品種選擇原則

綠色屋頂因其種植空間的特殊性，應(yīng)首先考慮建筑物的承重能力，避免因屋頂綠化建設(shè)造成建筑物的損毀。在滿足荷載要求的前提下，利用建筑物原有結(jié)構(gòu)，增加種植土壤厚度或采用輕質(zhì)種植土（土壤和人工輕質(zhì)骨料如蛭石、珍珠巖、沸石、煤渣和泥炭等組合），通過優(yōu)化植物布局形式、豐富植物種類和采取智能灌溉系統(tǒng)等方法營造更好的景觀效果。

由于我國國土面積廣闊，南北氣候條件存在巨大差異，實(shí)施立體綠化時(shí)應(yīng)選擇適合當(dāng)?shù)貧夂驐l件的本土植物，如需引進(jìn)外來品種，則需在苗木基地進(jìn)行試栽，證明其適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件后，方可大規(guī)模使用。例如，三角梅等適合在南方生長的立體綠化植物不能在黃河以北地區(qū)露天越冬。

2.1 廣州城市屋頂花園

此屋頂花園在景觀營造、雨水收集利用、生態(tài)節(jié)能及綠色低碳等方面堪稱典范。利用有限的立面空間，增加綠量，優(yōu)化人居環(huán)境，改善城市熱島效應(yīng)，吸塵降噪，改善空氣質(zhì)量，同時(shí)節(jié)能降耗，使室內(nèi)冬暖夏涼。目前生態(tài)植物墻有多種做法，大致分為牽引式、板槽式、鋪貼式、生態(tài)袋模式和布袋式等。該項(xiàng)目根據(jù)場地特點(diǎn)分別選用了不同的模式（圖2）。利用管道收集屋頂雨水，收集的雨水被用作觀賞園及蔬菜園的灌溉用水、生態(tài)墻景觀用水等。屋頂收集的雨水，從生態(tài)墻上緩緩滴下，滋養(yǎng)著生態(tài)墻上的植物。從墻上滴落的水，被收集在墻體基部的水槽中。

圖2 屋頂花園實(shí)景

2.2 加州科學(xué)院的山丘形綠色屋頂

意大利建筑師Renzo Piano將“在建筑上提升花園”定為該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)理念，通過精心地設(shè)計(jì)和細(xì)致地布局，根據(jù)冷空氣下沉、熱空氣上升的原理，經(jīng)過測算和分析，可形成大樓內(nèi)空氣的自然流通，并起到絕緣作用，減少了對空調(diào)的過度依賴（圖3）。屋頂種植了170萬株當(dāng)?shù)氐木G色植物，每年可以吸取757萬L的雨水，省卻了人工灌溉之勞和產(chǎn)生的費(fèi)用，多余的雨水還可用來沖洗廁所，達(dá)到了二次利用的目標(biāo)[13]。

圖3 加州科學(xué)院的山丘形綠色屋頂

2.3 發(fā)展趨勢

根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果表明：采用綠色屋頂存在2個(gè)障礙[14]。一是缺乏法律依據(jù)，二是成本高昂?；趯χ袊蓓斁G化研究的分析可以看出，目前在不同終端用戶中推廣屋頂綠化的理念是未來推廣屋頂綠化需要解決的問題。此外，中國城市大量多業(yè)主商品房（如公寓和住宅小區(qū)）的復(fù)雜產(chǎn)權(quán)/所有權(quán)也阻礙了綠色屋頂?shù)耐茝V。立法保障對于有效、有條不紊地推進(jìn)屋頂綠化建設(shè)至關(guān)重要。綠色屋頂?shù)某杀景ㄒ淮涡猿杀荆绨惭b、維護(hù)和灌溉成本。但是，此類項(xiàng)目的回報(bào)/回報(bào)包括一次性和長期收益。一次性收益包括節(jié)省雨水管理設(shè)備安裝成本或降低雨水收費(fèi)。長期利益包括增加預(yù)期壽命，即居民的福祉、財(cái)產(chǎn)價(jià)值和為維護(hù)綠色屋頂創(chuàng)造的就業(yè)機(jī)會(huì)，更不用說其能源效率和環(huán)境效益了。這種成本收益分析的主要問題是高成本通常出現(xiàn)在收益之前，收益難以量化?；谶@種情況，未來對屋頂綠化的研究應(yīng)側(cè)重于法律規(guī)定的制定，涉及市級(jí)利益相關(guān)者和最終用戶的資金保障。

目前，大規(guī)模部署綠色屋頂主要集中在北美和英國，日本在這2個(gè)類別中都落后。當(dāng)建筑面積大于等于2 000 m2時(shí)，要求屋頂有20%～60%的屋頂綠化面積；日本要求所有新建筑都配備綠色屋頂。美國波特蘭已經(jīng)要求70%的新建筑配備綠色屋頂。這些國家已經(jīng)開始大規(guī)模推廣這項(xiàng)技術(shù)，但中國城市只關(guān)注技術(shù)方面，如屋頂植物的選擇和建筑物上綠色屋頂層的設(shè)計(jì)和布局。中國和英國報(bào)告了綠色屋頂在減少徑流方面的類似表現(xiàn)。在中國蘭州，密集的綠色屋頂?shù)目倧搅骺刂菩蕿?4.4%，而在英國曼徹斯特，綠色屋頂?shù)目倧搅骺刂菩蕿?5.7%[15-17]。

3 結(jié)束語

海綿城市是我國城市建設(shè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略，而屋頂綠化是建設(shè)海綿城市的途徑之一。本文通過重點(diǎn)關(guān)注屋頂綠化植物配置研究和實(shí)例提供了對城市規(guī)劃者的建議。希望以此更好地了解海綿城市技術(shù)的適應(yīng)能力，可以為海綿城市的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)施提供更多可行的選擇。