绿色屋顶在城市雨洪管理中的应用研究综述

魏宁宁

(南京农业大学公共管理学院；江苏 南京 210095)

0 引言

改革开放以来，中国的城镇建设取得了举世瞩目的成就[1]，城镇化率从1978年的17.92%增加到2016年的57.35%，年均增加1.02%；城市建设用地面积快速扩张，从1978年的5820.57km2增长到2016年的64531.48km2。中国在城镇快速建设的过程中，由于土地利用变化等将自然透水表面改变为坚硬、不透水的表面(如道路、建筑物和屋顶)，改变了雨水径流量和径流速率，影响自然水文循环，导致中国许多城市一遇到暴雨天气就会出现比较严重的城市内涝问题[2]。例如，2012年北京“7·21”城市洪水导致79人死亡[3]；2016年仅上半年，中国有15省(区、市)受到严重洪灾的影响，其直接损失超过144亿元人民币[4]。造成这种问题一方面是公共基础设施(如排水系统)供应不足所致，另一方面是由于当前的灰色建筑设施组成的不透水区域会产生大量的雨水径流，可能导致洪水泛滥和其他与水有关的问题。基于此，我国在2014年提出了“海绵城市”的概念，为全国30个试点城市的发展示范项目提供资金。海绵城市建设的首要任务是实现对城市雨洪的有效管理，使城市在暴雨时能够吸水，缓解地表径流量，缺水时排水，增加地表径流量，从而达到有效的城市雨洪管理。

海绵城市的概念不仅限于城市雨洪管理，还有增加绿色空间、改善生物栖息地等。而广泛绿色空间的应用不仅有效缓解城市地区的内涝问题，也为在城市环境中生活和工作的人提供更美观的空间，改善鸟类和其他生物的城市栖息地，是建设海绵城市的最主要工具手段。

1 海绵城市提出的背景和内涵特征

1.1 提出背景

政府主导的城市化和相关的土地利用变化并没有考虑到减少的地表水渗透对城市水管理的累积和综合影响[5]，导致每年的季风季节，中国大多数城市会出现城市内涝问题。为了应对洪灾风险，多年来，中国一直在采取硬工程控制措施，如建设洪水蓄洪设施。1950年以来，我国已经修建了98000多座大坝，其中大部分是在1978年以前修建的，目的是统筹防洪、供水、灌溉和水力发电等，经过几十年的使用，现已破旧老化[6]。改革开放以后，城镇化快速发展，土地利用快速变化，以前的自然透水表面已经被城市发展转变为道路，建筑物和各种其他形式的城市基础设施等不透水层表面。降雨入渗的减少导致城市地区雨水径流量和径流速率的增加，雨水保留能力降低，地下水补给量减少。从20世纪80年代到21世纪初，上海市城市径流排放量增加了20%～25%[7]。目前，中国许多城市排水系统的运行超出了最初设计的条件，由于过时的排水系统无法应对台风/气旋增强的暴雨和亚热带暴雨的强度，许多城市遭受了反复发生的洪水。

2013年12月的中心城市化工作会议，首次提出“海绵城市”概念，旨在解决由于快速城市化而增加的洪水风险，并创建一个包括城市水资源管理，城市规划和可持续发展的关键组成部分的总体概念。该概念于2014年底在住房和城乡建设部、财政部和水利部的指导下正式启动。该政策最初确定了16个城市进行试点项目，后来扩大到其他14个城市(2015年的迁安、白城、镇江、嘉兴、池州、厦门、萍乡、济南、鹤壁、武汉、常德、南宁、重庆、遂宁、贵安新区和西咸新区；2016年的福州、珠海、宁波、玉溪、大连、深圳、上海、庆阳、西宁、三亚、青岛、固原、天津、北京)。目标是将能够吸收地表水排放的城市土地面积增加约20%，并在2020年前保留或再利用约70%的城市雨水；到2030年，进一步再利用高达80%的雨水[8]。海绵城市概念不仅解决城市洪水风险，还采取积极主动的方法来收集、净化和再利用中国城市的城市雨水，以应对未来的气候极端事件(洪水和干旱)。

纵观世界其他国家对城市雨洪管理的实践可以发现，海绵城市并不是一个全新的概念，其概念类似于美国的低影响开发(LID)方法[9]、英国的可持续的城市排水系统(SuDs)[10]和蓝绿色城市(BGCs)方法[11]、澳大利亚的水敏感城市设计(WSUD)[12]和新西兰的低影响发展城市设计(LIDUD)[13]。实际上，xia等人[14]将“海绵城市”概念描述为中国城市规划的突破，因为期概念、相关指导方针和政策有可能增强可持续性原则(通过解决生态和社会经济方面)，以及鼓励城市水资源管理(和洪水风险管理)更好地融入城市规划和设计实践。

1.2 内涵特征

(1)提高对城市峰值径流的有效控制，并临时储存、回收和净化雨水。

(2)使用更多绿色基础设施(例如建造地下蓄水池、透水路面和绿色屋顶)来升级改造传统的排水系统，并增加现有的排水保护标准，以抵消峰值排放并减少多余的雨水。

(3)整合天然水体(例如湿地和湖泊)，并鼓励在排水设计中实现多功能目标(例如加强生态系统服务)，同时提供更多的人工水体和绿地，以提供更高的美化环境价值。

2 绿色基础设施作为城市雨洪问题的缓解策略

海绵城市计划通过促进使用更具渗透性的路面和道路材料，增加城市雨水的降雨渗透和储存，更多地使用洼地和渗透通道，在城市公园内建立人工湿地[15]，生物洼地、雨水花园、透水路面和绿色屋顶等绿色基础设施，通常旨在模拟自然水文响应，通过植被和土壤吸收城市雨水渗透、雨水保留、储存、净化、补给地下水，改善径流水质(表1)。

表1 绿色基础设施及其相应指标[8]

注：●—强；◎—中；〇—弱；×—无

生物洼地和雨水花园的建设，可以增强城市绿化，增加城市绿地的整体面积，为鸟类、昆虫类等提供新的栖息地，改善城市生态系统的多样性[16]。公园绿地可以创造更大的娱乐空间，为公众带来多重好处(图1)。

图1 海绵城市示意图[16]

在自然环境中，地表水可以渗透到地下，从而平衡地下水供应和水质。然而，城镇化将自然透水表面改变为坚硬、不透水的表面，当遭遇暴雨天气时，城市不透水区域(如道路、建筑物和屋顶)会产生大量的雨水径流，这可能导致城市洪水泛滥等问题。在城市地区，屋顶表面积占所有不透水表面积的40%～50%[17]，因此，在设计海绵城市的雨洪管理系统时考虑屋顶区域非常重要。

绿色屋顶通常也被称为植被屋顶或生态屋顶，是减少径流和峰值流量的有效技术。与普通屋顶相比，绿色屋顶能够长时间保留土壤和植被介质中的雨水，延迟峰值排水时间，减少峰值排水量[18]。大量研究表明，绿色屋顶是降低城市地区的洪水泛滥问题的有效方法。通常，绿色屋顶由6层组成：植被层、基质层、过滤层、排水层、保护层和防水层(图2)。绿色屋顶可以根据基层的深度分类为广泛的屋顶和密集的屋顶[19]，广泛的屋顶通常具有小于150mm的基底深度，而密集屋顶的基底深度大于150mm。

图2 绿色屋顶结构示意图[18]

与传统的屋顶相比，雨水储存在绿色屋顶的植被层中，有助于减少峰值流量，绿色屋顶植被的蒸散作用，也有助于减少径流量，城市地区使用绿色屋顶的径流峰值和径流量延迟情况如图3所示。

图3 绿色屋顶和传统屋顶的降雨地表径流响应[17]

绿色屋顶除了具有截留雨水的功能外，还有隔热降温、固定温室气体、生物栖息、美化景观等功能。其实，在欧美发达国家，绿色屋顶并不是一种新技术，在过去的30年里，它们的广泛使用，尤其是城市雨水管理，为全球城市地区带来了诸多好处。例如：德国、澳大利亚、奥地利、美国，日本，新加坡和韩国等国家都在推广建设绿色屋顶[20]，其中德国14%的平屋顶由绿色屋顶支撑[21]，韩国的“低碳绿色增长建筑法”强烈支持绿色屋顶作为低影响发展(LID)技术[22]，以实现更安全和更可持续的城市发展。

国外大量的研究表明，与传统屋顶相比，绿色屋顶在减少径流量和径流峰值径流延迟方面发挥重要作用。绿色屋顶的径流截留率(径流截留的百分比通常定义为雨后事件中绿色屋顶控制的总降雨量的百分比)为50%～80%(表1)。多种因素会影响绿色屋顶的径流截留率，如气候条件、屋顶设计、绿化屋顶坡度、绿化屋顶的基质深度、类型和植被类型等。

研究绿色屋顶在不同降雨条件下长时间的径流截留中的作用是非常重要的。Bengtsson[23]应用水平衡方法检查不同降雨条件下绿色屋顶的水文性能，结果表明，绿色屋顶可以截留大量雨水，径流流量平均可以减少64%。根据在谢菲尔德(英国)种植小型绿色屋顶的Stovin等人[24]的研究结果显示，不同降雨条件的径流量保持率约为50%～59%。同样，Kohler等人[25]研究了德国的绿色屋顶，结果表明，由于绿色屋顶蒸发量大，降雨径流量可降低达60%～80%。Shafique等人[20]对韩国首尔市的绿色屋顶研究表明，在不同降雨事件中，绿化屋顶的平均径流截留率为10%～60%。国内的葛德等人[18]基于4种植被覆盖类型绿色屋顶，监测了2017年不同降雨条件下绿色屋顶的径流截留量，结果表明，降雨量<10mm，径流截留率接近100%，降雨量>30mm，径流截留率下降到70%以下。

绿色屋顶的径流截留结果也取决于绿色屋顶的年龄。已用的研究表明，与新的绿色屋顶相比，较旧的绿色屋顶可以保留更多的降雨径流。Getter等人[26]的实验验证了这一说法，其结果表明，在5年的时间里，绿色屋顶土壤基质的有机质含量增加了一倍，因此，孔隙空间加倍并且增加了绿色屋顶的持水能力。根据Seters等人[27]的研究结果，与加拿大多伦多的新的绿色屋顶相比，较旧的绿色屋顶可以将径流流量减少63%。意大利学者的研究获得了类似的结果，较旧的绿色屋顶比新的绿色屋顶的径流量多减少10%[28]。

土壤基质的特征也是影响径流量截留的突出因素。与绿色屋顶基材相比，植物/植被的影响不太重要。然而，对于绿色屋顶，植被在提高蒸发蒸腾速率方面起着更重要的作用，这有助于通过降低外部温度来冷却建筑物[29]。Carter和Rasmussen[30]应用了美国乔治亚大学的绿色屋顶来评估其减少径流的性能。从31次风暴事件中监测径流截留量，结果表明，与普通屋顶相比，绿色屋顶能够长时间保持降雨，并且可以保持近78%的径流量。美国的其他研究采用了类似的程序，绿色屋顶的径流滞留量分别减少了50%～80%的径流量[31-33]。

绿色屋顶土壤介质深度的选择是减少峰值流出的一个非常重要的因素。Fassman-Beck等人[34]监测了新西兰奥克兰大学4个绿色屋顶的水文性能，在这4个绿色屋顶中，在合成排水层上使用50～150mm深度的基材，研究结果表明，土壤基质深度对径流截留性能影响很大，径流截留率的变化幅度在45%～70%之间，平均径流截留率为56%。Shafique等人[35]在韩国首尔市人口密集的地区改造了绿色屋顶(使用不同土壤介质深度)，以减少径流，结果表明，与普通屋顶相比，绿色屋顶可以减少高达68%的径流，土壤基质深度对径流截留率的影响程度在40%～60%之间。

绿色屋顶不仅能减缓径流水量，还能够改善径流水质。相较于减缓径流水量，绿色屋顶在改善径流水质方面的研究相对较少，在不同研究条件下得出的绿色屋顶改善径流水质差异较大。Moran等人[36]连续观测9个月位于美国北卡罗来纳州的两个绿色屋顶的径流水质情况，并未发现水质改善现象。Tim[37]监测了美国波特兰市某公寓绿色屋顶的径流水质情况，发现氮的浓度在两年内随时间而降低，且低浓度发生在少雨的夏季，观测到的高浓度铜极有可能是受屋顶材料的影响。Berghage等人[38]主持的宾夕法尼亚州立大学绿色屋顶项目开展了较为全面的径流水质监测，21次降雨事件的采样结果中，绿色屋顶水样颜色发黄，pH值和可溶性盐浓度偏高，营养物质(磷和钾)浓度和硬度(钙和镁)相同或更高。国内只有极少学者开展绿色屋顶对径流水质影响的研究，刘瑞芬[39]以成都某绿色屋顶(高度约15m，屋面面积10m×27m)为例，监测时间为2009年3—5月，采样方法为混合人工采样，获取流量成比例混合样，检测污染物EMC值，监测结果表明该绿色屋顶水质普遍呈碱性，对酸雨有一定程度的缓解作用，TSS，COD，NH3-N，TN，TP的污染负荷减少量分别为72.1kg，172.8kg，4.2kg，21.8kg，0.3kg，改善径流水质效果明显。

3 中国城市雨洪管理面临的挑战

通过以上分析可以发现，绿色基础设施是城市雨洪可持续管理的有效手段，是建设海绵城市的基础性工作。然而，海绵城市建设是一项重大活动，是中国城市发展的新城市规划战略，其实施过程中会面临一系列挑战。根据海绵城市建设指南，在该计划的第一阶段(2018—2020年)，试点研究区域应覆盖其所在城市的20%以上，这可能是一个相当大的挑战。中国大多数城市，城市洪水缓解措施的设计与传统的工程基础设施(即闸门、混凝土基础设施和超大型排水沟)相关联，旨在尽快将城市排放物排放到下游出口(较大的河流，湖泊和海岸)。然而，这种方法在适应无序的城市扩张和增加不透水的城市地表面方面既昂贵又不灵活。随着城市空间的扩大，这种方法也无法应对强降雨事件，中国的许多城市都遭受了城市洪水带来严重的经济影响和人员伤亡。城市扩张和城市人口增加的另一个影响是水污染。随着不可阻挡的城市土地利用扩张[40]，面源污染物(路边排放、国内工农业渗漏和径流)越来越多地排入和降解城市河流。例如，在长江三角洲的许多城镇，大约有70%的城市水体(如河流、池塘、水道和涵洞)污染严重(按照国家水质标准GB3838)，达到或低于四级。所以海绵城市建设的成本可能相当高昂，据Xia等人[14]的研究，仅海绵城市指南的改造和重建估计每平方千米花费0.1亿～1.15亿人民币。而且现有的城市基础设施设计规范也要和海绵城市建设的要求相适应。

我国有一个复杂的治理体系来管理水问题，其中相关的管理机构很多。例如：虽然城市洪水问题由水利水文部门管理，但城市水污染由生态环境部管理。同样，涉及地表水截留存储和防止土壤侵蚀的植被、树木和森林砍伐问题及所有其他土地利用规划由自然资源部(林业局)管理。所有相关机构都有自己的行为准则、立法实践和政策，然而，鉴于城市持续快速发展和极端气候变化的影响，同时解决城市水问题将是困难的，往往会出现“九龙治水”困境。

为了促进海绵城市概念的采用和实施，2016年住房城乡建设部对《城市绿地设计规范》(GB50420-2007)进行了修订并正式发布。该文件强调了对城市绿地设计和建设的协调方法，特别是在排水管理方面、储水空间的用途、土壤类型、入渗和排放量之间的关系，以及在正常和潮湿条件下维持所需的土壤田间容量的最小允许流量。此外，《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)也在2016年进行了修订，以适应海绵城市实践的要求。绿色基础设施的安装，例如生物洼地在道路上的安装，需要在行人、自行车道和机动道路之间增加额外空间，例如：修订后的CJJ37-2012城市道路设计规范包括一个新的部分(16—绿色基础设施)，要求城市道路保留至少1.5m的宽度，以适应合适的绿色基础设施。

海绵城市建设涉及到一系列制度、组织机构、规范、技术标准的转变，需要相当高昂的建设成本，也需要广大民众思想观念的转变，所以，海绵城市建设是一个循序渐进的过程，切记不能搞大跃进式的建设，每个城市要按照自身能力分阶段分步骤建设完成。

海绵城市的概念，旨在改变城市规划过程，同时促进保护和创造城市地区的绿色景观。该概念如能成功实施，将更有效地促进未来的土地利用和空间规划，并改善城市生态系统的多样性和社会福祉。实现海绵城市目标将会使河流和其他城市水体和湿地得到更大地保护，并相应增加其他城市绿地(例如植被区、森林、农田)。然而，这一概念并不是排斥使用工程基础设施(灰色基础设施：如城市河流渠化、土地利用排水和防洪)对城市雨水的管理，而是将绿色基础设施和灰色基础设施相配合，在极端降雨事件期间控制城市径流和储存雨水，以解决更广泛的城市用水和环境问题，这在中国将是一个突破。

4 结论

该研究旨在证明在海绵城市的建设过程中，绿色基础设施是一项非常有用的城市雨洪管理技术，并探讨绿色基础设施建设中面临的一系列挑战。

当前，政府主导的城市化和相关的土地利用变化并没有考虑到减少的水渗透对城市水管理的累积和综合影响，许多城市遭受了反复发生的城市洪水问题。作为回应，海绵城市的概念应运而生，海绵城市建设在传统基础设施基础上，采用更具灵活能力的基础设施(绿色屋顶、透水路面等)，同时整合天然水体(湿地和湖泊等)，以实现对城市雨水的管理，同时，实现改善环境、维持生物多样性等多种福利。

绿色基础设施有多种类型，如：透水路面、绿色屋顶、雨水花园、生物洼地等，不同类型的绿色基础设施其在减少地表径流量和降低峰值径流方面的表现各不相同，同时在建设成本和维护成本方面也有差异。该文阐述了绿色屋顶的结构、类型、功能作用等。已用的研究结果表明，绿色屋顶的径流截留率(径流截留的百分比通常定义为雨后事件中绿色屋顶控制的总降雨量的百分比)在50%到80%之间。多种因素差异影响绿色屋顶的径流截留，如气候条件、屋顶设计、绿化屋顶坡度、绿化屋顶的基质深度和类型和植被类型等。绿色屋顶不仅能减缓径流水量，还能够改善径流水质，在不同研究条件下得出的绿色屋顶改善径流水质差异较大。

绿色基础设施是城市雨洪可持续管理的有效手段，是建设海绵城市的基础性工作，其实施过程中会面临一系列挑战。因此，海绵城市建设是一个循序渐进的过程，切记不能搞大跃进式的建设，每个城市要按照自身能力分阶段分步骤建设完成。

综上所述，海绵城市概念在城市水资源管理、缓解城市洪水和气候风险、生态建设和提高社会福利等方面对城市发展战略无疑具有重大的革命性；仍然存在许多挑战(例如，维持海绵城市项目的资金和成本、跨部门的协调、公众的认知和支持、海绵城市项目有效性的评估等)。优势与劣势相对，机遇与挑战共存，必须利用自身优势，抓住城市快速发展的机遇，逐步解决面临的挑战，最终实现新的城市形态。