绿色屋顶在高寒地区海绵化改造中的应用*

刘洁灵 贾一非 王沛永,2

1 北京林业大学园林学院 北京 100083

2 城乡生态环境北京实验室 北京 100083

随着城市建设规模不断扩大,城市不透水面积迅速增加,破环了原有的自然排水系统,削弱了自然对于雨水的控制力。与此同时全球气候也发生了巨大的变化,极端雨雪天气频发,导致城市洪涝日益严重[1-3]。自20世纪80年代以来,各国根据本国现状提出了多种城市雨洪处理方法,我国在2014年提出建设海绵城市,使用多种自然或工程措施以达到自然积存、自然渗透、自然净化的目标[4-5]。在试点区域海绵城市建设过程中,建筑屋顶面积占城市不透水面积的40%以上,充分利用好建筑屋顶空间进行雨水径流控制,可以有效提高城市对雨洪的调控能力[6-7],其中绿色屋顶是一种常用的方式。绿色屋顶可以增加城市绿地面积,改善城市热岛效应；还可以增加城市下垫面的透水面积,改善日益恶化的人居环境。绿色屋顶在海绵城市建设中的主要作用是能够在屋顶平面储存和延缓屋面径流的形成,目前已成为缓解城市雨洪的有效方式。例如,Stovin等[8]研究发现绿色屋顶的雨洪平均截流率为50.2%；Beecham等[9]发现干旱区域绿色屋顶的雨洪截留率为74%；李俊生等[10-11]研究发现绿色屋顶对于场地产流量、径流峰值、产流时间具有较好的控制。目前,对于绿色屋顶在我国的建设及应用研究主要集中在中东部气候温和的地区,由于严寒地区薄土层种植植物越冬困难等问题的限制,在高海拔严寒地区城市鲜见使用。本文以西宁市安泰华庭小区海绵化改造项目的绿色屋顶为例,结合SWMM模型验证其对于径流量控制、雨水径流峰值削减的作用；同时,验证不同厚度的基质提高绿色屋顶对于雨水的削减能力,为该地区海绵城市建设中绿色屋顶的实施提供案例借鉴和理论支撑。

1 研究地概况

西宁市地处我国西北部,青藏高原边缘。夏季温度适宜,冬季寒冷干燥,气温最低可达-18.9℃,属大陆性高原半干旱气候。平均海拔高于2 261 m,属高海拔严寒地区[12]。西宁市降雨主要集中在5—9月,占全年降雨量的80%以上。高寒地区阳光照射强烈,紫外线强度大,昼夜温差大,风力强,这些不利因素增加了屋顶绿化的建设难度。西宁市作为我国海绵城市建设的第二批试点城市,占地面积21.61 km2,主要位于海湖新区行政范围。试点区域建立“治山、理水、润城”的系统性技术路线,打造“山涵水、水融山、城依水、水衬城”的生态宜居海绵城市[5]。西宁市的建筑屋顶面积占建成区面积的56%,在海绵城市建设过程中,可以进行屋顶绿化改造的区域较多,但至今除本项目以外,西宁市暂无其他屋顶绿化项目,无可借鉴的经验,所以探索该市的绿色屋顶建设非常重要。

安泰华庭小区是2011年建成入住的新建小区,主要由高层住宅建筑(20～32层)、商业建筑(2～10层)、绿地、水系和道路广场组成,总面积为10.65 hm2。建筑屋面均采用建筑内排水的方式,有利于管道不受冻害的影响,但是内排水的雨落管直接引至地下车库,使屋面雨水无法通过自流的方式进入绿地消纳,造成屋面雨水利用困难,也是该类地区海绵化建设的一大挑战。该小区临街商业的建筑屋顶采用外排水落水管,且为不可上人屋顶,局部具备屋顶绿化的条件,因此选取部分临街商业屋顶进行改造试验,总面积为6 337.58 m2。

2 绿色屋顶设计

2.1 屋顶结构设计

通过分析现状屋顶的荷载情况以及排水方式等,在安泰华庭小区选择楼层为2层的临街商业屋面作为改造对象,屋顶为不可上人的平屋顶。本次建设绿色屋顶的目的是为了蓄积雨水,具有一定的试验性目的,因此以达到海绵城市建设的基本要求为原则。同时考虑到整个工程的低造价、低影响及安全性的要求,还要考虑绿化栽植植物的成活率,因此该小区的绿色屋顶设计以封闭式、科研型、地毯式、粗放型的容器式托盘绿化形式为主色屋顶,所选择的容器(图1)长宽高为42 cm×42 cm×15 cm。屋顶结构加强了防水改造,并铺设了2 cm厚HDPE隔根层和80 cm厚蓄排水层,在基质与蓄排水层之间设置无纺布过滤。

图1 托盘容器结构示意

植被层、基质层和排(蓄)水层是参与屋面雨水管理的主要结构层。植被层在绿色屋顶的生态效益、过滤雨水和控制雨水径流等过程中发挥着重要作用[13],基质层为各种植物生长提供所需元素,而具有收集和储存屋面雨水作用的排(蓄)水层铺设在防水层之上、过滤层之下。托盘容器的设置主要是为了在试验失败、植物大面积死亡的情况下,能够方便更换基质与植物,为长期顺利试验打下基础。本方案中采用的厚15 cm的容器形式,在设置后可使屋面排水顺畅,同时还能收集雨水提供屋顶绿化植物生长之需。

2.2 植物选择

绿色屋顶的植物栽植选择具有一定的特殊性,既要适应特殊气候环境,又要符合建筑的安全性等各方面要求。因此,在选择植物栽植时,必须考虑各种潜在影响植物生长的因素[14]。对于西宁市安泰华庭小区来说,其特殊的地理条件和建设海绵城市的目的,使其屋顶绿化对植物的选择设置了更多的限制条件。通过对现有研究的总结[15-16],选取适合作为地毯式绿色屋顶的植物种类(表1),并根据西宁市气候及该小区的建筑屋顶实际情况对这些植物的抗寒性、耐荫性、抗旱性、抗涝性、景观性、管理难度及当地苗木供给情况进行评估[17]。本项目最终选择景天属的费菜(Sedum aizoon)、八宝景天(Hylotelephium erythrostictum)、胭脂红景天(Sedum spurium)3种栽植植物。

表1 绿色屋顶植物种类

2.3 基质选择

屋顶基质厚度的选择由植被层生长的需要和建筑屋顶的荷载等因素共同决定。绿色屋顶植被层的生长需要必要的营养元素,根系的固定需要足够厚度的基质,这样才能达到植物生长的最佳状态；基质的重量需满足现有建筑屋顶的均布荷载的要求,以保证建筑使用的安全性；同时,为了收集和蓄积雨水,基质的厚度不能过低,防止其在暴雨期间被冲毁。常见的屋顶绿化基质主要分3类,即改良土壤、天然种植土和人工合成种植土(无机栽培基质)[18]。总结国内现有研究和已实施项目所使用的基质类型[10,19-22],发现国内多使用改良种植土和人工合成种植土。这2类基质的选配有一定的交叉,均可根据植物的生长和环境要求对材料和数量进行配比,调整基质营养,减轻整体重量等。为了满足所选景天类植物的生长需求,参考以上研究总结,本项目选择150 mm厚,3:3:3:1的宝绿素人造土＋草炭土＋种植土＋有机肥的基质组合,混合后湿重约为800 kg/m3,满足屋顶荷载的需求。

2.4 建造实施

绿色屋顶的施工过程严格按照设计及工艺流程进行,屋顶防水工程完成后进行闭水试验；然后在防水层上依次铺设隔根层、排(蓄)水层、过滤层。托盘容器安装后填筑土壤基质,进行植物种植。项目实施后经过2个全年生长周期(2017年12月—2019年12月)的观察,绿色屋顶植物均能安全越冬,夏季生长良好,证明以拦蓄雨水为目标的屋顶绿化技术在西宁地区具有一定的实施可能性。

3 SWMM模型验证

3.1 模型参数率定

为了验证所设计的绿色屋顶是否达到拦蓄雨水的目标,得到准确的数据分析,需要建立SWMM模型。根据小区管道连接实际情况,建立改造前后2个模型(是否添加绿色屋顶设施),共有7个子汇水区、9个节点、9条排水管道,管径300～600 mm,管网末端排放口1个(图2)。

图2 小区的SMWW概化模型构建

SWMM模型相关参数,如子汇水区面积、汇水宽度和坡度直接根据研究区域基础数据计算获取；水文水力模块率定参数曼宁系数、地表洼蓄量和入渗模型参数,根据模型手册中的典型值和测试值以及《西宁市海绵城市建设项目系统性详细规划(2016-2018)》中的推荐参考值进行参数调试,验证模型的可靠性,模型中的雨水干管管长由模型自动测量工具获取；雨水管道的曼宁系数根据手册经验值取0.013；雨水传输采用运动波方程,下渗采用Horton模型[23-24]。

3.2 模型校准

首先使用实测降雨事件(2018年6月7日)输入SWMM模型得到排水口流量变化值,然后与在该排水口实际测量值进行对比,结果如图3所示,即模拟水文图和观测水文图较为吻合。同时,采用纳什系数评估模拟值与实测值的拟合程度[25],计算出流量模拟的纳什系数RNS＝0.877,由此可见,所选参数率的结果较为准确,该模型可以恰当地反映当地的水文/水力过程。

3.3 改造前后排水口流量分析

根据气象资料,从2019年4月1日—10月31日共80次有效降雨,降雨深度范围为0.5～30 mm。利用这些降雨资料使用SWMM模型进行分析,结果显示,改造前后全年径流总量、排水口的产流速率、流量峰值出现的时间均有明显变化。通过对图3、图4中数据的分析可看出:1)绿色屋顶的实施对降雨的总径流量、峰值径流量有一定的削减作用,可以缓解暴雨对雨水管网带来的压力。2)改造后径流总量削减率达到83.92%,排水口全年总流量降低83.14%。3)零径流量的降雨事件从改造前的30次变为改造后的73次,产生径流的7次降雨事件分别为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,其峰值流量削减率分别为92%、80%、78.38%、76.92%、50%、25%、75%。

图3 排水口模拟水文与观测水文对比

图4 改造前后总径流量变化

3.4 改变基质厚度的排水口流量模拟分析

选取极端降雨重现期为50年,降雨时长2 h为基础条件,先后做2种模拟条件的对比:一是保持基质厚度为150 mm不变,改变洼蓄量为100 mm、200 mm、350 mm；二是保持洼蓄量为50 mm不变,改变基质厚度为200 mm、300 mm、450 mm,模拟结果如图6至图9所示。

图6 改变洼蓄量排水口流量变化

图9 改变基质厚度总径流和峰值流量削减率变化

通过对比分析发现,在保持基质厚度不变、改变洼蓄量时,排水口流量无变化,总径流和峰值流量削减率也无变化,说明提高护堤高度无法提高绿色屋顶对高强度降雨的蓄积能力。

当保持洼蓄量不变、改变基质厚度时,相对于150 mm厚基质厚度,总径流量削减率呈现显著增长趋势,分别提高5.9%、20.8%、26.2%,说明随着基质厚度的增加,绿色屋顶可以蓄积更多的雨水。但峰值流量削减率无变化,说明绿色屋顶应对高强度降雨峰值削减能力有限。

图5 改造前后排水口流量变化

图7 改变洼蓄量总径流和峰值流量削减率变化

4 结语

安泰华庭小区的海绵化改造项目中,绿色屋顶工程从2017年12月开始,经过两年时间完成了实施及后期维护管理的全过程。无论是植物的生长还是后期的SWMM理论模型验证,都证明在高寒高海拔地区建设以蓄积雨水为目的绿色屋顶具有一定的可行性。

在住宅小区的海绵化改造中设置绿色屋顶,可增强雨水管网系统应对不同重现期的雨水径流的调蓄能力,减少总径流量并且削减洪峰。在建筑屋顶条件允许的状态下,提高绿色屋顶基质厚度可有效提高其对于雨水的蓄积能力,达到更好的改造效果。

图8 改变基质厚度排水口流量变化