上海梅雨期佛甲草轻薄屋顶绿化的滞蓄效果监测评估

 

摘要：【目的】针对适于上海地区存量建筑推广使用的8cm基质佛甲草屋顶绿化产品，评估其在梅雨期的滞蓄实效。

 

【方法】构建平、坡屋面组试验装置，实测佛甲草模块在梅雨期自然降水环境和当地典型平、坡屋面条件下的滞蓄能力，比较梅雨全期及单次降雨事件下平、坡屋面组的滞蓄差异。

 

【结果】发现平、坡屋面组试验模块对梅雨全期的平均滞蓄率分别可达到38.9%和30.6%，期间单次降雨的滞蓄率差异较大，除连绵降雨过程中的大、暴雨外，均可在降低径流峰值、减少径流总量和延缓产流上发挥较为理想的作用。

 

【结论】在上海及长江中下游梅雨地区，对新建或既有建筑，尤其是平屋顶建筑推广建设拓展型屋顶绿化，是有效的节地型海绵措施。

 

为应对全球气候变化，基于绿色基础设施和气候适应的海绵城市得到了空前的关注[1]。中国的城市开发普遍高度密集，洪水泛滥和水质污染等问题因而愈发严重[2]。在高度城市化地区，复杂的下垫面建设情况和有限的建设用地制约了以地面为载体的海绵技术措施，若利用占城市下垫面65%的屋顶来进行绿化[3]，借助绿色屋顶的植被层、基质层以及排蓄水层滞蓄降水，在一定程度上降低径流峰值、减少径流总量、延缓产流和峰值时间，可在立体空间上增加“海绵”数量，发挥降雨径流调控效益，从而在土地资源紧缺的情况下有效改善城市水安全与促进可持续发展[4]。

 

绿色屋顶作为一项重要的海绵技术措施，目前国际上的研究应用大都局限于小型控制实验区，随着海绵城市建设的推进，中国有望将其应用扩展到城市规模[5]，但造价高昂是制约其建设的主要因素[6]。出于经济性的考虑，鉴于绿色屋顶的滞蓄作用受降水特征（强度、历时和间隔）、基质状况（厚度、吸水和持水性能）、屋面坡度、植物（品种和蒸腾量）等的影响，随着气候条件和设计特征的不同而具有显著差异[7]，故针对具体城市的地域性研究至关重要[8-9]。各个城市在推进绿色屋顶建设之前，有必要结合本地气候特征、屋面条件和屋顶绿化产品切实测评屋顶绿化的滞蓄效益，以明晰这一技术手段的实效。

 

上海是第二批海绵城市建设试点城市，地处亚热带季风气候区，雨热同期，每年初夏梅雨期的集中、连绵降水以及短时强降水易引发城市内涝和洪涝灾害，绿色屋顶是适合当地气候条件的低影响开发技术[10]，然而有模拟研究表明上海以绿色屋顶削减城市雨洪的效果不及德国、美国、加拿大的部分城市[11-13]。面向城市高密度建成区存量建筑的规模化绿色屋顶建设宜采用轻薄的拓展型产品[14]，但目前普遍认为拓展型产品的滞蓄能力不如基质较厚的绿色屋顶[9,15]。

 

在上海的邻近城市南京，通过屋顶的气象、土壤观测及水量平衡方程估算，也发现拓展型绿化屋顶全年径流削减率仅约为花园型的2/3，且四季之中绿化屋顶的径流削减效应反而以夏季为最低[16]。并且，雨季时绿色屋顶会因为基质含水量饱和而使滞蓄能力大幅下降（如属于温带海洋性气候的美国俄勒冈州所报告的下降幅度可达50%以上[17]）。因此，实测拓展型绿色屋顶产品在梅雨期的历时滞蓄实效以及对短时强降水的滞蓄能力，对于评估其实际价值极为关键。

 

一直以来，屋顶绿化滞蓄研究或采用相对便捷的受控试验法（设定降水条件测取个别设计变量的短时滞蓄效果），或借助间接估算法（通过气象观测数据和水量平衡方程模拟分析屋顶绿化的历时滞蓄规律），对于特定地域复杂的自然降水条件，多变量非受控作用下的滞蓄效果具有不确定性，这方面的实测研究相对较少[18]。上海目前在自然降水条件下的相关研究见诸报告的，仅有基于时降雨量界定屋顶绿化生长最佳土层厚度的研究[19]。

 

此外，有研究表明，植被类型和植物多样性对绿色屋顶截流能力的影响也有显著差异，佛甲草（Sedumlineare）对于径流的削减作用相对较差[20]，甚至与无绿化屋面相差无几[18]。但佛甲草作为上海具有代表性的景天属植物，长期被用于轻型屋顶绿化，可满足低荷载、低维护的需求[21]。

 

因此，本研究针对适于上海地区推广的拓展型佛甲草屋顶绿化产品，测量其在梅雨期自然降水和典型屋面形式下的滞蓄实效，旨在获取直接、客观的在地性数据支撑，以切实评估拓展型佛甲草屋顶绿化在梅雨期的历时及单次降雨下的实际滞蓄效果，并借此讨论和推断其全年的滞蓄实效，既可供上海的海绵城市建设直接参考，又可为其他同样遭受长江中下游地区梅雨困扰的城市提供借鉴。

 

上海梅雨期（6—7月）和台风雨期（8月）暴雨频发，其中强暴雨、大范围及长时间的暴雨更容易在6月出现[22]，因此6月往往降水量最大、变异性最为显著，且近年来上海的降雨中心向中心城区集聚[23]。

 

上海宜采用坡屋面建筑以利于保温隔热、减少屋顶渗漏，屋面坡度范围应在15°~35°[24]。前期研究通过对上海中心城区建筑的抽样调查，发现在适于屋顶绿化推广建设的低层和多层建筑中：坡屋顶占比高于平屋顶；坡度大于30°的屋顶较少[25]。

 

目前上海地区屋顶绿化建设项目多采购市场上常见的营养土与蛭石等进行混合。佛甲草用于上海大面积轻型屋顶绿化，采用深度为8cm的基质（简称8cm基质）既可满足存量建筑屋面荷载限制，又可顺利越冬[25]。