劉潔靈 賈一非 王沛永,2

1 北京林業(yè)大學園林學院 北京 100083

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

隨著城市建設規(guī)模不斷擴大,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),導致城市洪澇日益嚴重[1-3]。自20世紀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年提出建設海綿城市,使用多種自然或工程措施以達到自然積存、自然滲透、自然凈化的目標[4-5]。在試點區(qū)域海綿城市建設過程中,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；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及應用研究主要集中在中東部氣候溫和的地區(qū),由于嚴寒地區(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-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)陽光照射強烈,紫外線強度大,晝夜溫差大,風力強,這些不利因素增加了屋頂綠化的建設難度。西寧市作為我國海綿城市建設的第二批試點城市,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%,在海綿城市建設過程中,可以進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)屋頂進行改造試驗,總面積為6 337.58 m2。

2 綠色屋頂設計

2.1 屋頂結構設計

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,因此以達到海綿城市建設的基本要求為原則。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。屋頂結構加強了防水改造,并鋪設了2 cm厚HDPE隔根層和80 cm厚蓄排水層,在基質(zhì)與蓄排水層之間設置無紡布過濾。

圖1 托盤容器結構示意

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構層。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)水層鋪設在防水層之上、過濾層之下。托盤容器的設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。本方案中采用的厚15 cm的容器形式,在設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海綿城市的目的,使其屋頂綠化對植物的選擇設置了更多的限制條件。通過對現(xiàn)有研究的總結[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?shù)孛缒竟┙o情況進行評估[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(無機栽培基質(zhì))[18]?？偨Y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,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^程嚴格按照設計及工藝流程進行,屋頂防水工程完成后進行閉水試驗；然后在防水層上依次鋪設隔根層、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的屋頂綠化技術在西寧地區(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

為了驗證所設計的綠色屋頂是否達到攔蓄雨水的目標,得到準確的數(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概化模型構建

SWMM模型相關參數(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)域基礎數(shù)據(jù)計算獲??；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項目系統(tǒng)性詳細規(guī)劃(2016-2018)》中的推薦參考值進行參數(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；雨水傳輸采用運動波方程,下滲采用Horton模型[23-24]。

3.2 模型校準

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行對比,結果如圖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)率的結果較為準確,該模型可以恰當?shù)胤从钞數(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模型進行分析,結果顯示,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?、峰值徑流量有一定的削減作用,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,說明提高護堤高度無法提高綠色屋頂對高強度降雨的蓄積能力。

當保持洼蓄量不變、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,說明綠色屋頂應對高強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)的海綿化改造中設置綠色屋頂,可增強雨水管網(wǎng)系統(tǒng)應對不同重現(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,達到更好的改造效果。

圖8 改變基質(zhì)厚度排水口流量變化