基质材料对绿色屋顶滞水保温性能的影响*

丁子航，唐中亚，时振翔，杨仕明，丛海兵

（1.扬州大学 环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.扬州市给排水管理处,江苏 扬州 225009）

0 引言

城市化在农田草地上建设房屋和马路，大大增加了不透水地表面积［1-2］，据统计，城市的平均透水面积只占25%，这大大缩减了雨水下渗量，增大了雨水径流量，加大了城市排水系统的压力，增大了洪涝风险［3-4］。

为了尽可能降低城市化带来的雨水排水压力，提出了海绵城市建设理念，通过增加流域面透水面积和蓄水能力，提高对雨水的渗、滞、蓄能力，从而减少雨水径流总量，削减排水洪峰。常见的做法有下凹绿地、透水路面、绿色屋顶、蓄水塘等，在不影响工程建设和使用的前提下充分利用建筑平面和空间滞纳雨水。屋顶是城市不透水面积的重要组成部分，占不透水区域的40%～50%，具有很大的海绵建设潜力，如果在屋顶铺上种植基质，种植草坪花卉，将能够吸收大量的雨水径流，还能改善空气质量，减轻噪声污染，减少热岛效应等［5-6］。

绿色屋顶建设的关键是种植基质结构的确定和植物的选配，基质厚度薄不利于植物生长，吸水能力差，但厚度太厚又增大屋顶结构重量。基质材料质地要轻，还要有涵水能力，保障植物生长［7-8］。植物选配上要耐旱涝，耐寒热［9］。不同地区的降雨强度不同，需要的雨水滞蓄能力不同，基质结构要求不同；气候条件不同，能适应的植物也不同［10］。因此，本研究针对长江下游城市，设计了三组绿色屋顶，采用不同的基质结构，配置几种植物，进行模拟降雨实验，以评估其径流削减性能、隔热性能等，考察植物生长状况，以期为该地区绿色屋顶建设提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 实验设计

绿色屋顶实验装置建设于扬州市某建筑的屋顶，建筑高度约20 m，屋顶为混凝土平屋面，用粘土砖砌筑围成长宽高分别为2 m、1 m、0.45 m的区域，共有4套实验系统，其中3套内敷设种植基质厚度分别为15 cm、25 cm、35 cm，第4个不敷设基质，作为对照。考虑到植物的生长环境和屋顶的承载力，选择了四种混合类型的轻质材料作为生长基质，混合物的体积比为田园土∶蛭石∶珍珠岩∶锯末=4∶3∶2∶1。植物包括种植的佛甲草及土壤自然萌发的植物，经自然生长半年后，主要剩余佛甲草，其他植物受佛甲草竞争而萎缩，说明佛甲草是该地区适宜的绿色屋顶植物。贴近种植基质表面安装出水管，管出口伸出装置外，并安装水表计量出流量。装置上方安装人工降雨穿孔管及连接水箱，用于模拟人工降雨，如图1所示。

1.2 降雨模拟

暴雨强度是根据扬州市暴雨强度公式设计的，表示为：

式中，q为设计暴雨强度[L/(s∙hm2)]；P为暴雨重现期（年）；t为降雨历时（min）。

根据《室外排水工程设计规范》，选取暴雨重现期为1年、3年、5年；根据平原河网地区的排水距离，选取降雨历时为30 min、60 min、120 min。

以上公式计算的是降雨历时t分钟内的平均降雨强度，实际的降雨强度过程是先增加，达到峰值后再减小。参照临近城市雨型，降雨峰值出现在0.461t时间，降雨强度过程服从芝加哥雨型［23］。

模拟降雨实验时，根据芝加哥雨型计算的降雨量，每间隔5 min调节一次降雨强度，保证降雨强度与芝加哥雨型的降雨量相当。

1.3 屋面温度测量

用TP-101型号的电子温度计测量自然屋面的温度，测量裸露屋面时，将感温探头放置在屋面，上面覆盖棉花，避免太阳直射，等温度计示数稳定之后进行读数；测量绿色屋顶下屋面温度时，将温度计通过基质材料，使探头接触到混凝土屋面，待示数稳定后进行读数。测量时间为每天下午1时，连续测量一周。

2 结果与讨论

2.1 屋顶植物的适应性

实验结果表明，35 cm和25 cm基质深度下的植物群落具有更优的丰富度和大小，其中佛甲草生长状况最佳，其次为野豌豆，其他植物虽有存活但是数量远远少于佛甲草和野豌豆。佛甲草为景天科多年生草本植物，冬季叶片呈黄绿色，来年春季又会变成绿色，且对屋顶环境表现出了良好的适应性；虽然野豌豆也具有较好的适应性，但是野豌豆属于一年生草本植物，生存周期短，并且伴有严重的虫害，因此不适合作为绿色屋顶植物。

表1 绿色屋顶植物种类

2.2 绿色屋顶对暴雨径流削减性能对比

各绿色屋顶相对于自然屋面的径流总量削减率、径流峰值减率，见表2、表3所示。

表2 各绿色屋顶相对于自然屋面的径流总量削减率（%）

表3 各绿色屋顶相对于自然屋面的径流峰值削减率（%）

根据实验结果可见，在重现期1～5年，降雨历时30～120 min的条件下，三种绿色屋顶对径流总量和径流峰值均具有较大的削减作用。35 cm、25 cm、15 cm的绿色屋顶对降雨径流总量的削减率分别为：64.3%～100%、59.7%～100%、46.6%～100%；对径流峰值的削减率分别为：59.3%～100%、53.4%～100%、40.5%～100%。

绿色屋顶对于雨水径流的削减主要依靠基质的孔隙，其多孔的结构能够允许较高的持水量。基质材料的密度、孔隙率、水导率、营养和持水能力对径流削减和植物生长关系密切，基质中的田园土主要为植物提供营养，土和锯末的持水能力提供植物生长持续的水分。蛭石和珍珠岩提供支撑孔隙，透水保温。为了减少地表径流并防止屋顶雨水泛滥，基质应具有适当的透水性以促进渗透［11］。研究结果表明仅增加基质材料的深度并不能显著提高绿色屋顶的保水能力，即当基质材料深度从15 cm增加到25 cm时，径流削减率增长为2%～25%；当基质材料深度继续从25 cm增加到35 cm时，径流削减率仅增长5%～8%。因此，建议采用25 cm厚的种植基质。

2.3 不同绿色屋顶保温隔热能力对比

2019年8月2日至8日连续测量裸露的自然屋面上表面、绿色屋顶的屋面上表面温度见表4所列。

表4 绿色屋顶及自然屋顶下午1时屋面上表面温度（℃）

从表4可以看出，各绿色屋顶相比于自然屋面对于屋顶的热负荷具有明显的降低作用，基质厚度35 cm、25 cm的绿色屋顶的隔热性能相近，在下午1时温度基本维持在32℃～35℃，对屋顶热负荷的降低比率为43%～13%；基质厚度15 cm的绿色屋顶隔热性能较优于基质厚度35 cm、25 cm的绿色屋顶，温度基本维持在31℃～33℃左右，对屋顶热负荷的降低比率为45%～19%。

理论上，种植基质的厚度越大，保温隔热效果越好，而表4数据显示基质厚度越小，屋面上表面温度越低。这是因为在夏季高温条件下，由于不通风导致室内温度高于当地气温，室内的热量通过混凝土屋面向其上方的绿色屋顶系统传递，较深的基质材料阻碍了屋面板向上散热使热量积蓄在基质下，因而使屋面温度较高，这恰恰说明了在冬季基质层具有的保温效果。如果夏季室内是具有空调的凉爽环境，较厚的基质层能更好地隔离外热向室内传递。

3 结论

采用体积比为田园土:蛭石:珍珠岩:锯末=4:3:2:1的绿色屋顶基质种植植物，培育绿色屋顶雨水削减系统，通过人工模拟降雨产流实验，探讨了不同基质厚度绿色屋顶对降雨径流削减和隔热保温的影响，主要结论如下：

（1）重现期1～3年、降雨历时30～120 min的芝加哥设计暴雨雨型条件下，基质厚度15～35 cm的绿色屋顶对径流总量削减率为48.3%～100%，径流系数0～0.44；对降雨径流峰值的削减率40.5%～100%。建议采用25 cm厚基质。

（2）佛甲草适合作为长江下游地区绿色屋顶植物。

（3）绿色屋顶夏季能降低屋面温度5℃～25℃，具有显著的建筑节能效果。