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    屋顶绿化植物配置研究——基于海绵城市技术背景

    时间：2023-01-21 18:00:37来源：百花范文网本文已影响人

    邓翔文，金秀峰

    （1.枣庄学院，山东 枣庄 277160；
    2.启明大学，韩国 大邱 42601）

    中国水资源匮乏，同时面临着水污染、洪水和水生栖息地丧失等多种水问题[1]。中国拥有世界约20%的人口，但仅占世界淡水储量的5%～7%[2]。另一方面，中国遭受严重的洪水和内涝，特别是在城市地区。据调查，中国654个城市中有641个城市经常被淹[3]，每年至少有130个城市被淹[4]。中国过度使用化肥，以及来自牲畜、家庭和工业来源的氮排放量增加，导致广泛的水污染和对淡水质量的威胁[5]。根据研究，1990年至2010年间，中国因城市扩张损失了2 883 km2的湿地。大部分湿地损失是由于城市建成区的扩张，而不是工业或交通用地的使用。这些水问题不仅限于一个地区或一个部门，而是相互关联和相互依存的，具有不同的管理影响，需要采用系统和全面的方法以整体方式解决这些问题。

    例如，缺水意味着节约水资源、珍惜雨水及充分利用新鲜雨水的管理需要。这应该是中国所有涉水项目的基本战略。防洪与复原力和可持续性相结合，促进了城市安全规划战略的实施，以选择和开发新的城市化区域，避免和预防洪水，同时恢复或维护天然水/生态系统和绿地[6]。因此，为了鼓励实施这种系统性方法，中国将海绵城市概念或绿色基础设施作为与水并存的城市化和发展的主要战略。“海绵”一词是指地球景观所承载的生态基础设施。每一寸土地都具有一定的雨水蓄水、涵养水源和净化雨水污染等功能，整个陆地生命系统都具有自身复杂而丰富的生态系统服务能力。生态基础设施——“海绵系统”——由对生态系统服务保护起决定性作用的各种要素和空间联系组成。在国际上，澳大利亚对水敏感的城市设计已经从早期与雨水管理的联系发展为更广泛的可持续城市水资源管理框架。其提供了一种通用和统一的方法来整合城市建筑形式（包括城市景观）和城市水循环之间的相互作用。韩国的分散式雨水管理系统可以补充现有集中式系统的安全性。在哥本哈根和鹿特丹等城市实施的水敏感设计，例如水广场或挡水路面，有助于了解建筑特征、美学、便利设施、建筑环境、开放空间和街景如何在复杂的城市环境中传播[7]。

    1.1 海绵城市

    “海绵城市”是一种以自然为海绵的城市建设方法和理念。海绵城市概念旨在拥抱和加强低影响开发，以提高对城市高峰径流的有效控制，提供临时储存、回收和雨水净化，并提高雨水管理的有效性。利用更多的抗洪基础设施（如地下蓄水池和隧道的建设）升级传统排水系统，并通过低影响开发提高现行排水保护标准，以抵消高峰流量，减少过量降雨。其还旨在整合天然水体（如湿地和湖泊）并鼓励在排水设计中实现多功能目标（如增强生态系统服务），同时还提供额外的人工水体和绿色空间，以提高人们的舒适度和享受度环境[8]。

    在《城市景观之路：与市长们交流》一书中，作者将“海绵”的概念定义为调节自然生态水系统的湿地、河流等自然生态水系统面对城市旱涝灾害。之后，有学者在首钢工业区改造过程中提出了“生态海绵城市”的概念，这是结合理论研究提出的全新概念。“海绵城市”的概念最早是在2012年的低碳城市与区域发展科技论坛上提出的，至今仍然存在。随着海绵城市假说的实施，全国各地掀起了一股建设热潮。各种理论、技术导则、试点应用和专项规划等都随着时间的推移而一一出台。作为中国高效雨水管理的典范，海绵城市也成为了一个受欢迎的旅游目的地。

    1.2 低影响开发

    这个词的第一个也是最有影响力的用法很可能是在1990年代初期在美国马里兰州乔治王子县。低影响开发不被视为现场设计、集水区方法或主要的雨水管理方法。大型管端保持系统通常在不使用低影响开发的情况下交付。另一方面，低影响开发的特点是位于径流源处或附近的小型雨水处理设备，例如生物滞留系统、绿色屋顶和沼泽。1998年低影响开发中心成立时，到20世纪90年代中期低影响开发已经得到广泛应用和成熟。到20世纪90年代末，由于设计界的影响，低影响开发的解释已经偏离了其原始含义，以涵盖任何雨水处理实践（即通常为1 hm2以下的小流域）。从2005年到2010年，美国研究人员试图将低影响开发重新引入其最初的目的。

    1.3 可持续城市排水系统

    英国在1960年开始关注排水系统与环境之间的矛盾，发展可持续排水系统，重点是通过源头控制和自然处理措施保护自然水环境，并恢复生态系统以保护水源循环。除英国外，包括斯堪的纳维亚半岛在内的欧洲都非常热衷于实施可持续城市排水系统。Åstebøl等在1990年发现，苏格兰采用雨水管理的速度比英格兰和威尔士更快，部分原因是苏格兰环境保护署大力推动在其新开发的项目中实施BMP立法。D"Arcy于1998年首次提出可持续排水三角形的概念，包括数量、质量、栖息地和便利性。2000年，“可持续城市排水系统”这一术语在一套主要的指导文件中正式确定。2009年，英国政府颁布了相关法律法规，包括洪水灾害风险条例。在实践中，在英国，可持续城市排水系统指的是各种雨水/地表水排放技术，这些技术可以说比传统解决方案更具可持续性。其主要概念是基于尽可能复制场地性质并开发排水系统的理念，这与前面描述的低影响开发的基本原则是一致的。可持续城市排水系统通常被配置为雨水实践和技术的集合，当其结合起来时，可以形成一个管理系统[9]。

    1.4 屋顶绿化

    为了改善由这种城市环境问题引起的异常的城市生态系统和城市小气候，迫切需要逐步确保，即使是很小的一片绿地。但是，由于现有建筑物和市区的密集空间结构及市中心的高地价，要获得与城市公园相同数量的绿色空间并不容易。在这种背景下，屋顶绿化是改善城市环境，扩大绿地，控制城市气候，减轻城市热岛和节约能源的替代方法。

    屋顶绿化（图1）也称为种植屋顶等，根据种植基质的深度、景观和花园的复杂程度分为3种类型[10]。简易型集约型屋顶绿化基层深度一般不超过150 mm，而绿化屋顶花园植树基层深度可达600 mm以上，屋顶绿化设计可参照植树屋顶工程学科。

    图1 屋顶绿化

    屋顶绿化是土地资源有限的城市建筑的海绵措施。其可以安装在建筑物的屋顶上，可分为密集型、半开放式或开放式[11]。植被层、基质层、过滤层、蓄水层和排水层构成绿色屋顶结构。对于植物选择，通常使用灌木类型、耐高温和耐旱的原生植物。由于建筑物屋顶的土壤深度有限，可以选择具有高抗风性和短根系的适应性植物。多项研究表明，黄柏最常被用作绿色屋顶设计，因为其建在建筑物的屋顶上，通常会给建筑物的居民提供100～200元/m2的政府补贴。屋顶绿化减少了降雨引起的地表径流，减少了约70%，峰值延迟了20 min。降雨强度也会影响绿色屋顶的性能，以及绿色基础设施的使用寿命。先前的研究还表明，绿色屋顶具有良好的悬浮物（SS）去除效果，适用于水中悬浮颗粒含量较高的区域[12]。

    绿色屋顶因其种植空间的特殊性，应首先考虑建筑物的承重能力，避免因屋顶绿化建设造成建筑物的损毁。在满足荷载要求的前提下，利用建筑物原有结构，增加种植土壤厚度或采用轻质种植土（土壤和人工轻质骨料如蛭石、珍珠岩、沸石、煤渣和泥炭等组合），通过优化植物布局形式、丰富植物种类和采取智能灌溉系统等方法营造更好的景观效果。

    由于我国国土面积广阔，南北气候条件存在巨大差异，实施立体绿化时应选择适合当地气候条件的本土植物，如需引进外来品种，则需在苗木基地进行试栽，证明其适应当地气候条件后，方可大规模使用。例如，三角梅等适合在南方生长的立体绿化植物不能在黄河以北地区露天越冬。

    2.1 广州城市屋顶花园

    此屋顶花园在景观营造、雨水收集利用、生态节能及绿色低碳等方面堪称典范。利用有限的立面空间，增加绿量，优化人居环境，改善城市热岛效应，吸尘降噪，改善空气质量，同时节能降耗，使室内冬暖夏凉。目前生态植物墙有多种做法，大致分为牵引式、板槽式、铺贴式、生态袋模式和布袋式等。该项目根据场地特点分别选用了不同的模式（图2）。利用管道收集屋顶雨水，收集的雨水被用作观赏园及蔬菜园的灌溉用水、生态墙景观用水等。屋顶收集的雨水，从生态墙上缓缓滴下，滋养着生态墙上的植物。从墙上滴落的水，被收集在墙体基部的水槽中。

    图2 屋顶花园实景

    2.2 加州科学院的山丘形绿色屋顶

    意大利建筑师Renzo Piano将“在建筑上提升花园”定为该项目的设计理念，通过精心地设计和细致地布局，根据冷空气下沉、热空气上升的原理，经过测算和分析，可形成大楼内空气的自然流通，并起到绝缘作用，减少了对空调的过度依赖（图3）。屋顶种植了170万株当地的绿色植物，每年可以吸取757万L的雨水，省却了人工灌溉之劳和产生的费用，多余的雨水还可用来冲洗厕所，达到了二次利用的目标[13]。

    图3 加州科学院的山丘形绿色屋顶

    2.3 发展趋势

    根据文献结果表明：采用绿色屋顶存在2个障碍[14]。一是缺乏法律依据，二是成本高昂。基于对中国屋顶绿化研究的分析可以看出，目前在不同终端用户中推广屋顶绿化的理念是未来推广屋顶绿化需要解决的问题。此外，中国城市大量多业主商品房（如公寓和住宅小区）的复杂产权/所有权也阻碍了绿色屋顶的推广。立法保障对于有效、有条不紊地推进屋顶绿化建设至关重要。绿色屋顶的成本包括一次性成本，例如安装、维护和灌溉成本。但是，此类项目的回报/回报包括一次性和长期收益。一次性收益包括节省雨水管理设备安装成本或降低雨水收费。长期利益包括增加预期寿命，即居民的福祉、财产价值和为维护绿色屋顶创造的就业机会，更不用说其能源效率和环境效益了。这种成本收益分析的主要问题是高成本通常出现在收益之前，收益难以量化。基于这种情况，未来对屋顶绿化的研究应侧重于法律规定的制定，涉及市级利益相关者和最终用户的资金保障。

    目前，大规模部署绿色屋顶主要集中在北美和英国，日本在这2个类别中都落后。当建筑面积大于等于2 000 m2时，要求屋顶有20%～60%的屋顶绿化面积；
    日本要求所有新建筑都配备绿色屋顶。美国波特兰已经要求70%的新建筑配备绿色屋顶。这些国家已经开始大规模推广这项技术，但中国城市只关注技术方面，如屋顶植物的选择和建筑物上绿色屋顶层的设计和布局。中国和英国报告了绿色屋顶在减少径流方面的类似表现。在中国兰州，密集的绿色屋顶的总径流控制效率为64.4%，而在英国曼彻斯特，绿色屋顶的总径流控制效率为65.7%[15-17]。

    海绵城市是我国城市建设发展的重要战略，而屋顶绿化是建设海绵城市的途径之一。本文通过重点关注屋顶绿化植物配置研究和实例提供了对城市规划者的建议。希望以此更好地了解海绵城市技术的适应能力，可以为海绵城市的规划、设计、开发和实施提供更多可行的选择。

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