屋顶花园雨水就地消纳与循环利用研究
摘要：屋顶花园是海绵城市源头削减的重要组成部分，研究屋顶花园的就地雨水处理方式与雨水循环利用对于缓解城市雨洪压力、降低屋顶绿化运营成本具有重要意义。以实际项目为依托，提出以“屋顶花园雨水循环利用系统”来实现屋顶雨水的“零”外排与再利用，在此框架下创造性地提出了架空屋面、暗层蓄水池、水循环利用等具体设计策略，并对屋面种植基质层、植被层、蓄水池、排序水层等进行了雨水定量分析和收支核算，以验证就地消纳屋顶花园的技术可行性。
关键词：风景园林；雨水管理；屋顶花园；雨水定量分析；雨水循环利用
文章编号：1000-6664(2018)01-0079-06
中图分类号：TU 986
文献标志码：A
收稿日期：2017-02-22
修回日期：2017-11-15
基金项目：国家自然科学基金“基于森林城市构建的北京市生态绿地格局演变机制及预测预警研究”(编号31670704)和北京市共建项目专项共同资助
Abstract: The green roof is an important part of source reduction of sponge city, and the research way on the water treatment and water recycling of green roof to reduce the pressure on urban rain flood and reduce operating cost of roof greening is of great significance. This study, based on a project, creatively put forward "rainwater recycling system of green roof" to achieve "zero" discharge and recycle of roof rainwater, and put forward some specific design strategies, such as overhead roof, dark layer reservoir, water recycle and soon. This paper has carried out the quantitative analysis of rainwater and the balance of payments accounting on the roof planting substrate layer, vegetation, water reservoir, sorting, water and so on, to verify the technical feasibility of the "zero discharge" roof garden.
Key words: landscape architecture; rainwater management; green roof; quantitative analysis of rainwater; rainwater recycling
城市作为一个人为主导的生态系统，其控制区域内的水过程与水系统必然受到人工的干预，干预的程度越大就越容易引发各种生态水问题，城市雨洪灾害就是其中备受关注的一类重大问题。近年来国外学者针对城市雨洪管理做出了诸多的理论研究与实践创新，例如最佳管理措施BMPs、低影响开发LID、水敏感城市设计WSUD等都为解决城市雨洪进行了有益的探索。在国内，继习总书记讲话及住房和城乡建设部出台相关技术指南之后也掀起了建设海绵城市的热潮，它主要通过“源头削减、中途转输、末端调蓄等多种手段”[1]来实现城市良性的水文循环。而不透水屋面作为海绵城市源头削减的重要组成部分，占城市不透水下垫面总面积的40%~50%[2]，因此研究屋顶绿化就地雨水处理方式对于缓解城市雨洪压力、实现低影响开发具有重要意义。
1 研究背景1.1 屋顶绿化雨水管理的研究现状
屋顶绿化雨水管理主要体现在对雨水径流的削减和对雨水水质的净化两方面。对雨水径流的削减，主要依赖于屋顶绿化对雨水的贮存和滞留，以达到削减径流峰值流量和总流量，延缓径流产生时间和推迟峰值时间的目的[3]；雨水水质净化则主要利用屋顶植被层、混合基质和土壤填料、土壤基质中的微生物等来实现对雨水污染的截留、吸收、吸附与分解[4]。本次仅针对雨水径流削减方面进行研究。
有学者将影响屋顶绿化雨水径流的因素总结为屋顶绿化属性因素(基质厚度、植物种类、屋顶形状等)和气象因素(季节、前期干旱程度、降雨特点等)[5]，其中气象因素不为人所控制，所以只能通过改变绿化属性因素来进行屋顶雨水管理。绿化属性中参与屋面雨水管理的主要结构层是植被层、种植基质层以及排蓄水层[6]，也有不少学者对屋顶绿化对径流削减及洪峰延迟做了大量的实地测量[5，7-8]，得出不论是简单式屋顶绿化还是花园式屋顶绿化都能够较好地滞留雨水、削减屋面径流，但由于实验屋顶参数以及各地环境背景的不同，导致研究结果差异巨大，难以作为量化标准指导实际案例的实施。而现有屋顶绿化大多存在绿化内容单一、养护成本高、雨水滞留能力有限、屋面径流大且大量外排、旱季灌溉压力大等问题。以上问题暴露出当前屋顶绿化雨洪管理与雨水再利用相关理论及技术研究的缺失。
1.2 屋顶花园雨水就地消纳设想
传统的屋顶花园主要通过屋面种植基质(厚度有限)和绿化植物对雨水进行滞留，这样能在一定程度上实现被动的雨水管理与源头消减，但远不能解决强降雨条件下的屋面径流问题，甚至无法消除弱降雨条件下的屋面径流。如果在设计中能够引入其他辅助设施(如蓄水池、下凹绿地、水景等)来增加雨水的滞留、收集、存储与利用环节，那么能否让雨水在降雨时完全滞蓄在屋顶花园中，在降雨后通过灌溉、水景等方式对雨水资源进行循环利用，以实现屋顶雨水完全就地处理的效果？(由于初期雨水的污染物含量高，回收利用的处理成本高、难度大[9] ，这里的就地消纳指的是初期雨水弃流后有利用价值雨水的全消纳。)如果该设想能够实现，并推广到城市建设中，将极大地降低城市内涝的风险、节约城市水资源、改善城市人居环境。
1.3 基于雨水管理的屋顶绿化项目
为了进一步研究以上构想的可行性，笔者和中国运载火箭技术研究院合作进行了一个项目实践研究，以探讨屋顶绿化设计中具体的雨水管理方式。项目位于北京市丰台区航天一院某办公楼东西两翼屋顶(西侧和东侧)，两区长宽分别均为33、14.4m，总面积约950.4m2，屋顶设计活荷载为200kg/m2，允许屋顶静荷载为350kg/m2，超过北京市屋顶绿化规范关于花园式屋顶绿化300kN/m2的荷载要求。上层屋面雨水经落水管直接排入地面，故汇水区域为本屋顶接收雨淋的面积。
图1 屋顶花园雨水循环收集利用系统2 研究方法2.1 研究思路与技术路线
要实现屋顶花园就地消纳，必须在屋顶内部形成一个完整的水循环系统，使水在屋顶花园中自我吸收，并最终回补到大气循环中。可行的方式是增加水循环的过程环节(如沉淀池、蓄水池、雨水传输、动水景观等)，同时延长蒸发时间、加大蒸发强度(植物灌溉)，以扩大蒸发量来减小或者消除径流量(图1)。其中多个不同类型的蓄水池对整个循环系统起到了缓冲、延迟与调蓄控制的作用，是整个“雨水循环收集利用系统”的核心所在。
为了使本系统合理高效地运行，必须从设计创新和雨水计算两方面同时入手，用计算数据去引导、检验雨水循环过程及各部分面积与规模配比的合理性与可操作性。这里涉及2个方面的数据计算，一是屋顶的总降雨量，二是屋顶的总消耗量。后者包括初期弃流量，蓄水池所蓄积雨水总量，种植基质和绿化植物所滞留的雨水量和蒸发、渗透、排蓄水板等其他方面所消耗的雨水量，即整个绿化屋顶的雨水支出总额。最后进行雨水收支核算，如果总消耗量小于总降雨量则需对该系统组成(主要为屋面地表组成)进行重新配比，如大于总降雨量则表明最终实现了就地消纳的雨水管理目标。2.2 相关计算方法2.2.1 屋顶总降雨量计算
本屋顶花园以10年一遇最大降雨量为设计目标，根据《城市雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》中暴雨强度的计算方法，项目位于北京市第Ⅱ暴雨分区，按照相应暴雨强度计算公式得出10年一遇降雨强度为180.3L/ (s·hm2)，换算单位后为65mm/hr[10]。由此可得出该屋顶的降雨总量：
Q=qs/1000 (1)
式中：Q——设计降雨总量(m3)；q——设计暴雨强度(mm/hr)；s——屋顶汇流面积(m2)。
2.2.2 种植基质层滞蓄水能力的计算方法
根据前人研究，土壤基质的类型与厚度是影响屋顶雨水径流的主要因素之一[11]，而且其理化性质还是影响绿色屋顶径流水质的关键；基质厚度的增加能够延迟屋顶绿化的径流开始时间、延长径流结束时间，减小径流峰值流量，增加径流截留量，增强抗暴雨冲击的能力[6]。根据相应基质的具体参数可推算出单位面积屋顶的最大基质厚度和可滞蓄的最大雨水量：
3 基于雨水管理的设计研究3.1 设计方案简介
方案设计(图2)选取敦煌329窟和290窟中的唐朝中期“飞天”壁画为形态原型，以表达航天一院为实现中华“飞天”梦想所作出的巨大贡献。应业主“体现科技、生态环保”的要求，方案除满足户外休憩、交流、娱乐与宣传、教育等功能外还进行了新材料、新型仪器的展示与利用，特别是进行了专门的雨水管理与循环利用规划，设计了一系列的集雨型绿地、集雨槽、储水池、循环水景、灌溉系统等，体现航天一院在科技创新、社会责任、生态环保方面的担当与关怀。
由于两侧屋顶面积相同、处理手法相似，下文以东侧为例进行详细的分析论证。经设计后，东侧屋顶各项经济技术指标见表1。由于甲方要求雨水处理系统在屋顶花园内部完成，所以将蓄水池等附加设施设计在硬质地面下方，同时受种植、构筑物等场地限制，初级蓄水池与净水蓄水池的最大面积分别不能超过32.64与16.15m2。
3.2 雨水消纳与循环水系统设计
本屋顶的雨水消纳思路是增大雨水在土壤中的下渗量，延长雨水在屋顶的滞留时间，利用多种方式蓄积雨水。即让绿地尽量多地吸收雨水，同时利用植草沟、集雨槽等设施收集地面径流及绿地溢出的雨水，并引导其在设定的火山岩生态集雨槽中单向流动以实现对水质的初次净化，在集雨槽末端汇流到2个相对低洼的下凹绿地中，经过滤后再通过导流管汇集到屋面层下隐藏的初级蓄水池进行进一步的沉淀与净化，随后由潜水泵抽到南侧休憩亭的水景墙上，水在层层跌落的过程中实现曝氧净化，最后将跌水池中的水引流到净水蓄水池中，等到需要的时候再用潜水泵抽出以实现雨水就地消纳与循环利用。
雨水收集过程为：绿地及地面雨水→下凹绿地→集雨槽→2个集中下凹绿地→初级蓄水池→水景墙→跌水池→净水蓄水池(图3)。
水系统循环利用思路是在解决屋顶排水问题的同时利用收集的雨水来回补、灌溉绿地植被，实现雨水的循环利用，解决传统屋顶花园蒸发强度高、需水量大的问题。即通过基质干湿自动控制器的监测与控制，净水蓄水池中的水被潜水泵输送到各个绿地中的旋转式喷头，进而对绿地中的植被进行自动灌溉，同时还预留有快速取水阀以应对个别特殊需水情况。
3.3 竖向设计
增加土壤下渗速率和延长土壤下渗时间是增加雨水下渗量的2个途径。渗透率由土壤性质决定，渗透时间可以通过设置下沉式绿地和增加雨水流经距离来实现。竖向设计充分回应了这一要求：1)屋面整体采用西北高东南低的双向单坡排水方式，仅在东南角设置了一应急落水口，使径流必须沿设定的途径流走，减缓了洪峰出现的时间；2)结合前期概念设计及视觉效果将地形设计成朝向不同方向的微起伏地形，避免了雨水迅速向同一方向汇集，延长雨水的径流时间；3)坡底的下凹式设计为雨水的滞留和下渗提供了条件，绿地下凹5~20cm不等，能同时满足滞蓄雨水和植物种植的要求(最薄处土层20cm)；4)迂回的集雨槽将各个绿地的雨水组织起来，槽深5cm，槽中填满火山岩，既能减缓径流又能净化水质。
3.4 结构与构造设计
传统的屋顶花园采用在屋顶结构层上直接铺设花岗岩板材并砌筑种植池以种植植物。这种花园中种植池标高高于地面标高，人的活动被限制在混凝土砌筑的硬质夹道中，而且由于结构层与覆土荷载较重，只能种植形式单一的低矮耐旱植物，无法满足滞蓄雨水、实现生态水循环的要求(图4-1、4-2)。
本次屋顶花园创新性地使用架空的构造形式，将雨水收集、储存与灌溉系统集合在架空的空间中，实现对屋顶雨水的储存及循环利用。具体的做法见图7-3。架空的结构在这里有3个方面的作用：1)架空的结构为隐藏式蓄水池提供了设置空间，解决了屋顶雨水蓄积的问题；2)架空的结构使路面抬升，为地面雨水向绿地汇集提供了可能性；3)游人不再被限制在种植池围合成的狭小空间中，使人与景观高度融合，提升观感。
图2 方案平面图
图3 雨水收集与净化系统示意图4 雨水定量分析4.1 种植基质滞留雨水量分析
已有研究表明，土壤容重越小，土壤的滞留贮水量、吸持贮水量和饱和贮水量越大[14]，因此选择合适的基质品种与基质厚度对于实现屋顶雨水管理至关重要。我们首先将目标限定为容重较小的人工轻量无机基质，并经过多方筛选，最终锁定北京格林赛瑞斯环境设计有限责任公司提供的“IN- SOLMED超轻量无机液体基质土”，相关指标见表2。
将相关参数带入公式(2)可计算出最大基质厚度0.806m，由于在屋顶绿地的竖向设计中结合种植池、坐凳和下凹绿地采取了不同方向的斜面处理，土层最薄处20cm，最厚达80cm，平均土层厚度45.6cm。由公式(3)可计算出基质层的最大滞蓄水量为31.19m3，由公式(4)可得出绿地的径流量为4.461 6m3(径流系数0.3)，绿地下凹容积4.002 4m3，故绿地实际溢流量为0.459 2m3(公式5)，实际滞留量14.412 8m3，在基质的最大滞蓄水范围之内。
4.2 植被类型及滞留雨水量分析
在北京市《屋顶绿化规范》和《屋顶绿化用超轻量无机种植基质》关于土深及荷重要求基础上，本屋顶结合植物的季节观赏性和雨水净化等目标设计了表3中的乔灌草种类。
将植物的相关参数带入到公式(6)中可得总的植被层滞留雨量为2.4m3。这与已有研究成果相符：植物种类及覆盖状况对于减少屋面径流、增加雨水集蓄效果并不显著，它更多作用于净化雨水、控制径流污染，减小径流流速，保护土壤及减少水土流失[16]，同时还可增强蒸发与蒸腾作用，促使降水重回大气循环系统。
4.3 蓄水池与动态水景蓄积雨水量分析
蓄水池所涉及的材料及其相关参数见表4，由公式(8)可得出蓄水池的最大蓄水深度为0.23m，将硬质屋面径流系数0.9带入公式(7)中可得出蓄水池所需蓄水容积为14.756 6m3，容积除以深度可得出满足10年一遇暴雨情况下的所需蓄水池面积64.16m2，大于屋顶预设蓄水池面积之和48.49m2。如果将暴雨强度公式中的P值改为3或者5，可得出3年一遇和5年一遇的暴雨强度及其对应的蓄水池面积(表5)。从表5可看出现有蓄水池面积可满足3年一遇的情况下全部雨水无外排，如果要实现10年期暴雨就地消纳则需将蓄水池面积增加至26.25%。
4.4 其他结构层滞留雨水量分析
其他结构层的滞蓄水主要储藏在排蓄水板中，根据HDPE-20的相关参数和公式(5)可得出结构层的蓄水量为1.900 8m3。
5 总结与讨论
经过前面的设计研究及对屋面各组成部分的雨水定量分析可以得出如下结论。
1)在不考虑因雨水水质太差而排走的初期雨水弃流量的情况下，屋顶花园雨水的就地消纳和循环利用从理论上是可以实现的。
2)屋顶花园的雨水滞留功能主要由土壤基质承担(占2/3以上)，其次是种植植被层、排蓄水层和硬质铺装。从表5可看出一定厚度的简单式屋顶绿化通过设置下凹绿地即可实现5年重现期范围内的雨水无外排目标。
3)花园式屋顶绿化要实现雨水的就地消纳必须借助辅助设施(如蓄水池等)进行雨水存储，如果结构设计合理，在20%左右的硬质地面下设置蓄水池即可满足3年期暴雨降水无外排，30%左右即可实现10年期的暴雨无外排。而提高设计标准中的重现期年限，所需的辅助设施规模和造价并没有成倍数增加，这为政府部门制定相应规范提供了参考。
由于受地表粗糙度、基质下渗速率、地区间气候差异和前期干旱天数[5，17]等影响，屋顶花园的实际径流是难以准确预测和控制的，但通过以上一系列的措施相信能够基本实现屋顶花园雨水的高效收集和循环利用，形成一个自循环的雨水生态系统。
注：文中图片均由作者绘制。
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(编辑/金花)
作者简介：
孙松林
1989年生/男/四川宣汉人/北京林业大学在读博士研究生/研究方向为风景园林规划设计与理论(北京 100083)
李运远
1976年生/男/内蒙古呼伦贝尔人/北京林业大学副教授，硕士生导师/城乡生态环境北京实验室/研究方向为风景园林工程(北京 100083)
李雄
1964年生/男/山西太原人/北京林业大学副校长，教授，博士生导师/城乡生态环境北京实验室/研究方向为风景园林规划与设计/本刊编委(北京 100083)