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A review of green roof performance towards management of roof runoff.

绿色屋顶径流调控研究进展


绿色屋顶在屋顶径流调控方面发挥着重要作用,能够有效减少径流量、延缓产流时间、降低径流峰值和改善径流水质.本文从绿色屋顶的分类及界定、绿色屋顶对径流的调控机制、绿色屋顶对径流量和水质的调控作用及其影响因素等方面阐述了国内外的研究现状,并从绿色屋顶植物的选择、高效绿色屋顶构建模式筛选、绿色屋顶径流调控规律研究、绿色屋顶截流能力的价值评估、绿色屋顶径流污染物的源汇解析及缓解措施等方面提出了绿色屋顶径流调控的研究趋势,以期为城市绿色屋顶的建设提供理论和方法支持.
 

Green roof has a significant influence on reducing runoff volume, delaying runoffyielding time, reducing the peak flow and improving runoff quality. This paper addressed the related research around the world and concluded from several aspects, i.e., the definition of green roof of different types, the mechanism how green roof manages runoff quantity and quality, the ability how green roof controls roof runoff, and the influence factors of green roof toward runoff quantity and quality. Afterwards, there was a need for more future work on research of green roof toward roof runoff, i.e., vegetation selection of green roof, efficient construction model selection of green roof, the regulating characteristics of green roof on roof runoff, the value assessment of green roof on roof runoff, analysis of sourcesink function of green roof on the water pollutants of roof runoff and the research on the mitigation measures of roof runoff pollution. This paper provided a guideline to develop green roofs aiming to regulating roof runoff.


全 文 :绿色屋顶径流调控研究进展∗
陈小平  黄  佩  周志翔∗∗  高  翅
(华中农业大学园艺林学学院, 武汉 430070)
摘  要  绿色屋顶在屋顶径流调控方面发挥着重要作用,能够有效减少径流量、延缓产流时
间、降低径流峰值和改善径流水质.本文从绿色屋顶的分类及界定、绿色屋顶对径流的调控机
制、绿色屋顶对径流量和水质的调控作用及其影响因素等方面阐述了国内外的研究现状,并
从绿色屋顶植物的选择、高效绿色屋顶构建模式筛选、绿色屋顶径流调控规律研究、绿色屋顶
截流能力的价值评估、绿色屋顶径流污染物的源⁃汇解析及缓解措施等方面提出了绿色屋顶
径流调控的研究趋势,以期为城市绿色屋顶的建设提供理论和方法支持.
关键词  绿色屋顶; 屋顶径流; 调控机制; 影响因子
文章编号  1001-9332(2015)08-2581-10  中图分类号  TU985.12  文献标识码  A
A review of green roof performance towards management of roof runoff. CHEN Xiao⁃ping,
HUANG Pei, ZHOU Zhi⁃xiang, GAO Chi (College of Horticultural & Forestry Science, Huazhong
Agricultural University, Wuhan 430070, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(8): 2581-2590.
Abstract: Green roof has a significant influence on reducing runoff volume, delaying runoff⁃
yielding time, reducing the peak flow and improving runoff quality. This paper addressed the related
research around the world and concluded from several aspects, i.e., the definition of green roof of
different types, the mechanism how green roof manages runoff quantity and quality, the ability how
green roof controls roof runoff, and the influence factors of green roof toward runoff quantity and
quality. Afterwards, there was a need for more future work on research of green roof toward roof run⁃
off, i.e., vegetation selection of green roof, efficient construction model selection of green roof, the
regulating characteristics of green roof on roof runoff, the value assessment of green roof on roof run⁃
off, analysis of source⁃sink function of green roof on the water pollutants of roof runoff and the re⁃
search on the mitigation measures of roof runoff pollution. This paper provided a guideline to develop
green roofs aiming to regulating roof runoff.
Key words: green roof; roof runoff; management mechanism; influence factor.
∗国家科技支撑计划项目(2013BAJ02B01)和中央高校基本科研业
务费专项(2013PY133)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: whzhouzx@ 126.com
2014⁃10⁃08收稿,2015⁃03⁃24接受.
    随着城市化进程的加快,城市不透水下垫面
(屋面、道路、广场和停车位等)面积不断扩大,从而
导致地表径流量增加、径流速度加快[1] .城市区域的
降雨滞留能力大大减弱,给城市排水系统带来了巨
大压力,致使近几年各大城市洪灾频发,对人们的生
活产生了严重影响[2](尤其是旧城大多采用合流制
排水系统[3] ),同时也影响动植物栖息地的稳定
性[4] .屋面作为城市不透水下垫面的重要组成部分,
在降雨径流中扮演了一个很重要的角色,且在城市
中所占面积较大,如商业区屋面占城市不透水下垫
面总面积的比例高达 40%~50%[5-6];而且由于屋面
材料本身的腐蚀产物被雨水冲刷,屋顶径流中含有
大量污染物质[7-8] .绿色屋顶是城市区域中一类特殊
的土地覆盖类型,与不透水下垫面相比,绿色屋顶具
有很多生态功能,国外很多城市暴雨管理理念将
其作为一种潜在的缓解城市雨洪[9] 和控制面源
污染[10]的有效方式,如英国的 SUDS ( sustainable
urban drainage systems)、澳大利亚的 WSUD (water
sensitive urban design)和美国的 BMPs (best manage⁃
ment practices) [10] .因此,研究绿色屋顶对屋顶径流
的调控作用意义深远.
绿色屋顶不仅能够高效地消减屋顶径流,还是
控制城市屋顶径流污染的最经济有效的方式[11] .目
前,国外一些发达国家对绿色屋顶的研究较为全面,
如德国、加拿大、美国、日本、新加坡等,而国内对绿
应 用 生 态 学 报  2015年 8月  第 26卷  第 8期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2015, 26(8): 2581-2590
色屋顶的研究尚处于起步阶段.虽然国内有些大中
城市正在积极推广构建绿色屋顶,如北京、广州、
上海、天津、成都等,然而其目的往往出于景观价
值[12]、节能效应[13]等,涉及到绿色屋顶径流调控的
研究很少.了解绿色屋顶对径流的调控作用,对于科
学评价其生态效应及应用价值具有重要意义,对城
市规划者和绿色屋顶设计者具有很好的参考价值.
为此,本文在查阅国内外绿色屋顶径流调控相关文
献的基础上,综述了绿色屋顶的分类及界定、绿色屋
顶对径流的调控机制、绿色屋顶对径流量和水质的
调控作用及其影响因素等,并进一步探讨了绿色屋
顶径流调控研究的研究趋势,以期为城市绿色屋顶
的建设提供参考.
1  绿色屋顶的分类
绿色屋顶一般由排水层、过滤层、土壤基质层和
植被层构成[14] .目前,国际上通行的绿色屋顶分类
方法是依据其基质厚度将其分为拓展型绿色屋顶和
密集型绿色屋顶(表 1),但是目前学者们关于不同
类型绿色屋顶的基质厚度的界定尚无统一标准.拓
展型绿色屋顶基质层较薄,实施方便,造价低廉,养
护简单;主要利用草坪、地被、小型灌木和攀援植物.
密集型绿色屋顶基质层较深,造价较高,养护要求
高;可以支持大灌木和小乔木生长.值得注意的是,
当基质厚度为 100 ~ 200 mm 时,不同学者将其定义
为拓展型绿色屋顶或者密集型绿色屋顶.此外,绿色
屋顶对绿化面积有一定要求,如加拿大多伦多绿色
屋顶建设规定绿化面积需占屋顶面积的 20% ~
60%,而美国要求绿化面积需占 50%[15] .
2  绿色屋顶径流调控机制
2􀆰 1  绿色屋顶径流量的调控机制
大量研究表明,绿色屋顶对径流量有显著的调
表 1  不同学者对拓展型和密集型绿色屋顶基质厚度的界
定举例[14]
Table 1  Examples of substrate thickness of extensive and
intensive green roofs as described by different authors[14]
文献
Reference
拓展型绿色屋顶
Extensive green roof (mm)
密集型绿色屋顶
Intensive green roof (mm)
[1] - >300
[15] <200 >200
[16] 50~150 150~200
[17] - >500
[18] 30~140 150~350
[19] <100 >100
[20] 20~100 >100
[21] <150 >150
控作用.主要包括以下几种调控方式:1)降水可以被
基质的空隙吸纳或者被基质中的吸收剂吸纳;2)绿
色屋顶中的植物可以通过拦截、蓄积消减屋顶径流;
3)一些水分可以滞留在植物表面,并通过蒸发作用
回到大气中[22];4)通过植物蒸腾作用或者基质蒸发
作用回到大气中[23] . Koehler[24]提出了一个计算绿
色屋顶径流的公式:屋顶径流 =降水-(植物拦截的
雨水量+基质持水量+植物蒸散量+基质蒸发量).
此外,降雨初期,绿色屋顶能够延迟产流时间和
达到径流峰值所需时间以及径流峰值;降雨结束后,
还能延续产流时间,从而降低了屋顶径流速度,缓解
城市地表径流压力.
2􀆰 2  绿色屋顶径流水质的调控机制
绿色屋顶对径流污染的调控主要通过两种途
径:1)通过屋顶植被层截留、吸纳部分天然雨水,并
利用植物和人工种植土层中微生物的作用降解所积
累的污染物质;2)通过基质层土壤的过滤和渗透作
用净化天然雨水中的部分污染物质[25] .但是,有些
研究也证明绿色屋顶可能是污染物质的释放源[26],
其主要原因为基质中的污染物被雨水冲刷出来,以
及灌溉和施肥等方式导致绿色屋顶径流中污染物浓
度升高.
3  绿色屋顶对径流的调控能力
3􀆰 1  对屋顶径流量的调控
诸多研究表明,绿色屋顶能够非常有效地消减
屋顶径流,但其截流效果范围变化较大,主要受基质
厚度、坡度、降雨强度、季节、植被因素以及绿色屋顶
运行时间长短的影响.De Nardo 等[27]研究发现,绿
色屋顶的截流效果为 45%.Van Woert 等[28]研究发
现,当小雨时,3种形式的屋顶(只有基质的屋顶、碎
石层的屋顶和绿色屋顶)的截流效果分别为 99.3%、
79.9%和 96.2%;但当中雨时,绿色屋顶比碎石层屋
顶的截流效果高 48%;当大雨时,3 种形式的屋顶
的截流效果分别为 38. 9%、22. 2%和 52. 4%. Carter
等[29]在佐治亚州的试验发现,绿色屋顶的截流能力
变化范围为 39% ~ 100%,平均截流能力为 78%[30] .
Teemusk等[31]发现,当降雨强度为 21 mm 时,绿色
屋顶能够消减 87%的屋顶径流,但是当大暴雨时,
绿色屋顶的作用就非常微弱.在欧洲和美国,Gre⁃
goire等[7]发现,绿色屋顶的年均截流效果为 56%.
Jarrett 等[32]利用 28 年的降雨资料,研究发现密集
型绿色屋顶能够消减 45% ~ 55%的径流量. Stovin
等[33]研究发现,基质厚度为 80 mm 的绿色屋顶,在
2852 应  用  生  态  学  报                                      26卷
2007 年 12月至 2008年 2月间的平均截流效率仅为
6%,而在 2008年 3 月至 2008 年 5 月期间,截流效
率升高到 76%.Schroll 等[34]研究发现,雨季绿色屋
顶只能消减 26%的屋顶径流,而旱季能够消减 65%
的屋顶径流. Speak 等[21]通过研究 69 次降雨事件,
比较绿色屋顶和普通屋顶对屋顶径流的消减作用,
发现绿色屋顶的平均截流效果为 65.7%,而普通屋
顶的截流效果为 33.6%;此外,如果曼彻斯特城市
屋顶中有 10%的面积建设密集型绿色屋顶,该城
市的地表径流截流能力将提升 2.3%[18] .Vanuytrecht
等[35]研究发现,3种不同配置的屋顶(草本植物、景
天科植物、沥青屋顶)在夏天分别能够消减 76%、
64%和 10%的屋顶径流.王书敏等[36]研究发现,在
屋顶占城市区域总面积的比例为 25%、降雨持续时
间 15 min、降雨强度 14.8 mm·h-1的条件下,当区域
内屋顶全部绿化时,峰值降雨径流可降低 5.3%,城
市径流总量降低 31%.
3􀆰 2  对产流时间及径流时间的调控
绿色屋顶通过基质和植被吸收以及拦截降雨
量,可以延迟产流时间及径流峰值. Stovin 等[33]发
现,绿色屋顶可以减缓径流,降低径流峰值;在达到
峰值以前,绿色屋顶的雨水径流量比裸露屋顶小;当
降雨量非常小的时候,由于基质和植物对雨水的过
滤和阻挡作用,绿色屋顶可能不会产生径流.对于少
量的降雨或者短时间的降水事件而言,达到峰值所
需时间差异非常大,这主要取决于绿色屋顶的滞留
能力.绿色屋顶的总径流量比普通屋顶低.但是,当
发生高强度降雨时,绿色屋顶的滞留能力和延缓能
力还是有限的,而且各种类型的绿色屋顶对于径流
的响应相似[15] .普通屋顶和绿色屋顶对降雨的径流
响应如图 1所示.
    De Nardo 等[27]通过统计 2002 年 10—11 月 7
次降雨事件,发现绿色屋顶能够延迟径流峰值 2 h,
延迟产流 5.7 h;而 Simmons 等[37]发现,绿色屋顶能
够延迟径流峰值 10 min,当降雨量低于 10 mm 时,
将会被绿色屋顶吸收.Van Woert 等[28]研究发现,当
小雨时,绿色屋顶产流时间较砾石层屋顶延迟 40
min.Getter等[38]研究发现,绿色屋顶在产流结束后,
针对小雨、中雨和大雨,产流时间分别能持续 4.33、
10.75和 13.75 h.Mentens 等[18]发现,绿色屋顶的运
行时间与截流效率没有显著关系,但可能对屋顶径
流的产流时间有影响.Hilten 等[39]通过模型模拟发
现,当降雨量为 25.4、38.1、50.8 和 79.3 mm时,降雨
结束后绿色屋顶的产流时间分别能延迟11、12、13
图 1  绿色屋顶和普通屋顶的径流响应[15]
Fig.1  Comparison of rainfall runoff response for green roofs and
conventional roofs[15] .
A) 低强度降雨 Low intensity or a small amount of rainfall; B) 高强度
降雨 High intensity or big amount of rainfall. RF: 降雨量 Rainfall; RO:
径流量 Runoff. tp和 tp ′: 达到径流峰值的时间 Time when the peak
flow occured for roof runoff; Qp和 Qp ′: 径流峰值 Peak flow of runoff.
Ⅰ: 普通屋顶 Conventional roof; Ⅱ: 绿色屋顶 Green roof.
和 14 h(普通屋顶视为 0).王书敏等[26]研究发现,麦
冬屋顶可延缓降雨产流 25 ~ 48 min,接骨草屋顶可
延缓产流 60~130 min.
3􀆰 3  对屋顶径流水质的影响
提倡和推广绿色屋顶都是基于其环境效益,而
径流水质一直未得到重视[10,25] .近些年关于绿色屋
顶径流水质的研究比较多,一是关注绿色屋顶是否
是城市水污染的污染源或汇[26,40-47],但由于基质组
成的差异和缺乏相关的绿色屋顶水质标准,绿色屋
顶对径流水质的影响尚具有很多争议;二是通过研
究经绿色屋顶后的径流水质情况,探索其是否能用
于城市生活用水或者景观用水[48] .
王书敏等[26,49]研究发现,裸露屋顶和绿色屋顶
径流 pH值有差异,裸露的屋顶雨水 pH<7,而绿色
屋顶径流 pH能增加到 8.0 左右.这就意味着绿色屋
顶能够有效地缓解酸雨问题[31,41] .此外,绿色屋顶径
流中总氮(TN)、铵氮(NH4
+ ⁃N)和总磷(TP)浓度较
对照屋顶低,且季节差异明显(夏季污染物浓度较
低,春季污染物浓度较高).Berndtsson 等[40]在瑞典
马尔默和隆德的研究表明,绿色屋顶可以有效降低
NH3
- ⁃N 和 TP 浓度,但同时是硝酸盐(NO3
-)、TN和
磷酸盐(PO4 3
-)的释放源,运行时间短的绿色屋顶
38528期                                  陈小平等: 绿色屋顶径流调控研究进展           
更容易成为 TN 的释放源.Emilsson[50]研究了植物配
置和基质组成对绿色屋顶径流水质的影响,结果发
现基质的营养物质初始含量对径流水质有影响,且
不同植物配置下绿色屋顶的径流水质也有区别.
Berndtsson等[41]研究发现,日本福冈和瑞典两地的
绿色屋顶均为污染物质的释放源,尤其是溶解性营
养盐的释放.王书敏等[26]研究发现,麦冬屋顶和接
骨草屋顶都可显著地去除屋顶径流中亚硝酸盐
(NO2
- ⁃N)、NH4
+ ⁃N、 TP、化学需氧量 ( COD)、 TN、
NO3
-的负荷.Carpenter等[51]报告说明当降雨强度减
小时,悬浮颗粒浓度(TSS)会降低.缓慢的降雨速度
能够使绿色屋顶有效地净化污染物,还能防止污染
物的再悬浮或者转移.一旦强降雨发生时,绿色屋顶
蓄水能力和延缓径流能力会下降,污染物的浓度令
人担忧[7] .王书敏等[36]研究发现,在屋顶占城市区
域总面积的比例为 25%、降雨持续时间 15 min、降雨
强度 14.8 mm·h-1的条件下,TSS、TP、TN 的污染负
荷分别降低 40.0%、31. 6%、29. 8%,峰值浓度分别
降低21. 0%、16. 0%、 - 12. 2%,平均浓度分别降低
13􀆰 1%、0.9%、-1.7%.Harper等[52]研究发现,基质类
型及运行时间是影响水质的重要因素,9 个月后屋
顶径流中 TN、TP 的含量分别从>60 mg·L-1和>30
mg·L-1下降到了 10和 5 mg·L-1左右.段丙政等[45]
发现,绿色屋顶对 TSS、COD、可溶性总磷( TDP)、
TP、NH4
- ⁃N具有较好的去除效果.Gnecco 等[42]研究
发现,绿色屋顶产流中颗粒物浓度和金属离子浓度
低于普通屋顶.但是,部分研究也证明,对于有些水
质参数而言,经过绿色屋顶的雨水比裸露屋顶的雨
水差很多[31,47,53-57],因为雨水冲刷了沉淀物以及施
肥等导致基质中污染物浓度升高.Speak 等[47]发现,
绿色屋顶能够去除径流中 NO3
-含量,但是 Cu、Pb、
Zn、Fe 的浓度较普通屋顶径流高. Vijayaraghavan
等[55]通过研究屋顶径流中 23 种离子浓度,发现降
雨的初期,大部分离子浓度都非常高,后来逐渐降
低[56] .但是,这些离子的浓度主要取决于基质的组
成及降雨量,并认为绿色屋顶能够非常有效地净化
屋顶径流水质,除了降雨中含有大量的 NO3
-和
PO4 3
- .Moran等[57]认为,绿色屋顶能够很好地调控
屋顶径流,但是研究发现绿色屋顶产流中的 N 浓度
高于降雨及其他屋顶类型.
Zhang 等[48]比较 4种屋面(混凝土、沥青、陶瓷
及绿色屋顶)径流水质的差异,探索哪种更加适合
用于生活用水,研究发现陶瓷屋顶径流可以滤取的
污染物的浓度最低,而经过绿色屋顶的雨水不适合
用于生活饮用;同时也发现,夏季和秋季屋顶径流中
污染物浓度较小,而春季和冬季污染物浓度较高.此
研究表明,屋顶径流的水质与屋面材料有很大关系.
4  绿色屋顶对屋顶径流调控的影响因素
4􀆰 1  基质厚度
绿色屋顶截流能力最大的影响因素是基质厚
度[58] .Mentens等[18]通过分析已发表的多种类型绿
色屋顶的截流效果,发现基质厚度与绿色屋顶年均
截流量有密切关系;并发现密集型绿色屋顶的平均
径流系数为 0.25(即截流效果为 75%),拓展型绿色
屋顶的平均径流系数为 0.5,其中密集型绿色屋顶的
基质厚度为 210 mm,拓展型绿色屋顶为 100 mm.
Stovin[59]研究发现,在 2007 年 1 月至 2009 年 5 月,
基质厚度 80 mm的绿色屋顶的平均径流系数为 0.5.
Metselaar[60]发现,绿色屋顶的截流能力随着基质厚
度的增加,从 55%至 75%呈渐进式增长. Nardini
等[61]发现,没有栽植植物的基质,120 mm厚的基质
能减少 63%的径流,而 200 mm 厚的基质能减少
83%的径流.但是,Van Woert 等[28]通过绿色屋顶仿
真系统测定其截流能力,发现当基质深度从 250 mm
增加到 400 mm 时,截流能力没有显著差异(增量
<3%);Graceson 等[62]研究结果显示,当基质深度从
75 mm增加到 150 mm 时,绿色屋顶的截流能力只
增加了 20%.
4􀆰 2  基质组成
基质的组成也会对绿色屋顶的截流能力和径流
水质产生影响[63] .小粒径颗粒物的含量越高,有机
颗粒物的含量越高,截流能力越好.不同粒径颗粒物
组成的基质,其蓄水能力具有显著差异.用细瓦片构
成的基质的蓄水能力是粗瓦片构成的基质的两倍;
并且无论是粗颗粒物还是细颗粒物的碎砖屑基质,
都比碎瓦基质的蓄水能力和截流能力强[62] .当基质
中粒径<1 mm的颗粒物的比例增加时,绿色屋顶的
蓄水能力和截流能力增强.Abad 等[64]发现,棕土基
质的物理性质主要取决于粒径在 0.125 ~ 1 mm 的颗
粒物,粒径<1 mm 的颗粒物对基质的物理性质影
响非常大[65] .细颗粒物含量为 20%的基质的持水
能力比等含量粗颗粒物的基质持水能力强,而绿
色屋顶的截流能力和持水能力呈显著相关 (R2 =
0􀆰 86) [62-63];此外,有机颗粒物的含量也对基质的持
水能力有显著影响[21,38,66] . Van Woert 等[28]研究发
现,绿色屋顶的截流能力最强,其次是只有基质层的
屋顶,最差的是碎石基质屋顶;基质层的截流能力和
4852 应  用  生  态  学  报                                      26卷
绿色屋顶的截流能力没有显著差异,说明截流的主
要影响因子是基质的物理性质和保水性织物[67] .唐
莉华等[68]通过模拟降雨发现,壤土基质的绿色屋顶
较粉黏土、砂土的截流效果更好.Beck 等[69]研究发
现,当向基质中加入 7%的生物炭时,绿色屋顶的截
流能力增加;Cao 等[70]发现,当向基质中添加 40%
的生物炭时,基质的持水能力显著增加.此外,TN、
TP、NO3
-、PO4 3
-和有机碳的含量显著降低[69] .加入
生物炭的基质相对于没有添加生物炭的基质,可以
减少 64%~ 72%的有机碳、79% ~ 97%的 NO3
-、87%
的 TN和 20 ~ 52%的 TP.即使当基质达到饱和时,
加入生物炭的基质的截流能力也可增加 4􀆰 4%[69] .
Farrell等[71]研究发现,保水剂(硅酸盐、水凝胶)可
以用来提升基质的保水能力,并且不同的保水剂对
基质的影响效果有差异.
4􀆰 3  基质含水量
基质含水量也会对绿色屋顶的截流能力有影
响.De Nardo等[27]试验测定绿色屋顶的土壤持水量
为 33.6%,而该绿色屋顶的截流能力为 34%.基质具
有一定的蓄水能力,当达到饱和时,截流效果就会下
降[38] .Schroll等[34]研究发现,雨季绿色屋顶的截流
效果仅为 26%,而旱季截流效果则能达到 65%.
Graceson 等[62]发现,冬季基质的蓄水能力基本饱
和,即使很小的降雨,也会产生屋顶径流;相比之下,
春季和夏季,截流效率都超过 50%,甚至 5和 6月的
截留效率会接近 100%.此外,降雨前,基质的湿润程
度对绿色屋顶的截流能力也有很大影响[72-73] .Getter
等[38]发现,当降雨前基质比较干燥时,2%坡度的绿
色屋顶截流效率为 64%,而当降雨前基质相对湿润
时,其截流效率仅为 45%.
4􀆰 4  坡度
关于坡度对绿色屋顶截流能力的影响,尚未有
一个统一的结论.有研究表明,坡度对于绿色屋顶的
截流能力影响非常大,坡度越小,截流能力越强[38],
如当降雨强度为 24 mm·h-1时,3%、14%和 25%坡
度的绿色屋顶的截流能力分别为 62%、43%和 39%;
当降雨强度为 48 mm·h-1时,3%、14%和 25%坡
度的绿色屋顶的截流能力分别为 54%、 30%和
21%[72] .Getter 等[38]通过研究 4 种坡度(2%、7%、
15%和 25%)的绿色屋顶在 3 种降雨条件(小雨、中
雨和大雨)下的截流效果,发现随着坡度的增大,绿
色屋顶的截流能力降低[28,72];坡度为 25%的绿色屋
顶截流能力最小(76.4%),坡度为 2%的绿色屋顶的
截流能力最大(85.6%).Van Woert等[28]研究了坡度
和基质厚度(2%和 25 mm、2%和 40 mm、6.5%和 40
mm、6.5%和 60 mm)对绿色屋顶截流能力的影响,
发现 2%和 40 mm 型的绿色屋顶截流效果最好
(87%),而 6.5%和 60 mm 型的绿色屋顶截流效果
最差(65. 9%).然而,Bengtsson[1]和 Villarreal 等[72]
通过研究坡度和坡长对径流峰值的影响,发现坡度
和坡长的变化对于径流没有显著影响.
4􀆰 5  植被
虽然很多研究证明,基质的厚度和类型对绿色
屋顶的截流效果有重要影响,而不是植被类型和植
被覆盖度[28,74];但是也有研究表明,植物对绿色屋
顶的截流效果有很大影响,特别是在高温多雨的季
节[23,35,75-76] .Clark[77-78]研究发现,高大植物的外表
面较大,使其拦截降雨的能力比低矮的植物或者草
坪强.此外,植物的根系结构也会影响基质的持水能
力. MacIvor等[76]研究发现,具有密集纤维根系的植
物的土壤持水能力较弱,主要是因为植物的根系减
少了土壤孔隙和持水空间.植物的蒸腾作用越强,其
截流能力就越强[74] .植物蒸散作用消耗的水分越
多,给土壤腾出的空间就越多,对后期的降雨截流效
果就更好[76] .在降雨充沛的情况下,C4 植物(多为草
本)较 C3 植物和景天科植物(多为肉类)的蒸腾作
用强[79],因此更适合作为绿色屋顶的植物选择;而
在缺水干旱又不能及时灌溉的情况下,则应选择 C3
和景天科植物.Vanuytrecht 等[35]在比利时的研究发
现,配置草本植物的绿色屋顶截流能力比景天科植
物的绿色屋顶高,因为草本植物能够消耗和蒸散更
多的水[80] .Nagase等[23]通过实验研究了植被类型和
植物多样性对绿色屋顶截流能力的影响,发现不同
种类植物之间的差异非常显著,草坪的截流能力最
强,其次是禾本科植物,景天科植物最差[76] .树越
高、冠幅越大,投影面积越大,根系生物量越大,截流
效果越好.但是植物丰富度对绿色屋顶的截流效果
没有显著影响(虽然植物丰富度对截流量没有显著
影响,但是 12种植物组合的绿色屋顶比单种植物或
者 4 种植物组合的绿色屋顶截流能力更强).Lund⁃
holm等[75]通过研究单种植物、3种植物组合、5种植
物组合对绿色屋顶截流能力的影响,结果发现,组合
的植物比单种植物的基质的持水能力和蒸散作用更
好[23] .Van Woert 等[28]研究发现,植物对绿色屋顶的
截流能力影响不太明显,但是植物可保护基质免受
风和水的侵蚀,且其蒸腾作用可消耗水分[74] .
4􀆰 6  降雨强度
降雨强度是影响绿色屋顶截流效果的一个重要
58528期                                  陈小平等: 绿色屋顶径流调控研究进展           
原因.随着降雨强度的增大,绿色屋顶的截流效果呈
减弱趋势[68] .绿色屋顶的截流效果取决于降雨强
度[31,57],Carter等[29]发现,当降雨强度从 13 mm 增
加到 54 mm时,密集型绿色屋顶的截留效率从 90%
降到了 39%.Teemusk 等[31]发现,当降雨强度为 21
mm时,绿色屋顶能够消减 87%的屋顶径流,但是遭
遇大暴雨时,绿色屋顶的作用就非常微弱[37] .Hilten
等[39]通过模型模拟发现,降雨量为 12.7 mm 时,基
质厚度为 100 mm的绿色屋顶的截流效率为 100%,
然而当降雨量为 25.4、38.1、50.8 和 79.3 mm 时,消
减效率分别为 65.6%、44.0%、33.3%和 21.6%.Van
Woert 等[28]在研究单次降雨绿色屋顶对径流的缓解
作用时,发现当降雨量<2 mm 时,基质厚度为 200
mm的绿色屋顶能够消减 96%的屋顶径流,而当降
雨量>6 mm 时,则只能消减 52%的屋顶径流.Getter
等[38]发现,绿色屋顶对小雨的截流效率最高
(94􀆰 2%),对大雨的截流效率最低 ( 63. 3%). Lee
等[81]通过定量研究发现,当降雨强度小于 20
mm·h-1时,拓展型绿色屋顶具有很强的消减屋顶
径流的能力.
4􀆰 7  季节及气候
由于不同季节降雨的强度及间隔、蒸散速率变
化,绿色屋顶的截流能力也随着变化[28,34,59] .不同研
究间绿色屋顶截流效率差异较大,其中一个主要原
因就是地区及气候差异. Schroll 等[34]研究发现,雨
季绿色屋顶的截流效率仅为 26%,而旱季则能够消
减 65%的屋顶径流.冬季即使很小的降雨,也会产生
屋顶径流;相比较冬季,春季和夏季的截流效率都超
过 50%,甚至在 5 和 6 月会接近 100%[61] .Stovin[59]
研究发现,2007年 12月至 2008年 2月,绿色屋顶的
平均截流效率仅为 6%,而在 2008 年 3—5 月,截流
效率升高到 76%.Mentens等[18]通过总结文献发现,
绿色屋顶冬季的截流效果比夏季差. Spolek[82]在波
兰研究发现,冬季绿色屋顶对降雨的截流效率只有
12%,而在夏季对降雨的截流效率能达到 42%.
Bengtsson[1]研究表明,拓展型绿色屋顶的截流量最
少是在 2月(19%),最大在 6月(88%).
4􀆰 8  绿色屋顶运行时间
绿色屋顶的基质随着时间的变化,要经历多种
物理和化学变化:土壤颗粒物的流失、可溶性物质被
淋失、有机物含量的增加、土壤孔隙度的变化等,因
此基质的运行年限可能对绿色屋顶的截流效果有一
定影响[14] .绿色屋顶运行 1 年后径流中的氮含量大
幅下降,说明随着时间的增长,径流中氮元素的含量
会急剧下降[83] .Hunt 等[84]也发现,经过几个月,绿
色屋顶径流中氮和硫的含量大幅下降.Harper 等[52]
研究发现,基质类型及运行时间长短是影响水质的
重要因素,9个月后屋顶径流中 TN、TP 的含量分别
从>60 mg·L-1和>30 mg·L-1下降到了 10 mg·L-1
和 5 mg·L-1左右.Getter等[38]通过比较运行 5 年的
绿色屋顶的基质的持水能力较初建时高 50%,归因
于根系的生长及翻耕导致的土壤孔隙度(从 41%到
82%)和有机颗粒物浓度 (从 2%到 4%)增加.而
Mentens等[18]发现,绿色屋顶运行时间长短与屋顶
径流年均截流效率没有显著相关性.
5  未来的研究趋势及重点
5􀆰 1  绿色屋顶植物选择
绿色屋顶的建设除了要考虑承重和防水外,面
临的主要问题和难题是植物选择.因屋顶环境比较
特殊,土壤薄、水分少、风大、高温等,因此选择植物
时不宜选择高大乔木,而要选择耐旱抗寒能力强、喜
光耐瘠薄的植物.由于不同区域,其气候和乡土树种
差异较大,故筛选适合当地的绿色屋顶的树种非常
重要,目前北京、河北、上海、广东、四川、河南、山东、
山西等地区已经开始了这方面研究,并取得了一定
成果,但还需充分考虑实用性和经济性进一步研究.
此外,植物的蒸散作用是绿色屋顶消减屋顶径流的
一个重要方面[24],不同的植物对消减屋顶径流的作
用亦不同,还需进一步研究.
5􀆰 2  高效绿色屋顶构建模式
绿色屋顶径流调控作用主要取决于基质的特
性,如:厚度、组成、坡度,以及植物配置、过滤材料、
防水材料等,而且诸因素相互之间具有一定的制约
作用.为了尽可能地提升绿色屋顶的截流能力、去除
养分和其他污染物的效率,充分考虑其实用性和经
济可行性,结合当地环境特点,探究不同气候区高效
的绿色屋顶构建模式、管护措施十分必要.
5􀆰 3  绿色屋顶截流能力及其规律
不同气候条件下绿色屋顶的截流能力差异非常
大.我国幅员辽阔,气候条件差异大.因此在不同的
气候区,绿色屋顶的截流能力及规律也会有所差异,
如高温多雨的广东和降雨稀少的陕西、甘肃,常年低
温的黑龙江等地.为了更好地评估绿色屋顶的生态
价值,相关的研究是必不可少的.此外,同一城市不
同功能区(工业区、居住区、商业区、文教区等)的环
境污染程度有差异,绿色屋顶的截流能力及其水质
的差异也有待研究.同时,可进一步探讨不同环境条
件下绿色屋顶产流评估及模拟.
6852 应  用  生  态  学  报                                      26卷
5􀆰 4  绿色屋顶的截流能力及价值评估
目前的研究对象主要是针对小面积试验样地、
室内模拟或者单体建筑屋顶,对应的研究也日趋成
熟.但是关于城市区域绿色屋顶的截流效果评
估[18,21],及不同地域特点下绿色屋顶规模化应用后
的生态价值评估研究尚少.
5􀆰 5  绿色屋顶径流污染物源⁃汇功能解析及缓解
措施
目前,关于绿色屋顶是否是屋顶径流污染物的
源 /汇的研究尚未有确切的结论,主要是由于当地污
染程度、基质组成、屋面材料和养护措施的差异,以
及缺乏屋顶径流水质标准.绿色屋顶能够消减屋顶
径流中的一些离子或者污染物,但是又由于其本身
基质组成、灌溉和后期养护的原因,导致屋顶径流中
某些离子或者污染物浓度增加.最新研究发现,通过
向基质中施加生物炭或者保水剂,能够提高截流效
果,改善径流水质.Beck等[69]研究发现,当向基质中
加入含有 7%的生物炭时,绿色屋顶的截流能力增
加,且 TN、TP、NO3
-、PO4 3
-和有机碳的含量显著降
低.加入生物炭的基质相对于没有添加生物炭的基
质来说,可以减少 64% ~ 72%的有机碳、79% ~ 97%
的 NO3
-、87%的 TN和 20%~52%的 TP.即使当基质
达到饱和时,加入了生物炭的基质截流能力也可增
加 4.4%[69] .Farrell等[71]研究发现,保水剂可以用来
提升基质的保水能力,但是不同的保水剂对基质的
保水效果有差异.这也给我们提供了一个思路,在充
分研究绿色屋顶对屋顶径流水质的调控作用时,通
过施加对应的添加剂或者改善屋面材料,可缓解绿
色屋顶成为污染源的问题,提升其汇功能.此外,还
需尽快出台屋顶径流水质的相关标准,以便于更好
地开展研究.
6  结    语
国外学者对于绿色屋顶的截流能力研究取得了
一定结果,但国内研究尚处于起步探索阶段,今后可
从绿色屋顶植物选择、高效绿色屋顶构建模式、绿色
屋顶截流能力的变化规律、绿色屋顶截流能力研究
及价值评估、绿色屋顶径流污染物源⁃汇功能解析及
缓解措施等方面开展研究.针对目前很多城市面临
的雨洪问题,绿色屋顶对于延缓和拦截城市屋顶径
流具有重要的现实意义,为了直接给城市管理者和
设计者提供参考,不同尺度下绿色屋顶的截流能力
研究和价值评估尤为重要.
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作者简介  陈小平,男,1989年生,博士研究生. 主要从事园
林植物应用与园林生态、绿色建筑研究. E⁃mail: cxp198905
@ 126.com
责任编辑  杨  弘
0952 应  用  生  态  学  报                                      26卷