屋顶绿化在隔热降温蓄水减排和净化屋面径流污染中的作用

安徽农业科学，JournalofAnhuiAgri．Sci．2012，40(3)：1604—1606，1644责任编辑徐宁责任校对李岩屋顶绿化在隔热降温·蓄水减排和净化屋面径流污染中的作用许道坤，吕伟娅，张军(南京工业大学环境学院，江苏南京210009)摘要通过对屋顶绿化的介绍，描述了屋顶绿化的作用：夏季降低室内温度，减少空调等能耗，消除城市“热岛效应”；通过屋顶绿化中的土壤层与排水层，储存雨水，使城市雨水径流变得缓和，减轻雨水排水管压力；利用植物与土壤联合作用，去除屋面雨水径流中的污染物．提高雨水资源利用。关键词屋顶绿化；隔热；径流中图分类号TU985．125文献标识码A文章编号0517—6611(2012)03—01604一o3TheEfectofGreenRoofintheHeatInsulationandCooling，RainWaterStorageandEmissionReduction，RoofingRunofPollutionPurmcationXUDao-kunetal(DepartmentofEnvironment，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing，Jiangsu210009)AbstractThroughtheintroductionofgreenroof，describedtheroleofgreenroof：reducingtheinternaltemperatureandairconditioningell—ergyconsumption，etc．insummer，eliminatingtheurbanheatislandeffect；throughgreenroof’ssoillayeranddrainagelayer，storingrainwa—ter，SOthaturbanrunofcanbemodified，【hepressureofrainpipeswasrelieved；combiningtheeffectsofplantandsoil，cleanedthepollutionofroofrunofandimprovedtheutilizationofwaterresources．KeywordsGreenroof；Heatinsulation；Runof1屋顶绿化简介现象。表1为不同种类植物对应的土壤厚度划分。屋顶绿化主要是指平屋顶的绿化。随着城市的发展，原表1屋顶绿化植物土壤深度本属于自然生态的绿色土地锐减，取而代之的是混凝土建筑。城市居民对绿化的渴望以及屋顶绿化特有的节能作用促使了屋顶绿化技术的迅速发展。美国、日本、德国等已普遍利用平面屋顶进行屋顶绿化改造，而近年来我国的屋顶绿化水平也有了显著提高，政府的办公大楼，高级酒店等都率先进行了屋顶绿化。屋顶绿化可根据实际情况分为两大类：花园式屋顶绿化1．3过滤层过滤层一般使用土工布。土工布具有过滤排和简单式屋顶绿化⋯。前者一般选择小型乔木、灌木和草坪水作用，重量轻、抗拉强度高。除了过滤排水功能，过滤层也等地表植被，提供一定的活动空间；后者则利用低矮的灌木可起到防止土壤流失的作用。或草坪进行屋顶绿化，一般不允许非维护人员进入。屋顶绿1．4排水层排水层由卵石、瓦砾和粗砂或陶粒组成。日化结构如图l所示。本的企业使用的波浪板(厚40inlYl，聚苯乙烯)、拉比特板块(厚45nllTl，发泡苯乙烯)。排水板将蓄水、排水、防根功能集为一体，重量轻，排水能力强。植物层1．5防水层屋面漏水会造成混凝土强度降低，钢筋老化，土壤县影响建筑寿命，因此屋面的防水非常重要。施工中一般使用过滤层相0层沥青防水、卷材防水、涂膜防水，其中卷材防水要注意衔接处防水层缝隙的防水措施。在实际的施工中，屋顶在绿化施工前都要找平屡保温层进行防水试验，在确定屋面没有渗漏后，才可继续施工。找岳结构楼板2屋顶绿化的作用2．1隔绝屋顶热传递。改善周边环境人类给生态环境带图1屋顶绿化结构来了诸多影响，造成了局部热平衡变化，形成“热岛效应”。1．1植物层由于屋顶条件特殊，在选择植物类型时，应当“热岛效应”的强弱可以由热岛强度△⋯表示J：选择耐贫瘠并有一定抗风能力的植物。土壤层厚度有限，故△一=一(1)还应优先使用根系浅的植物，以有利于管理，降低费用。式中，为城市热岛中心温度，为与城市相邻郊区温度。1．2土壤基质土壤基质分为自然土和人工土。自然土密△一的数值越大，“热岛效应”也越明显。降低“热岛效应”度大，质量重，长时间暴露于屋顶下暴晒，土质恶化，发生硬的最好方式是通过增加绿地面积，提高绿化率以调节城市温化。人工土密度较小，透气性和透水性强，避免了土壤硬化度。据相关部门统计，“热岛效应”可以使夏天城市的温度高作者简介许道坤(1986一)，男，江苏南京人，硕士研究生，研究方向于郊区4—8℃，而联合国环境署的研究表明，如果一个城市水资源规划，E-mail：xudaokun163@163．con。收稿日期2011-09-26屋顶绿化率达到70％以上，那么这个城市上空的CO，含量 40卷3期许道坤等屋顶绿化在隔热降温·蓄水减排和净化屋面径流污染中的作用1605将下降80％，“热岛效应”将会彻底消失。城市的高密度效果相同。在厚度分别为100mm和150mm时，屋顶绿化温发展造成土地稀缺，绿地面积有限。屋顶面积占一个城市总度都保持在2O℃左右。此外还有学者认为土壤中生物种用地面积的15％～30％E61，如果能够充分利用城市的建筑屋类的多样性会改变土壤的湿度，从而影响隔热效果。顶面积进行绿化，增加绿化率，可以极大地缓解“热岛效应”。除了隔热，消除“热岛效应”外，屋顶绿化还可通过以下屋顶绿化中，一方面植物通过光合作用吸收阳光，同时3点改善房屋建筑及其周边环境，使室内形成良好的微气候光辐射也被植物绿叶反射，降低屋顶对光辐射的吸收；另一环境，提高人类居住的舒适感：①屋顶的植被可以吸收大气方面，土壤层是优良的隔热层，土壤层中的水分可通过蒸发中的有害气体、粉尘等。城市中的有害气体可以被植物吸吸热阻止热量传递。植物和土壤的共同作用可隔绝热量传收；颗粒物或污染物通过植被或雨水，沉降于土壤表面，再通递，降低屋内温度。数据显示，夏季黑色屋顶温度高达80过土壤层过滤掉。在美国芝加哥，每公顷的屋顶绿化在1年℃，屋顶绿化的温度平均只有27℃；屋顶绿化可通过反射和中去除了84．6kg的污染物，其中0占一半以上，而且处理蒸发消减热量的传递(表2)-一。效果随季节的变化性较大，5月份最好，2月份最差。随着屋顶绿化面积的增大，改良植物品种可以进一步提高污染物表2绿化屋顶和传统屋顶的热辐射变化对比％的去除量。②减少噪音。在德国，屋顶花园至少可以减少3db噪声，同时隔绝噪声效能达到7dbI。因此屋顶绿化可以推广于娱乐场所等建筑上。③延长建筑本体的寿命。当降雨含有酸性时，屋顶绿化可以隔绝酸性物质，减轻对建筑20世纪80年代，有学者利用一元线性回归方程推算得，的腐蚀程度；太阳暴晒以及季节性的温差对屋顶材料的老化北京市白天中，绿化覆盖率每增加10．0％，气温最高可降低和混凝土热胀冷缩问题也可以通过屋顶绿化得以改善。2．6％左右；夜间则为2．8％左右，这间接显示了屋顶绿化2．2减轻雨水排放压力国外普遍认为，在降雨中，屋顶绿在降温功能上的潜力。唐鸣放对屋顶绿化的隔热效果做化通过土壤层和排水层吸收降雨量，延缓了雨水径流高峰，过详细的钡4试，通过屋顶内表面对室外空气增温量△t来表缓和了径流量。我国属季风性气候，夏季降雨集中，降雨示隔热的效果：量大，加之不透水地面的增加，使得排入管网中的雨水骤增，At=t—t。(2)造成道路被淹，严重影响人们出行。式中，t为屋顶内表面的温度，t。为室外空气的温度。△t数刘葆华在屋顶绿化试验中，利用厚度60mm±10mm值反映屋顶的热特性：数值越小，即内表面温度与室外温度的腐殖土，种植佛甲草，蓄排水层为18mm的塑料排水板，测越接近，屋顶的热惰性越强，屋顶对太阳辐射的衰减能力越试重庆地区屋顶绿化夏季的降雨吸收量。当下小雨(≤10强。2005年6～9月的测试期间，有屋顶绿化相对于无屋顶mm／a)时，雨水被全部吸收的概率超过了40％，吸收50％～绿化的增温量平均要小2℃左右，最大差距可达3．43℃。100％的概率也超过了75％。屋顶吸收太阳辐射后，处于热源状态，如果不能及时散当下中雨(10．0～24．9mm／d)时，有全部吸收，也有只吸热，热量就会传递到室内。屋顶的散热强度也不宜太大，否收20％多的，并出现测量超出范围的情况；而大雨、暴雨和特则温差变化过大，人体感觉不适，也易导致屋顶建筑材料疲大暴雨情况下，则全部超过测量的范围。虽然产生溢流，但劳损伤，寿命减少。相对于混凝土屋面，草坪散热的强度要是却吸收了相当部分的雨量。小于水泥屋面，而且昼夜向空气散热和吸热的总量几乎达到Hilten等学者设定土壤湿度为10％，厚度100m／n为前平衡，生态热效应显著”。提条件，通过HYDRUS．1D模型模拟屋顶绿化对暴雨的缓解国外学者通过对比有绿化和没有绿化条件下室内达到量。当雨水量小于25．4ITlln，屋顶绿化吸收储存所有的水同样效果所需能耗来表示屋顶绿化的节能效果。屋顶土壤量；大于25．4ln／n，屋顶绿化吸收部分降雨量，屋面径流相对厚度在75～100nlln，屋顶绿化可降低70％～90％的热量，节变得缓和¨。约能量在22％～45％_l。屋顶绿化在隔热的同时延缓了屋裸露屋面的径流系数为0．9，屋顶绿化中植物和土壤对顶温度的峰值，使得屋顶的温度变化较为缓和。在热量吸收雨水的吸收与储存降低了屋顶的径流系数，降低的程度需要中，屋顶绿化白天每小时吸收热量最多可达350～520根据土壤条件、排水层的实际蓄水能力判定。土壤的保水性J／(m·h)，但夜间或下午则每小时向外放热60J／(m·h)好，土壤层厚，排水板蓄水能力强，则屋顶绿化蓄水量多，也左右。就越能降低降雨时雨水管的排水压力。屋顶绿化结构中可变的因素很多，主要为土壤的厚度与2．3净化雨水径流中的污染物质雨水降落至屋面后形成密度，植物的种类。国外在计算隔热效果时，会考虑屋顶的初期径流，类似于地面初期雨水径流，水质污染严重。通常坡度。坡度不同，屋顶绿化对光的反射是不一样的。土壤的屋面上的大量污染物在雨水的抻刷下形成面源污染，随着径密度会影响热量的分散：密度较大，土壤中热量分散比较均流一起进入受纳水体，从而引起水体污染。匀，而密度小时，热量容易穿透土壤层。土壤越厚，隔热的效2．3．1屋面径流污染来源。屋顶污染物质来源于大气湿沉果也越好，但是当厚度达到一定程度时，隔热变化缓和，降温降物和屋顶材料分解产物。大气中含有的废气和粉尘， 1606安徽农业科学2Ol2年随着雨水降落至城市的建筑屋顶，这是屋顶径流中营养盐的屋面相对于前两种径流污染物较少。黄金良等人在澳门测主要来源。有学者在测试上海市屋面径流营养盐形态中，发试铁皮屋顶和混凝土屋顶时发现，铁皮屋顶形成的径流污染现TN主要输出形式是溶解态，而TP主要集中为颗粒态。中，zn和Pb污染严重，铁皮腐蚀越严重，污染物浓度也越屋顶不同材料也会带来不同的污染物质：铁皮屋顶上由于金高，浊度、TOC和COD数值均高于V类水质指标“。车武属腐蚀，所以径流重金属污染较为严重；沥青屋顶上，沥青经等在北京城区测量沥青毛毡屋顶的污染物浓度，其初期径流过太阳暴晒后会变软老化，分解出有机物，COD偏高；混凝土中COD高达上千，主要为可溶性COD，可生化性差。表3澳门铁皮屋面径流水质参数基本情况注：铁皮屋A、B、C分别表示严重锈蚀、轻度锈蚀和新油漆的铁皮屋。2．3．2屋面径流污染因素。屋面径流污染物会对屋面雨水径流澳0试中，NH．N的去除率很好，TN的含量却与一般雨水的水质造成极大的影响。具有不确定性，径流污染程度需要径流中TN的含量很相似；TP的去除研究中，P主要以磷酸在实际条件下测得。其中影响较大的因素为屋面材料和季盐的形式释放出来。硝态氮在厌氧条件下利用细菌进行节气候变化。反硝化去除，屋顶绿化的土壤层透气性较好，整个土壤层都2．3．2．1屋面材料。当屋顶的材料不同时，产生的污染物处于好氧状态，不利于细菌反硝化进行，只能以植物吸收和不一样。铁皮屋顶会造成重金属污染；沥青屋顶会造成有机土壤的吸附去除；P的去除中，除去植物吸收的量，只能通过物污染。材料的变化影响雨水径流污染物质的变化。土壤的吸附去除。当土壤层中P的吸附量达到饱和，P会随2．3．2．2季节气候变化。气候的变化对沥青屋顶的污染径时间延长慢慢向外释放，导致屋顶绿化径流中P的含量流影响很大：夏季炎热，沥青在阳光暴晒下老化分解出有机上升。物，产生的径流污染多。春夏交接时期，降雨量增大，屋顶在2．3．4去除效果的表示。除了通常用水质中各类污染物的最初的降雨冲刷中，雨水径流中的污染物浓度相对较高；夏去除率表示净化的效果，国内外学者一般用屋面雨水径流污季降雨频繁，屋顶经过反复冲刷，如果两次降雨相隔时间不染物平均浓度EMC(EventMeanConcentration)和径流初始冲长，后一次径流污染会减轻；冬季基本不产生降雨，屋顶处于刷效应来描述屋顶径流的污染程度。污染物累积时期。降雨量强度大，冲刷力度大，屋顶雨水初EMC数值为整个降雨过程的流量加权平均浓度，其表期径流中污染物浓度高，并且很快能够达到稳定。达式为：2⋯33屋顶绿化去除屋顶雨水径流污染。屋顶绿化对屋面胱一-dV雨水径流污染的去除，主要是其中的土壤层去除污染物，即土壤层中的微生物、植物根系吸收并分解污染物质，降低式中，为径流全过程某一污染物的总量，为径流全过程BOD含量。土壤层可以吸附过滤径流污染中的污染物，这是某一污染物的径流总体积，C(￡)为随径流时间变化的某污染物理、化学和生物的综合作用。物浓度，Q(￡)为随径流时间变化的径流量。相对于自然土壤，人工土壤具有更好的去污效果，因为同一场降雨过程中，污染物的浓度变化很大，EMC平均人工土壤混有轻质骨料，土壤层的通透性较好，土壤层间隙浓度能够更好地表征降雨事件中污染物的出流特征。EMC较大，增大了土壤的吸附表面积，以吸附更多的污染物，也为综合地表示出屋面雨水径流污染程度，通过对比有屋顶绿化微生物提供了良好的栖息地，有利于提高微生物数量与种和无屋顶绿化的径流污染EMC数值，比较污染物的综合去类，以分解更多的污染物。除效果，这对屋顶绿化净化屋面污染径流具有很重要的指示意义。土壤的渗透性越好，土壤厚度越高，其去除效果也就越好。在对比自然土和人工土的去除效果中，当COD为200屋面径流初始冲刷效应(FirstFlush)是污染物负荷增长mL左右时，0．5m厚的自然土和人工土去除率均为30％与径流量增长的比值。如果污染负荷增长速率超过径流量～40％；厚度为1．0m自然土去除率为60％，人工土为70％的增长速率，则说明存在污染物冲刷效应。以总污染负荷与～80％，净化效果都很明显。累积径流曲线之间的相关性为基础，当这条曲线的起始端与屋顶绿化在去除氮化物时效果不稳定，有学者测试效果水平坐标所成的角度大于45。时，初始冲刷现象就产生，45。中TN含量不仅没有降低，反而升高，原因可能是土壤在施肥线表示的是在整个降雨过程中污染物的浓度始终保持不条件下，通过雨水的冲刷，肥料中的氮化物混入径流，造成了变。一些研究者发现，降雨初期径流中更容易产生冲刷氮浓度的上升。在一些发达国家中，屋顶绿化所形成的雨水(下转第1644页) 1644安徽农业科学2012盎ofmicrecystin—RRincropland[J]．JournalofEnvironmentalManagementF，eta1．Effectsofmieracystinsonbroccoliandmustard，andanalysisof2008．86：566—574．accumulatedtoxinbyliquidchromatography-massspectrometry[J]．Toxi·16IMCELHINEYJ．LAWTDNLA．LEIFERTC．Investigationsintotheinhibi—COI1．20町．49(6)：865—874．toryefectsofmicrocystinsonplantgrowth．andthetoxicitv0fplanttis．[11]cRuSHJR，BItIGGSLR，SPROSENJM，eta1．E雎etofirrigationwithsuesfollowingexposurelJ1．Toxicon，2001，39：1411—142o．lakewatercontainingmicrocystinsonmicrocystincontentandgrowthofI7lPF1JIGMACHCRS，HOFMANNJ，I-IIIBNERB．Efectsongrowthandryegrass[J]．Clover，Rape，andLettuceEnvironToxieol，2OO8，23：246—physiologicaloarametersinwheat(ticmaestivumL．)growninsoft252．andirrigatedwithcyanobacterialtoxincontaminatedwaterIJ1．Environ．[12]CHENXG，XIAOBD，uuJT，eta1．KinetiesoftheoxidationofMCRRmentalToxicology&Chemistry．2O07。26(12)：27lO一2716．bypotassiumpermanganate[J]．Toxicon，2OO5，45：9ll一917．18ICHENJ，SONGL，DAIJ，eta1．Efectsofmicrocysfinsonthegrowthandf13]PFLUGMACHERS．Promotionofoxidativestressintheaquaticmacro．theactivityofsuperoxidedismutaseandperoxidaseofrapefBr~swa，l0．phyteCeratophylumdemersumduringbiotransformationoftheeyanobac．pusL．)andrice(0s~ivaL．)[J]．Toxicon，2OO4，43(4)：393—40o．terialtoxinmicrocystin—LR[J]．AquaticToxicology，2O04，70：169—178．I9lGEHRINGERMM．Micrecvstin一【Randokadaicacid—inducedcellular『l4]YINL．HUANGJ，LID，eta1．Mierocystin-RR—inducedaccumulationofefects：adualisticresponse1J1．FEBsLetters，2O04，557(1／3)：1～8．reactiveoxygenspeciesandalterationofantioxidantsyrsternsintobaceo110IsUVIJARVPENPAA．，CATHAⅪNALUNBDERG．NIINISTO，LISASPOOBY-2ce1lslJ1．Toxicol，2OO5，42：507—512．(上接第1606页)态，2000，13(4)：9一lO．[11]LtUK，MINORJ．Performanceevaluationofanextensivegivenroof[C]．效应。冲刷效应具体反映了雨水径流对受纳水体的污Washington，D．C．：GreeningRooftopsforSustainableCommunities，2005：染。随着降雨强度和降雨量的增加，原本屋顶中的大颗粒污1一l1．[12]HEH，JIMCY．Simulationofthermodynamictransmissioningrg~nroof染物质经过雨水冲刷也会随着径流流出，因而造成了雨水污ecosystem[J]．EeologicalModelling，2010，221：2949—2958．染物的浓度增高，意味着受纳水体中污染物数量的增加，水[13]TEEMUSKA，[ILOMANDER．Temperature嘲n1eofplantedroofstom—paredwithconventionalroofingsystems[J]．EnergyandBuildings，2010，体污染加重。基于屋顶绿化对雨水径流污染物的净化作用，36：91—95．降低甚至消除屋面径流初期的冲刷效应，可降低水体污染。[14]WOLFD，LUNDHOLMJT．Wateruptakeingreenroofmicrocosms：Efectsofp／antspeciesandwateravailability[J]．EcologicalEngineering，3总结2OO8，33：179—186．屋顶绿化是提高城市绿化率的有效手段，在人们对生活[15]YANGJ，YuQ，GONGP．QuantifyingairpollutionremovalbygreenroofsinChicagolJ1．AtmosphericEnvironment，2OO8，42：7266—7273．质量的要求不断提高的背景下，屋顶绿化也逐渐出现在各种[16]渥尔纳·皮特·库斯特．德国屋顶花园绿化[J]．中国园林，瑚宣4：7I建筑顶部，其通过隔热功能，可在夏季降低室内温度，冬季阻一75．止热量外流，节约城市能耗；提高城市的绿化率，消除城市[17]MENTENSJ，RAESD，HERMYM．Grenroofsasatoolforsolvingtherainwaterrunofproblemintheurbanized21stcentury?¨J1．Landscape“热岛效应”，改善生态环境。屋顶花园还可在降雨时吸纳存andUrbanPlanning，2OO6，77：217-226储一定的降雨量，减轻雨水管的排水压力，其土壤与植物在[18]刘葆华．屋顶绿化的环境与节能效益研究[D]．重庆：重庆大学，2008．[19]HILTENRN，THOMASMARKLAWRENCE，EARNESTWILLIAM物理、化学和生物的综合作用下，能够净化屋面雨水水质，提TOLLNER．ModelingstormwaterrunoffromgreenroofswithHYDRUS-高屋面雨水资源的利用率。1D[J]．JournalofHydrology，2OO8，358：288—293．[20]任玉芬，王效科，韩冰，等．城市不同下垫面的降雨径流污染[J]．生态参考文献学报，2005，25(12)：3225—3230．[1]任i蔓．棣，雷芸．建筑环境空间绿化工程[M]．北京：中国建筑工业出版[21]王彪，李田，孟莹莹，等．屋面径流中营养物质的分布形态研究[J]．环社，2OO6：8—9．境科学，2OO8，29(11)：3(135—3042．[2]李建龙．城市生态绿化工程技术[M]．北京：化学工业出版社，2OO4：[22]黄金良，杜鹅飞，欧志丹，等．澳门屋面径流特征初步研究[J]．环境科456．学学报，2OO6，26(7)：1076一l081．[3]近藤三雄．城市绿化技术集[M]．北京：中国建筑工业出版社，2OO6：18[23]车武，汪慧珍，任超，等．北京城区屋面雨水污染及利用研究[J]．中国一加．给水排水，2001，17(6)：57—61．[4]严平，杨书运，王相文，等．合肥城市热岛强度及绿化效应[J]．合肥工[24]殷捷．城市屋面径流污染特性及其利用探讨[J]．安徽农业科学，2O07，业大学学报，2OOO，23(3)：348—352．25(17)：5244—5245．[5]秦培亮．寒冷地区屋顶绿化的设计力_法研究[D]．大连：大连理工大学，[25]车武，欧岚，刘红，等．屋面雨水土壤层渗透净化研究[J]．给水排水，2002001，27(9)：38-41．[6]徐峰，封蕾，郭子一．屋顶花园设计与施工[M]．北京：化学工业出版社，[26]BERNIYPSSONJC．Greenroofperformancetowardsmanagementofrunof2oo6．waterquantityandquality：Areview[J]．EcologicalEngineering，2010，[7]CASTLETONHF，STOVINV，BECKSBM，eta1．Greenroofs；building36：351—360．energysavingsandthepotentialforretrofit[J]．EnergyandBuildings，[27]李贺，张秋菊，李田．屋面径流污染物的出流类型与水质特性研究2010，42：1582—1591．[J]．中国给l7}7k，20O9，25(9)：90—93．[8]刘梦飞．城市绿化覆盖率与气温的关系[J]．城市规划，1988，3：59—60．[28]王和意，刘敏，刘华林，等．城市降雨屋面径流污染分析和管理控制[9j唐鸣放，杨真静，李自析[J]．暖[J]．长江流域资源与环境，2O05，14(3)：367—371．通空调，2007，37(3)：1—4．f291DELETICA．Thefirstflushloadofurbansurfacerunof『J]．WaterRe．[10]唐鸣放，白雪莲．城市屋面绿化生态热效应[J]．城市环境与城市生search．1998．32：2462—2470．