（环境科学专业论文）屋顶花园的环境改善效应研究及改良设计.pdf

t h es t u d yo ne n v i r o n m e n t a i i m p r o v e m e n tm e c h a n i s m o fi b o fg a r d e na n d i t sd e s i g na p p i i c a t i o n a b s t r a c t w i t t it l l ei l l 钯n s i f i c a l i o no ft h eu r b a nh o u s i n gc 如瓯吐l s l ：柚c cp r o b l e m ，t l l e 妁1 0 俞o p 舀旺d e n d e v e l o p s 瑚l p i m yi nm eb k g r o u n do fc o 璐觚l c t i o no fs a 诚唱s 0 c i e t y 如ri t s 硼曲a d v 锄姆s s u c h 嬲l ei i l t e r 坞i v e 璐eo ft t l el 蛔缸t e d ：b 趾s p a c e ，t h ei n c r e a o fn l e 粤o e na e mi i lc i 吼l e i m p r 0 v e m e n to fm ee c o l o 西c a le 玳血0 m i 圮n t ，t h ei m p r o v e m e n to f l ee n e 曜y s a v 访ge f 梵c to f t 1 1 e b u i i d i n g s 觚ds oo ni nt h i sd i s 砌t i o 玛m er o l o fg a r d e ni st a k e n 弱l er e s 托ho 场e c 屯锄di t s i 玎驴w 釉舳te 伍e c t o na i 访r o m n e n ti ss t i i d i e db ye x l 确r i i n e n t 址t 1 1 e o 栅c a ls t i | d y a n d l e c o n c l 瑚i o n so fm es t u d ya 托印p l i e di l lt h ed e s i g no ft h er 0 0 fg 畎l e n t t 圮m a i nc o n t e n t s 锄d a c h i v e m e n t si n 也ed i s $ 囝陀舶na r ea sf 1 0 n o w s f i r s t l y b yd o i n g 吐l et e m 肼缎m l c ( m 心o l 叩f i l i 忙n to fr o o f 础n t l l et e m p 承m l 托 a 内啦缸n e i i te 丘b c ti ss t u d i c di nd e t a i l t h ee ) 【p 池n t 删t sl l a v e 虹1 0 、) v i l 幽a t ，也ec 0 0 l i n ge 丘e c t i sm o s to b 、r i o u si nm eh o ta f k m 0 0 i li no f 电l e rt 0s o i v e l ec r ；s s 仕镪so f 量l i g ht e m p i 嚣a t u 阳 w h i c hi so b f v e di nt l l et e m p e 翰：t u 托c o m m le x p e r i l n t t h ea n t o m a t i cw a t e r - 鞠v i n gi r r i g a ：t i o n p i 积燃sw h i c hi sc o n 缸d l l e db yt e m 肼戚呶l 觚dh l l i i l i d 毋i sd 懿i g l 嗣b yt a l ( i n g 吣i l l go f m l ：t o m a t i cw a 钯卜鞠啊i 塔m i c r 0 一狮g a t i o nt e c t l r 的l o g 弦f o rt h ea i lo fe n e r g yc o r 蛏粥a t i o n 趾d 烈l v i m m n e n t a lp t c c t i o 玛m ee 球硼黟- s a v i i 唱m e 髂眦e so fr o o fg a r d e ni ss t u d i e di nd e p m t h e 躺m a t i ct e m p 嘲l 陀加dh i l n l i d i 够i f r i g a t i o nt e c h l o l o g yi su s e dt 0m a k ee l j f 碱i v e 髑eo ft t l e k i l i n 把啪f 础1 1 s e c o n d l y t l l eu l k mw a 毛e r 既i v i m n e n t a li m p v e m e n te 丘e c to fr o l o fg u ( 1 e ni ss t u d i e d a n dm em mw 咖r 啦姆s y s 钯mi si m p m v e db a do nt h es t u d yo nm ef e a ：t u 托o f u 而觚m i l l w a 船砸；a i 驴s y s t e ma n dt h ei i i 矗t i o np u r i 6 c a t i o ne 任e c to fm e i l t h er e f 0 咖p m p o s a l so f m e 掣酬a l 订a i 证p 习l v i 湘姗to f l 0 0 f g l r d e na 心g i v e nf o rm e 妇o f 山煳徽l t l e 础s s u r 缸c c 均i i i 嘲觚dp 西n gt 1 1 e 豫i i l 咖p o u u t i o l l n 砌弘m e 啪f 则e np 画e c lo fs 舢傩gj i a i l l 黜gh o 舭s t e a d 砌c hi s 眦no n 曲 也i mf 1 0 0 rp i a t f 0 瑚o fn o 9 2b u i i d i n gi st a k e n 嬲瓶e x 锄p l e ，蛐d 吐l ed e s i 朗o fr o l f 翻r d c n w h i c hc 趾a i h a n o et l l ee n v i m 玳m t a l i i i l p r o i n i e n t e 任l 。c ti s p r e n t e d b 鹤e do nm c 咖b i l l a i o no ft l l ea _ b o v ec o n c l u s i o no f 也es t u d y k e yw o r d s ：啪f 毋畎i e n ；既l v 的m 球l n l 殂i n l p r o v c 棚慑嵋t c m 徉黝呶i 他删啦廿1 1 e n te 任- 鳅； w a 衙p u r i j f i c a t i 0 珥豫i i ls t 0 孵舳dd e h y 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在丈中以明确方式注明并表示感谢本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承扫。 学位论文作者c 本人戳，：舛j ：半为浒6 月站日 ”，r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密d 。 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 致谢 时光荏苒，三年硕士生活留下了很多美好的生活片段。在此期间得到了许多老师的教 诲，同学的帮助，朋友的鼓励和亲人的关怀在此衷心地感谢他们 首先感谢我的导师张银龙教授。论文的选题、设计与写作都是在张老师的悉心指导下 完成的三年来，张老师渊博的学识，严谨的科学态度和勤勉的工作精神深深影响着我， 我将永远铭记；同时张老师给予宽松的科研环境和学术上充分发挥的自由空间，使我得到 了很大的锻炼在此论文完成之际，谨向张老师的教诲和帮助表示我最衷心的感谢并献上 诚挚的敬意! 感谢薛建辉教授、王浩教授、张金池教授、吴永波副教授等在三年学习和生活中给予 的关怀和帮助! 感谢在实验过程中罗红艳老师、陈吉占敏老师给予的热心指导和帮助。感谢俞学如、周 艳文、姚俊在论文期闻的帮助! 同时感谢在研究生期间朝夕相处的同学，我将永远珍藏我们共同度过的美好时光和温 馨记忆! 衷心感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的专家教授，感谢答辩委员会的各位老师和 专家们对我的论文提出的宝贵意见，为我今后的学习和研究开拓了思路! 最后特别感谢我的家人，他们一直支持我，鼓励我，陪伴我一路走来! 袭殊殊 二零零八年六月于南京林业大学 1 。1 研究背景与意义 第一章绪论 近年来，随着我国社会和经济的快速发展，城市化进程逐渐加快，城市建设不断发展， 城市人口规模也进一步扩大。目前，百万人口城市己超过1 0 0 个，出现了人口高度密集， 车流量倍增，废气和废液的大量排放以及生物资源过度开发等环境问题。并由此导致了原 有的生物群落受到极大的影响和破坏，原有的良好生存环境逐渐消失，造成了部分适应力 差的物种减少或灭绝，出现了热岛效应等城市人居环境危机问题【l 】。 严重的人居环境问题已成为城市发展的重大阻碍，研究表明，在积极改善城市环境， 治理环境污染、城市热岛效应等问题中，植物起着关键性的作用。资料显示，每人每天要 吸收o 7 5k0 2 ，呼出0 9 0 埏c 0 2 ，由此推算出每人至少要拥有1 肚1 5m 2 森林或2 5 3 0m 2 草坪才能获得新鲜空气。由于工业、交通运输所消耗的氧气远远大于人的耗氧量，因此， 国际生态和环境组织指出：要使城市获得最佳环境，人均占有绿地面积需达到6 0m 2 以上。 联合国对城市规划要求的人均绿化面积为3 0 4 0m 2 【2 1 。华沙、堪培拉、维也纳、斯德哥尔 摩等都己超过了这一标准，华盛顿、巴黎、柏林、莫斯科、伦敦、新加坡等都已达到人均 拥有4 肚5 0m 2 绿地，而我国只有深圳接近这一标准，其它城市的绿化面积与国际相差甚远。 就全国城市而言，人均拥有公共绿地仅6 4 9m 2 ，绿化率不足3 0 的城市还为数不少。因此， 为了改善我国城市生态环境，必须扩大城市绿地面积，提高绿化率。 在上述背景下，需要集约利用有限的城市面积，近年来，屋顶花园以其独特的优势为 人们所认同，并在各国城市建设中得到了迅猛的发展1 3 培j 。近几十年来，德国、日本对屋顶 绿化及其相关技术有了较深入的研究，并形成了一整套较为完善的技术7 j ，是世界上屋 顶绿化技术水平发展较快的国家。此外，我国于2 0 世纪6 0 年代开始，也逐渐开始建造屋 项花园，特别是在近十几年来，在经济较为发达城市的建设中，屋顶花园作为城市生态环 境改善的一个重要手段得到了较为广泛的应用l l 黏川。 我们研究的广义屋顶花园瞵】是指在各类城市建筑物、构筑物、桥梁、立交桥等的屋顶、 露台、阳台或大型人工假山山体上进行造园和种植树木花草的统称。它与露地造园的植物 种植的最大区别在于把植物种植在人工的建筑物或构筑物之上，种植土壤不与大地土壤相 连。狭义屋顶花园( r o o f g a r d e n ) 是指在建筑物屋顶上建造的花园。屋顶花园属于园林范畴， 世界屋顶花园的发展历程与世界园林相似，先后经历了宗教崇拜、权贵显示、游憩娱乐以 及环境改善等阶段。现在的屋顶花园已经向综合功能方向转化，既追求对环境的改善效果， 又追求经济效益，还追求对形成环境共生型城市的实现效果。 近年来，随着屋顶花园建设的迅速发展，许多学者也对屋顶花园的环境改善效应进行 了相关研究工作，取得了一些研究成果【2 6 d 2 】，但大多只是定性分析，很少进行定量的实验 研究，无法深入、具体了解屋顶花园的环境改善效应。为此，本文以实验研究、理论分析 为主要手段，研究屋顶花园的环境改善功能，并重点研究屋顶花园的降温效果和对城市水 环境改善效应，并依据研究结论，对屋顶花园的常规设计进行了改良，以增强其对城市的 环境改善效应。 1 。2 屋顶花园建设的历史沿革 屋顶花园的出现由来已久，其作用和功能也随着经济、社会、历史的不断变迁而逐渐 发生变化，先后经历了宗教崇拜、权贵显示、游憩娱乐以及环境改善等阶段。在文献调研 工作【3 3 ，3 4 1 的基础上，以下按从古至今的时间顺序，对屋顶花园建设的历史沿革做简要的回 顾。 ( 1 ) 宗教崇拜阶段：这个时期最具代表性的屋顶花园有：亚述古庙塔、阿多尼斯花园、 庞培迷宫。 ( 2 ) 权贵显示阶段：这个时期最具代表性的屋顶花园主要是中世纪和意大利文艺复兴 时期的屋顶花园，如法国圣米歇尔山屋顶花园、鲍彼皮勿斯二世的屋顶花园。 ( 3 ) 游憩娱乐阶段：这个时期最具代表性的屋顶花园主要是2 0 世纪初到二战前的屋 顶花园，如纽约的冬季花园和麦迪逊广场。 ( 4 ) 环境改善阶段：这个时期最具代表性的屋顶花园主要是二战后的屋顶花园，如凯 厦中心、奥克兰博物馆屋顶花园、圣玛丽广场、朴次茅斯广场等，这些屋顶花园开始从生 态建筑角度追求与环境的融合、环境的改善。 1 3 屋顶花园的作用与功能研究现状 随着屋顶花园建设的不断发展、设计水平的不断提高，屋顶花园所具有的作用和功能 也越来越丰富。近年来，学者们对屋顶花园的作用与功能进行了相关的研究工作，取得了 不少的研究成果。下文在对屋顶花园的作用和功能进行分类的基础上，对其功能和功能的 研究现状做扼要的介绍和评述。 ( 1 ) 隔热、保温、节能功能 储艳洁3 5 1 对屋顶花园的保温、隔热功能进行了相关的研究工作。研究表明，没有屋顶 花园覆盖的平屋顶，夏季由于阳光照射，屋顶的温度比气温高得多，因而，建筑项层内部 空间的温度也比下面几层高得多。不同颜色和材料的屋顶温度升高幅度不同，最高可达8 0 以上，而在经过绿化的屋顶上，大部分太阳辐射热量消耗在水分蒸发上或被植物吸收， 并且由于种植层的阻滞作用，这部分热量不会使屋顶结构构造表面温度继续升高。有关资 料表明，夏季绿化好的屋面温度仅2 0 2 5 ，有效地阻止了屋顶表面温度的升高，从而降 低了屋顶下的室内温度。如果屋顶绿化是采用地毯式满铺的地被植物，则地被植物及其下 的轻质种植土组成的“毛毯 层完全可以取代屋顶的保温层，起到冬季保温夏季隔热的作 2 用。 由于上述隔热、保温功能，因而从节约能源的角度来看，屋顶花园本身具有优越的节 能效果。在采用屋顶花园的情况下，对于建筑物的顶层而言，至少能够节省5 0 夏季空调 制冷能源，还可以节省5 0 的冬季供暖能源【3 6 j 。 ( 2 ) 屋顶花园的蓄滞雨水作用 魏艳等【3 7 j 的研究表明，屋顶花园可以对暴雨起一定的缓冲作用，同时净化城市水源， 对城市洪水控制、建筑物腐蚀处理、河流水质处理都起到不同程度的作用。另一方面，由 于屋顶花园的绿化植物对雨水的截留和蒸发作用，以及有较大吸水能力的人工种植土对雨 水的吸收作用，使屋顶花园的雨水排放量明显减少，可将雨水在一段时间内储存在屋顶上， 并逐渐通过水分蒸发和植物蒸腾扩散到大气中去，从而可在一定程度上改善城市的空气质 量与生态环境【3 引。 ( 3 ) 屋顶花园的降噪作用 噪音污染是长期困扰城市居民的环境污染问题之一，而研究表明，屋顶花园至少可以 减少3 d b 的噪声，同时隔绝噪声效能达到8 d b 【3 9 j 。对于那些地处闹市、机场、舞厅、厂房 等的建筑物和居民区来说，屋顶花园无疑是个很有效的降低噪声的方法。 ( 4 ) 屋顶花园的生态效用 屋顶花园的绿化植物通过吸收空气中的污染气体、过滤空气、降尘，可以提高空气质 量、改善环境。此外，屋顶花园的建设不仅可以提高城市的绿化率、提高人均城市绿地率、 有效保持生物多样性、维持城市生态平衡l 加】，也可以通过屋顶绿化植物的“呼吸 作用， 有效降低城市空气中c 0 2 的含量、缓解城市的“热岛效应，这种效用随着屋顶绿化率的提 高而趋于明剧4 1 1 。联合国环境署的一项研究表明【4 2 1 ，如果一个城市的屋顶绿化率达到7 0 以上，城市上空的c 0 2 含量将下降8 0 ，热岛效应将会基本消失。 ( 5 ) 屋顶花园的其它效用 此外，从不同角度来看，屋顶花园具有不同的功能和作用，上文所述只是屋顶花园具 有的较为重要的功能和作用，为了尽可能地全面，在此扼要列举一些屋顶花园所具有的其 它效用。如从审美角度看，采用屋顶花园代替了灰色的混凝土、黑色沥青等各类屋面，可 以改善城市的立体绿化景观效果，美化城市环境；从建筑角度看，屋顶花园可以保护防水 层不受气候、紫外线以及其它损害，进而延长建筑物屋顶的使用寿命1 4 列；从土地利用角度 看，屋顶花园可以提高城市土地的使用效率等。 1 4 我国屋顶花园建设概况及存在的问题 ( 1 ) 我国屋顶花园建设概况 我国的屋顶花园建设，由于受到基建投资、建造技术和材料以及传统观念等方面的影 响，还处于起步阶段。但近几年随着城市建设法规政策的出台，屋顶花园发展迅速。国内 发展屋顶花园较早的城市有深圳、重庆、成都、广州、北京、上海、长沙、兰州、武汉等。 6 0 年代初重庆、成都等一些城市的工厂车间、办公楼和仓库等建筑，在平屋顶的空地 3 开展农副生产，种植瓜果、蔬菜等。既有了经济收入，又改善了城市环境，增加了绿化面 积。近年来这类屋顶绿化通过改造，形成屋顶花园，为本单位职工提供了业余休憩、娱乐 的场所。 7 0 年代我国第一个大型屋顶花园在广州东方宾馆1 0 层屋顶建成。它是我国按统一规 划设计与建筑物同步建成的第一座屋顶花园。在9 0 0m 2 的屋顶面积上，布置有各种园林小 品。在这块长方形的平面上，布局简洁明朗，空间划分大小适中，层次丰富，体现了岭南 园林风格，深受国内外宾客的好评。1 9 8 3 年，北京利用外资修建了长城饭店，在建筑群体 西侧矮层的屋顶上，建造起有3 0 0 0m 2 面积的屋顶花园里，水池、花台、各种几何形的种植 区等有机的穿插结合，点缀少量的自然山石、喷泉、瀑布和小溪流水贯通全园。这是在我 国北方建造的第一座大型露天屋顶花园。东方宾馆和长城饭店的屋顶花园，规模较大，投 资也较多。这类屋顶花园由于受到资金的限制，所以很难大面积推广。因此为了增加城市 绿地覆盖率和人均绿地面积，还应该从改造现有城镇的住宅平屋顶，公共建筑物的平屋顶 来着手。在这方面四川成都、重庆等地的成功经验很值得借鉴。与建筑物同步规划设计的 还有重庆园林局和兰州园林局的屋顶花园，它们都是规模较小的屋顶花园，为本单位职工 提供休息场所。 8 0 年代末9 0 年代初，在我国各地成批的建造了各具特色的屋顶花园。如上海首批兴 建的豪华旅游宾馆中的花亭宾馆，在它主楼前裙楼屋顶上，兴建具有中西造园风格的大型 屋顶花园。1 9 9 1 年开业的北京首都宾馆，在第1 6 层和第1 8 层屋顶上，均建造了精美的屋 顶小花园。1 9 9 2 年建成使用的北京林业大学主楼屋顶花园，是一座具有中国园林特色和一 定示范性的屋项花园。北京在望京小区内建立一处面积达2 0 0 0m 2 的屋顶花园，这一信息标 志着“屋顶绿化”已开始在北京全面实施。2 0 0 3 年北京中关村广场建起了亚洲最大空中花 园，形成多层面的不等高阶梯式的楔形绿地，绿地面积5 万叮。所有植物都栽植在土壤厚 度3 m 深的屋顶土层，种植大乔木8 0 0 多棵，灌木2 万株，精品月季1 万多株，攀缘植物 7 0 0 株，宿根植物1 0 0 0 株，植草l 万m ，。屋项花园拥有一个大型的音乐灯光喷泉，水面面 积超过l0 0 0m 2 。这不仅在亚洲独一无二，在全球也属罕见。 ( 2 ) 我国屋顶花园建设存在的问题 现阶段，我国屋顶花园的建设稳步发展，但由于起步较晚，且受到社会经济发展水平 的制约，在我国屋顶花园建设还存在许多需要解决的问题1 4 j j ，归纳如下： 对屋顶花园的环境改善效应缺乏全面、科学的认识。随着城市化的加剧，各种城市 问题不断出现，譬如城市雨季排水泄洪压力、径流污染、城市热岛效应等。屋顶花园可以 在很大程度上解决这些问题，但是目前对屋顶花园的认识存在误区，除了常被人误认为实 施难度大、投资高昂，同时会破坏建筑屋面结构等外，但对屋顶花园在改善城市生态环境 方面所起的重要作用缺乏全面认识。现在建设较多的仅仅限于屋顶绿化，存在为绿化而绿 化的状态，未实现屋顶花园的节水、节能等环保功能，导致屋项资源的浪费。 政府在政策引导和支持不足。政府部门对屋顶花园的环境改善效应没有很清楚的认 识和研究，在屋顶花园的推广建设上缺乏相关鼓励性的补贴政策和额外财政支持，屋项花 园现状与城市生态环境建设不相适应。 4 屋顶花园的发展不平衡。受经济、气候等因素的影响，我国的屋顶花园建设多集中 在经济较发达的大城市，其中实施屋顶花园的建筑多集中在绿化条件好、后期养护技术到 位、经济基础雄厚的部门，建设成本成为影响屋顶花园建设和发展的首要制约因素。 科研投入的不足。自上个世纪6 0 年代起至今，虽然在屋顶花园建设方面有不少的实 践，但是，和国外的屋顶花园建设水平相比，我国无论在屋顶花园科学技术还是相关产品 开发，均处于一个起始阶段。比如屋顶花园的降温增湿、节能减排、清洁能源利用等功能 方面的研究均有待提高和完善。研究投入的不足使屋顶花园的设计和建造常存在着许多缺 陷和不足，譬如相关设旌的高投入、后期养护的高成本等，导致这些本应该实现的环保节 能作用不能充分的发挥。 1 5 研究内容和方法 综上所述，屋顶花园的建设对解决目前我国城市化进程中出现的环境问题具有许多独 特的优点，而屋顶花园的环境改善效应已日益为人们所认可，但是目前对屋顶花园环境改 善效应的研究多是定性分析，对设计实践的指导性不强。为此，本文本着理论研究指导设 计实践的科学原则很少进行定量的实验研究，无法深入、具体了解屋顶花园的环境改善效 应。为此，本文以实验研究、理论分析为主要手段，重点研究了屋顶花园夏季的降温效果 和城市水环境改善效应。并依据研究结论，有针对性地提出了屋顶花园常规设计的改进方 案，对增强其城市的环境改善效应具有重要的理论和实践意义。 5 第二章屋顶花园的环境改善功能 2 1 改善雨水水质，减轻城市雨水处理系统的负荷 屋顶花园的绿化可以对暴雨起一定的缓冲作用，同时对改善雨水水质、城市洪水控制、 建筑物腐蚀处理以及河流水质处理都起到不同程度的作用m 4 5 j 。 ( 1 ) 改善雨水水质，净化城市水源 城市雨水由于受到大气污染和城市建筑物、路面废物等的污染，水质严重下降。一方 面，城市空气由于受到车辆和工业所排放废气的污染，含有大量有害污染气体，如碳氢化 合物、氮氧化物、二氧化硫等。降雨时，这些污染物会污染雨水，使雨水酸化，形成所谓 的“降雨污染 。另一方面，屋顶表面在非降雨时期积累的大量沉积物和屋面材料由于老化 而产生的物质也会对雨水产生屋面径流污染。屋面材料中尤以常用的沥青类防水油毡危害 最大，这种材料在太阳的暴晒下，很容易老化变质，溶解在雨水中，使水中溶解性c o d 含量剧增。 对于以上所说的降雨污染和屋面径流污染，屋顶花园的绿化都能起到很好的缓解作用。 首先，屋顶花园的建设，减少了常规污染性屋面材料的应用，从而在一定程度上减少了老 化物质对屋面径流的污染。其次，屋顶花园能够通过屋顶绿化层截留、吸纳部分天然雨水， 并逐渐利用植物和人工种植土层中微生物的作用降解所蓄集的污染物质1 3 引，起到过滤和净 化雨水的作用。侯立柱等人的研究表明【4 6 1 ，雨水及不同下垫面径流水质的优劣次序为天然 降水 绿地径流 屋面径流。车武等的研究表明刀，土壤渗透对油毡屋面径流雨水中的难降 解c o d 有较强的去除能力，净化效果与渗透深度密切相关，l 1 5 m 厚的地表土壤层可去除 大部分有机污染物。再次，雨水通过土壤下渗，可以大大减少径流量，降低污染水体的总 量，而且通过选取合适的种植基质( 如多孔材料、富含腐殖质的土壤) 和适宜的植物，能 够更有效地吸收和降解雨水中的有害成分。 ( 2 ) 保水蓄水，减轻城市雨水处理系统的负荷 在我国很多城市，城市水环境呈日益恶化的趋势。地下水位逐年下降，绝大多数城市 存在水资源缺乏问题。另一方面，由于城市建设过于密集，城市中硬化的不透水面积过大， 城市对于降雨的保持能力很低，绝大部分降水不是渗透到城市的土壤中以补充地下水的消 耗，而是经排水管网流入江河，水消耗的持续恶性循环，最终将导致地下水资源的严重枯 竭。城市缺水严重影响城市的环境质量，特别是在夏季，由于空气中缺水，大面积混凝土 屋面、地面吸热，汽车尾气散热等原因，造成了以干热为特征的“热岛效应”。 我国城市水环境的一个严重问题是内涝。例如，2 0 0 5 年1 0 月3 日，福州在6 h 内降雨 量超过2 5 0 i i 蚰，造成整个城市发生严重内涝，损失上亿元。内涝的形成与城市排水管网布 置不合理有关，但更主要的原因还是在于城市建筑过于密集，硬化面积过大( 一般超过 5 0 ) ，绿化面积过小。o s 瑚【垤d s o n 【3 4 j 给出不同城市土地利用方式的地表径流系数，如表2 1 6 所示。从下表可以看出，绿地面积越大，地表径流系数越小，保持降雨的能力越大；相反， 建筑密集程度越高，地表径流系数越大，保持降雨的能力越小。所以，在降雨过于集中时， 雨水不能就地入渗，而是迅速形成地表径流，汇聚成洪水，由于超过城市管网排水能力， 在低洼处造成内涝。 表2 1 城市不同土地利用模式的地表径流系数m 1 1 a h l e 2 1t h en m o f f c o e f f i c i e n to f d i f f e r e n tl 】r b a nl a n dl l t i l i z a t i o n 土地利用方式径流系数 高密集建筑模式 中等密度建筑模式 有大面积公园的低密度建筑模式 运动场地 公园 o 田9 0 5 o 7 o 2 旬3 0 1 0 3 m m 1 要解决我国城市水环境的恶化和内涝问题，需要多种途径同时进行，其中，“节流”是 关键。主要思路是将城市的降雨尽可能多地保持在城市里，一方面补充地下水，改善城市 气候，降低城市热岛效应( 通过增加城市空气湿度) ；另一方面减少径流量，降低内涝风险， 减少污水处理量。 很多办法可以使城市降雨保持在城市里，如修建储水水窖，池塘；使用渗透性砖或砌 块，使用大孔混凝土和能渗透的涵管；但如表2 1 所示，增加城市绿化面积是最为有效的 办法，这是因为加大绿化面积不但能保持降雨，改善城市水环境，而且对城市的其它环境 问题，如城市生态、热岛效应、城市景观等都有改善作用。但是，城市建设用地价格高涨， 城市不可能做到大面积增加公园等绿地，唯一可以大面积增加绿地面积的途径就是屋顶绿 化。屋顶面积占城市用地面积5 0 左右，而且基本上不需要地皮费，提供了节省费用的可 能性。 j e r o e nm e n t e n s 等【4 8 】2 0 0 4 年通过实验( 屋顶坡度为2 0 0 ) 证实绿化屋顶相对于无绿化屋 顶具有推迟表面产流时间、降低总径流量、延长径流时间、降低径流峰值的作用，如图2 1 所示。但是，屋顶花园系统本身不能使地表水渗漏掉，因为建筑系统的上部结构和下部结 构是封闭的，屋顶花园通过绿化系统使水渗入地下或蒸发掉，重新形成地下水和自然水。 屋顶花园绿化系统对降落在其上的雨水有截留、吸收作用。雨水首先润湿植物表面，接着 湿润种植土层，被种植土层的孔隙吸收、存留的雨水又被植物吸收并通过蒸腾作用返回大 气。由于植物的截留和土壤的吸收，减少了屋面降雨的径流量，并且，通过截留延缓地表 径流产生的时间，降低了径流的洪峰值。有实验证明：大约有一半的降水留在屋面上，存 在于基质层中或通过植物蒸发掉。现在常采用的塑料蓄排水盘代替传统的卵石作为排水层， 可在凹处蓄积一部分雨水，在排水的同时还有5 0 蓄水功能( 每平方米可正常蓄水1 0 公 升以上) ，具有保持土壤湿润的作用。同时由于植物的根系是溯水而生，蓄排水功能保证了 植物生长所需的足够水分，同时也使根系快速向下生根，牢固的扎根于土壤中。 一 7 重 咖i 腥 盘 嚓 1 5 1 0 5 0 g昌88昌88昌昌 时间ooooooooo”4l h j onho hhh0 3 图2 1 绿化屋顶与无绿化屋顶径流流量随时问变化曲线h 研 f i g 2 1n 圮r e l a t i o i l s l l i pb e t 、e e n 廿峙t i m e 锄dm e 瑚o l r o f g r e 锄r 0 0 n og r e e n 瑚f 大面积绿化的屋顶花园效果更为显著，德国d u e s s e r d o l fu n i 通过试验论证屋顶花园系 统可以减小6 5 7 0 左右的排水系统压力。但是，绿化屋顶的排、保水能力与众多影响因素 有关，如试验季节、降雨强度、种植基层的结构、种植基层深度、基层性质、屋顶坡度、 绿化植物种类及生长状况等。由于影响因素众多，在特定地区所做某次试验结果不具有普 遍意义。但是，大量国内外试验证实，种植基层大于lo c m 的绿化屋顶相对无绿化屋顶而言， 全年能减少6 0 8 0 的径流量，即可以减小6 5 7 0 左右的排水系统压力。h u t c l l i s o ne ta 1 于2 0 0 3 年在波兰o r e g o n 进行了为期2 年的试验【4 9 1 ，证实了一块厚为l o c m 的绿化屋顶全年 能吸收6 9 的降雨。对于某一次降雨，绿化屋顶的吸水能力与种植基层的含水状况关系密 切，如果达到或接近种植基层的饱和持水量，绿化屋顶就不能吸水或吸水很少，所以连续 的长时间降雨条件下，屋顶绿化吸收雨水能力下降。 此钋，国外学者对植物存在与否、种植层深度对径流量的影响开展了研究工作。i b w e e ta 1 于2 0 0 3 年进行为期6 周的绿化屋顶对径流影响实验【删，试验对比分析了两块同样面 积的、同样倾斜角度的屋顶，一块覆盖1 2 c m 的碎石土，一块覆盖1 2 c m 种植层并栽植景天 属植物。试验结果表明，在经受降雨后，有植被覆盖的屋顶比只有碎石土的屋顶取得了更 好的减少径流量效果。m e n t e n se ta j 于2 0 0 3 在比利时也得出了相似结论f 4 引，表2 2 给出了 他的实验结果。 表2 2 不同类型屋顶的径流特征1 4 8 l t a b l e2 21 1 地m n o f r f - e 砷峭j so f d i 彘陀mr 0 0 f t y p e s 8 依此可以计算，如果一个城市屋顶面积占城市总面积的5 0 ，其中有5 0 屋顶得到绿 化，种植基层厚5 锄，吸水率( 种植层吸水占降落在上面的雨水的比率) 为5 0 ，那么，由 于屋顶绿化，减少的径流量将达到1 2 5 ，再结合屋顶绿化对雨水的吸收以及蒸发作用， 对于城市干热气候的改善、城市内涝的减轻有巨大作用。 2 2 净化空气，开辟新生物生息空间 ( 1 ) 吸收污染气体、过滤空气、降尘、净化空气 屋顶花园绿化通过吸收空气中的污染气体、过滤空气、降尘等作用，提高空气质量， 改善环境玲n 。现在城市的空气污染问题已经日趋严重，车辆在城市高速行驶，产生大量废 气尘埃和车辆与路面磨擦产生的颗粒，在气流的作用下到处飞扬，飘落到光秃秃的屋顶上 又会被风吹起，从而使得城市全年雾天数量增加，市民的呼吸道疾病也日趋严重。屋顶花 园通过其光合作用吸收城市空气中的二氧化碳和其他废气，释放氧气，从而净化空气，保 证了空气质量。此外，屋顶花园中的植物还可以吸附那些游离于城市高空的尘埃，使之落 定，从而减少空气粉尘，使城市天空清亮起来，林木草地中的空气尘埃含量比稠密建筑群 中的空气尘埃少5 6 ，据统计，一个城市屋顶绿化率如果达到5 0 ，可使其全年空气中的 灰尘降低4 0 左右。 屋顶花园绿化系统对气体污染负荷的削减主要表现在两方面：降低灰尘和吸收c 0 2 。 屋顶花园绿化对大气中灰尘的降低有两条途径：降低风速。种植植物可增大屋面的粗糙 程度，增大风的摩擦阻力；同时屋顶绿化对“热岛效应 的减弱，在一定程度上也减弱了 热岛环流，使风速减小。随着风速的降低，空气中携带的灰尘也随之下降。吸附作用。 绿色植物叶片表面生长的绒毛有皱褶且能分泌黏液，能够阻挡、过滤和吸附各种尘埃。北 京市的测试表明【5 2 1 ，街道绿化带的减尘率可达2 2 5 8 5 4 。与地面植物相比，屋顶植 物生长位置较高，能在城市空间中多层次地拦截、过滤和吸附灰尘，减尘效果更佳。屋顶 绿化对大气中c 0 2 的吸收，主要通过植物的光合作用完成。据估算，如果按成年入每人每 天呼吸消耗0 7 5 k 9 0 2 ，排出0 9 k g c 0 2 计，则绿化面积达到人均1 0 m 2 ，就可以吸收全部呼 出的c 0 2 。屋顶绿化可以有效增加绿地面积和城市中的植物生物量，有利于维持城市大气 中的碳氧平衡。据科学测定，如果一个城市中的屋顶全部绿化，则这个城市中的c 0 2 较没 有绿化前要降低7 0 以上。 研究表明，屋顶花园绿化系统在城市复合生态系统中通过吸收二氧化碳，释放氧气， 具有保持氧气和二氧化碳平衡的特征。j o 等【5 3 】在对城市植被减少大气中二氧化碳浓度方面 的研究中，应用计算机模拟量化植被对大气二氧化碳间接的调节作用，在考虑了遮蔽度、 土壤水分蒸发蒸腾损失总量、风速减小等影响因素后，发现城市绿化植被确实降低了大气 中二氧化碳的浓度。管东生等阱】分析了城市绿地植物的生物量和净生产量，以及绿地系统 内硫的含量特征、贮量分布和年吸收量，结果表明，净生产量中的硫量接近城市上空的平 均硫贮量，如果建城区绿地植物净生产量的硫量主要来自大气，植物的净化作用大约可使 大气中的硫每年更新循环一次。 9 屋顶花园的绿化还具有吸滞粉尘和有害气体【5 5 】，减少空气含菌量而起到净化空气的作 用【5 6 铘】。冯建军等【5 9 j 研究指出，绿化模式对大气污染整体净化效果与绿化模式的配置方式 密切相关，乔灌草立体结构明显，绿化带宽，则对大气污染的净化效果显著。沈家芬等唧j 通过对城市道路绿化抗污染模式的研究，指出植物种类相同，配置方式基本相似，则种植 密度与净化效果密切相关，密度适宜，通风适当的林带，其净化效果最好。 ( 2 ) 归还大自然有效的生态面积，开辟出新生物生息空间 生物栖息生境是生物生存和发展的基础啡】，随着城市化进程，楼群、混凝土地面取代 了城市原有的自然生境，自然景观消失，原生植被也随之消亡，原生植物减少乃至消失。 城市化导致生态系统的碎化已不可逆转，群落间支离破碎，变成孤立的“岛屿 ，破坏了生 态系统正常的结构和功能，气温、湿度、风力和光照等小气候以及地表径流等都产生了剧 烈变化，原来生长良好的许多物种由于环境筛选作用而消失，遗留种群的数量较小，分布 区狭窄，环境随机性逐渐起着决定作用；而异域种、尤其是伴人生物的生态入侵，更能利 用剩余资源，占据有效资源空间，进一步恶化了其他生物的栖息环境，导致群落结构的简 单化和物种多样性的丧失，原生生物多样性降低，加剧了种群的衰退和灭绝过程。 相较于地面绿化，屋顶花园受到的人为破坏更少，地面上栽种的草坪常常被人践踏破 坏，而屋顶花园铺设的草坪在保护建筑物构造层的同时自身也得到很好的保护。 系统化的屋顶花园绿化设施可以偿还大自然有效的生态面积，为野生动植物提供新的 生活场所，甚至可以保护和繁殖一些濒危的植物种类，通过生物的多样化来实现城市生态 系统的多样性，从根本上改善城市环境。据调查，很多在城市消失己久的动物如喜鹊、步 行虫等都己经重新出现在城市屋顶花园中。 2 3 缓解城市热岛效应 “城市热岛效应 是城市内部的温度比周围地区高的一种现象。近年来，城市建筑物 逐渐增多，由于太阳辐射引起的建筑物能量积聚也随之增多，加上家用燃料、工业、机动 车增加的能量源源不断，造成城市气候的能量剩余非常惊人。特别是在夏天，同郊区相比， 市内气温显著升高，在建筑物密集的市区，夏天由于缺水会出现令人难以忍受的高温。此 外市区城市路面和高层建筑物屋顶的深色表面大量使用的水泥，沥青等建筑材料，对热量 反射率低，能够吸收并保存太阳的热量，从而使建筑物升温，且很难冷却，尤以直晒的屋 顶吸热量最大，对“城市热岛效应”产生了推波助澜的作用。 如图2 2 所示，夏季市区要比郊区炎热很多。经调查，夜间市区降温微弱，气温比郊 区高出7 ( 白天则超出3 ) ，这会对人的健康产生长期的负面影响。屋顶花园增加绿色 空间所获得的不仅仅是视觉的美观，当屋顶花园发展到一定规模，就能够在维持生态系统、 调节城市气候中起到重要作用。特别是在高度密集的城市中心地区，这种作用尤为显著。 城市屋顶的总面积十分巨大，而屋顶花园仿佛一台台绿色的“自然空调 ，它们能够在城市 上空形成巨大的绿色生态网络，利用植物活体对热量的缓冲作用，通过蒸发水分达到散热 功能，可以很大程度降低“城市热岛”的温度。据研究，当一个城市屋顶绿化率达到7 0 l o 时，“热岛效应”就可以基本消失。 l v 图2 2 城市热岛效应线性分析图 f i g 2 2t h el i n e a ra i l a l y s i ss k e t c ho f t h eu r b a n h e e ti s l a n de 仃e c t 根据气候学原理，屋顶花园对气候的影响是通过两个过程来完成的。一是直接影响， 即绿地上方的变性空气，通过平流作用向四周非绿地上方扩散，从而使周围非绿地上的空 气性质发生变化。这种影响所波及的范围较小，而且除了贴地层外，其影响程度较轻。另 一种是间接影响，即绿地上空气象要素发生变化后，造成热力环流作用，在有利的地形条 件下，叠加在背景风场上，从而使较大范围的空气产生上升或下沉运动【6 引。据气候学分析， 间接影响所波及的范围以及影响程度比直接影响大，但其稳定性则比直接影响小。 下垫面由水泥面变为绿地面后，对气象要素场的影响过程可用框图( 图2 3 ) 表示如下： l 下垫面热力 l 动力差异 遭过垂直方 向上的猪毓 和辐射输送 图2 3 下垫面性质改变后对气象要素的影响过程6 3 】 f i g 2 3t h ep m c e s so f t h ei m p a c to f t h ep r o p e r 眵c h a n g eo f1 0 wp a ds u i f a c eo nm e t e o m l o g i c a lf - a c t o r 1 1 从图2 3 可知，绿地与水泥地的热力或动力差异，首先通过垂直方向的湍流交换和辐 射传递过程，把下垫面的特征量输送到上方气层，从而改变近地层的温、湿特征和风速分 布，然后通过两个过程向外扩散：其一是背景风场的平流输送；其二是由下垫面热力差异 所造成的热力环流的平流输送和间接作用。在框图中，平流输送所造成的影响可称为直接 影响；天空状况的改变所造成的影响可称为间接影响。城市平顶屋面绿化后，其气候状况 便是在这两种影响过程的交织作用下形成的。 城市屋顶绿化后，由于绿地面与水泥面的物理性质截然不同，改变了城市大气下垫面 性质，通过各种过程传到大气中并影响大气的低层结构，从而使这些地方原有的气象要素 场发生变化，形成与以前不同的城市气候畔j 。 如果一座城市5 0 的建筑物实现屋顶绿化，城市市区全年平均气温将下降0 7 左右， 气温超过3 0 的天数也将减少约2 1 ，绿化与非绿化屋顶温差见表2 3 。如深圳福田区梅 山苑在楼顶上种植了佛甲草后使夏季温度降低了1 2 左右。研究表明，屋顶花园可以降低 大约8 0 的自然辐射，从而大大减少城市水泥化产生的副作用。 表2 3 绿化与非绿化屋顶温差表1 2 5 l t a b l e2 3n e t e m p e r a t u r ed i 毹r e l l c eo f t h eg r e e n 啪f a n dn og 他即瑚f 利用植物蒸腾水分吸收热量起到缓冲和散热的功能，可以降低“热岛效应 1 6 5 。6 m 。据 加拿大多伦多屋顶绿化研究团体的一项研究表明【6 9 】，如果多伦多市屋顶面积有6 ( 6 5 0 万 平方米) 被绿化，其直接的效益是：热岛效应降低1 2 ；直接来自建筑物的温室气体排放 每年减少1 5 6 兆吨，间接由于热岛效应的减少而少排放的温室气体每年少o 5 6 兆吨；减少 灰霆天气5 1 0 ；通过植物吸附灰尘每年3 0 吨；每年通过屋顶截留雨水3 6 0 万吨；创造了 6 5 0 万平方米的公共和私人绿色空间。 2 4 提高建筑的节能效益 据有关测定，建筑物的屋顶绿化对于降低建筑物周围环境温度的作用十分明显，绿色 植物的根系从土壤中吸收水分，通过蒸发作用向空气中释放水分，提高空气的湿度，空气 的气温高达3 5 时，树荫下的气温却只有2 2 左右。而照在浓密绿色植物表面的太阳光有 7 0 左右被绿叶吸收，2 0 左右被绿叶反射回去，通过绿叶的透射光只有1 0 左右，被绿 化的屋顶在夏天的降温和增湿作用十分明显，气温降低的幅度可达0 5 4 。而建筑物周 围环境温度每降低l ，建筑物内部的空调容量可降低6 。对大面积的低层建筑物( 特别 是一些工业厂房建筑1 ，由于屋面面积比壁面面积大，夏季，从屋面进入室内的热量往往占 总围护结构热量的7 0 以上。夏季实测的结果表明，绿化的屋顶外表面最高温度比不绿化 1 2 的屋顶外表面最高温度( 可达6 0 以上) 可低