system: [SYSTEM]

user: 3. 城市管理效应分析 3.1. 水文效应 水文功能，强调的是蓄水，调节河流径川、补充地下水和维持区域水平衡，生态隔热层在截蓄雨水，降低暴雨径流量，减少河流径流量，起到天然“海绵”功能。通过生态隔热层的吞吐调节，在一定的程度上，调节时间区域的水循环，并且可以起到一定的抗旱功效，而本课题的研究，同时增添生态隔热层的抗旱研究，希望在一定的程度上可以减少城市生态绿化维养成本，节约城市水资源，降低城市管理成本。通过生态层隔热层水文功能，改善城市局部流域的水资源与水循环，从而调节空气中的水分子运动，并进而影响区域生态系统的水分运动和城市区域水系的水量、水质变化。研究和认识生态隔热层的储水性，对于合理开发、利用自然降水资源，防治水患，充分发挥生态隔热层的城市水文效益具有重要意义 [ 5 ] 。 涵养水源，调节流量，减少内涝。通过合理设计和选择营养层(蓄水层)、过滤层、种植基层和植被层的材料，计算和比较不同草种的储水性，分析生态隔热层调节径流和蓄水的能力。图4为培育中的两种不同草本。 图5和图6分别为本课题研究中两种不同草种的储水分析图，同样的培育结构，但其中过滤层材质和营养基层有所不同。在以下所有的理论分析计算中，假设厚度为定量不变，进行测试以及其他相关变量的理论推理计算。 测试原理是采用同等户外条件下养护，挑选连接一星期不下雨的时段，裁剪样品进入实验室，模仿暴雨冲淋，进行检测，计算不同时段吸水率，实施数据分析，分析其暴雨瞬时储水性和暴雨后再储水能 图4. 培育中的草本 图5. 铺地锦竹草储水率图 图6. 针叶佛甲草储水率图 力，以评估其调节径流和蓄水能力，同时评估其在城市内涝中的城市治理效益。 从生长状态来看，铺地锦竹草生长旺盛，实物观测可以看出单位面积内植物簇数量多于针叶佛甲草。但铺地锦竹草的瞬时吸水率低于针叶佛甲草，再对结构材料实施针对性分析比较，分析影响生态隔热层调节径流及蓄水能力的因素有： 1) 结构层的介质材料，若要生态隔热层获得良好的储水性，培育基层中的介质材料选择非常重要。介质材料，包括营养层和滤水层。各物质材料的组成，粘度，孔隙率，材料的吸水性也对储水性产生影响，针叶佛甲草的营养层采用科学配比，滤水层采用PVC窗纱网，有一定的吸水和储水能力。 2) 介质厚度，同等材料，介质越厚，吸水率越强，储水能力越强。当然介质越厚，在暴雨期间储水量越大，层顶结构层承重量也会随着增加，需要根据建筑顶层结构的最大承载力选择合适的厚度。 3) 介质的初始湿度，实验表明室内温度达到31℃，温度为69%的情况下，一个星期耐旱耐瘠的样品瞬时吸水率达到最高水平，随后处于储水空间极度饱和状态，直至延续至16个小时后，才再度释放微弱的储水空间，18至19个小时后，又达到极度湿润状态下的二次饱和峰值。 根据国家气象台数据：小雨指日降雨量在10毫米以下，中雨日降雨量为10~24.9毫米，大雨降雨量为25~49.9毫米，暴雨降雨量为50~99.9毫米，大暴雨降雨量为100~250毫米，特大暴雨降雨量在250毫米。按100毫米的降水量等于100升/平方米的降水量为计算的依据。在分析数据中，分别剪取5 cm * 5 cm的铺地锦竹草和针叶佛甲草进行瞬间储水量计算，铺地锦竹草的量约为22.4 kg/(m 2 ·2 cm)，针叶佛甲草约为30.68 kg/(m 2 ·2 cm)。转化为立方数据是，铺地锦竹草为1120 kg/m 3 ，针叶佛甲草为1534 kg/m 3 。它们在耐旱耐瘠一周的情况下，他们的瞬间储水力分别为约22.4毫米和约30.68毫米的降雨量，同时也是铺地锦竹草和针叶佛甲草截留降水和调节径流的饱和容纳能力。 根据广州市2017年10月31日城市卫星图像，叠加广州市海珠区的建筑矢量图，分别计算广州市海珠区天台和绿化天台面积，天台总面积约12，668，000平方米，绿化天台面积约251，300平方米，目前海珠区天台绿化率约为2%。图7为中山大学南校区地环大楼的卫星截取图。图8为海珠区卫星图与建筑矢量叠加计算部分图。 假设海珠区所有天台全部实施生态隔热层种植，分析在暴雨时，整个海珠区截留降水和调节径流的能力，铺地锦竹草的量约为283，763，200千克，针叶佛甲草约为388，654，240千克。以1千克水的质量是1升，1升 = 0.001立方米为转算依据，铺地锦竹草转化后的储水容量约是28.38万立方米，针叶佛甲草的约是38.87万立方米。按国家对水库的划分：小(一)型水库库容大于或等于100万立方米而小于1000万立方米；小(二)型水库库容大于或等于10万立方米而小于100万立方米。 3.2. 水质净化效应 生态隔热层可以利用营养层材料特性，改善水质，降低水的硬度，平衡水的酸碱性，并可防止水资 图7. 中山大学南校区地环大楼卫星图 图8. 海珠区卫星图与建筑矢量叠加图(部分) 源受到环境中的物理、化学、热能及生物的污染。在营养层比对项目分析上，铺地锦竹草，采用常规土壤作为基层营养层培养，而针叶佛甲草中的营养层采用泥炭、木屑、蛭石、陶粒、浮石等混合物组成。 分别对他们在改善水质的酸碱性进行实验数据分析，采用PH为7的自来水实施横向对比检测，水培育植物时长达24小时，每隔4小时分别监测。铺地锦竹草的培育水质PH值变为5，针叶佛甲草初始时PH不变，16小时后PH为8，可以利用这个特性，调节不同地区的降雨特性，尤其是容易产生酸雨的区域，实施生态水质治理。 当前学术界普遍利用生态植物各种生物植物特性，实施植物生态治污方案以及措施，并取得一定的成效。 城市化进程的一个恶果是暴雨带来更多的污染物集聚到河流，并且随着水分子的在河流及空气中的扩散运动，不断扩大污染影响。而且人口的大量聚集，生活垃圾的加剧，加重已经富营养化水体的危机，利用植物吸收营养的特性和营养层的材料特性，可以吸收和过滤处理一定的污染物，将其截留转化为植物的肥料。因为营养层的材料可以自由根据实际需要配合，从而改变生态隔热层的某方面功能，从而实施水体的生态治污工程。 针叶佛甲草的营养层设计，就充分考虑到水质处理问题，利用材料的特定功能达到一定的水体碱化效果。 生态隔热层对水质的净化功能，里面涉及的微妙化学反应，及治污处理过程是一个集土壤、材料、环境、化学以及生物学相融合一个多学科结合的研究过程。 3.3. 节能效应 城市生活的群聚效应，以及人们不断上涨的物质文明生活需求，导致社会能耗需求不断急剧增加，从而导致大量的碳排放，加剧城市热岛效应，加速全球变暖。近年来低碳减排，节能成为各国首要政治任务，围绕节能减排，各相关学科不断地进行各种研究。 建筑材料领域更是穷尽材料学科知识，极力从不同材料的传热系数入手，不断实施各种配比研究，但取得的成效相当低。在其他相关领域，也是不断利用新出来的材料的各种节能功能，打造低碳节能产品，以实施城市的节能效应 [ 6 ] 。在层出不穷的材料利用以及功能叠加下，也为城市节能带来一定的贡献，但有种穷兵黩武的感觉。 屋顶花园的节能效应，早有研究，但截止到现在并没有得到很合理的利用，主要是建造成本和养护成本及结构安全需求尚未寻到有效解决方案。本课题研究的两种超薄耐旱耐瘠的草种，既不会对现成建筑产生结构安全问题，同时建筑成本和维养成本极低，适合大面积推广应用。在实施监测研究过程中，针对其节能效应做了一定的检测数据对比分析。图9、图10和图11分别是佛甲草绿化天台与周围空间温度变化的研究图，图12为地环大楼生态隔热层的温度监测图。 从检测和监测数据分析，生态隔热层对室内温度的降温效应稳恒介于2℃左右，对于天台可以在高温时段降低楼板及室内温度，尤其是夏天楼板温度可以达到40℃时，绿化的天台，可以将温度平衡在30℃ 图9. 佛甲草绿化天台与裸天台室内温度变化图 图10. 佛甲草绿化天台与裸天台1.5 m处温度日变化比较 图11. 佛甲草绿化天台与裸天台贴面处温度日变化图 图12. 地环大楼温湿监测图 左右。 在建筑材料性能中，常规建筑钢筋混凝土传热系数高、比热容小，建筑群体本身容易产生高温现象，同时也会对周围空间产生热岛效应，一系列的建筑高温堆垛效应下，产生城市热岛效应。另根据粤08J/216《佛甲草种植隔热屋面建筑构造》的佛甲草种植屋面热工计算表，整个生态隔热层的传热系数为0.98W/(m 2 ·K)，热惰性指标D为3.834。D值愈大，周期性温度在其内部的衰减愈快，围护结构的热稳定性愈好，可以有效缓解钢筋混凝土带来的高温效应。 针叶佛甲草的生态隔热层可以改善建筑物在太阳爆晒下产生的高温现象。城市存在大量的钢筋混凝土物、沥青道路等，根据能量守恒原理，大量空调的使用，室外高热现象加剧，城市热岛效应影响范围扩大。可以利用生态隔热层能有效降解建筑结构的高温能力，一方面缓解城市热岛效应，一方面实施城市节能效应。 根据上图的温度检测数据，做节能减排数据分析，可以整理得到表1。 Table 1 Comparison of power consumption between the Sedum mexicanum roof and the bare roof 1.5 m standard roo 室内温度 耗电量 费用 裸天台 32.5 1 kw/h 0.61元/h 佛甲草绿化天台 29.6 0.65 kw/h 0.40元/h 表1. 佛甲草绿化天台与裸天台1.5 m标准房间的耗电比较 假设单位空间佛甲草绿化天台相应系列的室内均降温2.9℃，单位区域内降低的能耗为0.35 kw/h，估算降温对周围的影响，从监测可以看出，降温影响大概时效可以持续16个小时，那么楼层顶层一台空调可以节省的能耗为5.6 kw，那么一个区域的数据？只做楼层顶层节能计算，100平方米的空调只计算一台空调，以海珠区12.668平方公里的楼台面积实施计算，一个海珠区一天可以节能约709，408 kw。由此可以明确生态隔热层的节能效益非常高。 3.4. 生态系统修复效应 地环大楼的层顶生态隔热层观测基地，已经实施两年，在天生天养的过程中，植物的种类也由原来的两种不断有其他的植物种类出现，这些植物全都属于种子繁殖，至于种子的来源，一部分可能是风带来的，另一部分应该是来生态隔热层玩耍的鸟类带来的，可以简单概括为由自然界带来。中山大学南校区素来有“候鸟驿站”和“观鸟圣地”之称，每年都会有大批候鸟在中大南校区具有良好生态环境的树林中做气候迁移栖息，而每年都会有大批的观鸟爱好者在各种丛林中拍摄候鸟，在一定的程度上影响候鸟玩耍。在本项目的观察过程中，带来最大的意外惊喜是，经常在无意中见到一群不同的鸟类在生态隔热层中玩耍与嬉戏，一旦发现有人出现，即飞离而去，极难抓拍。用生态隔热层铺设的绿化天台，无意中为在中大南校区栖息的鸟类提供了舒适的玩耍地。图13为基地初始及一年后的照片对比。 图13.地环大楼基地前后对照图 由图13可见屋顶生态隔热层在维护和修复生物多样性方面起到特殊的作用，在耐旱耐瘠实施两年过程中，共带来22种种子类植物，能明确观察到在生态层上玩耍的鸟类6种，蝴蝶品种4种，蜂类3种，蜻蜓2种，在雨水较多的月份里，能观察到小蜗牛和小螺的出现，薄薄的生态隔热层就可以在屋顶构建成一个小型的生态系统。其中还有一种高大灌木，无法解释来源，只能说明是候鸟选中了这个环境，从其它地方叼来，培养生长成适宜居的灌木种。图14观察过程中拍下的多样性生物。从项目实施天生天养起，从自然带来的植物和生物带来的数量来看，生态隔热层对城市生态系统具有一定的修复效应。 图14. 观察过程中捕足到的生物多样性 3.5. 环境优化效应 1) 构造城市绿意天际线 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 。建筑的本意在于展现艺术美，城市规划的本意是建筑美相互影响叠加，不断美化城市，愉悦广大市民美好的心灵。在现代建筑设计中，一个优秀的生态景观设计师和规划师是能科学地理解周围土壤、水、植物和大气之间微妙的内在联系，并且很好地在建筑的第五立面中完美诠释出来，优秀的作品往往能为城市构建出良好的特色绿意天际线，改变过去，人们只能在田间享受着“闲看庭前花开花落，漫随天外云卷云舒”的悠闲的现象，让人们可以在城市灰色的第五立面寻找到另外一片绿意天地 [ 4 ] 。图15为构建城市天际线图，前面是裸天台的城市天际线景观图，后面是玉宇公司与惠州某房地产企业实施天台绿化行动后的城市绿意天际线景观图，改善了城市建筑钢筋混凝土带来的灰冷，带来了充满生命力绿意天际线的环境优化效应。 图15.城市天际线 绿意天台景观，让灰色的天台布满积极向上的生命色彩。图16为中国屋顶节能绿化行动实施天台绿化行动前后的改造景观航拍图。在光秃秃的屋顶实施针叶佛甲草的绿化后，整栋建筑仿佛融入了绿化艺术性的生命力。 图16. 城市天台改造 2) 滞尘、净化空气，利用佛甲草植簇的特性，有效滞尘，实施环境优化效应。中国城市雾霾严重，大部分城市PM2.5达不到WTO要求。雾霾对人身体健康有巨大负作用，尤其是肝脏和肺，医学上认为雾霾在一定的程度上会令儿童脑部发育受损，同时对老人易造成多种老年病。我们常说的PM2.5，粒径较小，人体的鼻腔、咽喉已经挡不住的可吸入颗粒物，它们可以一路下行，进入细支气管、肺泡，再通过肺泡壁进入毛细血管，再进入整个血液循环系统，对人体的呼吸系统和心血管系统造成伤害。 雾霾的主要来源是煤、石油和化石燃料的燃烧，比如汽车，飞机，工业锅炉等的燃烧过程，也有化肥厂，金属冶炼厂生产过程中的排放，以及环境空气中硫氧化物、氮氧化物、挥发性有机物和其它化合物的反应生成。PM2.5主要来自于人为排放，包括一次排放和二次转化生成。一次排放主要来自燃烧过程及粉尘、扬尘。二次转化是指由二氧化硫、氨、氮氧化物和挥发性有机物等气态前体物在大气中通过化学反应而生成。 可以通过生态隔热层实施尘霾的吸滞，实施雾霾空气净化效应，还城市清新空气。在测试结果中针叶佛甲草1平方米约可以滞尘200 g。图17为针叶佛甲草的滞尘数据横向对比图。 图17. 针叶佛甲草滞尘能力数据 在介绍生态隔热层结构图的时候，本文简单介绍生态隔热层中针叶佛甲草的营养层材料组成，通过大气以及降水，生态隔热层可以实施离子的交换作用，以及利用营养层的疏松多孔性，有效俘获空气中的污染物或者实施微生物降解，通过污染物滞留或者反应消耗掉，从而达到空气治污，净化空气，处理各种PM颗粒的功效。 3) 固碳、低碳节能效应，有助于低碳智慧型城市的建设 [ 2 ] [ 6 ] 。为了缓解全球温室效应，我们的国家主席在联合国巴黎气候变化大会承诺了：中国在“国家自主贡献”中提出将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值并争取尽早实现，2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%~65%。温室效应的主因是CO 2 。减少碳排放以及利用绿植消耗空气中单位定量的含碳量，是减少温室效应的有效途径。 绿植的功效在于利用二氧化碳和水在叶绿机体内发生光合作用，产生人类需要的氧和有机质，在能量的转换过程中，同时将热能转换成化学能。这里生态隔热层植物本身具有极强的固碳功能。同时其降温能力的节能又可以间接减少城市能耗中的碳释放，实施低碳减排功效。 依据光合作用公式，以及绿色植物在晴天时，通常每天每平方米叶片约需要吸收5 g二氧化碳进行光合作用，对屋顶生态隔热层产生城市管理效应的低碳作用进行计算。 根据遥感数据估算出来的海珠区天台面积，假设海珠区所有天台，已经实施生态隔热层绿化，一天的固碳量约为63.34吨。 再根据发改办气候[ 2011 ] 1041号《省级温室气体清单编制指南》2005年我国区域电网单位供电平均二氧化碳排放，广东省单位供电平均二氧化碳排放为0.714 (kg/kW·h)，再基于节能效应的计算推理数据，以一台空调一天的减碳量约为4 kg，基于海珠区约12.668平方公里的天台面积，假设每100平方米仅置一台空调，只计算顶层节能减碳，海珠区一天的减碳量约为506，720 kg (506.72 t)。