CN110644685A

CN110644685A - 一种基于仿含水层理念的集雨屋顶

Info

Publication number: CN110644685A
Application number: CN201910926526.5A
Authority: CN
Inventors: 危润初; 乔小坡; 谌宏伟; 盛丰; 隆院男; 郑仰奇; 李志威
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2020-01-03

Abstract

本发明公开了一种基于仿含水层理念的集雨屋顶，所述集雨屋顶设置在屋面的上方，从下往上依次包括防水阻根层、过滤蓄水层、过渡层、基质层和植被层，所述过滤蓄水层的侧边底部还设置有排水口，所述过滤蓄水层包括火山渣，所述基质层包括二长花岗岩的风化物，所述植被层包括景天科酸性代谢植物。本发明能充分利用占城市表面面积30％的城市屋顶，从源头上控制径流污染、消减雨水径流量，同时充分利用雨水资源，达到减小雨洪内涝危害，缓解水资源利用紧张的现状；能同时满足蓄水调峰与净化水体的双重要求，即在调节家庭水生态尺度上构建完善的复合水生态系统，同时形成建筑景观，使现代化城市建筑更具有休闲观赏性。

Description

一种基于仿含水层理念的集雨屋顶

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种基于仿含水层理念的集雨屋顶。

背景技术

随着城市化进程的加快，城市人口增加，下垫面硬化率提高，雨水难以下渗至地下土壤，导致在降雨过程中形成大量的地表径流，增加了雨洪内涝发生的概率。此外，水质污染现象也屡见不鲜。诸多水问题产生的本质是水生态系统整体功能的失调，因此解决水问题的出路不在于河道与水体本身，而在于水体之外的环境。海绵城市既是一种建立在生态基础设施之上的健康的城市形态即生态型城市，也是一种关于雨、水及雨洪管理和生态环境治理的哲学、理论、方法和技术体系。它以“自然积存、自然渗透、自然净化”为特征，通过水生态基础设施来维护城市雨涝调蓄、水源保护、雨污净化、土壤净化、地下水回补和栖息地修复。其核心功能是实现对城市雨涝的调节，避免城市内涝的发生，同时做到净化水质。

专利文献CN201811376361公开了一种模块化绿色屋顶系统。它包括多个模块箱；模块箱底面呈锯齿结构，每个齿谷均有穿孔管，穿孔管两端与集水管连通；集水管中间连接有排水立管，排水立管上端与排水管连通，排水管还与蓄水池连通；模块箱内部从下往上依次为排水层、过滤层、种植层和超高区；排水层和种植层中分别埋设连通的阴极和阳极；种植层中种植景观植物，且埋有湿度传感器和穿孔地埋灌溉管道；穿孔地埋灌溉管道与蓄水池底部的潜水泵连通。但该专利针对雨涝调蓄、水源保护和雨污净化的作用不够显著，因此需要设计一种新的基于仿含水层理念的集雨屋顶。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于仿含水层理念的集雨屋顶，以解决背景技术中提出的城市雨洪内涝、径流污染等问题，并充分利用水资源。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于仿含水层理念的集雨屋顶，所述集雨屋顶设置在屋面的上方，从下往上依次包括用来防止植物根系过度发育破坏屋面结构、防止雨水或灌溉用水侵蚀屋面以及保证屋顶结构安全的防水阻根层、用于净化水质和储存水源的过滤蓄水层、用来防止其上基质层的物质堵塞过滤蓄水层中物质的孔隙并起导水作用的过渡层、为屋顶绿化植物提供所需的养分和水以及固定植物根部的基质层和利用植物的截留蒸发作用、同时吸收和净化雨水并控制地表径流的植被层；所述过滤蓄水层的侧边底部还设置有排水口；所述防水阻根层为高分子材料层，所述过滤蓄水层包括火山渣，所述过渡层包括河沙，所述基质层包括二长花岗岩的风化物，所述植被层包括景天科酸性代谢植物。

在一种具体的实施方式中，所述二长花岗岩的风化物为二长花岗岩区土壤，且所述基质层完全由二长花岗岩风化土壤组成，所述过滤蓄水层完全由火山渣组成。

在一种具体的实施方式中，所述防水阻根层包括聚乙烯和/或聚丙烯材料隔板。

在一种具体的实施方式中，所述过滤蓄水层的厚度为15～25cm。

在一种具体的实施方式中，所述过渡层的厚度为3～10cm。

在一种具体的实施方式中，所述基质层厚度为10～20cm。

在一种具体的实施方式中，所述景天科酸性代谢植物为佛甲草。

在一种具体的实施方式中，所述排水口内设置有镂空隔挡物。

本发明还提供了一种上述基于仿含水层理念的集雨屋顶的构建方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在屋面上方水平铺设防水阻根层；

步骤2、在防水阻根层上方用火山渣水平铺设过滤蓄水层，并在过滤蓄水层的侧边底部设置排水口；

步骤3、在过滤蓄水层上方水平铺设过渡层；

步骤4、在过渡层上方用二长花岗岩的风化物水平铺设基质层；

步骤5、在基质层上栽种植被层，植被层选用景天科酸性代谢植物。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明能充分利用占城市表面面积30％的城市屋顶，从源头上控制径流污染、消减雨水径流量，同时充分利用雨水资源，达到减小雨洪内涝危害，缓解水资源利用紧张的现状；能同时满足蓄水调峰与净化水体的双重要求，即在调节家庭水生态尺度上构建完善的复合水生态系统，同时形成建筑景观，使现代化城市建筑更具有休闲观赏性。

本发明采用火山渣作为过滤蓄水层的材料，火山渣对NH⁴⁺-N、NO²-N和NO³-N的理论最大吸附量分别为5.03mg/g、4.17mg/g、4.76mg/g。故火山渣对水体有极好的净化效果。同时，火山渣的孔隙率极高，可达到百分之六七十，能起到蓄水的作用。此外，火山渣的质地轻，能满足低荷载屋顶的需求，并且其内所含的矿物质元素，溶解至经过滤的水中可提高水质。

本发明中基质层采用二长花岗岩区的土壤，该土属于二长花岗岩的风化物，主要矿物为石英、钾长石和云母，将其与河沙和黏土对比发现，就密度而言，二长花岗岩区土壤的密度低于河沙和黏土的密度，即二长花岗岩区土壤最轻，能很好的满足低荷载屋顶的需求；就孔隙度而言，二长花岗岩区土壤的孔隙度高于河沙，有较好的储水能力；就渗透系数而言，二长花岗岩区土壤的渗透系数高于黏土的渗透系数，有较好的渗水能力；就给水度而言，二长花岗岩区土壤的给水度高于黏土的给水度，释水能力较好。另外，二长花岗岩区土壤中含有丰富的有机物，能为植物的生长发育提供充足的养分。综合而言，二长花岗岩区土壤质量轻，储水、蓄水和释水能力好，含有丰富的有机物，很适合用于填充基质层。

本发明中植被层采用景天科酸性代谢植物。它们的绿色组织上的气孔夜间开放，吸收并固定CO₂，形成以苹果酸为主的有机酸；白天则气孔关闭，不吸收CO₂，但同时却通过光合碳循环将从苹果酸中释放的CO₂还原为糖。从而白天的蒸腾量较少，不需要大量的水肥，景天科植物还有矮小抗风，耐污染的优点，适合屋顶的种植环境。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种实施例的示意图；

其中，1、植被层；2、基质层；3、过渡层；4、过滤蓄水层；5、防水阻根层；6、排水口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，本发明提供的一种基于仿含水层理念的集雨屋顶，所述集雨屋顶设置在屋面的上方，从下往上依次包括用来防止植物根系过度发育破坏屋面结构、防止雨水或灌溉用水侵蚀屋面以及保证屋顶结构安全的防水阻根层5、用于净化水质和储存水源的过滤蓄水层4、用来防止其上基质层的物质堵塞过滤蓄水层中物质的孔隙并起导水作用的过渡层3、为屋顶绿化植物提供所需的养分和水以及固定植物根部的基质层2和利用植物的截留蒸发作用、同时吸收和净化雨水并控制地表径流的植被层1；所述过滤蓄水层4的侧边底部还设置有排水口6；所述防水阻根层5为高分子材料层，所述过滤蓄水层4包括火山渣，所述过渡层3包括河沙，所述基质层2包括二长花岗岩的风化物，所述植被层1包括景天科酸性代谢植物。所述二长花岗岩的风化物所含矿物包括石英、钾长石和云母。

海绵城市的建设，不仅要依靠城市尺度的规划建设来解决，更需发挥每个个体的作用。家庭水生态基础设施，是国土尺度水生态基础设施在社区尺度的延伸。本发明能充分利用占城市表面面积30％的城市屋顶，从源头上控制径流污染、消减雨水径流量，同时充分利用雨水资源，达到减小雨洪内涝危害，缓解水资源利用紧张的现状；能同时满足蓄水调峰与净化水体的双重要求，即在调节家庭水生态尺度上构建完善的复合水生态系统，同时形成建筑景观，使现代化城市建筑更具有休闲观赏性。

本发明中过滤蓄水层4采用火山渣，火山渣是一种因火山喷发形成的天然硅酸盐类轻骨材料，具有多孔隙、质轻、导热系数小等性质，主要由孔隙、火山玻璃和矿物组分构成。火山渣具有以下优势：颗粒较细，孔多，比表面积大，为8×10³～15×10³cm²/g，单位质量的火山渣所含吸附位点多。此外，研究证明火山渣对氮素有极好的吸附作用，对NH⁴⁺-N、NO²-N和NO³-N的理论最大吸附量分别为5.03mg/g、4.17mg/g、4.76mg/g，能起到很好的过滤效果，故火山渣对水体有极好的净化效果。考虑到屋顶所要承载的荷载，火山渣的质地轻，能满足低荷载屋顶的需求。火山渣中含有丰富的矿物质元素，当雨水与火山渣充分接触时，能溶解部分矿物元素，提高水质。火山渣的孔隙率极高，达到百分之六七十，能起到蓄水的作用。

在一种具体的实施方式中，所述二长花岗岩的风化物为二长花岗岩区土壤，且所述基质层2完全由二长花岗岩风化土壤组成，所述过滤蓄水层4完全由火山渣组成。基质层2采用二长花岗岩区土壤，该土属于二长花岗岩的风化物，主要矿物为石英、钾长石和云母，将其与河沙和黏土对比发现，就密度而言，二长花岗岩区土壤的密度低于河沙和黏土的密度，即二长花岗岩区土壤最轻，能很好的满足低荷载屋顶的需求；就孔隙度而言，二长花岗岩区土壤的孔隙度高于河沙，有较好的储水能力；就渗透系数而言，二长花岗岩区土壤的渗透系数高于黏土的渗透系数，有较好的渗水能力；就给水度而言，二长花岗岩区土壤的给水度高于黏土的给水度，释水能力较好。另外，二长花岗岩区土壤中含有丰富的有机物，能为植物的生长发育提供充足的养分。综合而言，二长花岗岩区土壤质量轻，储水、蓄水和释水能力好，含有丰富的有机物，很适合用于填充基质层。

在一种具体的实施方式中，所述防水阻根层5包括聚乙烯和/或聚丙烯材料隔板。

在一种具体的实施方式中，所述过滤蓄水层4的厚度为15～25cm。

在一种具体的实施方式中，所述过渡层3的厚度为3～10cm。

在一种具体的实施方式中，所述基质层2厚度为10～20cm。

以下针对二长花岗岩区土壤、河沙和黏土进行各数据检测对比：

土壤密度测定：分别取天然状态下的紫鹊界梯田(典型二长花岗岩地区)土样完整土块和河沙土块，用排沙法测得体积V，再称取土样质量m，计算得到密度。

土壤孔隙度测定：土壤孔隙度K＝(1-σ容重/γ比重)×100％；

式中：土壤容重是指单位体积(包括孔隙体积)内，自然干燥土壤的重量与同体积水的重量之比；土壤比重是指单位体积的固体土粒(除去孔隙的土粒实体)的重量与同体积水的重量之比，其大小决定于土粒的矿物组成和腐殖质含量。

孔隙度测定步骤：

容重测量：环刀截取土块中的土壤，并称取环刀加土样质量m₁，将环刀连带土样置入蒸发加热器中105度加热一晚，称得质量m₂，得土样容重＝土样干燥质量(m₁-m₂)/环刀体积；

比重测量：用环刀取土样并压实，称得质量m₃，之前测得环刀质量m₀，则土壤比重＝(m₃-m₀)/(环刀体积V×水的密度ρ)。

将测得的土壤容重和比重带入公式中即可算出相应孔隙度。

给水度测定：数值上，给水度等于释出的水的体积与释水的饱和岩土总体积之比。首先用量筒称取一定体积V₁土样，放入带孔直导管中，不断加水至其饱和。随后放水，直至土样内的全部水分释干，用量筒测定释出的水的体积V₂，则给水度

渗透系数测定：采用达西实验，原理为

K＝Q×L/[(h₂-h₁)×A]

式中：K为渗透系数；L为渗透路径距离；V为流速；A为导管截面积；I为水力梯度；

下表为样品参数测定结果

土样	密度(g/cm<sup>2</sup>)	孔隙度(％)	渗透系数(cm/min)	给水度
					紫鹊界土壤	1.25	30	0.0762	0.1
河沙	1.4	25	2.075	0.12
					黏土	1.66	34	0.0418	0.01

在一种具体的实施方式中，所述景天科酸性代谢植物为佛甲草。由于屋顶不便于浇水，雨水称为屋顶植物的主要水分来源，且屋顶植物需要选择蒸发量较小的植物品种。景天科酸性代谢植物的绿色组织上的气孔夜间开放，吸收并固定CO₂，形成以苹果酸为主的有机酸；白天则气孔关闭，不吸收CO₂，但同时却通过光合碳循环将从苹果酸中释放的CO₂还原为糖。考虑到植物在房顶上生存和在地面上生存是不一样的，宜选用高度较低，根茎相对较短，质量较小的植物，景天科酸性代谢植物非常适合。

在一种具体的实施方式中，所述排水口6内设置有镂空隔挡物。仿照地下含水层中的地下水以泉的形式出露的原理，在过滤蓄水层侧边底部开一个排水口，排水口内安置一个开口朝内的镂空不锈钢半圆体，并在半圆内侧铺置一层阻隔材料，使过滤蓄水层内的雨水充分与火山渣接触，以获得净化效果较好的水。

为验证本发明对氮素的吸附作用，具体做法如下：

步骤A、将6个不锈钢圆桶按1～6号分号，并用自制的塞子将侧面底部的排水口封口，往每个桶内由下往上填充火山渣20cm、河沙4.5cm和用蒸馏水充分清洗的紫鹊界土壤15cm。

步骤B、降雨模拟：利用洒水装置模拟降雨量为150mm的暴雨过程，其中1～3号水中氮素浓度为4mg/L，4～6号水中氮素浓度为8mg/L。

步骤C、水样收集：为了反映不同水力停留时间对二长花岗岩风化物及火山渣吸附氮素作用的影响，实验中共设置了3个水力停留时间，分别是12小时、24小时和36小时。按照1号和4号的水力停留时间为12小时、2号和5号的水力停留时间为24小时、3号和6号的水力停留时间为36小时来收集水样。

步骤D、空白实验：用同样的土样填充方法、相同的步骤、等量的蒸馏水模拟降雨过程，水力停留时间为12小时，把收集到的水样中的氮素浓度作为空白值，从样品的分析结果中扣除。这样可以消除由于客观因素所造成的系统误差。

步骤E、水质检测：将收集到的水样送往水质检测中心检测水样中总氮和氨氮的浓度。

步骤F、检测结果：

从表可以直接看出，在原样品浓度为4mg/L和8mg/L的六组实验中，随着水力停留时间的增长，水中氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和总氮浓度都呈下降趋势。经过实验装置净化后，总氮浓度能减少22.2％～35.2％。

另外，对比实验中将基质层中的紫鹊界土壤更换为普通粘土和/或河沙。从对比实验可知，基质层使用普通粘土和/或河沙时，模拟雨水的下渗速度不理想，更重要的是该层几乎没有氮吸附性能，因而该方案中的总氮浓度下降不明显。而本发明的基质层设置为二长花岗岩风化物层，具体是紫鹊界土壤，而过滤蓄水层设置为火山渣层，且在二者间设置河沙层以便这两层顺利过渡，二长花岗岩风化物与火山渣二者均具备一定的氮吸附性能，二者协同作用，使得模拟雨水中的总氮浓度显著降低，且模拟雨水能顺畅地自上而下流动。本发明还提供了一种上述基于仿含水层理念的集雨屋顶的构建方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在屋面上方水平铺设防水阻根层5；

步骤2、在防水阻根层5上方用火山渣水平铺设过滤蓄水层4，并在过滤蓄水层的侧边底部设置排水口6；

步骤3、在过滤蓄水层4上方水平铺设过渡层3；

步骤4、在过渡层3上方用二长花岗岩的风化物水平铺设基质层2；

步骤5、在基质层2上栽种植被层1，植被层1选用景天科酸性代谢植物。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于仿含水层理念的集雨屋顶，其特征在于，所述集雨屋顶设置在屋面的上方，从下往上依次包括用来防止植物根系过度发育破坏屋面结构、防止雨水或灌溉用水侵蚀屋面以及保证屋顶结构安全的防水阻根层(5)、用于净化水质和储存水源的过滤蓄水层(4)、用来防止其上基质层的物质堵塞过滤蓄水层中物质的孔隙并起导水作用的过渡层(3)、为屋顶绿化植物提供所需的养分和水以及固定植物根部的基质层(2)和利用植物的截留蒸发作用、同时吸收和净化雨水并控制地面径流的植被层(1)；所述过滤蓄水层的侧边底部还设置有排水口(6)；所述防水阻根层(5)为高分子材料层，所述过滤蓄水层(4)包括火山渣，所述过渡层(3)包括河沙，所述基质层(2)包括二长花岗岩的风化物，所述植被层(1)包括景天科酸性代谢植物。

2.根据权利要求1所述的集雨屋顶，其特征在于，所述二长花岗岩的风化物为二长花岗岩区土壤，且所述基质层(2)完全由二长花岗岩风化土壤组成，所述过滤蓄水层(4)完全由火山渣组成。

3.根据权利要求1所述的集雨屋顶，其特征在于，所述防水阻根层(5)包括聚乙烯和/或聚丙烯材料隔板。

4.根据权利要求1所述的集雨屋顶，其特征在于，所述过滤蓄水层(4)的厚度为15～25cm。

5.根据权利要求1所述的集雨屋顶，其特征在于，所述过渡层(3)的厚度为3～10cm。

6.根据权利要求1所述的集雨屋顶，其特征在于，所述基质层(2)厚度为10～20cm。

7.根据权利要求1所述的集雨屋顶，其特征在于，所述景天科酸性代谢植物为佛甲草。

8.根据权利要求1所述的集雨屋顶，其特征在于，所述排水口(6)内设置有镂空隔挡物。

9.一种上述基于仿含水层理念的集雨屋顶的构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在屋面上方水平铺设防水阻根层(5)；

步骤2、在防水阻根层(5)上方用火山渣水平铺设过滤蓄水层(4)，并在过滤蓄水层的侧边底部设置排水口(6)；

步骤3、在过滤蓄水层(4)上方水平铺设过渡层(3)；

步骤4、在过渡层(3)上方用二长花岗岩的风化物水平铺设基质层(2)；

步骤5、在基质层(2)上栽种植被层(1)，植被层(1)选用景天科酸性代谢植物。