龔克娜， 王江海， 趙新華

(天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300072)

不同綠化屋面對(duì)雨水調(diào)蓄能力的影響

龔克娜， 王江海， 趙新華

(天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300072)

摘要：[目的] 為了分析不同基質(zhì)層厚度的綠化屋面對(duì)雨水的調(diào)蓄作用。[方法] 通過搭建綠化屋面裝置，采用人工降雨模擬器開展試驗(yàn)，在不同基質(zhì)層厚度和降雨條件下，對(duì)綠化屋面的降雨—徑流過程、持蓄雨水和減滯洪峰能力進(jìn)行了研究。[結(jié)果] 基質(zhì)層厚度在一定的范圍內(nèi)時(shí)，綠化屋面出水的洪峰過程具有很高的相似性；綠化屋面基質(zhì)層厚度與降雨持蓄率呈指數(shù)函數(shù)的關(guān)系；洪峰削減率與降雨強(qiáng)度無明顯關(guān)系，主要由基質(zhì)層厚度決定。[結(jié)論] 綠化屋面能在一定程度上降低雨水的徑流峰值，減少總的徑流量，延緩產(chǎn)流時(shí)間，且隨著基質(zhì)層厚度的增加，綠化屋面對(duì)雨水的調(diào)蓄能力越好。

關(guān)鍵詞：綠化屋面; 基質(zhì)層厚度; 降雨徑流; 持蓄雨水; 減滯洪峰

隨著城市的迅速發(fā)展，人口的急劇增長，城市的不透水區(qū)域面積所占的比例越來越大，引發(fā)了洪澇災(zāi)難、水質(zhì)污染、熱島效應(yīng)等一系列的問題。在當(dāng)前雨洪災(zāi)害愈演愈烈的情勢下，國內(nèi)外的眾多研究表明，綠化屋面作為一種新型的綠化形式，能在一定程度上降低雨水的徑流峰值，減少總的徑流量，延緩產(chǎn)流時(shí)間，最終在較長的時(shí)間內(nèi)通過蒸散發(fā)等方式緩慢釋放綠化屋面基質(zhì)層所持蓄的水分，使城市水文循環(huán)過程趨于自然化，有效降低城市洪水風(fēng)險(xiǎn)[1]。

綠化屋面的概念最早于19世紀(jì)末在德國出現(xiàn)，20世紀(jì)70年代開始，逐漸被重視并大面積推廣應(yīng)用[2]。Villarreal等[3]，Bengtsson等[4-5]，Carter等[6]研究了綠化屋面對(duì)雨水徑流的影響，表明了綠化屋面可以降低洪澇災(zāi)害，且提出雨水滯蓄效果與基質(zhì)層厚度、雨前干燥天數(shù)、降雨強(qiáng)度以及坡度等因素有關(guān)；Mentens等[7]，Bliss等[8]，Monterusso等[9]，S.Morgan等[10]研究表明，綠化屋面能夠有效減少降雨徑流量和峰值流量，延遲產(chǎn)流時(shí)間。中國的綠化屋面在降雨徑流水文水質(zhì)方面的研究起步較晚，唐莉華等[1]開展了綠化屋面的人工降雨徑流觀測試驗(yàn)，通過建立一維入滲模型HYDRUS-1 D，對(duì)綠化屋頂?shù)挠晁疁钚ЧM(jìn)行了模擬計(jì)算；魏艷萍等[11]通過對(duì)比普通屋面、重型與輕型屋頂綠化屋面降雨—徑流過程，分析了不同綠化屋面對(duì)雨水徑流的影響；孫挺等[2]通過研究綠化屋面的雨水滯蓄能力，歸納出了綠化屋面的典型降雨產(chǎn)流模式。之前的研究主要是以普通的花園土為營養(yǎng)基質(zhì)層，且基質(zhì)層多為某一固定厚度，關(guān)于不同基質(zhì)層厚度的綠化屋面對(duì)雨水調(diào)蓄作用的定量研究較少。本研究在天津市氣候條件下，搭建不同厚度的綠化屋面小試裝置以及采用不同的基質(zhì)“保綠素”開展人工降雨試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果從降雨—徑流過程、持蓄雨水和減滯洪峰等方面進(jìn)行分析，并著重研究綠化屋面不同基質(zhì)層厚度與雨水調(diào)蓄能力之間的關(guān)系。

1試驗(yàn)裝置與研究方法

綠化屋面按結(jié)構(gòu)功能可分為5層，從上到下依次是植被層、基質(zhì)層、過濾層、排水層及防水層。基質(zhì)層起到固定植物、保水保肥的作用，并且要求透水性好、質(zhì)量輕、具有一定的化學(xué)緩沖能力。過濾層的作用是防止基質(zhì)層泥沙等被雨水沖走。排水層主要是收集并排出基質(zhì)層中滲出的雨水。防水層用于防止水體侵蝕建筑屋面，抵抗植物根系的穿透能力[12-13]。綠化屋面的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　綠化屋面的結(jié)構(gòu)示意圖

本研究的試驗(yàn)地點(diǎn)選在天津大學(xué)土建館屋頂，所用的綠化屋面試驗(yàn)裝置尺寸為：長×寬=760 mm×530 mm，由于基質(zhì)層高度不同，各個(gè)裝置的高度也有所不同。裝置置放坡度約為4°，徑流出水通過裝置較低端的兩個(gè)采樣口采集，裝置基質(zhì)層上方1 cm處留有表層徑流溢流口(圖1)。試驗(yàn)采用北方地區(qū)綠化常見的景天屬植物佛甲草，該植物具有耐寒耐旱耐貧瘠及根系較淺容易成活等特點(diǎn)，在天津市的氣候條件下，蓄水量即可滿足佛甲草的生長需求。在裝置連續(xù)運(yùn)行的1 a里，生長狀況良好，覆蓋率達(dá)90%以上。試驗(yàn)中所用的基質(zhì)為“保綠素”白色無機(jī)填料，是基于無機(jī)材料、有機(jī)和無機(jī)肥料特制的無機(jī)營養(yǎng)基質(zhì)，具有輕質(zhì)和良好的排水保水等特性，適宜于植物的生長。試驗(yàn)設(shè)置了5個(gè)不同的試驗(yàn)組，分別對(duì)應(yīng)不同的基質(zhì)層厚度和排水板類型：5 cm(蓄排水板)、10 cm(蓄排水板)、20 cm(蓄排水板)、30 cm(蓄排水板)、10 cm(直排水板)。降雨試驗(yàn)于2013年8—10月進(jìn)行，參照天津市5年一遇的降雨強(qiáng)度，采用人工降雨模擬器開展試驗(yàn)，分別模擬了3種不同類型的降雨。每次試驗(yàn)進(jìn)行前，將綠化屋面試驗(yàn)裝置晾曬48 h以上，使初始基質(zhì)層濕度在20%～25%，以保證每次試驗(yàn)的前提一致。模擬降雨過程中，從綠化屋面徑流開始產(chǎn)生起，每隔5～10 min取樣1次。

2觀測結(jié)果與分析

2.1　不同基質(zhì)層厚度綠化屋面的降雨-徑流過程

圖2分別給出了3種不同降雨的降雨—徑流過程。平均降雨量分別為52.5，48.75，48.3 L，降雨類型有所不同。1號(hào)降雨為單峰，2號(hào)降雨為雙峰，3號(hào)降雨為雨型呈鋸齒形的波動(dòng)峰。

從圖2可看出，當(dāng)降雨強(qiáng)度為單峰時(shí)(1號(hào)降雨)，基質(zhì)層厚度為5和10 cm的綠化屋面對(duì)應(yīng)的徑流強(qiáng)度也為單峰，降雨強(qiáng)度為雙峰時(shí)(2號(hào)降雨)，對(duì)應(yīng)的徑流強(qiáng)度也為雙峰，當(dāng)降雨強(qiáng)度為波動(dòng)峰時(shí)(3號(hào)降雨)，對(duì)應(yīng)的徑流強(qiáng)度也具有一定的波動(dòng)性?；|(zhì)層厚度為20和30 cm的綠化屋面在3種不同雨型的降雨條件下，徑流強(qiáng)度均沒有明顯的峰值，徑流過程曲線比較平穩(wěn)。

從3種不同降雨的降雨—徑流過程可看出，4種不同基質(zhì)層厚度的綠化屋面的徑流過程線都在一定程度上滯后于降雨過程線，即延遲了產(chǎn)流時(shí)間，且基質(zhì)層厚度越大，滯后的時(shí)間越長，約為10～20 min。從降雨強(qiáng)度來看，基質(zhì)層為5和10 cm的綠化屋面徑流曲線與降雨過程線類似，但變化幅度要低于降雨過程線，峰值流量明顯減少，消除了降雨過程中的某些峰值。當(dāng)基質(zhì)層厚度大于20 cm時(shí)，徑流量大大減少，產(chǎn)流保持相對(duì)穩(wěn)定。

2.2　不同基質(zhì)層厚度綠化屋面徑流過程的相似性分析

研究表明，不同基質(zhì)層厚度的綠化屋面對(duì)應(yīng)的徑流過程之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，通過計(jì)算相關(guān)系數(shù)，可以反映其相似性。利用Microsoft Excel計(jì)算各徑流過程之間的相關(guān)系數(shù)如表1所示。

圖2　3種不同降雨的降雨-徑流過程

表1　3種降雨條件下不同基質(zhì)層厚度綠化屋面對(duì)應(yīng)的徑流過程之間的相關(guān)系數(shù)

由表1可以看出，在3種不同的降雨條件下，基質(zhì)層厚度為5和10 cm的綠化屋面對(duì)應(yīng)的徑流過程之間相關(guān)系數(shù)都較大(>0.7)，基質(zhì)層厚度為20和30 cm的綠化屋面對(duì)應(yīng)的徑流過程之間相關(guān)系數(shù)也較大(>0.7)，而其它基質(zhì)層厚度對(duì)應(yīng)的徑流過程之間的相關(guān)系數(shù)較小(<0.5)，說明當(dāng)綠化屋面的基質(zhì)層厚度在一定的范圍內(nèi)(5 cm

2.3　綠化屋面對(duì)雨水的調(diào)蓄能力

綠化屋面對(duì)雨水的調(diào)蓄能力主要是通過種植植被層對(duì)雨水的截留、利用和基質(zhì)層的入滲蓄滯等作用實(shí)現(xiàn)，通常表現(xiàn)為持蓄雨水能力和減滯洪峰的能力。

2.3.1持蓄雨水能力持蓄雨水能力一般通過降雨持蓄率進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]：

(1)

式中：P——降雨量(L)；R——徑流量(L)；ω——降雨持蓄率(%)。

表2列出了3場降雨條件下，不同基質(zhì)層厚度和排水板類型的綠化屋面對(duì)應(yīng)的雨水持蓄效果。

表2　綠化屋面持蓄雨水能力的觀測結(jié)果

從表2看出，綠化屋面對(duì)雨水具有一定的持蓄作用，不同基質(zhì)層厚度的綠化屋面持蓄雨水的能力不同，隨著基質(zhì)層厚度的增加，降雨持蓄率也相應(yīng)增加，大約在10%～70%。排水板類型對(duì)雨水的持蓄效果也有一定的影響，當(dāng)基質(zhì)層厚度相同時(shí)(10 cm)，使用蓄排水板的綠化屋面比使用直排水板的綠化屋面雨水持蓄效果更好，說明蓄排水板有一定的雨水持蓄作用。但基質(zhì)層厚度為10 cm，使用直排水板的綠化屋面比基質(zhì)層厚度為5 cm，使用蓄排水板的綠化屋面雨水持蓄效果更好，綜合來說相對(duì)排水板類型，基質(zhì)層厚度是影響雨水持蓄效果的主要因素。

擬合綠化屋面基質(zhì)層厚度與降雨持蓄率的關(guān)系曲線如圖3所示。擬合結(jié)果見表3。

圖3　綠化屋面基質(zhì)層厚度與降雨持蓄率關(guān)系的擬合曲線

項(xiàng)目1號(hào)降雨2號(hào)降雨3號(hào)降雨擬合公式y(tǒng)=10.223e0.0668xy=11.16e0.0462xy=14.679e0.0493x經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a10.223011.160014.6790經(jīng)驗(yàn)系數(shù)b0.06680.04620.0493擬合度R20.96000.98430.9005

從擬合結(jié)果可知，綠化屋面基質(zhì)層厚度與降雨持蓄率呈指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，擬合度R2均大于0.9，可用經(jīng)驗(yàn)公式(2)表示為：

y=aebx

(2)

式中：y——降雨持蓄率(%)；x——基質(zhì)層厚度(cm)；a，b——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

從表3可看出，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a，b均為正值，當(dāng)基質(zhì)層厚度x一定時(shí)，a，b越大，降雨持蓄率越大，a，b受雨前干燥天數(shù)、降雨強(qiáng)度、植被類型以及土壤導(dǎo)水及持水特性等因素的影響。

2.3.2減滯洪峰能力綠化屋面減滯洪峰的能力用洪峰削減率和洪峰滯后時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]：

(3)

Δt=tR-tP

(4)

式中：Pm——最大降雨強(qiáng)度(mm/min)；Rm——綠化屋面產(chǎn)流最大流量(mm/min)；η——洪峰削減率(%)；tR——綠化屋面產(chǎn)流流量峰值時(shí)刻(min)；tP——降雨峰值流量時(shí)刻(min)； Δt——洪峰滯后時(shí)間(min)。

表4給出了3種降雨條件下，不同基質(zhì)層厚度綠化屋面對(duì)應(yīng)的洪峰削減率以及洪峰延滯時(shí)間的計(jì)算結(jié)果。

表4　綠化屋面減滯洪峰能力試驗(yàn)結(jié)果

研究表明，綠化屋面對(duì)洪峰具有一定的削減和延滯作用?；|(zhì)層厚度越大，減滯洪峰的能力越強(qiáng)?；|(zhì)層厚度為5—10 cm時(shí)，洪峰的延滯時(shí)間較短，當(dāng)基質(zhì)層厚度大于20 cm時(shí)，對(duì)洪峰的延滯時(shí)間較長，基本在20 min以上?；|(zhì)層厚度與洪峰削減率的關(guān)系見圖4。

圖4　綠化屋面基質(zhì)層厚度與洪峰削減率的關(guān)系

從圖4可以看出，當(dāng)基質(zhì)層高度一定時(shí)，綠化屋面對(duì)不同降雨的洪峰削減率相差不大，對(duì)于單一的一場降雨，基質(zhì)層厚度增大，綠化屋面對(duì)降雨的洪峰削減率升高，基質(zhì)層厚度為5，10，20和30 cm的綠化屋面對(duì)應(yīng)的洪峰削減率平均值分別為：25.68%，30.60%，72.30%和80.76%。分析可知，綠化屋面對(duì)于降雨的洪峰削減率與降雨強(qiáng)度特征無明顯關(guān)系，主要由基質(zhì)層厚度決定。

基質(zhì)層厚度增加時(shí)，10和20 cm對(duì)應(yīng)的洪峰削減率差值最大，達(dá)到了41.70%，平均增加1 cm厚度，可以提高4.170%的洪峰削減率；而20—30 cm之間，平均增加1 cm厚度，洪峰削減率只提高了0.846%，5—10 cm之間，平均增加1 cm厚度，僅可以提高0.492%的洪峰削減率。由此可知，當(dāng)綠化屋面的基質(zhì)層厚度在5—10 cm之間時(shí)，綠化屋面的洪峰削減率增長非常緩慢；當(dāng)綠化屋面的基質(zhì)層厚度在10—20 cm時(shí)，綠化屋面的洪峰削減率在30.60%~72.30%之間，而且洪峰削減率隨基質(zhì)層厚度的增加，提高幅度很大；當(dāng)綠化屋面的基質(zhì)層厚度大于20 cm時(shí)，洪峰削減率隨基質(zhì)層厚度的增加，提高幅度明顯變小，說明當(dāng)綠化屋面的基質(zhì)層厚度增加到一定程度時(shí)，再繼續(xù)增加厚度，對(duì)洪峰的削減作用不大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在考慮屋頂建筑結(jié)構(gòu)承重能力的前提下，可以為搭建綠化屋面提前選擇相對(duì)安全且高效的基質(zhì)層厚度。

3結(jié) 論

(1) 綠化屋面具有明顯的雨水調(diào)蓄能力，且基質(zhì)層厚度越大，對(duì)雨水的調(diào)蓄效果越好。通過種植植被層對(duì)雨水的截留和利用、基質(zhì)層的入滲蓄滯等作用可延遲下墊面的產(chǎn)流時(shí)間、減少總的徑流量，能有效削減洪峰流量和延滯洪峰到來的時(shí)間，有效降低城市洪水風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 基質(zhì)層厚度在一定的范圍內(nèi)(5 cm

(3) 綠化屋面基質(zhì)層厚度與降雨持蓄率呈指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。可用經(jīng)驗(yàn)公式y(tǒng)=aebx表示。降雨持蓄率除了與基質(zhì)層厚度有關(guān)，同時(shí)也受雨前干燥天數(shù)、降雨強(qiáng)度、植被類型以及土壤導(dǎo)水及持水特性等因素的影響。

(4) 洪峰削減率與降雨強(qiáng)度特征無明顯關(guān)系，主要由基質(zhì)層厚度決定，且洪峰削減率與基質(zhì)層厚度是非線性的關(guān)系，當(dāng)綠化屋面的基質(zhì)層厚度在10—20 cm之間時(shí)洪峰削減率增長最快。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在考慮屋頂建筑結(jié)構(gòu)承重能力的前提下，可以為搭建綠化屋面提前選擇相對(duì)安全且高效的基質(zhì)層厚度。

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Effects of Different Green Roof on Rainwater Retention and Reduction Capacity

GONG Kena, WANG Jianghai, ZHAO Xinhua

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract：[Objective] To analyze the capacity of green roofs with different substrate layer thickness to hold rainwater and reduce the runoff.[Methods] A series of green roof assemblies were constructed, and artificial rainfall experiments were carried out. Under the different condition of substrate layer thickness and simulated rainfall intensities, rainfall—runoff process and rainwater retention and reduction capacity were studied.[Results] There is a relationship between runoff processes of green roofs and different substrate layer thickness; The thickness of substrate layer of green roofs has exponent relation with rainwater retention rate; Rainwater reduction rate has no obvious relation to rainfall intensity, and it mainly depend on the substrate layer thickness.[Conclusion] Green roof can reasonably reduce the peak flow, total volume of runoff and delay the runoff generation, and the capacity increased with the increase of substrate layer thickness.

Keywords:green roof; substrate layer thickness; rain-runoff; rainwater retention; flood peak reduction

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)01-0356-05

中圖分類號(hào)：X24

通信作者：趙新華(1952—)，男(漢族)，天津市人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境工程系統(tǒng)優(yōu)化與數(shù)學(xué)模擬研究。E-mail:zxh@tju.edu.cn。

收稿日期：2013-12-06修回日期：2014-01-13

資助項(xiàng)目：天津市科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金“生態(tài)校園水資源綜合利用成套技術(shù)示范工程”(08FDZDSF03200)

第一作者：龔克娜(1989—)，女(漢族)，湖南省婁底市人，碩士，研究方向?yàn)榫坝^生態(tài)、水污染防治。E-mail:gongkena@126.com。