葛 德，張守紅

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，公路、街道、建筑等基本不透水城市景觀取代原有的森林、草地、農(nóng)田等透水地表，阻止雨水下滲和土壤水分蒸發(fā)，破壞流域自然水循環(huán)，引發(fā)城市熱島和內(nèi)澇積水等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1-2]。為解決這些問(wèn)題，我國(guó)借鑒低影響開發(fā)、可持續(xù)城市排水系統(tǒng)和水敏感城市設(shè)計(jì)等現(xiàn)代城市雨洪管理理念，結(jié)合我國(guó)雨水控制與利用的傳統(tǒng)智慧，提出并推廣海綿城市建設(shè)戰(zhàn)略[3]。綠色屋頂，作為海綿城市建設(shè)的重要措施之一，具有滯留雨水、減少?gòu)搅?、削減和延緩洪峰等徑流調(diào)控功能[4-5]。相比其他低影響措施，綠色屋頂?shù)膬?yōu)勢(shì)在于可利用閑置屋頂，無(wú)需額外用地，在土地空間有限但環(huán)境問(wèn)題突出的城鎮(zhèn)核心區(qū)域具有較大的應(yīng)用前景[6]。

綠色屋頂從上到下可分為植被層、基質(zhì)層、過(guò)濾層、排水層和阻根防水層等[4,6]。根據(jù)基質(zhì)層的厚度，綠色屋頂可分為復(fù)式(集約型)和簡(jiǎn)式(粗放型)2類[7-11]。復(fù)式綠色屋頂?shù)幕|(zhì)層較厚，可種植草本、灌木和小喬木等多種植物，但對(duì)建筑的承重要求以及建造、養(yǎng)護(hù)成本相對(duì)較高。簡(jiǎn)式綠色屋頂基質(zhì)層較薄，適宜種植淺根草本植物，因建造和養(yǎng)護(hù)成本相對(duì)較低[12]，且具有良好的徑流調(diào)控[5]、節(jié)約能源[13]和增加生物多樣性[14]等功能，應(yīng)用較廣泛[15]。

綠色屋頂?shù)膹搅髡{(diào)控功能主要通過(guò)其植被層和基質(zhì)層對(duì)雨水的截留和滯留過(guò)程實(shí)現(xiàn)[16]。簡(jiǎn)式綠色屋頂?shù)闹参锝亓袅肯鄬?duì)較小，基質(zhì)層雨水滯留能力是決定其徑流調(diào)控功能的主要因素[17]。研究表明，基質(zhì)層雨水滯留能力主要受生長(zhǎng)基質(zhì)持水特性和厚度影響[4-5]?；|(zhì)層厚度是綠色屋頂徑流調(diào)控能力最重要的影響因素之一[5]；基質(zhì)粒徑不同，其蓄水能力也具有顯著差異[18-20]，小粒徑顆粒物[20]和有機(jī)物[21]含量越高，會(huì)與大顆粒之間產(chǎn)生更多的儲(chǔ)水空間，導(dǎo)致滯留雨水能力更強(qiáng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)綠色屋頂雨水滯留能力進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)[18,22-25]和模擬[16,26-31]研究。受到氣候條件、基質(zhì)類型和植被類型等因素影響，不同綠色屋頂?shù)挠晁疁裟芰Υ嬖诓町?。Razzaghmanesh等[32]在阿德萊德通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，10 cm基質(zhì)厚度的綠色屋頂平均雨水滯留率為74%；Wang等[33]的研究得到天津市7個(gè)10～15 cm基質(zhì)厚度的綠色屋頂?shù)钠骄鶞袈蕿?3%；Stovin等[34]監(jiān)測(cè)了謝菲爾德22場(chǎng)大于5 mm的降雨，發(fā)現(xiàn)8 cm基質(zhì)厚度的綠色屋頂能夠滯留30%雨水。當(dāng)前研究主要集中于綠色屋頂?shù)挠晁疁艉蛷搅飨鳒p能力，而關(guān)于綠色屋頂?shù)暮榉逑鳒p效益、產(chǎn)流和洪峰時(shí)間延遲效益的研究相對(duì)較少。

此外針對(duì)我國(guó)不同氣候區(qū)，尤其是北方地區(qū)城市綠色屋頂徑流調(diào)控的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)研究相對(duì)匱乏[5]。筆者基于在北京市對(duì)3種生長(zhǎng)基質(zhì)(輕質(zhì)基、改良土和田園土) 和2個(gè)基質(zhì)層厚度(10 cm和15 cm)共6個(gè)佛甲草(Sedumlineare)綠色屋頂降雨徑流過(guò)程的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，以徑流削減率、洪峰削減率、產(chǎn)流延遲時(shí)間和峰現(xiàn)延遲時(shí)間等為指標(biāo)，定量分析生長(zhǎng)基質(zhì)類型及厚度對(duì)綠色屋頂徑流調(diào)控效益的影響。研究結(jié)果可望為綠色屋頂?shù)乃脑O(shè)計(jì)及徑流調(diào)控效益評(píng)估提供科學(xué)基礎(chǔ)，為我國(guó)北方海綿城市建設(shè)提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)綠色屋頂建在北京市海淀區(qū)北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)樓頂，位于北京北四環(huán)到北五環(huán)之間，具有典型的北方城市小氣候特征。氣候類型為北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年降水量644 mm，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。降水季節(jié)分配很不均勻，全年降水的80%集中在夏季(6、7和8月)[35]。根據(jù)北京城區(qū)松林閘雨量站的降雨數(shù)據(jù)，北京市3年一遇、5年一遇、10年一遇的24 h降雨量分別為108、141和209 mm。

本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)1 m×1 m的試驗(yàn)綠色屋頂(表1)。綠色屋頂從上向下依次為植被層、生長(zhǎng)基質(zhì)層、過(guò)濾層、排水層和防水保護(hù)層。佛甲草因其具有極強(qiáng)的耐低溫和抗旱能力且綠色期較長(zhǎng)、根系淺，是常用的屋頂綠化植物?；|(zhì)層包含田園土、改良土和輕質(zhì)生長(zhǎng)基質(zhì)(簡(jiǎn)稱“輕質(zhì)基”)3種類型。田園土從北京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)苗圃中取得。改良土由輕砂壤土、腐殖土、珍珠巖、蛭石按2.5∶5∶2∶0.5的比例混合而成。輕質(zhì)基質(zhì)由浮石、草炭土、沸石、碎木屑按4∶3∶2∶1的比例混合而成。過(guò)濾層為300～400 g/cm3聚酯無(wú)紡布，排水層由厚度為10 cm直徑>30 mm的陶粒組成，防水層為TPO防水卷材。

表1 佛甲草綠色屋頂設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1 Design parameters of the green roofs with Sedum lineare

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，采用架設(shè)于綠色屋頂上方2 m，雨量分辨率為0.2 mm的HOBO U30自動(dòng)小氣象站監(jiān)測(cè)降雨過(guò)程。采用雨量分辨率為1 mm的自記式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)徑流過(guò)程。二者監(jiān)測(cè)間隔皆為5 min。為保證數(shù)據(jù)可靠性，在每個(gè)監(jiān)測(cè)徑流的雨量計(jì)下放置1個(gè)250 L的塑料壺，承接綠色屋頂徑流。每場(chǎng)降雨結(jié)束后根據(jù)塑料桶內(nèi)收集徑流總量檢驗(yàn)和校核雨量計(jì)的測(cè)量結(jié)果。本文分析主要基于2017年雨季共22場(chǎng)降雨徑流數(shù)據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Structural diagram of the experiment setup

1.2 徑流調(diào)控效益評(píng)價(jià)指標(biāo)

經(jīng)測(cè)定，林業(yè)樓頂防水油毛氈表面對(duì)雨水的滯蓄能力為1.0 mm左右，即當(dāng)降雨量大于1 mm時(shí)，超出部分轉(zhuǎn)化為徑流。場(chǎng)降雨量為p(p>1 mm)時(shí)，普通屋頂產(chǎn)生的徑流量為(p-1)，綠色屋頂?shù)漠a(chǎn)流量為R，皆以mm計(jì)。相對(duì)于普通屋頂，綠色屋頂?shù)膱?chǎng)降雨徑流量削減率(簡(jiǎn)稱“徑流削減率”)(Dr)可由下式計(jì)算：

(1)

規(guī)格為1 m×1 m的綠色屋頂和普通屋頂?shù)膮R流時(shí)間小于雨量和徑流監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔(5 min)，因此，筆者以綠色屋頂開始產(chǎn)流時(shí)間與降雨開始時(shí)間的差值為產(chǎn)流延遲時(shí)間，以綠色屋頂徑流峰值時(shí)間與降雨強(qiáng)度峰值時(shí)間的差值為峰現(xiàn)延遲時(shí)間，分別衡量綠色屋頂對(duì)產(chǎn)流和峰現(xiàn)時(shí)間的延遲效益。綠色屋頂?shù)暮榉逑鳒p率(Dpr)可由下式計(jì)算：

(2)

式中：Dp為普通屋頂洪峰流量，L/min；Dpg為綠色屋頂洪峰流量，L/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種生長(zhǎng)基質(zhì)物理性質(zhì)對(duì)比分析

基于張建軍等[36]測(cè)定方法測(cè)得田園土、改良土和輕質(zhì)基的密度、孔隙度、田間持水量及飽和導(dǎo)水率等物理特性如表2所示。田園土的密度最大(1.13 g/cm3)，是輕質(zhì)基密度約2倍。改良土的密度居中，為0.63 g/cm3。改良土的孔隙度和田間持水量最大，分別為61.26%和41.41%。田園土的孔隙度最小，為48.35%。輕質(zhì)基的田間持水量最小，為33.70%。輕質(zhì)基的飽和導(dǎo)水率為266 mm/h，是田園土飽和導(dǎo)水率的約3.5倍。Zhang等[28]通過(guò)文獻(xiàn)總結(jié)綠色屋頂生長(zhǎng)基質(zhì)的孔隙度變化范圍為41%～46%，田間持水量的變化范圍為11%～50%，飽和導(dǎo)水率的變化范圍為69.9～288.0 mm/h。本研究測(cè)定的以上物理量均與文獻(xiàn)資料的數(shù)據(jù)變化范圍相差較小。田園土雖容易獲取，但其密度過(guò)高，濕密度可達(dá)到1.62 g/cm3，10～15 cm厚度的田園土加上排水層和植被層產(chǎn)生的荷載易超過(guò)普通屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)荷載200 kg/m2 [37]，且導(dǎo)水性較差，不宜用于屋頂綠化。

表2 生長(zhǎng)基質(zhì)物理性質(zhì)Tab.2 Physical properties of the substrates

2.2 基質(zhì)類型對(duì)綠色屋頂徑流調(diào)控效益的影響

圖2 實(shí)驗(yàn)綠色屋頂場(chǎng)降雨徑流削減率統(tǒng)計(jì)分布Fig.2 Statistical distributions of per-event runoff reduction rates by experimental green roofs

不同基質(zhì)類型和厚度綠色屋頂徑流削減率的統(tǒng)計(jì)分布如圖2所示。監(jiān)測(cè)期內(nèi)22場(chǎng)降雨中，<10 mm的有11場(chǎng)。降雨量<10 mm時(shí)，各綠色屋頂基本無(wú)徑流產(chǎn)生，徑流削減率接近100%。因<10 mm降雨場(chǎng)次的頻率較高(50%)，不同基質(zhì)類型綠色屋頂徑流削減率的中位數(shù)和上四分位值都在95%以上，相差不大(圖2(a))。圖2(b)顯示了降雨量>10 mm的11場(chǎng)降雨各綠色屋頂徑流削減率的統(tǒng)計(jì)分布。由圖中可見(jiàn)，當(dāng)基質(zhì)厚度相同時(shí)，輕質(zhì)基綠色屋頂徑流削減率的中位數(shù)、下四分位和最小值比其他2種基質(zhì)類型的綠色屋頂均較低，表明輕質(zhì)基綠色屋頂在中到暴雨條件下的徑流削減效益較田園土和改良土綠色屋頂?shù)汀?/p>

各綠色屋頂在監(jiān)測(cè)期內(nèi)徑流調(diào)控指標(biāo)的平均值及變化范圍如表3。田園土綠色屋頂?shù)膹搅飨鳒p率高于改良土，但并未通過(guò)0.05顯著性水平Wilcoxon檢驗(yàn)。輕質(zhì)基綠色屋頂?shù)膹搅飨鳒p率顯著低于其他2種基質(zhì)(P<0.05)。改良土綠色屋頂?shù)暮榉逑鳒p率最高，但與田園土綠色屋頂?shù)牟町惒幻黠@。各綠色屋頂都有良好的產(chǎn)流延遲效益，田園土綠色屋頂?shù)漠a(chǎn)流延遲時(shí)間顯著高于輕質(zhì)生長(zhǎng)基綠色屋頂(P<0.05)。各綠色屋頂?shù)钠骄瀣F(xiàn)延遲時(shí)間在34.3到38.6 min之間，不同基質(zhì)類型的綠色屋頂之間洪峰延遲效益無(wú)顯著差異。輕質(zhì)基與改良土和田園土相比，透水性較強(qiáng)，持水性較差，是輕質(zhì)基綠色屋頂徑流和洪峰削減率較低的重要原因。

圖3顯示了各綠色屋頂對(duì)2017年7月15日暴雨(5年一遇)的徑流響應(yīng)過(guò)程?！?·15”暴雨總降雨量為81.4 mm，最大2 h平均雨強(qiáng)為35.2 mm/h。厚度為15 cm的田園土、改良土、輕質(zhì)基綠色屋頂分別產(chǎn)流41.7 L、46.8 L和51.5 L，徑流削減率分別為48.2%、41.7%和35.9%；洪峰流量分別為1.48 L/min、1.31 L/min和1.41 L/min，洪峰削減效益分別為45.4%、52.5%和48.9%。3種基質(zhì)類型屋頂洪峰削減效益的大小與它們的孔隙度和田間持水量的大小排序一致，說(shuō)明生長(zhǎng)基質(zhì)孔隙特征是決定其徑流調(diào)控的主要因素之一。田園土和改良土綠色屋頂在降雨開始160 min后產(chǎn)流，輕質(zhì)基則在降雨開始55 min后產(chǎn)流，都具有較好的產(chǎn)流延遲效益。3種基質(zhì)類型綠色屋頂洪峰與最大降雨強(qiáng)度幾乎同時(shí)出現(xiàn)，并未表現(xiàn)出明顯的峰現(xiàn)延遲效益。

表3 實(shí)驗(yàn)綠色屋頂徑流調(diào)控效益Tab.3 Runoff hydrological performances of experimental green roofs

注：括號(hào)內(nèi)為各徑流調(diào)控效益指標(biāo)的范圍。Notes：The data in the brackets are the range of indicators for runoff regulating performances.

2.3 基質(zhì)厚度對(duì)綠色屋頂徑流調(diào)控效益的影響

如圖2(a)所示，相同基質(zhì)類型，不同基質(zhì)厚度的綠色屋頂對(duì)監(jiān)測(cè)期內(nèi)22場(chǎng)降雨徑流削減率統(tǒng)計(jì)分布的差異并不明顯(圖2(a))。但當(dāng)僅統(tǒng)計(jì)降雨量大于10 mm的11場(chǎng)降雨時(shí)(圖2(b))，15 cm基質(zhì)厚度綠色屋頂徑流削減率的中位數(shù)、下四分位和最小值均高于10 cm厚度同種基質(zhì)的綠色屋頂。

當(dāng)降雨量較大時(shí)(>15 mm)，15 cm基質(zhì)層厚度的綠色屋頂徑流削減率顯著高于10 cm厚度的綠色屋頂(P<0.05)。如表3所示，基質(zhì)厚度為15 cm的綠色屋頂洪峰削減率高于10 cm厚度同種基質(zhì)的綠色屋頂。

圖4反映了各綠色屋頂對(duì)2017年8月12日降雨的響應(yīng)過(guò)程。10 cm厚度田園土、改良土和輕質(zhì)基綠色屋頂?shù)膹搅髁糠謩e為2.67 L、5.77 L、12.59 L，都高于15 cm厚度同基質(zhì)類型綠色屋頂?shù)膹搅髁?分別為1.86 L、2.26 L和7.29 L)。10 cm厚度的改良土和輕質(zhì)基綠色屋頂?shù)暮榉辶髁慷济黠@高于15 cm厚度綠色屋頂?shù)暮榉辶髁?。以改良土為例?0 cm和15 cm厚度綠色屋頂?shù)暮榉辶髁糠謩e為0.21 L/min和0.09 L/min?；|(zhì)層厚度對(duì)綠色屋頂產(chǎn)流和峰現(xiàn)時(shí)間延遲效益的影響不大。

圖3 不同基質(zhì)類型15 cm基質(zhì)層厚度實(shí)驗(yàn)綠色屋頂對(duì)“7·15”暴雨的徑流響應(yīng)過(guò)程Fig.3 Runoff reponses of experimental green roofs with 15 cm substrate depths in different substrate types during the “7·15” storm event

圖4 不同基質(zhì)層厚度實(shí)驗(yàn)綠色屋頂對(duì)“8·12”降雨的徑流響應(yīng)過(guò)程Fig.4 Runoff responses of experimental green roofs with different substrate depths during the “8·12” rain event

3 討論

綠色屋頂主要通過(guò)植被層、生長(zhǎng)基質(zhì)層和排水層滯留雨水和調(diào)蓄徑流，實(shí)現(xiàn)其徑流和洪峰削減、產(chǎn)流和峰現(xiàn)時(shí)間延遲等徑流調(diào)控效益[38]。研究表明[16,26-27]：綠色屋頂一般為非飽和產(chǎn)流，即當(dāng)基質(zhì)層的含水量超過(guò)其田間持水量時(shí)，超出的雨水將以滲流的形式從綠色屋頂?shù)撞颗抛?。?dāng)降雨量未超過(guò)綠色屋頂?shù)臏裟芰r(shí)，即生長(zhǎng)基質(zhì)層未達(dá)到田間持水量時(shí)，雨水會(huì)被綠色屋頂全部吸收，此時(shí)幾乎沒(méi)有徑流產(chǎn)生[28]。因此，本研究中當(dāng)降雨<10 mm時(shí)，不同基質(zhì)類型和厚度的綠色屋頂基本都不產(chǎn)流，因而徑流調(diào)控效益差異不明顯，而當(dāng)降雨量>10 mm, 不同基質(zhì)厚度的綠色屋頂?shù)膹搅髡{(diào)控效益的差異得以顯現(xiàn)(圖2(a)、圖2(b))。

4 結(jié)論

本研究基于對(duì)位于北京市區(qū)的3種基質(zhì)類型(輕質(zhì)基、改良土和田園土)2個(gè)基質(zhì)厚度(10 cm和15 cm)共6個(gè)綠色屋頂在2017年22場(chǎng)降雨和徑流過(guò)程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定量分析生長(zhǎng)基質(zhì)類型及厚度對(duì)綠色屋頂徑流調(diào)控效益影響，得出主要結(jié)論如下。

1)改良土和田園土綠色屋頂22場(chǎng)降雨的平均徑流削減率、洪峰削減率和產(chǎn)流延遲時(shí)間均高于相同厚度的輕質(zhì)生長(zhǎng)基綠色屋頂。輕質(zhì)基、改良土和田園土綠色屋頂?shù)钠骄鶑搅飨鳒p率分別為82.2%、88.4%和89.4%，平均洪峰削減率分別為55.9%、65.6%和63.9%，平均產(chǎn)流延遲時(shí)間分別為48.8、106.2和163.9 min。因密度偏高、導(dǎo)水性較差，田園土不宜用于屋頂綠化。

2)基質(zhì)層厚度為15 cm的綠色屋頂?shù)膹搅髡{(diào)控效益高于10 cm厚度的同種基質(zhì)綠色屋頂。15 cm厚度輕質(zhì)基綠色屋頂?shù)钠骄鶑搅飨鳒p率、洪峰削減率、產(chǎn)流和峰現(xiàn)延遲時(shí)間分別為83.2%、61.2%、51.7 min和38.6 min，而10 cm厚度對(duì)應(yīng)的徑流調(diào)控指標(biāo)分別為81.3%、50.6%、45.9 min和34.3 min。

3)基質(zhì)類型和厚度對(duì)綠色屋頂徑流調(diào)控效益的影響隨降雨條件而改變。小雨(<10 mm)條件下因各綠色屋頂幾乎都不產(chǎn)流而無(wú)明顯差異，中到暴雨(>10 mm)條件下不同基質(zhì)類型和厚度綠色屋頂?shù)膹搅飨鳒p率差異顯著。