閆 婧,張守紅,2,3,*,章孫遜,王任重遠(yuǎn),何瑛瑛,楊 航,王 愷

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

2 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,臨汾 042200

3 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心,北京 100083

近年來(lái),快速城市化導(dǎo)致城鎮(zhèn)地區(qū)大面積的綠地被不透水面(如道路、停車(chē)場(chǎng)和建筑物等)替代[1]。城鎮(zhèn)地區(qū)的自然景觀和自然水循環(huán)過(guò)程遭到破壞,城市內(nèi)澇頻發(fā),生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出[2]。在此背景下,我國(guó)借鑒不同國(guó)家和地區(qū)的諸如低影響開(kāi)發(fā)[3]、最佳管理措施[4]和可持續(xù)城市排水等[5]雨洪管理理念,提出了“海綿城市”建設(shè)戰(zhàn)略[6],旨在解決快速城市化造成的城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。綠色屋頂作為“海綿城市”的重要措施之一,具有減少?gòu)搅?、延遲產(chǎn)流和削減洪峰等徑流調(diào)控功能[7],在我國(guó)各地區(qū)得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[8]。

綠色屋頂?shù)膹搅髡{(diào)控功能主要通過(guò)植被層和基質(zhì)層滯留雨水來(lái)實(shí)現(xiàn)[9]。當(dāng)降雨進(jìn)入綠色屋頂系統(tǒng),小部分雨水被植被莖葉截留,大部分雨水進(jìn)入基質(zhì)層,補(bǔ)充基質(zhì)水分,基質(zhì)含水量增加,基質(zhì)的雨水滯留能力下降。當(dāng)基質(zhì)含水率超過(guò)田間持水量時(shí),多余的雨水通過(guò)基質(zhì)層進(jìn)入排水層并以徑流形式排出。降雨結(jié)束后,植被層和基質(zhì)層中滯蓄的水分通過(guò)蒸散發(fā)進(jìn)入大氣,綠色屋頂?shù)挠晁疁裟芰χ饾u恢復(fù)[9—10]?？梢?jiàn),蒸散發(fā)過(guò)程決定綠色屋頂雨水滯留能力的恢復(fù),對(duì)綠色屋頂?shù)膹搅髡{(diào)控功能有重要影響。已有研究表明[11—12],綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)過(guò)程因受到基質(zhì)、植被和氣候等因素的綜合影響而變化復(fù)雜。然而,當(dāng)前對(duì)于綠色屋頂?shù)难芯慷嗉杏诮涤?徑流過(guò)程和徑流調(diào)控效益評(píng)估[9—10,13—19],對(duì)不同氣候區(qū)綠色屋頂蒸散發(fā)變化規(guī)律的研究較少,一定程度上限制了綠色屋頂水熱過(guò)程調(diào)控效益評(píng)估和不同氣候區(qū)綠色屋頂?shù)耐茝V應(yīng)用。

綠色屋頂蒸散發(fā)量很難直接測(cè)定[11],以往研究通常采用實(shí)驗(yàn)間接測(cè)定[20]或模型模擬等方法獲取[15,21—22]。其中,模型模擬方法被廣泛應(yīng)用于綠色屋頂蒸散發(fā)量估計(jì)。Li等[21]基于水量平衡研發(fā)了模擬綠色屋頂蒸散發(fā)的水文模型,但該模型需葉面積指數(shù)、消光系數(shù)、壓力水頭以及土壤水分特征曲線參數(shù)等多個(gè)復(fù)雜參數(shù),且計(jì)算過(guò)程繁瑣;Talebi等[23]開(kāi)發(fā)了概念性水文模型并采用該模型模擬分析了8個(gè)城市的綠色屋頂蒸散發(fā),但模型缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐,可靠性有待檢驗(yàn)。為精確模擬綠色屋頂蒸散發(fā)過(guò)程,亟待構(gòu)建參數(shù)少、計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單且實(shí)用性強(qiáng)的綠色屋頂水文過(guò)程模型。

本研究基于水量平衡原理和Penman-Monteith公式構(gòu)建綠色屋頂水文模型,并采用北京市區(qū)搭建實(shí)驗(yàn)綠色屋頂2019年的蒸散發(fā)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定和檢驗(yàn)。通過(guò)輸入不同氣候區(qū)城市的氣象數(shù)據(jù),設(shè)定不同基質(zhì)厚度,定量模擬分析不同氣候區(qū)城市基質(zhì)厚度對(duì)綠色屋頂蒸散發(fā)的影響。本研究有望為綠色屋頂蒸散發(fā)模擬提供工具,為我國(guó)不同氣候區(qū)城市綠色屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2019年7—10月北京市海淀區(qū)北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)樓樓頂(40°0′5.66″ N,116°20′39.65″ E)開(kāi)展綠色屋頂蒸散發(fā)過(guò)程監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)區(qū)1970—2018年年平均降水量為551 mm(國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心http://data.cma.cn/)。

如圖1所示,綠色屋頂(1 m×1 m)從上到下分別為植被層、基質(zhì)層、過(guò)濾層和排水層。其中,植被層選用綠色屋頂常用植物八寶景天(Sedumspectabile),基質(zhì)層選用厚度為8 cm的輕質(zhì)生長(zhǎng)基 [浮石∶草炭土∶沸石∶碎木屑=4∶3∶2∶1(體積比)],過(guò)濾層采用300 g/m2的聚酯無(wú)紡布,排水層使用直徑為1—3.5 cm的陶粒(厚度為10 cm)。在綠色屋頂下方安裝精確度為0.1 kg的稱(chēng)重傳感器,用于記錄綠色屋頂質(zhì)量變化(間隔為1 min)。此外,使用分辨率為1 mm的翻斗式雨量計(jì)記錄綠色屋頂?shù)漠a(chǎn)流過(guò)程。在雨量計(jì)下方放置250 L的HDPE集水桶,承接綠色屋頂?shù)娜慨a(chǎn)流。產(chǎn)流結(jié)束后,量取集水桶中徑流總量,用以校核雨量計(jì)監(jiān)測(cè)的綠色屋頂徑流過(guò)程數(shù)據(jù)。在距離綠色屋頂2 m高處架裝小型氣象站(HOBO U30),記錄實(shí)驗(yàn)區(qū)降雨、溫度、氣壓、相對(duì)濕度和風(fēng)速等數(shù)據(jù)。相較于基質(zhì)質(zhì)量,綠色屋頂植被每日生長(zhǎng)量造成的系統(tǒng)質(zhì)量變化很小,因此本研究通過(guò)稱(chēng)重傳感器稱(chēng)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)質(zhì)量差確定綠色屋頂日實(shí)際蒸散發(fā)量。因綠色屋頂早晚有露水凝結(jié)現(xiàn)象且夜間蒸散發(fā)量較少,本研究采用每日8:00—17:00綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量代表當(dāng)日的實(shí)際蒸散發(fā)量[24]。

圖1 綠色屋頂結(jié)構(gòu)與監(jiān)測(cè)設(shè)施Fig.1 Structure of green roofs and monitoring facilities

1.2 模型構(gòu)建

本研究基于綠色屋頂水量平衡原理和Penman-Monteith公式構(gòu)建概念性水文模型,該模型包括雨水滯留和蒸散發(fā)兩個(gè)模塊。

1.2.1雨水滯留模塊

綠色屋頂雨水滯留過(guò)程主要包括植被截留和基質(zhì)雨水滯留[9]。經(jīng)觀測(cè),綠色屋頂?shù)闹脖唤亓袅枯^少,且通常可在降雨間隔期蒸發(fā)消耗,其雨水截留能力可在次日恢復(fù)。當(dāng)基質(zhì)含水率低于凋萎系數(shù)時(shí),綠色屋頂植被將枯萎。為避免植物枯萎死亡,需適時(shí)灌溉以保證基質(zhì)含水率不低于凋萎系數(shù)[9,25]。參考前人研究[23,26],可假設(shè)當(dāng)基質(zhì)含水率達(dá)到凋萎系數(shù)時(shí),基質(zhì)層雨水滯留能力達(dá)到最大值。

St=Svmax+(θf(wàn)-θt-1)h

(1)

Smax=Svmax+(θf(wàn)-θw)h

(2)

式中,St為t日基質(zhì)的雨水滯留能力(mm);Smax為基質(zhì)最大雨水滯留能力(mm);Svmax為植被最大截留能力(mm);θf(wàn)為基質(zhì)田間持水量(cm3/cm3);θw為基質(zhì)凋萎系數(shù)(cm3/cm3);θt為t日的平均基質(zhì)含水率(cm3/cm3);h為基質(zhì)厚度(mm)。

植被截留量受降雨量影響,當(dāng)降雨量大于植被最大截留能力時(shí),植被截留量等于植被最大截留能力,而當(dāng)降雨量小于植被最大截留能力時(shí),植被截留量等于降雨量。

(3)

式中,Pt為t日的降雨量(mm)。

綠色屋頂初始基質(zhì)質(zhì)量由基質(zhì)干重和初始基質(zhì)含水率決定:

(4)

(5)

式中,Wsub0為綠色屋頂初始基質(zhì)質(zhì)量(kg);O為綠色屋頂?shù)酌娣e(m2);Wbulk為綠色屋頂基質(zhì)干燥時(shí)質(zhì)量(kg);θ1為初始基質(zhì)含水率(cm3/cm3);ρw為水的密度,為1000 kg/m3;ρbulk為基質(zhì)干密度(kg/m3)。

基于綠色屋頂?shù)乃倪^(guò)程,綠色屋頂在t日的基質(zhì)質(zhì)量為:

(6)

式中,Wsubt-1為t-1日綠色屋頂?shù)幕|(zhì)質(zhì)量(kg);AETt為綠色屋頂t日的實(shí)際蒸散發(fā)量(mm)。

綠色屋頂在t日的基質(zhì)體積含水率可由下式計(jì)算:

(7)

根據(jù)水量平衡,綠色屋頂t日的徑流量由下式計(jì)算:

(8)

1.2.2蒸散發(fā)模塊

參考作物蒸散發(fā)量采用FAO-56 Penman-Monteith公式進(jìn)行計(jì)算[27]:

(9)

式中,ET0為參考作物蒸散發(fā)量(mm/d);Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa/℃);Rn為作物表面凈輻射(MJ m-2d-1);G為土壤熱通量(MJ m-2d-1);γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃);T為日平均氣溫(℃);u2為2 m處的日平均風(fēng)速(m/s);es為飽和水汽壓(kPa);ea為實(shí)際水汽壓(kPa)。

除大氣參考作物蒸散發(fā)外,綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)還受植被和基質(zhì)水分條件影響。參考前人研究[12,25,28],可采用作物系數(shù)和土壤可用水函數(shù)分別定量表達(dá)植被和水分條件影響。綠色屋頂?shù)膶?shí)際蒸散發(fā)量計(jì)算如下:

(10)

式中,C0為作物系數(shù)(無(wú)量綱),常用于計(jì)算綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)[27]。

1.3 不同氣候區(qū)城市氣候特征

參考柯本氣候分區(qū)[29—30]與Cuthbert等的研究方法[31],本文選擇蘭州、北京、武漢和廣州4個(gè)不同氣候區(qū)城市作為研究對(duì)象,并依據(jù)濕潤(rùn)指數(shù)將其劃分為濕潤(rùn)指數(shù)小于1的水分限制區(qū)(蘭州0.33和北京0.51)與濕潤(rùn)指數(shù)大于1的能量限制區(qū)(武漢1.34和廣州1.66)。本研究基于4個(gè)城市1970—2018年的日尺度氣象數(shù)據(jù),包括降雨量、氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、太陽(yáng)輻射和風(fēng)速等(數(shù)據(jù)來(lái)源中國(guó)氣象網(wǎng)http://www.cma.gov.cn/),進(jìn)行不同基質(zhì)厚度八寶景天綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)的模擬研究。各城市氣候特征見(jiàn)表1。

表1 1970—2018年各氣候區(qū)典型城市氣候特征[29—30]Table 1 The climatic characteristics of selected cities in different climatic zones from 1970 to 2018

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究使用Matlab 2018a進(jìn)行模型編程,分別使用2019年7月12日—9月5日和9月6日—10月3日的氣象數(shù)據(jù)(降雨量、溫度、濕度、壓強(qiáng)和風(fēng)速等)和綠色屋頂蒸散發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)(基質(zhì)干密度、作物系數(shù)、田間持水量、凋萎系數(shù)和植被最大截留量)進(jìn)行率定和檢驗(yàn)。采用決定系數(shù)(R2)和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NSE)評(píng)估模型模擬效果[32]。NSE效率系數(shù)的計(jì)算方法如下:

(11)

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定與檢驗(yàn)

本研究基于實(shí)驗(yàn)綠色屋頂蒸散發(fā)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)構(gòu)建的綠色屋頂水文模型參數(shù)進(jìn)行率定和檢驗(yàn),通過(guò)率定得到的模型參數(shù)值見(jiàn)表2。模型率定和檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。模型率定和檢驗(yàn)期的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.6385和0.6014,R2分別為0.7191和0.6168,表明模型可較準(zhǔn)確模擬綠色屋頂蒸散發(fā)量。

表2 模型率定參數(shù)值Table 2 Calibrated parameter values of the model

圖2 模型率定和檢驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Calibration and verification of the model R2:決定系數(shù) Determination Coefficient;NSE:Nash-Sutcliffe 效率系數(shù) Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient

2.2 不同氣候區(qū)綠色屋頂蒸散發(fā)

圖3對(duì)比了北京、廣州、武漢和蘭州1970—2018年日平均降雨量、參考作物蒸散發(fā)量和綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量。雖然4個(gè)城市日均參考作物蒸散發(fā)量差異不大(2.58—3.01 mm/d),但綠色屋頂日均實(shí)際蒸散發(fā)量差異明顯,且隨日均降雨量增大而增加。廣州綠色屋頂(基質(zhì)厚度為10 cm)的日均實(shí)際蒸散發(fā)量最大(1.30 mm/d),依次高于武漢(1.09 mm/d)、北京(0.66 mm/d)和蘭州(0.49 mm/d)。降雨量越大的城市綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量越大,這與Talebi[23]等的研究結(jié)果一致。除降雨量外,各城市不同量級(jí)降雨日數(shù)的分布特征也是影響綠色屋頂蒸散發(fā)量的重要因素。蘭州和北京降雨日數(shù)較少,約80%的日數(shù)為無(wú)降雨日(圖4),綠色屋頂基質(zhì)含水率因長(zhǎng)時(shí)間得不到降雨補(bǔ)給而處于相對(duì)較低水平,水源不足限制了綠色屋頂蒸散發(fā)[23],因此,這兩個(gè)城市綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)長(zhǎng)時(shí)間保持在較低水平(0—1 mm/d),兩個(gè)城市綠色屋頂蒸散發(fā)量超過(guò)1 mm的日數(shù)分別只有18%和25%(圖4)。而廣州的降雨日數(shù)最多,占比為41%(圖4),頻繁降雨經(jīng)常性供給水分,綠色屋頂蒸散發(fā)量超過(guò)1 mm的日數(shù)接近60%,為4個(gè)城市最高值(圖4)。降雨是無(wú)灌溉綠色屋頂蒸散發(fā)主要水分來(lái)源。廣州雨量最大且降雨日數(shù)最多,降雨對(duì)綠色屋頂水分補(bǔ)給量大且補(bǔ)給頻繁,使得綠色屋頂基質(zhì)含水率長(zhǎng)時(shí)間維持在較高水平,因此,廣州綠色屋頂雨水供給充足,蒸散發(fā)量最大[26]。然而,北京和蘭州降雨量較少且無(wú)降雨日數(shù)較多,綠色屋頂基質(zhì)含水率因長(zhǎng)時(shí)間得不到降雨充分補(bǔ)給而處于較低水平,限制了綠色屋頂蒸散發(fā),因此,北京和蘭州綠色屋頂?shù)娜站羯l(fā)量較低。

圖3 不同城市1970—2018年日平均降雨量、綠色屋頂參考作物蒸散發(fā)量和實(shí)際蒸散發(fā)量Fig.3 Daily average rainfall,reference crop evapotranspiration,and actual evapotranspiration of green roofs in different cities from 1970 to 2018 綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量以基質(zhì)厚度為10 cm的八寶景天綠色屋頂為例

圖4 不同氣候區(qū)城市1970—2018年不同量級(jí)降雨量和蒸散發(fā)量日數(shù)分布Fig.4 Daily distributions of different levels of rainfall and actual evapotranspiration from green roofs at different cities from 1970 to 2018

2.3 基質(zhì)厚度對(duì)綠色屋頂蒸散發(fā)的影響

如圖5,北京、廣州、武漢和蘭州綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量均隨基質(zhì)厚度增加而增大。基質(zhì)越厚的綠色屋頂最大雨水滯留能力越大[9],基質(zhì)中儲(chǔ)存的可供蒸散發(fā)的水量越多,因此,綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量均隨基質(zhì)厚度增加而增大。由圖6可見(jiàn),在相同氣象條件下,隨著基質(zhì)厚度增加,綠色屋頂基質(zhì)含水率波動(dòng)幅度變小且維持在相對(duì)較高水平,基質(zhì)水分對(duì)實(shí)際蒸散發(fā)的限制較小,實(shí)際蒸散發(fā)量較大[33—34],因此增加基質(zhì)厚度可以提高綠色屋頂?shù)膶?shí)際蒸散發(fā)量。值得注意的是,當(dāng)基質(zhì)厚度超過(guò)一定限度時(shí),綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量增加的趨勢(shì)減緩。當(dāng)蘭州、北京、武漢和廣州綠色屋頂基質(zhì)厚度分別超過(guò)10 cm、17 cm、24 cm和25 cm時(shí),綠色屋頂?shù)膶?shí)際蒸散發(fā)量增加不明顯,日均實(shí)際蒸散發(fā)量隨基質(zhì)厚度增長(zhǎng)速率均小于0.01 mm/cm。由此可見(jiàn),基質(zhì)厚度對(duì)綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量的影響存在閾值,且不同氣候區(qū)綠色屋頂基質(zhì)厚度閾值不同。當(dāng)基質(zhì)厚度為50 cm時(shí),廣州綠色屋頂1970—2018年日平均實(shí)際蒸散發(fā)量閾值為1.73 mm/d,依次高于武漢(1.49 mm/d)、北京(0.95 mm/d)和蘭州(0.58 mm/d),可見(jiàn)不同氣候區(qū)城市的綠色屋頂日平均實(shí)際蒸散發(fā)量也存在不同閾值。

圖5 各城市不同基質(zhì)厚度綠色屋頂日平均實(shí)際蒸散發(fā)量 Fig.5 The daily average actual evapotranspiration of green roofs with different substrate depths in 4 cities

圖6 2018年北京不同基質(zhì)厚度綠色屋頂基質(zhì)含水率變化過(guò)程Fig.6 The substrate moisture content process of green roofs with different substrate depth in Beijing in 2018h:綠色屋頂基質(zhì)厚度Substrate depth of green roofs

3 討論

3.1 氣候因素對(duì)綠色屋頂蒸散發(fā)的影響

本研究結(jié)果表明,不同氣候區(qū)城市相同基質(zhì)厚度綠色屋頂?shù)娜掌骄鶎?shí)際蒸散發(fā)量呈現(xiàn)蘭州<北京<武漢<廣州的規(guī)律。太陽(yáng)輻射為綠色屋頂蒸散發(fā)提供能量[11,27,35],當(dāng)水分充足時(shí),太陽(yáng)輻射越強(qiáng),綠色屋頂蒸散發(fā)量越大。相對(duì)濕度低的環(huán)境飽和水汽壓差較大,從而提高綠色屋頂蒸散發(fā)[36—37]。在所選4個(gè)氣候區(qū)城市中,盡管蘭州的日平均太陽(yáng)輻射最大且相對(duì)濕度最小(表1),但蘭州綠色屋頂?shù)膶?shí)際蒸散發(fā)量仍最低。這是由于在無(wú)灌溉條件下,綠色屋頂基質(zhì)含水率主要受降水影響。蘭州降水量明顯低于北京、武漢和廣州(圖3),且無(wú)降雨日數(shù)比例接近80%(圖4),導(dǎo)致綠色屋頂基質(zhì)含水率因長(zhǎng)時(shí)間得不到降雨充分補(bǔ)給而處于較低水平,制約了綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)過(guò)程[23,26,38]。北京日平均相對(duì)濕度較武漢和廣州低且日平均太陽(yáng)輻射與武漢和廣州相差不大,但較低的降水量(圖3)和較高的無(wú)降雨日數(shù)比例(圖4)仍易限制綠色屋頂?shù)膶?shí)際蒸散發(fā)量。廣州和武漢的日平均太陽(yáng)輻射和相對(duì)濕度相差較小,但廣州的日平均氣溫明顯高于武漢,兩地相差5.23℃。因?yàn)楦邷乜梢约涌炀G色屋頂周?chē)肿訑U(kuò)散速度[34],加之廣州降雨量較武漢多,所以廣州綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量高于武漢。

3.2 基質(zhì)厚度對(duì)不同氣候區(qū)綠色屋頂蒸散發(fā)的影響

本研究結(jié)果表明,基質(zhì)厚度對(duì)綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量的影響存在閾值,綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量也存在閾值且不同氣候區(qū)城市閾值不同(圖5)。Budyko[39]理論表明,蒸散發(fā)主要受能量和水源兩方面因素影響。大氣相對(duì)濕度和水汽擴(kuò)散條件也會(huì)影響實(shí)際蒸散發(fā)過(guò)程,而大氣相對(duì)濕度和水汽擴(kuò)散條件在很大程度上也取決于區(qū)域氣候條件下的能量和降水特征。因此,蒸散發(fā)存在閾值的根本原因是能量輸入或水分來(lái)源限制[40]。當(dāng)降水充足時(shí),能量是限制蒸散發(fā)的主要因素;降水較少時(shí),水源供給狀況則是限制蒸散發(fā)的主要因素[40]。綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)也遵循能量或水分限制規(guī)律?；|(zhì)厚度增加對(duì)綠色屋頂蒸散發(fā)影響存在閾值主要有以下兩種機(jī)制:其一,在降水充足的氣候條件下,增加基質(zhì)厚度,可提升綠色屋頂雨水滯留能力和雨水滯留量,為綠色屋頂蒸散發(fā)提供充足的水分來(lái)源,但綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)量因能量輸入限制而存在一定閾值,并不會(huì)隨著基質(zhì)厚度的增加而無(wú)限升高;其二,在干旱或半干旱氣候條件下,增加基質(zhì)厚度,雖可提升綠色屋頂雨水滯留能力,但因降水較少,綠色屋頂實(shí)際可滯留的雨水量存在閾值,綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)量因水分來(lái)源限制而存在一定閾值,同樣不會(huì)隨著基質(zhì)厚度的增加而無(wú)限升高。由表1濕潤(rùn)指數(shù)可知,蘭州和北京是水分限制區(qū),參考作物蒸散發(fā)量高,但降水較少。盡管增加基質(zhì)厚度提高了綠色屋頂?shù)淖畲笥晁疁裟芰9,17,26],但供給綠色屋頂蒸散發(fā)的水分有限,因而限制了這兩個(gè)城市綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)。武漢和廣州等是能量限制區(qū),降水多,但參考作物蒸散發(fā)量有限。綠色屋頂基質(zhì)較薄時(shí),基質(zhì)雨水滯留量較少,蒸散發(fā)所需消耗的能量也較少。當(dāng)基質(zhì)厚度逐漸增加,綠色屋頂滯留的雨水增加,蒸散發(fā)所需的能量供給不足,導(dǎo)致綠色屋頂蒸散發(fā)受到限制。如表1,廣州的日平均太陽(yáng)輻射和日均氣溫(分別為14.24 MJ/m2和22.15℃)均高于武漢,即廣州綠色屋頂蒸散發(fā)的能量限制閾值高于武漢(分別為13.83 MJ/m2和16.92℃),且廣州降雨充足(日均降雨量5.00 mm),因此,廣州綠色屋頂日平均蒸散發(fā)量閾值高于武漢。綜上,不同氣候區(qū)城市綠色屋頂日平均蒸散發(fā)量存在閾值,且廣州綠色屋頂日平均蒸散發(fā)量閾值依次高于武漢、北京和蘭州。

3.3 建議與展望

本研究基于4個(gè)氣候區(qū)代表性城市(蘭州、北京、武漢和廣州)的氣象數(shù)據(jù),模擬分析4個(gè)城市的綠色屋頂蒸散發(fā)變化特征。結(jié)果表明,在房屋結(jié)構(gòu)承重允許的情況下,可通過(guò)適當(dāng)增加基質(zhì)厚度的方式提高綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量,進(jìn)而提升綠色屋頂?shù)挠晁疁粜б妗４送?在降水較少的蘭州,綠色屋頂基質(zhì)含水率一年中有較長(zhǎng)時(shí)段處于接近凋萎系數(shù)水平,表明植被生長(zhǎng)易受水分限制,需要對(duì)綠色屋頂進(jìn)行適時(shí)灌溉以維持植被生長(zhǎng)。

考慮綠色屋頂基質(zhì)飽和導(dǎo)水率較高(3—118.8 mm/min)[9]且具有排水層,因此,本文構(gòu)建水文模型的雨水滯留模塊并未考慮基質(zhì)含水率高于田間持水量的情景。為保證綠色屋頂植物的生長(zhǎng),在干旱氣候條件下需要對(duì)綠色屋頂進(jìn)行灌溉以避免因基質(zhì)含水率低于凋萎系數(shù)而造成植物枯萎,因此,該模型的雨水滯留模塊未考慮基質(zhì)含水率低于凋萎系數(shù)的情景。然而,在基質(zhì)透水率較低、無(wú)排水層或排水層排水不暢的情況下,綠色屋頂基質(zhì)含水率可能會(huì)高于田間持水量,且在干旱氣候條件下綠色屋頂基質(zhì)含水率可能會(huì)低于凋萎系數(shù)。由于僅考慮基質(zhì)含水率在田間持水量和凋萎系數(shù)之間的動(dòng)態(tài)變化,該模型不適用于因基質(zhì)透水率較低、無(wú)排水層或排水層排水不暢導(dǎo)致霍頓產(chǎn)流過(guò)程的模擬,也不適用于極端干旱情況下綠色屋頂植被凋萎后基質(zhì)蒸發(fā)模擬。此外,不同氣候條件下綠色屋頂植被生長(zhǎng)狀況不同,作物系數(shù)存在差異,且作物系數(shù)在不同植被生長(zhǎng)階段也呈動(dòng)態(tài)變化。未來(lái)研究中,根據(jù)不同氣候條件和不同生長(zhǎng)階段,動(dòng)態(tài)調(diào)整作物系數(shù),有望提升綠色屋頂蒸散發(fā)過(guò)程模擬精度。可在不同氣候區(qū)布設(shè)對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析不同氣候條件對(duì)綠色屋頂植被生長(zhǎng)特征和蒸散發(fā)過(guò)程影響,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化綠色屋頂雨水滯留和蒸散發(fā)過(guò)程模擬,以滿(mǎn)足不同氣候區(qū)城市綠色屋頂設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。

4 結(jié)論

本研究構(gòu)建綠色屋頂水文模型對(duì)不同氣候區(qū)城市不同基質(zhì)厚度的綠色屋頂蒸散發(fā)進(jìn)行模擬分析,得到以下結(jié)論:

1)本研究構(gòu)建的綠色屋頂水文模型能較準(zhǔn)確模擬綠色屋頂蒸散發(fā)量,率定與檢驗(yàn)期的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.6385和0.6014,決定系數(shù)(R2)分別為0.7191和0.6168;

2)從半干旱區(qū)(蘭州)、半濕潤(rùn)區(qū)(北京)到濕潤(rùn)區(qū)(武漢和廣州),相同基質(zhì)厚度綠色屋頂?shù)娜掌骄鶎?shí)際蒸散發(fā)量呈增加趨勢(shì);

3)增加基質(zhì)厚度可提高綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量,但增加基質(zhì)厚度對(duì)綠色屋頂日平均實(shí)際蒸散發(fā)量的影響存在閾值,且不同氣候區(qū)城市綠色屋頂日平均實(shí)際蒸散發(fā)的閾值不同。蘭州、北京、武漢和廣州綠色屋頂?shù)幕|(zhì)厚度閾值分別為10 cm、17 cm、24 cm和25 cm,廣州綠色屋頂日平均實(shí)際蒸散發(fā)量的閾值依次高于武漢、北京和蘭州。