不同綠化屋面對雨水調蓄能力的影響

龔克娜， 王江海， 趙新華

(天津大學 環境科學與工程學院， 天津 300072)

不同綠化屋面對雨水調蓄能力的影響

龔克娜， 王江海， 趙新華

(天津大學 環境科學與工程學院， 天津 300072)

摘要：[目的] 為了分析不同基質層厚度的綠化屋面對雨水的調蓄作用。[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，在不同基質層厚度和降雨條件下，對綠化屋面的降雨—徑流過程、持蓄雨水和減滯洪峰能力進行了研究。[結果] 基質層厚度在一定的范圍內時，綠化屋面出水的洪峰過程具有很高的相似性；綠化屋面基質層厚度與降雨持蓄率呈指數函數的關系；洪峰削減率與降雨強度無明顯關系，主要由基質層厚度決定。[結論] 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，延緩產流時間，且隨著基質層厚度的增加，綠化屋面對雨水的調蓄能力越好。

關鍵詞：綠化屋面; 基質層厚度; 降雨徑流; 持蓄雨水; 減滯洪峰

隨著城市的迅速發展，人口的急劇增長，城市的不透水區域面積所占的比例越來越大，引發了洪澇災難、水質污染、熱島效應等一系列的問題。在當前雨洪災害愈演愈烈的情勢下，國內外的眾多研究表明，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，延緩產流時間，最終在較長的時間內通過蒸散發等方式緩慢釋放綠化屋面基質層所持蓄的水分，使城市水文循環過程趨于自然化，有效降低城市洪水風險[1]。

綠化屋面的概念最早于19世紀末在德國出現，20世紀70年代開始，逐漸被重視并大面積推廣應用[2]。Villarreal等[3]，Bengtsson等[4-5]，Carter等[6]研究了綠化屋面對雨水徑流的影響，表明了綠化屋面可以降低洪澇災害，且提出雨水滯蓄效果與基質層厚度、雨前干燥天數、降雨強度以及坡度等因素有關；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，延遲產流時間。中國的綠化屋面在降雨徑流水文水質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，通過建立一維入滲模型HYDRUS-1 D，對綠化屋頂的雨水滯蓄效果進行了模擬計算；魏艷萍等[11]通過對比普通屋面、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流模式。之前的研究主要是以普通的花園土為營養基質層，且基質層多為某一固定厚度，關于不同基質層厚度的綠化屋面對雨水調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“保綠素”開展人工降雨試驗，根據試驗結果從降雨—徑流過程、持蓄雨水和減滯洪峰等方面進行分析，并著重研究綠化屋面不同基質層厚度與雨水調蓄能力之間的關系。

1試驗裝置與研究方法

綠化屋面按結構功能可分為5層，從上到下依次是植被層、基質層、過濾層、排水層及防水層。基質層起到固定植物、保水保肥的作用，并且要求透水性好、質量輕、具有一定的化學緩沖能力。過濾層的作用是防止基質層泥沙等被雨水沖走。排水層主要是收集并排出基質層中滲出的雨水。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]。綠化屋面的結構示意圖如圖1所示。

圖1　綠化屋面的結構示意圖

本研究的試驗地點選在天津大學土建館屋頂，所用的綠化屋面試驗裝置尺寸為：長×寬=760 mm×530 mm，由于基質層高度不同，各個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采樣口采集，裝置基質層上方1 cm處留有表層徑流溢流口(圖1)。試驗采用北方地區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，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。在裝置連續運行的1 a里，生長狀況良好，覆蓋率達90%以上。試驗中所用的基質為“保綠素”白色無機填料，是基于無機材料、有機和無機肥料特制的無機營養基質，具有輕質和良好的排水保水等特性，適宜于植物的生長。試驗設置了5個不同的試驗組，分別對應不同的基質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)。降雨試驗于2013年8—10月進行，參照天津市5年一遇的降雨強度，采用人工降雨模擬器開展試驗，分別模擬了3種不同類型的降雨。每次試驗進行前，將綠化屋面試驗裝置晾曬48 h以上，使初始基質層濕度在20%～25%，以保證每次試驗的前提一致。模擬降雨過程中，從綠化屋面徑流開始產生起，每隔5～10 min取樣1次。

2觀測結果與分析

2.1　不同基質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號降雨為單峰，2號降雨為雙峰，3號降雨為雨型呈鋸齒形的波動峰。

從圖2可看出，當降雨強度為單峰時(1號降雨)，基質層厚度為5和10 cm的綠化屋面對應的徑流強度也為單峰，降雨強度為雙峰時(2號降雨)，對應的徑流強度也為雙峰，當降雨強度為波動峰時(3號降雨)，對應的徑流強度也具有一定的波動性。基質層厚度為20和30 cm的綠化屋面在3種不同雨型的降雨條件下，徑流強度均沒有明顯的峰值，徑流過程曲線比較平穩。

從3種不同降雨的降雨—徑流過程可看出，4種不同基質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，即延遲了產流時間，且基質層厚度越大，滯后的時間越長，約為10～20 min。從降雨強度來看，基質層為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。當基質層厚度大于20 cm時，徑流量大大減少，產流保持相對穩定。

2.2　不同基質層厚度綠化屋面徑流過程的相似性分析

研究表明，不同基質層厚度的綠化屋面對應的徑流過程之間存在一定的相關關系，通過計算相關系數，可以反映其相似性。利用Microsoft Excel計算各徑流過程之間的相關系數如表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層厚度綠化屋面對應的徑流過程之間的相關系數

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

2.3　綠化屋面對雨水的調蓄能力

綠化屋面對雨水的調蓄能力主要是通過種植植被層對雨水的截留、利用和基質層的入滲蓄滯等作用實現，通常表現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行評價[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，不同基質層厚度和排水板類型的綠化屋面對應的雨水持蓄效果。

表2　綠化屋面持蓄雨水能力的觀測結果

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

擬合綠化屋面基質層厚度與降雨持蓄率的關系曲線如圖3所示。擬合結果見表3。

圖3　綠化屋面基質層厚度與降雨持蓄率關系的擬合曲線

項目1號降雨2號降雨3號降雨擬合公式y=10.223e0.0668xy=11.16e0.0462xy=14.679e0.0493x經驗系數a10.223011.160014.6790經驗系數b0.06680.04620.0493擬合度R20.96000.98430.9005

從擬合結果可知，綠化屋面基質層厚度與降雨持蓄率呈指數函數的關系，擬合度R2均大于0.9，可用經驗公式(2)表示為：

y=aebx

(2)

式中：y——降雨持蓄率(%)；x——基質層厚度(cm)；a，b——經驗系數。

從表3可看出，經驗系數a，b均為正值，當基質層厚度x一定時，a，b越大，降雨持蓄率越大，a，b受雨前干燥天數、降雨強度、植被類型以及土壤導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間兩個指標進行評價[2]：

(3)

Δt=tR-tP

(4)

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

表4給出了3種降雨條件下，不同基質層厚度綠化屋面對應的洪峰削減率以及洪峰延滯時間的計算結果。

表4　綠化屋面減滯洪峰能力試驗結果

研究表明，綠化屋面對洪峰具有一定的削減和延滯作用。基質層厚度越大，減滯洪峰的能力越強。基質層厚度為5—10 cm時，洪峰的延滯時間較短，當基質層厚度大于20 cm時，對洪峰的延滯時間較長，基本在20 min以上。基質層厚度與洪峰削減率的關系見圖4。

圖4　綠化屋面基質層厚度與洪峰削減率的關系

從圖4可以看出，當基質層高度一定時，綠化屋面對不同降雨的洪峰削減率相差不大，對于單一的一場降雨，基質層厚度增大，綠化屋面對降雨的洪峰削減率升高，基質層厚度為5，10，20和30 cm的綠化屋面對應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，綠化屋面對于降雨的洪峰削減率與降雨強度特征無明顯關系，主要由基質層厚度決定。

基質層厚度增加時，10和20 cm對應的洪峰削減率差值最大，達到了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，當綠化屋面的基質層厚度在5—10 cm之間時，綠化屋面的洪峰削減率增長非常緩慢；當綠化屋面的基質層厚度在10—20 cm時，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層厚度的增加，提高幅度很大；當綠化屋面的基質層厚度大于20 cm時，洪峰削減率隨基質層厚度的增加，提高幅度明顯變小，說明當綠化屋面的基質層厚度增加到一定程度時，再繼續增加厚度，對洪峰的削減作用不大。根據試驗結果，在考慮屋頂建筑結構承重能力的前提下，可以為搭建綠化屋面提前選擇相對安全且高效的基質層厚度。

3結 論

(1) 綠化屋面具有明顯的雨水調蓄能力，且基質層厚度越大，對雨水的調蓄效果越好。通過種植植被層對雨水的截留和利用、基質層的入滲蓄滯等作用可延遲下墊面的產流時間、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間，有效降低城市洪水風險。

(2) 基質層厚度在一定的范圍內(5 cm

(3) 綠化屋面基質層厚度與降雨持蓄率呈指數函數的關系。可用經驗公式y=aebx表示。降雨持蓄率除了與基質層厚度有關，同時也受雨前干燥天數、降雨強度、植被類型以及土壤導水及持水特性等因素的影響。

(4) 洪峰削減率與降雨強度特征無明顯關系，主要由基質層厚度決定，且洪峰削減率與基質層厚度是非線性的關系，當綠化屋面的基質層厚度在10—20 cm之間時洪峰削減率增長最快。根據試驗結果，在考慮屋頂建筑結構承重能力的前提下，可以為搭建綠化屋面提前選擇相對安全且高效的基質層厚度。

[參考文獻]

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[2]孫挺,倪廣恒,唐莉華,等.綠化屋頂雨水滯蓄能力試驗研究[J].水力發電學報,2012,31(3):44-48.

[3]Villarreal E L, Bengtsson L. Response of a Sedum green-roof to individual rain events[J]. Ecological Engineering, 2005,25(1):1-7.

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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

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0356-05

中圖分類號：X24

通信作者：趙新華(1952—)，男(漢族)，天津市人，博士，教授，博士生導師，主要從事環境工程系統優化與數學模擬研究。E-mail:zxh@tju.edu.cn。

收稿日期：2013-12-06修回日期：2014-01-13

資助項目：天津市科技創新專項資金“生態校園水資源綜合利用成套技術示范工程”(08FDZDSF03200)

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