簡單屋頂綠化的滯蓄特性

張華　李茂　張灃　曹金露　袁密

摘要：設計了模擬降雨與數據采集系統，研究了短時強降雨下簡單屋頂綠化基質（配比：陶粒570%、草炭41.5%、保水劑1.5%）的降雨產流過程，基于37次模擬降雨實驗，歸納了降雨產流的一般過程、規律和特性，分析了降雨強度、基質厚度和基質初始含水率對簡單屋頂綠化滯流蓄水特性的影響。結果表明：基質厚度和基質初始含水率對簡單屋頂綠化的蓄水特性有顯著影響，基質初始含水率越低、基質厚度越厚時蓄水特性越佳。建立了產流時間數學模型，簡單屋頂綠化降雨產流時間與降雨強度呈負相關，同時也受初始含水量和基質厚度影響。隨著干濕循環次數增加，基質的厚度總體呈現下降趨勢，儲水性能逐漸下降，延遲產流時間逐漸縮短。

關鍵詞：簡單屋頂綠化； 降雨； 滯蓄特性； 延遲產流

中圖分類號：TU111.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）04-0135-07

Abstract： An artificial rainfall device and a data acquisition system are designed to study the rainfall-runoff processes of an extensive green roof with matrix of 57.0% ceramsite， 41.5% peat， and 1.5% super absorbent polymer. Based on 37 times artificial rainfall tests， the fundamental processes of rainfall infiltration and runoff are illustrated. The effects of rainfall intensity， matrix depth and initially water content on the rainwater retention features are studied. The results show that the effects of matrix depth and initially water content are significant. The rainwater storage in matrix will increase with lower initially water content and higher depth. A multiple linear regression equation is presented for the delayed time of runoff. It shows that the delayed time of runoff is negative related with rainfall intensity.Meanwhile the delayed time of runoff are affected by initial water content and depth. With the increase of wetting and drying times， the matrix depth tends to decrease， the rainwater storage gradually declines， and the delayed runoff time tends to shorten.

Key words：extensive green roof； rainfall；rainwater retention feature； delayed runoff

城市內澇災害，嚴重危及人民群眾生命財產安全以及城市日常運行[1-2]。為了解決這一問題，國務院發布重要通知[3]，要求各城市增強排水防澇建設，完善城市排水防澇工程體系。屋頂綠化作為地面綠化在空間上的延伸，不僅能增加綠化面積，改善環境[4]，調節小氣候[5]，它本身的基質特點還決定了它能儲存一部分降雨對屋頂降雨產流起延時作用。廣泛應用屋頂綠化，對解決城市內澇問題有一定積極作用。

國內外學者對不同屋頂綠化基質滯流蓄水進行了研究，Villarreal等[6]研究了主要成分為碎磚和沙的屋頂綠化基質的蓄水能力，VanWoert等[7]對主要成分為碎石和砂的屋頂綠化基質的蓄水效果進行了研究，唐莉華等[8]對砂土、壤土和粉粘土在屋頂綠化中滯流蓄水效果進行了研究，葉建軍等[9]研究了主要成分為碎磚和河沙的屋頂綠化基質的蓄水能力。已有研究主要圍繞著屋頂綠化在降雨產流中對蓄水效果的影響進行研究，筆者以陶粒、草炭和保水劑混合輕質基質材料為研究對象，應用人工模擬降雨，運用數理統計的方法，對簡單屋頂綠化在降雨產流中滯流蓄水效果進行研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

試驗主要研究無植被覆蓋的簡單屋頂綠化基質的降雨產流過程，試驗所用基質由57.0%陶粒、415%草炭以及1.5%保水劑構成。試驗裝置如圖1。

基質配備與數據采集：在長寬高為30 cm×20 cm×18 cm的試驗盒內從下至上依次鋪設蓄排水板（厚25 mm）、無紡布以及經充分干燥混合均勻基質，試驗盒底一邊開孔接排水管用于產流采集。將試驗盒置于精度為0.1 g電子天平上，調整試驗盒呈3%坡度（以模擬屋頂），電子天平連接計算機通過特定程序每隔一秒采集并保存試驗盒質量m1。

產流采集：試驗盒排水管連接集水容器，容器置于0.1 g電子天平，電子天平連接計算機通過特定程序每隔一秒采集并保存產流質量m2。

模擬降雨：模擬降雨采用膠管小孔滴灌的模式，即將有均勻分布小孔的膠管均勻架設在試驗盒上，膠管鏈接水源，使用單向球閥調節水流大小。

1.2 試驗方案

短時強降雨時間短，強度大，容易發生城市內澇，根據湖北地區多年來降雨情況[10-13]， 試驗將通過調節球閥控制降雨強度大小，模擬小時降雨量為18～80 mm，持時1～2 h的短時強降雨。

景天屬植物在屋頂綠化中被廣泛應用，試驗選擇適應景天屬植物生長的基質厚度7 cm[14]作為初始厚度。對同一個試驗盒按不同降雨強度進行試驗，在試驗前將通過降雨、靜置、通風等手段調節初始含水量，并使用游標卡尺測量基質厚度，記錄基質厚度隨試驗進行的變化情況以及基質的降雨產流過程。

試驗在76 d內共模擬了37次短時強降雨，降雨分布情況如圖2。試驗中先后5次對基質的含水率通過靜置和通風的手段經行調節，降低基質的含水率（圖2）。

2 試驗數據與分析

2.1 降雨產流過程

影響屋頂綠化產流過程的因素有基質的種類、降雨強度、基質初始含水率、基質厚度、坡度、植被種類以及植被覆蓋情況等[4-9]。試驗針對定配比、定坡度（3%）、無植被覆蓋的簡單屋頂綠化基質進行模擬降雨試驗，降雨強度、基質初始含水率、基質厚度則是影響產流過程的主要因素。

圖3～6分別展示了計算機程序自動記錄數據得到第1、5、12、34次試驗的產流全過程，4次試驗所具有的初始含水率、降雨強度、基質厚度各不相同，但展現了簡單屋頂綠化降雨產流的一般過程（圖7）：降雨滯蓄階段、產流上升階段、平穩產流階段、殘余產流階段。展現了簡單屋頂綠化降雨產流一般規律：延時產流、降低波峰、延滯波峰；展現了簡單屋頂綠化對降雨產流的滯流蓄水特性。

2.2 蓄水效果分析

人工模擬降雨試驗通過計算機記錄產流時基質蓄水量q、降雨結束時基質的蓄水量Q以及產流時基質蓄水量與降雨結束時基質的蓄水量比值q/Q，試驗數據如圖8。

由圖7可以看出在37次試驗中產流時的蓄水量q較為平穩，而降雨結束時的總蓄水量Q變化較大。圖7中總蓄水量Q出現了5次峰值，分別為第1、10、12、18、25次，同時，產流時的蓄水量q與降雨結束時的總蓄水量Q的比值q/Q相對應出現波谷值。通過與圖2中基質初始含水率變化曲線作對比可知，第1次試驗初始含水率為0，其余4次都是在基質經過靜置風干處理后的第1次試驗，這5次試驗中基質都有較低的含水率，使得這5次試驗在降雨的全過程中蓄存更多的水即降雨結束時的總蓄水量Q值更大。結果表明：基質的初始含水率對簡單屋頂綠化蓄水效果有較大影響，當基質初始含水率低時，簡單屋頂綠化基質在降雨過程中能儲蓄更多的降雨。

同時，由圖8也可以看出降雨結束時的總蓄水量有下降的趨勢，而降雨結束時基質含水率（圖9）也呈下降趨勢，這表明基質的蓄水能力隨著試驗次數的增多而降低。考察試驗過程中基質厚度的變化（圖10），基質厚度起先快速增大而后風干靜置過程中快速降低，隨試驗次數增多逐漸降低最后趨于平穩，基質厚度變化規律與基質初始含水率變化規律基本相同。這是由于基質成分中含有保水劑，會在降雨過程中吸水膨脹[15]，容器四周被限制，因而膨脹主要發生在豎直方向上即基質厚度會發生變化，基質含水率越高基質因膨脹厚度越大；同時，基質主要成分為陶粒和草炭，陶粒輕質、多孔而草炭輕質、疏松，降雨過后基質含水率上升在重力作用下會發生沉降，保水劑具較高的粘性使得基質會逐漸聚集變得密實，在眾多作用下基質厚度會逐漸達到穩定。因為，試驗過程中基質厚度會隨著降雨量的大小、降雨次數發生變化，基質厚度決定了基質的孔隙率從而影響基質對水分的吸收，所以，基質厚度對簡單屋頂綠化在降雨過程中的蓄水能力有較大的影響，當基質厚度因膨脹變大時其孔隙率增大蓄水能力增強，當基質厚度因沉降變小時起孔隙率減小蓄水能力減弱。

由于簡單屋頂綠化基質結構松散、孔隙大，降雨不會在基質表面積留，雨水在下滲的過程中被基質吸收儲存，影響基質蓄水量的主要因素是基質的孔隙率和保水劑的含量，而降雨強度對蓄水效果影響較小（圖9），因而影響簡單屋頂綠化降雨過程中蓄水效果的因素主要是基質初始含水率和基質厚度。基質初始含水率越低，基質厚度越厚，基質的蓄水效果越強；反之，基質的蓄水效果越弱。

2.3 滯流效果分析

從降雨開始到集水盒開始接收滲流的時間間隔為產流時間，通過記錄數據得到每一次試驗產流時間T，產流時間T隨試驗次數變化情況、產流時間T與降雨強度i的關系、產流時間T與初始含水量θ的關系以及產流時間T與基質厚度h的關系，如圖11～14所示。

含保水劑的屋頂綠化基材降雨產流過程類似于非飽和土滲流過程，但也有區別。如圖11～13所示，產流時間與3個因素之間數據分布零散，影響產流時間的因素比較復雜。簡單屋頂綠化基質結構松散、孔隙大，降雨強度越大越易產生滲流。

在側向受限的試驗條件下，基質厚度的變化反映著基質體積的變化。在試驗過程中經過多次干濕循環，基質在吸水膨脹的同時也會因沉降和保水劑的粘聚逐漸變得密實，而基質厚度也會隨之發生變化。在試驗開始初期，基質厚度主要受保水劑吸水膨脹的影響，厚度隨基質含水率升高而增大；在試驗中后期，隨著降雨次數增多和試驗周期的增長，基質逐漸沉降而且陶粒、草炭在保水劑的粘性作用下膠結成團，基質變得密實起來。基質厚度增漲不單純是體積的膨脹，其膨脹的空間也會被吸水后膨脹的保水劑填充；而基質厚度降低也不僅是結構的變化，同時也有結構變化對保水劑吸水能力的影響，因此，含保水劑的屋頂綠化基質材料的體積變化對滲流的影響比對土壤滲流的影響[16]更為復雜。

就入滲率而言，試驗所采用的基質材料以陶粒為骨架，以草炭和保水劑為填充，這種配比決定了其孔隙大、孔隙率高，因而，基質含水率的變化對入滲率的影響非常小，這種性質在試驗中表現為只要出流路徑保持通暢，屋頂綠化在長時間強降雨下不會發生表面徑流。含水率對基質材料的主要影響表現在對基材導水率的影響，與非飽和土滲流不同的是，含水率不僅代表著滲流路徑的浸潤情況也代表著基質內部孔隙被保水劑填充情況。

回歸模型的模擬計算值與實測值的相關系數為0.924，置信度P<0.001，說明該回歸模型較為合理，模擬效果較好。回歸模型式（3）表明產流時間T受降雨強度i、基質厚度h以及基質初始含水率θ綜合影響，當初始含水量θ和基質厚度h不變時，產流時間T與降雨強度i呈負相關，即降雨強度越大，產流時間越短。

3 結 論

1）展示了由陶粒、草炭和保水劑組成的簡單屋頂綠化降雨產流的一般過程，歸納了簡單屋頂綠化基質材料降雨產流的一般過程和規律，展現了簡單屋頂綠化在降雨過程中的滯流蓄水特性。

2）分析了降雨強度、基質厚度、基質初始含水率對簡單屋頂綠化降雨過程中蓄水效果影響。影響簡單屋頂綠化降雨過程中蓄水效果的因素主要是基質初始含水率和基質厚度。基質初始含水率越低，基質厚度越厚，基質的蓄水效果越強；反之，基質的蓄水效果越弱。

3）建立了產流時間數學模型，簡單屋頂綠化降雨產流時間與降雨強度呈負相關，當降雨強度一定時，產流時間受基質厚度與初始含水率的綜合影響。

4）在側向受限的試驗條件下，隨著干濕循環次數增加，基質的厚度總體呈現下降趨勢，儲水性能逐漸下降，延遲產流時間逐漸縮短。

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（編輯 郭 飛）