屋頂綠化基質(zhì)雨水滯蓄效果影響因素研究

張 華, 袁 密, 劉 栓, 申 科

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

屋頂綠化基質(zhì)雨水滯蓄效果影響因素研究

張 華, 袁 密, 劉 栓, 申 科

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

綠化屋頂基質(zhì)層吸水飽和時的蓄水含量定義為最大含水量，最大含水量是綠化屋頂雨水滯蓄效果的重要評價指標(biāo)。選擇陶粒、草炭、煤渣等按不同組合不同配比設(shè)計6組基質(zhì)配制方案，通過人工模擬降雨試驗，探究了不同基質(zhì)厚度、降雨強(qiáng)度及基質(zhì)類型對屋頂綠化基質(zhì)雨水滯蓄效果的影響。結(jié)果表明：對于同種屋頂綠化基質(zhì)層，厚度、降雨強(qiáng)度不影響其最大含水量，但厚度越大，蓄水總量越大，延遲產(chǎn)流時間越長，而降雨強(qiáng)度越大，延遲產(chǎn)流時間越短；對于不同種綠化基質(zhì)層，總孔隙度較大的基質(zhì)組其最大含水量也相對較大，但基質(zhì)層持水性與顆粒不均勻系數(shù)有關(guān)，顆粒越均勻，其持水性能越低。

屋頂綠化；最大含水量；滯蓄效果；延遲產(chǎn)流；持蓄雨水

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程快速推進(jìn)，大量的城市土地逐漸被硬化路面所取代，加上受全球氣候變化的影響、城市排水系統(tǒng)的不完善，近年來，城市內(nèi)澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。2012 年 7 月，北京發(fā)生罕見內(nèi)澇，導(dǎo)致79人死亡，經(jīng)濟(jì)損失近百億元[1]。2015年夏季，北京、南京、武漢、長沙等地相繼發(fā)生嚴(yán)重城市內(nèi)澇災(zāi)害。7月14日至15日的連續(xù)強(qiáng)降雨造成湖北省8市26縣區(qū)32.8萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失1.39億元人民幣[2]。數(shù)據(jù)顯示，自 2010 年以來，國內(nèi)三分之二的城市都發(fā)生過類似嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害，給我們帶來了巨大的人員傷亡及財產(chǎn)損失。因此，探究城市內(nèi)澇防治措施，提高城市滯蓄雨水的能力成為目前學(xué)者研究的熱點問題。

屋頂綠化作為城市的“第五立面”，能有效截留蓄滯雨水，減少降雨產(chǎn)流總徑流量，延遲產(chǎn)流時間，對于減少城市內(nèi)澇、改善城市水環(huán)境等有利。國內(nèi)外學(xué)者對屋頂綠化基質(zhì)的滯蓄能力進(jìn)行了一系列研究，Van Woert等[3]和Villarreal等[4]研究表明，植物種類對屋頂綠化的截留能力影響不大，基質(zhì)厚度、初始含水量、降雨強(qiáng)度等因素對屋頂綠化的截留蓄滯作用有一定影響。Nardini等[5]在地中海氣候的意大利東北部，對不同基質(zhì)厚度(120 mm和200 mm)屋頂綠化在無植被覆蓋的情況下對降雨滯蓄效果的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明基質(zhì)厚度越大，減少的徑流量越多。Simmons等[6]在美國德克薩斯州對基質(zhì)厚度為100 mm的屋頂綠化在不同降雨強(qiáng)度下的降雨徑流規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明當(dāng)持續(xù)降雨的降雨量<10 mm時，屋頂綠化能截留絕大部分雨水，隨著降雨量的增大，屋頂綠化的雨水截持量減少。Getter 等[7]研究了屋頂綠化基質(zhì)坡度(2%，7%，15%，25%)對降雨滯蓄效果的影響，結(jié)果表明坡度越大，屋頂綠化對降雨的滯蓄效果越小。張華等[8]設(shè)計了陶粒含量57%、草炭含量41.5%、保水劑含量1.5%的綠化基質(zhì)，基于37次模擬降雨試驗，分析了基質(zhì)厚度、初始含水率和降雨強(qiáng)度對簡單屋頂綠化基質(zhì)雨水滯蓄效果的影響，結(jié)果表明：基質(zhì)初始含水率越低、厚度越厚，基質(zhì)滯蓄效果越佳。唐莉華等[9-10]建立了描述綠化屋頂降雨產(chǎn)流過程的一維入滲模型，并利用模型模擬分析了降雨頻率、土層厚度、土壤類型等對屋頂綠化雨水持蓄效果的影響，結(jié)果表明隨著土層厚度增加，綠化屋頂?shù)挠晁疁钚Ч鰪?qiáng)，同時就雨水持蓄效果而言，砂土比粉黏土更適合于綠化土壤。張小泉等[11]通過試驗得出土壤的蓄水持水的能力受土壤自身條件以及氣候等的影響，其中土壤自身理化性質(zhì)是影響其蓄水能力的重要因素。

通過人工模擬降雨試驗，設(shè)計多組基質(zhì)配制方案，探究基質(zhì)層厚度和降雨強(qiáng)度對不同綠化屋頂基質(zhì)層雨水滯蓄效果的影響，結(jié)論可為合理選擇基質(zhì)配置方案、更好地利用屋頂綠化解決城市雨洪問題提供重要理論依據(jù)。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 試驗材料

試驗主要研究無植被覆蓋的簡單屋頂綠化基質(zhì)對雨水的滯蓄作用。保證屋頂植物的正常生長發(fā)育，且對于不同情況需綜合考慮基材重力荷載、化學(xué)緩沖能力和物理性質(zhì)等多方面因素。本文參考現(xiàn)有的多項屋頂綠化技術(shù)，選取陶粒、草炭、煤渣、碎紅磚和河砂按照不同配比設(shè)計了6組不同的綠化基質(zhì)層配制方案[12-14]，見表1。其中黃土作為對照組，每組基質(zhì)組添加其總質(zhì)量0.5%的保水劑，并對基材進(jìn)行烘干，測定每組方案綠化基質(zhì)層的總孔隙度。總孔隙度是土壤各類孔隙在單位體積土壤中所占百分比，其測定參考連兆煌[15]提出的對于總孔隙度的測定方法。

表1 屋頂綠化基材配制方案Table 1 Schemes of proportion of substrate material for green roof

表1中，很明顯地，含草炭較多的基質(zhì)組總孔隙度較大，其次是陶粒和草炭組成的基質(zhì)組，而煤渣和河砂以及黃土所形成的基質(zhì)組孔隙度較小。這是由于草炭是一種蓬松的介質(zhì)，會形成較多的孔隙；陶粒體積較大，顆粒內(nèi)部本身存在孔隙，與草炭混合后陶粒與草炭均處于松散狀態(tài)，孔隙度較大。相反地，煤渣、河砂所形成的基質(zhì)組粗細(xì)顆粒相互填充，形成的孔隙度較小。黃土顆粒相對較小，結(jié)構(gòu)較致密，形成的孔隙度相對較小。

2.2 試驗裝置

綠化基材置于30 cm×20 cm×18 cm的試驗盒內(nèi)，為模擬屋頂結(jié)構(gòu)層，試驗盒從下往上依次鋪設(shè)蓄水板、無紡布、基質(zhì)層，底部開設(shè)泄水口，連接集水容器以收集產(chǎn)流。試驗裝置如圖1所示,主要分為3個部分：

圖1 人工降雨試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of apparatus for artificial rainfall experiment

(1) 室內(nèi)人工降雨裝置。室內(nèi)人工降雨試驗采用膠管小孔滴灌的模式，即將有分布小孔的膠管均勻分散架設(shè)在試驗盒上，制成簡易的降雨裝置，膠管連接水源，使用單向球閥調(diào)節(jié)水流大小，控制降雨強(qiáng)度，定時開關(guān)水源可模擬間斷降雨過程。

(2) 電子天平。將屋頂綠化模型盒置于1臺精度為0.01 g、量程為6 000 g的電子天平上，模型盒的排水管連接盛水容器置于另一天平上，降雨開始后，2臺天平持續(xù)記錄質(zhì)量變化，從而獲得基材含水量、降雨量、產(chǎn)流量隨時間的變化情況。天平連接計算機(jī)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合LabVIEW軟件開發(fā)了一套完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以方便地連續(xù)獲取天平的實時讀數(shù)，程序自動記錄時間、試驗盒質(zhì)量以及集水容器質(zhì)量，由此可以得到基材的降雨產(chǎn)流曲線及基質(zhì)含水量的變化曲線。

2.3 試驗方案

影響屋頂綠化基質(zhì)雨水滯蓄能力的因素包括基質(zhì)類型、基質(zhì)厚度、基質(zhì)初始含水量、降雨強(qiáng)度、坡度以及植被覆蓋情況等[16-17]。試驗針對無植被覆蓋、無坡度的綠化基層，且在試驗前通過降雨、靜置、通風(fēng)等手段調(diào)節(jié)初始含水量使其一致，分別探究基質(zhì)厚度和雨型對綠化基質(zhì)持蓄能力的影響及規(guī)律。

綜合考慮屋面荷載、所選綠化植物的種植厚度以及經(jīng)濟(jì)性等原則，選擇基質(zhì)厚度為5，9 cm[18]；針對可能致使產(chǎn)生城市內(nèi)澇的降雨情況，選擇降雨強(qiáng)度為60，120，180 mm/h，且保證每次降雨總量一定，對不同基質(zhì)類型進(jìn)行降雨試驗。具體試驗方案見表2。

表2 降雨試驗方案Table 2 Schemes of rainfall experiment

為探究基質(zhì)厚度對綠化基質(zhì)層雨水滯蓄效果的影響，分別對M2，M3，M4，M6基質(zhì)組進(jìn)行了厚度為5 cm和9 cm、降雨強(qiáng)度為120 mm/h的2組降雨試驗，共8次。為探究降雨強(qiáng)度對綠化基質(zhì)層雨水滯蓄效果的影響，分別對M1，M5，M6基質(zhì)組進(jìn)行了厚度為5 cm、降雨強(qiáng)度為60,120,180 mm/h的3組降雨試驗，共9次。方案1和方案2共模擬了17次降雨試驗,并控制降雨時間保證每種雨強(qiáng)下的降雨總量均為120 mm。

3 試驗數(shù)據(jù)與分析

3.1 綠化基質(zhì)降雨產(chǎn)流全過程

對以上所設(shè)計的試驗組進(jìn)行人工降雨試驗，并分析基質(zhì)降雨產(chǎn)流的一般過程。研究發(fā)現(xiàn)，5組基質(zhì)層降雨產(chǎn)流過程曲線變化趨勢具有一致性，選取典型的試驗組5 cm-120 mm/h-M6(即基質(zhì)厚度為5 cm，降雨強(qiáng)度為120 mm/h，基材編號為M6，下同)進(jìn)行具體分析。綠化屋頂降雨產(chǎn)流過程和產(chǎn)流累積量見圖2。

圖2 綠化屋頂降雨產(chǎn)流過程和產(chǎn)流累積量Fig.2 Curves of the process and cumulative amount of rainfall-caused runoff on green roof

由圖2(a)可知，在降雨強(qiáng)度為120 mm/h、基質(zhì)厚度為5 cm時，降雨開始即被基質(zhì)全部吸收，在T<426 s時間段內(nèi)，綠化基質(zhì)可持蓄全部的降雨量，沒有產(chǎn)流發(fā)生，基質(zhì)累積含水量在該時間段內(nèi)呈線性增長。隨著降雨的繼續(xù)，產(chǎn)流量不再為0，且產(chǎn)流速率在196 s時間內(nèi)從E點上升至F點，該產(chǎn)流過程在圖2(b)累積量顯示為極小的一段曲線。在426 s

3.2 基質(zhì)厚度對基質(zhì)滯蓄效果的影響

根據(jù)方案1，分別對M2，M3，M4，M6組進(jìn)行降雨強(qiáng)度為120 mm/h的人工降雨試驗，對比基質(zhì)厚度為5,9 cm，分析基質(zhì)厚度對基質(zhì)層最大含水量的影響。選取試驗組5 cm-120 mm/h-M6與9 cm-120 mm/h-M6進(jìn)行對比分析，見圖3。圖3中W1，W2分別為5 cm和9 cm基質(zhì)時飽和含量。

圖3 不同厚度基質(zhì)層含水量過程線及最大含水量Fig.3 Time-history curve of water content and maximum water content of substrate layer of different thickness

由圖3(a)可見：M6在降雨強(qiáng)度為120 mm/h、基質(zhì)厚度為5 cm條件下，基質(zhì)層最大含水量Wmax1=68.8%，厚度為9 cm時最大含水量Wmax2=66.8%，Wmax1與Wmax2近似相等，同樣地，Wg1與Wg2也近似相等。相類似地，不同厚度的其余試驗組也呈現(xiàn)出該規(guī)律。對M2，M3，M4和M6在5 cm和9 cm厚度下的最大含水量進(jìn)行對比分析，如圖3(b)。通過對比分析可以得出，在基質(zhì)厚度為5 cm和9 cm時，相同的降雨強(qiáng)度下，基質(zhì)層最大含水量近似相等，即綠化基質(zhì)層在降雨強(qiáng)度相同的條件下，其最大含水量與基質(zhì)層厚度無關(guān)。

進(jìn)一步地，將5 cm-120 mm/h-M6和9 cm-120 mm/h-M6試驗組的降雨產(chǎn)流過程進(jìn)行對比分析，見圖4。 由圖4可見：M6在降雨強(qiáng)度為120 mm/h、基質(zhì)厚度為5 cm的條件下，其產(chǎn)流發(fā)生時刻為T1=426 s，9 cm的基質(zhì)層產(chǎn)流發(fā)生時刻為T2=1 107 s；對圖4進(jìn)行積分，可得5 cm和9 cm的基質(zhì)層在達(dá)到飽和時所持蓄的降雨總量分別為S1=25.517 mm,S2=42.628 mm，即對于同種基質(zhì)配制方案，增加其厚度能有效地延緩產(chǎn)流發(fā)生的時間，且持蓄的降雨總量也會大大增加。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和屋頂荷載等因素，適當(dāng)增加屋頂綠化基質(zhì)層厚度能更好地發(fā)揮屋頂綠化持蓄水、降低總徑流量和徑流洪峰峰值的作用。

圖4 不同厚度的基質(zhì)產(chǎn)流過程分析Fig.4 Process of runoff of substrate of different thickness

3.3 雨強(qiáng)對基質(zhì)滯蓄效果的影響

根據(jù)方案2，分別對M1，M5，M6組進(jìn)行降雨試驗，基質(zhì)厚度為5 cm，對比降雨強(qiáng)度分別為60，120，180 mm/h，分析雨型對基質(zhì)蓄水能力的影響。

由圖5可見：在基質(zhì)厚度均為5 cm，降雨強(qiáng)度分別為60,120和180 mm/h條件下,M1，M5，M6組基質(zhì)層的最大含水量近似相等，且含水量較大的為M1，含水量較小的為M5，M6。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，重復(fù)3次試驗，結(jié)果顯示與該結(jié)論一致，即相同厚度的綠化基質(zhì)層在不同降雨類型條件下，其最大含水量近似相等，其滯蓄雨水效果與降雨強(qiáng)度無關(guān)。

圖5 降雨強(qiáng)度對綠化屋頂滯蓄效果的影響Fig.5 Effect of rainfall intensity on rainfall retention capacity of green roof

進(jìn)一步地，將5 cm-60 mm/h-M6和5 cm-120 mm/h-M6試驗組的降雨產(chǎn)流過程進(jìn)行對比分析見圖6。由圖6可見：M6在基質(zhì)厚度為5 cm、降雨強(qiáng)度為60，120 mm/h條件下，其產(chǎn)流發(fā)生時刻分別為T1=1 215 s，T2=426 s，即對于同種基質(zhì)配制方案，在厚度相同條件下，降雨強(qiáng)度越小，產(chǎn)流發(fā)生的時間越長。這與我們的認(rèn)知是相同的，當(dāng)發(fā)生大暴雨時，地表會很快地產(chǎn)生徑流，這也是引起城市內(nèi)澇的主要原因。

圖6 不同降雨強(qiáng)度降雨產(chǎn)流過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of runoff process under different rainfall intensities

3.4 基質(zhì)類型對基質(zhì)滯蓄效果的影響

從前文可知，綠化基質(zhì)層持蓄雨水達(dá)到飽和時的最大含水量與基質(zhì)厚度和降雨強(qiáng)度均無明顯關(guān)系。為探究基質(zhì)類型對雨水滯蓄效果的影響，分析各基質(zhì)組總孔隙度與其對應(yīng)的最大含水量的關(guān)系，見圖7。

圖7 基質(zhì)總孔隙度與最大含水量的關(guān)系Fig.7 Relationship between total porosity and maximum water content of substrate

總體上來說，各基質(zhì)組的最大含水量與其孔隙度具有相同變化趨勢，孔隙度較大的含水量也較大，反之也成立，如圖7所示。差異性較大的為M3，M5，最大含水量與總孔隙度比較而言變化相對較大，初步分析可能是由于有煤渣和河砂的存在，雖然會形成一定量的孔隙，但孔隙之間相互貫通，密閉空隙較少，導(dǎo)致其持蓄雨水的能力較低，因而最大含水量較低。簡言之，綠化屋頂基質(zhì)層的雨水滯蓄效果與總孔隙度有關(guān)，總孔隙度越大，其吸水達(dá)到飽和時的最大含水量越大。同時，土顆粒不均勻系數(shù)越低，其持水性能越弱。

4 結(jié) 論

(1) 對6組由陶粒、草炭、碎紅磚等按不同配比方案組成的基質(zhì)層，進(jìn)行人工降雨試驗并記錄其降雨產(chǎn)流及蓄水過程。歸納了基質(zhì)產(chǎn)流的一般過程，定義了基質(zhì)蓄水能力的重要評價指標(biāo)：基質(zhì)最大含水量。

(2) 分析了基質(zhì)厚度及降雨強(qiáng)度對綠化基質(zhì)最大含水量的影響。結(jié)果表明：綠化基質(zhì)的最大含水量與基質(zhì)層厚度、降雨強(qiáng)度無明顯關(guān)系，但基質(zhì)厚度越大，其蓄水總量越大，延遲產(chǎn)流發(fā)生時間越長。此外，在厚度相同條件下，降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)流發(fā)生的時間越短。

(3) 分析了基質(zhì)類型對綠化屋頂雨水滯蓄效果的影響。結(jié)果表明：綠化屋頂基質(zhì)層的雨水滯蓄效果與總孔隙度有關(guān)，總孔隙度越大，其吸水達(dá)到飽和時的最大含水量也越大。同時，基質(zhì)層的持水能力與其顆粒不均勻系數(shù)相關(guān)，顆粒粒徑越均勻，其持水性能越弱。

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(編輯：占學(xué)軍)

Influential Factors of Rainfall Detention of Green Roof Substrates

ZHANG Hua, YUAN Mi, LIU Shuan, SHEN Ke

(College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002,China)

The water storage capacity of saturated green roof substrates is defined as the maximum water content, which is important for evaluating the effect of rainfall detention. In this research, ceramics particles, peat, and coal cinder were selected to design the substrate of green roof by adjusting the combinations and mixing proportions. The influences of substrate thickness, rainfall intensity, and substrate type on the effect of rainwater detention were investigated through artificial rainfall experiments. Results suggest that thickness and rainfall intensity have no effect on the maximum water content in the presence of the same substrate. But with the increase of substrate thickness, the total capacity of water detention grows, and the delay time of runoff also extends; while when rainfall intensity increases, the delay time of runoff shortens. As for different substrates, the maximum water content of substrates of large total porosity is large correspondingly; and the water retention capacity is related with the coefficient of non-uniformity of substrate particles, which means that more even particles lead to lower water retention capacity.

green roof；maximum water content；retention effect；delayed runoff；rainwater retention

2016-08-22；

2016-10-07

國家自然科學(xué)基金項目(51178251)

張 華(1974-)，男，湖北宜昌人, 教授，博士，主要從事非飽和土滲流研究，(電話)0717-6394403(電子信箱)cezhua@139.com。

袁 密(1991-)，女，湖北宜昌人, 碩士研究生，主要從事非飽和土滲流研究，(電話)15571741242(電子信箱)3319595305@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160861

2017,34(4):33-37

P349

A

1001-5485(2017)04-0033-05