屋面綠化卷材降雨入滲及蒸發(fā)特征研究

蘇曉敏，李紹才，孫海龍

（1.四川大學 生命科學學院，生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，四川 成都 610065；2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065）

0 引言

屋面綠化不僅可以減輕熱島效應、調節(jié)濕度、節(jié)省資源，而且可以起到增加綠地、改善城市生態(tài)環(huán)境的作用，屋面綠化可以起到緩解雨水流失的作用，該技術已經越來越受到重視，城市的綠化之路已然勢在必行[1-4]。屋面綠化發(fā)展的近20年來已經取得了一些成果，國內外的研究已經成功篩選出100多種屋面綠化植物[5-8]。目前，歐洲屋面綠化的實施主要是參照德國的景觀建筑機構推出的有關屋面綠化的技術指導，該指南涵蓋了屋面綠化的設計施工、產品安裝、后期養(yǎng)護等，并逐年更新，是歐洲行業(yè)內公認的最權威的指南[9-10]。在國內，依據氣候差異，北京、成都、重慶、上海等地有針對性地提出了適應于當地的屋面綠化技術規(guī)范，明確了屋面綠化的構造層次、材料選擇及建造方法[11-14]。但對于綠化屋面建造及建成后的水肥管理，生態(tài)養(yǎng)護方面的研究還不是很完備，尤其是在屋面綠化實施過程中植物水分的保持與利用還不甚了解，屋面綠化的基質和綠化植物之間的連通性被阻隔，水分、養(yǎng)分難以被有效利用[15]。國內的屋面綠化蓄排水層材料的選擇還存在諸多難題，卵石的抗壓及排水性能好但荷載大，陶粒輕質透水但蓄水能力差，從國外引進的蓄排水材料給生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力，不利于長遠發(fā)展[16]?，F階段使用的覆土屋面綠化載荷大、施工繁瑣，對環(huán)境造成了一定的壓力，且在一些老舊建筑上無法進行改造，因此不便于大規(guī)模推廣[9]。本研究針對以上適用范圍不具普適性、施工周期長、植物水分保持利用等難題，提出了屋面綠化卷材構造方法，并針對發(fā)生于卷材植物-養(yǎng)分-水分系統(tǒng)中的植物水分特征進行研究。近年來，國內外針對土壤水分進行了大量的試驗研究，如降雨水分入滲、土壤含水率對入滲的影響、裸土水分蒸發(fā)試驗、覆膜水分蒸發(fā)試驗等，并建立了一定的理論與試驗基礎。屋面綠化作為一種環(huán)境友好的新型生態(tài)治理手段，研究發(fā)生在其上面的水分過程顯得至關重要。本研究就新型屋面綠化卷材的降雨入滲和蒸發(fā)特征進行了試驗，探究了不同開孔率對綠化卷材降雨入滲、產流及蒸發(fā)特征的影響，以期為屋面綠化卷材找到最適宜的開孔設計，為卷材的研發(fā)提供合理的優(yōu)化建議。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為課題組自己開發(fā)設計的屋面綠化卷材，卷材構造主要包括物料基質層，種子萌發(fā)層，水分截留層，保溫防輻射層（見圖1）。其中水分截留層的截留槽、入滲孔、下滲孔是卷材雨水利用的重要組成部分，完成降雨水分的收集再利用，確保種子萌發(fā)和生長所必須的水分，為植物在無土界面的穩(wěn)定建植提供水分供給[17]。

圖1 綠化卷材的結構

1.2 試驗方法

1.2.1 降雨入滲試驗

試驗在位于彭州市積泉村的四川省山地生態(tài)工程技術研究中心的人工降雨實驗室完成。試件放置在長1.5m、寬1.0m、高0.5 m的土槽內，周圍密閉，坡度設置為15°，底部設置徑流收集裝置。人工降雨強度設置為33.4 mm/h，降雨均勻度系數為95%；設置5個屋面綠化卷材水分入滲通道（水分入滲孔+種子萌發(fā)帶）開孔率：A1為12.5%，A2為25%，A3為50%，A4為75%，A5為100%，其中，100%開孔率為對照試件，每個試件設置3個重復試驗。自產流開始后每1 min采集表面徑流量并稱重，記錄產流歷時，直至穩(wěn)定產流（5次徑流量無差異認為穩(wěn)定產流）停止降雨。

1.2.2 蒸發(fā)試驗

蒸發(fā)試驗在試驗地玻璃棚內進行，試件置于長40 cm、寬40 cm、高5 cm的方形有機玻璃盆內，有機玻璃盆底部有圓形開孔。試件盒底部鋪設防止水分滲漏的塑料薄膜，下部墊砂和防水無紡布以防止與地面熱交換。試驗以水分入滲通道開孔率為變量因子，分別設置12.5%、25%、50%、75%、100%5個開孔率。其中，100%開孔率為對照試件。每天 08：30、20：30進行試件稱量并記錄。試驗持續(xù)至各試件質量基本維持穩(wěn)定，即視為卷材水分蒸發(fā)達到基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2 試驗結果與分析

2.1 屋面綠化卷材降雨入滲、產流特征

水分入滲是指水分通過土壤表面垂直向下進入土壤和地下的運動過程。水分入滲不僅直接影響地面徑流量的大小，也影響土壤水分及地下水的增長[18]。不同開孔率綠化卷材入滲速率隨降雨時間變化如圖2所示。

圖2 不同開孔率綠化卷材入滲速率隨降雨時間變化

由圖2可見：隨降雨時間的延長，入滲速率呈下降趨勢。降雨前期入滲速率下降迅速，開孔率越小入滲速率下降越迅速，降雨后期入滲速率下降緩慢，最后趨于穩(wěn)定；入滲速率受開孔率的影響，開孔率越大，入滲速率變化越緩慢，穩(wěn)定入滲所需時間越長。穩(wěn)定后的入滲速率表現為：A1條件＜A2條件＜A3條件＜A4條件＜A5條件。入滲量和入滲比例均隨開孔率的增大而增大（見表1），開孔率為A1、A2、A3差異不顯著，與A4、A5在5%水平差異顯著。對不同開孔率的入滲量曲線采用 Kostiakov模型進行擬合，見式（1）[19]。

式中：I——累積入滲量，mm；

t——入滲時間，min；

α——入滲指數；

k——入滲系數，mm/min。

由表1分析可知：在相同降雨強度下，相同的入滲時間內，開孔率越大，累積入滲量越大，以冪指函數對入滲曲線進行擬合，相關系數R2均大于0.98，擬合效果較好，試驗結果可信度高。

產流是指降雨量扣除損失形成凈雨的過程，降雨損失包括植物截留、下滲、填洼與蒸發(fā)，其中以下滲為主[20]。當降雨強度一定時，土壤入滲能力相同，產流速率取決于表面覆膜開孔率的大?。ㄒ妶D3），見表2。

表1 不同開孔率的入滲比例差異性比較

圖3 不同開孔率的產流速率

表2 不同開孔率下的累積入滲量模型參數

由圖3、表2可知，產流速率隨降雨時間的延長不斷變大，最后趨于穩(wěn)定產流，開孔率為A5時達到穩(wěn)定產流的時間最短，A1達到穩(wěn)定產流的時間最長。

2.2 開孔率對綠化卷材蒸發(fā)的影響

2.2.1 開孔率對綠化卷材蒸發(fā)速率的影響

試驗在不受外界環(huán)境干擾的玻璃棚中進行，不同開孔率綠化卷材白天和夜晚的蒸發(fā)速率變化分別見圖4、圖5。

圖4 不同開孔率下綠化卷材白天的蒸發(fā)速率變化

圖5 不同開孔率下綠化卷材夜晚的蒸發(fā)速率變化

由圖4、圖5可以得到，試驗期間，白天的蒸散速率波動幅度較大，夜間的蒸散速率變化較日間而言則相對平穩(wěn)，出現這種差異的原因可能是受太陽輻射的影響，夜間的輻射量是非常低的。在蒸散試驗的第1天（8月26日），白天的蒸散速率達到了試驗期間的最大值，之后的蒸散速率驟降，這與當日的氣溫有著極大的關系，當天平均溫度高達30.55℃，在這之后平均氣溫一直保持在20～25℃。這也就解釋了為什么26日之后夜間的蒸發(fā)速率驟降并穩(wěn)定保持在某一范圍之內。雖然日間和夜間蒸散速率存在一定的波動幅度，會出現忽高忽低的狀況，但仍然可以看到總體的趨勢表現為蒸散速率逐漸減小，并且最后在某一固定值附近波動，此時即達到了穩(wěn)定蒸散狀態(tài)，蒸散速率趨于穩(wěn)定。分析不同開孔率對卷材日間、夜間蒸散速率的影響，可以看出不同開孔率的水分蒸散速率的變化趨勢是一致的，隨著蒸散時間的延長逐漸趨于穩(wěn)定，在同一天內，蒸散速率隨開孔率的增大而增大，開孔率為50%時，無論是白天還是夜晚，其蒸散速率都是最大且相同，在開孔率為12.5%時，蒸散速率都是最小的。對日間、夜間不同開孔率下的蒸散速率進行差異性分析，結果表明，他們之間不存在顯著性差異。

2.2.2 開孔率對綠化卷材白天、夜晚蒸散量的差異分析

采用SPSS軟件對不同開孔率下白天與夜晚的蒸散量進行分析，結果表明，不同開孔率條件下的日間蒸散量之間差異顯著（0.01

由圖6可以清楚的看到，白天的蒸散量遠遠高于夜晚，且隨著開孔率的增大，日間蒸散量不斷增加，而夜間蒸散量則變化不大，說明開孔面積主要影響卷材的日間蒸散量，白天蒸散較強的原因可能是白天氣溫和輻射都較高，加之開孔率的雙重影響，導致大量水分的蒸散，而夜間溫度和輻射都較低，水分蒸散原本就較為緩慢，開孔面積對其的影響也就很微弱了。當開孔率為最小值12.5%時，卷材的日間、夜晚蒸散量都最小，由此可見，小的開孔率可以較好地保存基質中的水分以供植物生長所需。表3列出了發(fā)生在綠化卷材中的日間、夜間蒸散量占總蒸散量的比例

圖6 開孔率與白天、夜晚蒸發(fā)量的關系

表 3 不同開孔率下的白天、夜晚蒸發(fā)量

由表 3 可見，A1、A2、A3、A4、A5 五個開孔率下的日間蒸散量占總蒸散量的比例分別為73.5%、74.9%、78.1%、79.1%和81.5%，差異不是很大，說明卷材的蒸散主要發(fā)生在白天。由試驗結果可知，開孔率為A1、A2、A3、A4、A5的卷材最大日蒸發(fā)量與最小日蒸發(fā)量之間的差值分別是129.67、183.00、278.33、449.33、523.67 g，由此得到了開孔率與日蒸發(fā)量極值差之間的關系，二者滿足多項式關系，其線性回歸的相關系數高達0.9779，結果可信度較強。所以，裸土蒸發(fā)的日變化量最大，開孔率越小日蒸發(fā)量差值就越小，可見開孔率小可有效保持卷材水分變動的穩(wěn)定性（見圖7）。

圖7 開孔率與日蒸發(fā)量差值的關系

2.2.3 開孔率對綠化卷材累積蒸發(fā)量的影響

已有大量的實踐研究證實，裸土蒸發(fā)條件下，其累積蒸發(fā)量與時間的平方根之間存在正比例函數關系，符合Gandner理論[21-22]。對本試驗中累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)時間實測數據分析可知，不同開孔率條件下的累積蒸發(fā)量與時間的關系也符合Gandner理論[23]，可以表示為式（2）。

式中：E——累積蒸發(fā)量，g；

t——蒸發(fā)時間，d；

kE——蒸發(fā)系數；

β——蒸發(fā)指數。

對試驗數據分析處理得出了二者之間存在極好的冪指函數關系，其擬合的相關系數R均高于0.97（見表4）

表 4 不同開孔率下的累積蒸發(fā)量模型參數

由表4可見，蒸發(fā)指數β的變化范圍在0.5188～0.6231之間。土壤蒸發(fā)系數kE隨開孔率的增大呈線性增大，開孔率越小，蒸發(fā)系數就越小，裸土蒸發(fā)的蒸發(fā)系數最大；蒸發(fā)指數隨開孔率的增大呈非線性減小，開孔率越大，蒸發(fā)指數越小，裸土蒸發(fā)條件下的蒸發(fā)指數最?。?.5188）。卷材整個系統(tǒng)并無外來水源的供給，隨蒸散時間的延長，累積蒸發(fā)量逐漸減少并最終趨于穩(wěn)定（見圖8）。

圖8 開孔率與累積蒸發(fā)量的關系

從圖8可見，開孔率越大，基質與大氣之間水分交換的阻礙越小，水汽蒸散的通量越大，基質水分蒸發(fā)的效率越強，結果就是基質水分累積蒸發(fā)量越大，基質水分越早趨于蒸發(fā)穩(wěn)定狀態(tài)，A1條件下累積蒸發(fā)量最少，A5條件即裸土累積蒸發(fā)量最大。

3 結語

（1）卷材基質特征、降雨強度和坡度等一定，不同開孔率條件下，卷材基質入滲、產流的總體趨勢一致。隨著降雨的進行，基質含水量不斷增加，最后達到飽和狀態(tài)，入滲速率不斷減小，直至穩(wěn)定，產流速率不斷增大，一直到穩(wěn)定產流。開孔率越大，同一研究對象的入滲量越大。在開孔率為12.5%、25%、50%時，水分入滲比例差異不顯著，而開孔率為75%、100%時，顯著性差異較明顯。

（2）在無外界干擾的條件下，隨開孔率的增大，卷材累積蒸發(fā)量不斷增加，最后趨于穩(wěn)定，在穩(wěn)定蒸發(fā)之前，累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)時間呈較好的冪指數函數關系，日蒸發(fā)量極差和蒸發(fā)系數均隨開孔率的增大而增大；蒸發(fā)主要發(fā)生在白天，夜晚蒸發(fā)緩慢，開孔率主要影響卷材白天的蒸發(fā)量，對夜晚蒸發(fā)量影響較小。

（3）屋面綠化實施過程中植物的水分保持與利用很重要，屋面綠化卷材可通過調節(jié)開孔率的大小，對水分進行合理有效的利用。希望蒸發(fā)量小一點，利于基質保存水分，有助于植物的生長發(fā)育，但是蒸發(fā)量較小的時候，植物的開孔面積也就比較小，降雨進入卷材內部的水分相對較少。通過試驗確定最佳的開孔率，使得卷材整個系統(tǒng)水分入滲大于等于水分蒸發(fā)，維持卷材整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。試驗結果表明，開孔率為25%、50%時，水分入滲比例相差不大，但是開孔為50%的累積蒸發(fā)量遠遠大于開孔25%時，因此，在實際應用中，可選擇較小的開孔，即把卷材的開孔率設置為25%。選擇合適的開孔率，有效控制卷材蒸散發(fā)的強度，截留更多的雨水，降低徑流量的產生，平衡蒸散與入滲的關系，達到最優(yōu)化的設計。