基質(zhì)類型及厚度對綠色屋頂徑流調(diào)控效益的影響

葛 德，張守紅

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

在城鎮(zhèn)化進程中，公路、街道、建筑等基本不透水城市景觀取代原有的森林、草地、農(nóng)田等透水地表，阻止雨水下滲和土壤水分蒸發(fā)，破壞流域自然水循環(huán)，引發(fā)城市熱島和內(nèi)澇積水等生態(tài)環(huán)境問題[1-2]。為解決這些問題，我國借鑒低影響開發(fā)、可持續(xù)城市排水系統(tǒng)和水敏感城市設(shè)計等現(xiàn)代城市雨洪管理理念，結(jié)合我國雨水控制與利用的傳統(tǒng)智慧，提出并推廣海綿城市建設(shè)戰(zhàn)略[3]。綠色屋頂，作為海綿城市建設(shè)的重要措施之一，具有滯留雨水、減少徑流、削減和延緩洪峰等徑流調(diào)控功能[4-5]。相比其他低影響措施，綠色屋頂?shù)膬?yōu)勢在于可利用閑置屋頂，無需額外用地，在土地空間有限但環(huán)境問題突出的城鎮(zhèn)核心區(qū)域具有較大的應(yīng)用前景[6]。

綠色屋頂從上到下可分為植被層、基質(zhì)層、過濾層、排水層和阻根防水層等[4,6]。根據(jù)基質(zhì)層的厚度，綠色屋頂可分為復(fù)式(集約型)和簡式(粗放型)2類[7-11]。復(fù)式綠色屋頂?shù)幕|(zhì)層較厚，可種植草本、灌木和小喬木等多種植物，但對建筑的承重要求以及建造、養(yǎng)護成本相對較高。簡式綠色屋頂基質(zhì)層較薄，適宜種植淺根草本植物，因建造和養(yǎng)護成本相對較低[12]，且具有良好的徑流調(diào)控[5]、節(jié)約能源[13]和增加生物多樣性[14]等功能，應(yīng)用較廣泛[15]。

綠色屋頂?shù)膹搅髡{(diào)控功能主要通過其植被層和基質(zhì)層對雨水的截留和滯留過程實現(xiàn)[16]。簡式綠色屋頂?shù)闹参锝亓袅肯鄬^小，基質(zhì)層雨水滯留能力是決定其徑流調(diào)控功能的主要因素[17]。研究表明，基質(zhì)層雨水滯留能力主要受生長基質(zhì)持水特性和厚度影響[4-5]。基質(zhì)層厚度是綠色屋頂徑流調(diào)控能力最重要的影響因素之一[5]；基質(zhì)粒徑不同，其蓄水能力也具有顯著差異[18-20]，小粒徑顆粒物[20]和有機物[21]含量越高，會與大顆粒之間產(chǎn)生更多的儲水空間，導(dǎo)致滯留雨水能力更強。國內(nèi)外學(xué)者對綠色屋頂雨水滯留能力進行了大量的實驗[18,22-25]和模擬[16,26-31]研究。受到氣候條件、基質(zhì)類型和植被類型等因素影響，不同綠色屋頂?shù)挠晁疁裟芰Υ嬖诓町悺azzaghmanesh等[32]在阿德萊德通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，10 cm基質(zhì)厚度的綠色屋頂平均雨水滯留率為74%；Wang等[33]的研究得到天津市7個10～15 cm基質(zhì)厚度的綠色屋頂?shù)钠骄鶞袈蕿?3%；Stovin等[34]監(jiān)測了謝菲爾德22場大于5 mm的降雨，發(fā)現(xiàn)8 cm基質(zhì)厚度的綠色屋頂能夠滯留30%雨水。當(dāng)前研究主要集中于綠色屋頂?shù)挠晁疁艉蛷搅飨鳒p能力，而關(guān)于綠色屋頂?shù)暮榉逑鳒p效益、產(chǎn)流和洪峰時間延遲效益的研究相對較少。

此外針對我國不同氣候區(qū)，尤其是北方地區(qū)城市綠色屋頂徑流調(diào)控的實驗監(jiān)測研究相對匱乏[5]。筆者基于在北京市對3種生長基質(zhì)(輕質(zhì)基、改良土和田園土) 和2個基質(zhì)層厚度(10 cm和15 cm)共6個佛甲草(Sedumlineare)綠色屋頂降雨徑流過程的長期連續(xù)監(jiān)測實驗，以徑流削減率、洪峰削減率、產(chǎn)流延遲時間和峰現(xiàn)延遲時間等為指標，定量分析生長基質(zhì)類型及厚度對綠色屋頂徑流調(diào)控效益的影響。研究結(jié)果可望為綠色屋頂?shù)乃脑O(shè)計及徑流調(diào)控效益評估提供科學(xué)基礎(chǔ)，為我國北方海綿城市建設(shè)提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)計

實驗綠色屋頂建在北京市海淀區(qū)北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)樓頂，位于北京北四環(huán)到北五環(huán)之間，具有典型的北方城市小氣候特征。氣候類型為北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年降水量644 mm，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。降水季節(jié)分配很不均勻，全年降水的80%集中在夏季(6、7和8月)[35]。根據(jù)北京城區(qū)松林閘雨量站的降雨數(shù)據(jù)，北京市3年一遇、5年一遇、10年一遇的24 h降雨量分別為108、141和209 mm。

本實驗共設(shè)計6個1 m×1 m的試驗綠色屋頂(表1)。綠色屋頂從上向下依次為植被層、生長基質(zhì)層、過濾層、排水層和防水保護層。佛甲草因其具有極強的耐低溫和抗旱能力且綠色期較長、根系淺，是常用的屋頂綠化植物?；|(zhì)層包含田園土、改良土和輕質(zhì)生長基質(zhì)(簡稱“輕質(zhì)基”)3種類型。田園土從北京林業(yè)大學(xué)實驗苗圃中取得。改良土由輕砂壤土、腐殖土、珍珠巖、蛭石按2.5∶5∶2∶0.5的比例混合而成。輕質(zhì)基質(zhì)由浮石、草炭土、沸石、碎木屑按4∶3∶2∶1的比例混合而成。過濾層為300～400 g/cm3聚酯無紡布，排水層由厚度為10 cm直徑>30 mm的陶粒組成，防水層為TPO防水卷材。

表1 佛甲草綠色屋頂設(shè)計參數(shù)表Tab.1 Design parameters of the green roofs with Sedum lineare

實驗裝置如圖1所示，采用架設(shè)于綠色屋頂上方2 m，雨量分辨率為0.2 mm的HOBO U30自動小氣象站監(jiān)測降雨過程。采用雨量分辨率為1 mm的自記式雨量計監(jiān)測徑流過程。二者監(jiān)測間隔皆為5 min。為保證數(shù)據(jù)可靠性，在每個監(jiān)測徑流的雨量計下放置1個250 L的塑料壺，承接綠色屋頂徑流。每場降雨結(jié)束后根據(jù)塑料桶內(nèi)收集徑流總量檢驗和校核雨量計的測量結(jié)果。本文分析主要基于2017年雨季共22場降雨徑流數(shù)據(jù)。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Structural diagram of the experiment setup

1.2 徑流調(diào)控效益評價指標

經(jīng)測定，林業(yè)樓頂防水油毛氈表面對雨水的滯蓄能力為1.0 mm左右，即當(dāng)降雨量大于1 mm時，超出部分轉(zhuǎn)化為徑流。場降雨量為p(p>1 mm)時，普通屋頂產(chǎn)生的徑流量為(p-1)，綠色屋頂?shù)漠a(chǎn)流量為R，皆以mm計。相對于普通屋頂，綠色屋頂?shù)膱鼋涤陱搅髁肯鳒p率(簡稱“徑流削減率”)(Dr)可由下式計算：

(1)

規(guī)格為1 m×1 m的綠色屋頂和普通屋頂?shù)膮R流時間小于雨量和徑流監(jiān)測時間間隔(5 min)，因此，筆者以綠色屋頂開始產(chǎn)流時間與降雨開始時間的差值為產(chǎn)流延遲時間，以綠色屋頂徑流峰值時間與降雨強度峰值時間的差值為峰現(xiàn)延遲時間，分別衡量綠色屋頂對產(chǎn)流和峰現(xiàn)時間的延遲效益。綠色屋頂?shù)暮榉逑鳒p率(Dpr)可由下式計算：

(2)

式中：Dp為普通屋頂洪峰流量，L/min；Dpg為綠色屋頂洪峰流量，L/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種生長基質(zhì)物理性質(zhì)對比分析

基于張建軍等[36]測定方法測得田園土、改良土和輕質(zhì)基的密度、孔隙度、田間持水量及飽和導(dǎo)水率等物理特性如表2所示。田園土的密度最大(1.13 g/cm3)，是輕質(zhì)基密度約2倍。改良土的密度居中，為0.63 g/cm3。改良土的孔隙度和田間持水量最大，分別為61.26%和41.41%。田園土的孔隙度最小，為48.35%。輕質(zhì)基的田間持水量最小，為33.70%。輕質(zhì)基的飽和導(dǎo)水率為266 mm/h，是田園土飽和導(dǎo)水率的約3.5倍。Zhang等[28]通過文獻總結(jié)綠色屋頂生長基質(zhì)的孔隙度變化范圍為41%～46%，田間持水量的變化范圍為11%～50%，飽和導(dǎo)水率的變化范圍為69.9～288.0 mm/h。本研究測定的以上物理量均與文獻資料的數(shù)據(jù)變化范圍相差較小。田園土雖容易獲取，但其密度過高，濕密度可達到1.62 g/cm3，10～15 cm厚度的田園土加上排水層和植被層產(chǎn)生的荷載易超過普通屋頂?shù)脑O(shè)計荷載200 kg/m2 [37]，且導(dǎo)水性較差，不宜用于屋頂綠化。

表2 生長基質(zhì)物理性質(zhì)Tab.2 Physical properties of the substrates

2.2 基質(zhì)類型對綠色屋頂徑流調(diào)控效益的影響

圖2 實驗綠色屋頂場降雨徑流削減率統(tǒng)計分布Fig.2 Statistical distributions of per-event runoff reduction rates by experimental green roofs

不同基質(zhì)類型和厚度綠色屋頂徑流削減率的統(tǒng)計分布如圖2所示。監(jiān)測期內(nèi)22場降雨中，<10 mm的有11場。降雨量<10 mm時，各綠色屋頂基本無徑流產(chǎn)生，徑流削減率接近100%。因<10 mm降雨場次的頻率較高(50%)，不同基質(zhì)類型綠色屋頂徑流削減率的中位數(shù)和上四分位值都在95%以上，相差不大(圖2(a))。圖2(b)顯示了降雨量>10 mm的11場降雨各綠色屋頂徑流削減率的統(tǒng)計分布。由圖中可見，當(dāng)基質(zhì)厚度相同時，輕質(zhì)基綠色屋頂徑流削減率的中位數(shù)、下四分位和最小值比其他2種基質(zhì)類型的綠色屋頂均較低，表明輕質(zhì)基綠色屋頂在中到暴雨條件下的徑流削減效益較田園土和改良土綠色屋頂?shù)汀?/p>

各綠色屋頂在監(jiān)測期內(nèi)徑流調(diào)控指標的平均值及變化范圍如表3。田園土綠色屋頂?shù)膹搅飨鳒p率高于改良土，但并未通過0.05顯著性水平Wilcoxon檢驗。輕質(zhì)基綠色屋頂?shù)膹搅飨鳒p率顯著低于其他2種基質(zhì)(P<0.05)。改良土綠色屋頂?shù)暮榉逑鳒p率最高，但與田園土綠色屋頂?shù)牟町惒幻黠@。各綠色屋頂都有良好的產(chǎn)流延遲效益，田園土綠色屋頂?shù)漠a(chǎn)流延遲時間顯著高于輕質(zhì)生長基綠色屋頂(P<0.05)。各綠色屋頂?shù)钠骄瀣F(xiàn)延遲時間在34.3到38.6 min之間，不同基質(zhì)類型的綠色屋頂之間洪峰延遲效益無顯著差異。輕質(zhì)基與改良土和田園土相比，透水性較強，持水性較差，是輕質(zhì)基綠色屋頂徑流和洪峰削減率較低的重要原因。

圖3顯示了各綠色屋頂對2017年7月15日暴雨(5年一遇)的徑流響應(yīng)過程?！?·15”暴雨總降雨量為81.4 mm，最大2 h平均雨強為35.2 mm/h。厚度為15 cm的田園土、改良土、輕質(zhì)基綠色屋頂分別產(chǎn)流41.7 L、46.8 L和51.5 L，徑流削減率分別為48.2%、41.7%和35.9%；洪峰流量分別為1.48 L/min、1.31 L/min和1.41 L/min，洪峰削減效益分別為45.4%、52.5%和48.9%。3種基質(zhì)類型屋頂洪峰削減效益的大小與它們的孔隙度和田間持水量的大小排序一致，說明生長基質(zhì)孔隙特征是決定其徑流調(diào)控的主要因素之一。田園土和改良土綠色屋頂在降雨開始160 min后產(chǎn)流，輕質(zhì)基則在降雨開始55 min后產(chǎn)流，都具有較好的產(chǎn)流延遲效益。3種基質(zhì)類型綠色屋頂洪峰與最大降雨強度幾乎同時出現(xiàn)，并未表現(xiàn)出明顯的峰現(xiàn)延遲效益。

表3 實驗綠色屋頂徑流調(diào)控效益Tab.3 Runoff hydrological performances of experimental green roofs

注：括號內(nèi)為各徑流調(diào)控效益指標的范圍。Notes：The data in the brackets are the range of indicators for runoff regulating performances.

2.3 基質(zhì)厚度對綠色屋頂徑流調(diào)控效益的影響

如圖2(a)所示，相同基質(zhì)類型，不同基質(zhì)厚度的綠色屋頂對監(jiān)測期內(nèi)22場降雨徑流削減率統(tǒng)計分布的差異并不明顯(圖2(a))。但當(dāng)僅統(tǒng)計降雨量大于10 mm的11場降雨時(圖2(b))，15 cm基質(zhì)厚度綠色屋頂徑流削減率的中位數(shù)、下四分位和最小值均高于10 cm厚度同種基質(zhì)的綠色屋頂。

當(dāng)降雨量較大時(>15 mm)，15 cm基質(zhì)層厚度的綠色屋頂徑流削減率顯著高于10 cm厚度的綠色屋頂(P<0.05)。如表3所示，基質(zhì)厚度為15 cm的綠色屋頂洪峰削減率高于10 cm厚度同種基質(zhì)的綠色屋頂。

圖4反映了各綠色屋頂對2017年8月12日降雨的響應(yīng)過程。10 cm厚度田園土、改良土和輕質(zhì)基綠色屋頂?shù)膹搅髁糠謩e為2.67 L、5.77 L、12.59 L，都高于15 cm厚度同基質(zhì)類型綠色屋頂?shù)膹搅髁?分別為1.86 L、2.26 L和7.29 L)。10 cm厚度的改良土和輕質(zhì)基綠色屋頂?shù)暮榉辶髁慷济黠@高于15 cm厚度綠色屋頂?shù)暮榉辶髁?。以改良土為例?0 cm和15 cm厚度綠色屋頂?shù)暮榉辶髁糠謩e為0.21 L/min和0.09 L/min?；|(zhì)層厚度對綠色屋頂產(chǎn)流和峰現(xiàn)時間延遲效益的影響不大。

圖3 不同基質(zhì)類型15 cm基質(zhì)層厚度實驗綠色屋頂對“7·15”暴雨的徑流響應(yīng)過程Fig.3 Runoff reponses of experimental green roofs with 15 cm substrate depths in different substrate types during the “7·15” storm event

圖4 不同基質(zhì)層厚度實驗綠色屋頂對“8·12”降雨的徑流響應(yīng)過程Fig.4 Runoff responses of experimental green roofs with different substrate depths during the “8·12” rain event

3 討論

綠色屋頂主要通過植被層、生長基質(zhì)層和排水層滯留雨水和調(diào)蓄徑流，實現(xiàn)其徑流和洪峰削減、產(chǎn)流和峰現(xiàn)時間延遲等徑流調(diào)控效益[38]。研究表明[16,26-27]：綠色屋頂一般為非飽和產(chǎn)流，即當(dāng)基質(zhì)層的含水量超過其田間持水量時，超出的雨水將以滲流的形式從綠色屋頂?shù)撞颗抛?。?dāng)降雨量未超過綠色屋頂?shù)臏裟芰r，即生長基質(zhì)層未達到田間持水量時，雨水會被綠色屋頂全部吸收，此時幾乎沒有徑流產(chǎn)生[28]。因此，本研究中當(dāng)降雨<10 mm時，不同基質(zhì)類型和厚度的綠色屋頂基本都不產(chǎn)流，因而徑流調(diào)控效益差異不明顯，而當(dāng)降雨量>10 mm, 不同基質(zhì)厚度的綠色屋頂?shù)膹搅髡{(diào)控效益的差異得以顯現(xiàn)(圖2(a)、圖2(b))。

4 結(jié)論

本研究基于對位于北京市區(qū)的3種基質(zhì)類型(輕質(zhì)基、改良土和田園土)2個基質(zhì)厚度(10 cm和15 cm)共6個綠色屋頂在2017年22場降雨和徑流過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，定量分析生長基質(zhì)類型及厚度對綠色屋頂徑流調(diào)控效益影響，得出主要結(jié)論如下。

1)改良土和田園土綠色屋頂22場降雨的平均徑流削減率、洪峰削減率和產(chǎn)流延遲時間均高于相同厚度的輕質(zhì)生長基綠色屋頂。輕質(zhì)基、改良土和田園土綠色屋頂?shù)钠骄鶑搅飨鳒p率分別為82.2%、88.4%和89.4%，平均洪峰削減率分別為55.9%、65.6%和63.9%，平均產(chǎn)流延遲時間分別為48.8、106.2和163.9 min。因密度偏高、導(dǎo)水性較差，田園土不宜用于屋頂綠化。

2)基質(zhì)層厚度為15 cm的綠色屋頂?shù)膹搅髡{(diào)控效益高于10 cm厚度的同種基質(zhì)綠色屋頂。15 cm厚度輕質(zhì)基綠色屋頂?shù)钠骄鶑搅飨鳒p率、洪峰削減率、產(chǎn)流和峰現(xiàn)延遲時間分別為83.2%、61.2%、51.7 min和38.6 min，而10 cm厚度對應(yīng)的徑流調(diào)控指標分別為81.3%、50.6%、45.9 min和34.3 min。

3)基質(zhì)類型和厚度對綠色屋頂徑流調(diào)控效益的影響隨降雨條件而改變。小雨(<10 mm)條件下因各綠色屋頂幾乎都不產(chǎn)流而無明顯差異，中到暴雨(>10 mm)條件下不同基質(zhì)類型和厚度綠色屋頂?shù)膹搅飨鳒p率差異顯著。