綠色屋頂降雨徑流削減效果監(jiān)測與過程模擬

申紅彬，徐宗學(xué)，張書函，殷瑞雪

綠色屋頂降雨徑流削減效果監(jiān)測與過程模擬

申紅彬1,2，徐宗學(xué)2，張書函3，殷瑞雪3

（1. 華北水利水電大學(xué)，河南省水利水運(yùn)工程技術(shù)研究中心，鄭州 450045；2. 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100875；3. 北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京市非常規(guī)水資源開發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心，北京 100048）

選擇平面、斜面、綠色、滯蓄4種不同形式屋頂，采用“液位計+三角堰”的徑流測量方法，開展降雨徑流對比監(jiān)測。結(jié)果表明，相比平面與斜面屋頂平均徑流系數(shù)（分別為0.68和0.84），綠色與滯蓄屋頂平均徑流系數(shù)分別為0.41和0.43，均明顯有所減小，并且數(shù)值相差不大，反映出相近的徑流總量削減效應(yīng)。比較分析綠色與滯蓄屋頂降雨徑流過程，2類屋頂徑流過程接近，產(chǎn)流后水流運(yùn)動機(jī)制相似，均受上部積水水頭作用影響，并以孔流（孔隙、孔口）形式出流，可以采用相似的水庫概念模型進(jìn)行簡化模擬。根據(jù)土壤水飽和下滲理論，考慮到綠色屋頂基質(zhì)層厚度有限，推導(dǎo)建立了描述綠色屋頂飽和產(chǎn)流后降雨徑流過程的基本方程，并應(yīng)用于模擬綠色屋頂降雨徑流過程。結(jié)果表明，徑流過程計算值與實(shí)測值間決定系數(shù)值為0.85、Nash-Sutcliffe效率系數(shù)值為0.84，初步驗證了模型的合理性。研究成果有助于深入認(rèn)識綠色屋頂對降雨徑流的削減效應(yīng)與出流機(jī)制。

降雨；徑流；模擬；綠色屋頂；監(jiān)測

0 引 言

綠色基礎(chǔ)設(shè)施（green infrastructure，GI）是實(shí)現(xiàn)社會與經(jīng)濟(jì)（城市、農(nóng)村）可持續(xù)發(fā)展的一種重要理念。綠色屋頂（green roof）作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分之一，因能有效緩解熱島效應(yīng)、減少建筑能耗、削減暴雨徑流，從而引起人們的廣泛關(guān)注。綠色屋頂也稱屋頂綠化，是以傳統(tǒng)不透水屋頂為載體，以植物為配置主體的一種綠化形式，結(jié)構(gòu)由上至下依次為植被層、基質(zhì)層、過濾層、（蓄）排水層和防水層[1]，坡度一般小于4%[2]。其中，基質(zhì)層對雨水的滲透吸持作用是決定雨水蓄存能力的主要因素[3-4]，植被層通過蒸散發(fā)耗水以維持基質(zhì)層的雨水滲透吸持能力[5-6]。另外，植物莖葉也對雨水具有截留作用[7]，并隨株高、覆蓋度和生物量的增大而逐漸增大[8-10]。

已有大量研究證實(shí)了綠色屋頂對降雨徑流削減作用（包括徑流總量、峰值的削減、峰現(xiàn)時間的延遲等）的有效性[11-13]，并有不少學(xué)者關(guān)注綠色屋頂結(jié)構(gòu)特征（包括植被種類、基質(zhì)厚度、屋頂坡度、運(yùn)行時間等）對降雨徑流削減效果差異性的影響，以用于確定不同的徑流模型參數(shù)[14-18]。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，綠色屋頂徑流量為降水與4個組成（植物截留、基質(zhì)滲持、植物蒸散發(fā)、基質(zhì)蒸發(fā)量）之和的差值。綠色屋頂基質(zhì)層內(nèi)土壤滲流可以采用Richards方程進(jìn)行描述，相關(guān)模型有Hydrus-1D、SWMM等[19-21]。但是，因綠色屋頂基質(zhì)層厚度有限，故雨水蓄存能力有限，在基質(zhì)層內(nèi)土壤達(dá)到飽和含水量之前不會產(chǎn)生徑流。對于綠色屋頂，在基質(zhì)層內(nèi)土壤達(dá)到飽和含水量之后的徑流過程和規(guī)律，尚少有結(jié)合基質(zhì)屋厚度有限性條件進(jìn)行研究的簡化模擬方法。

本文選擇平面屋頂、斜面屋頂、綠色屋頂、滯蓄屋頂4種不同形式屋頂為研究對象，采用“液位計+三角堰”的徑流測量方法[22]，分別系統(tǒng)開展4種屋頂降雨徑流的現(xiàn)場監(jiān)測，通過比較4種不同形式屋頂?shù)慕涤陱搅魈匦?，結(jié)合綠色屋頂基質(zhì)屋厚度有限性的特點(diǎn)，探討建立綠色屋頂降雨徑流過程的簡化模擬方法，以期能深入理解綠色屋頂對降雨徑流的削減效應(yīng)與出流機(jī)制。

1 屋頂類型與監(jiān)測方案

1.1 屋頂布置概況

4種不同形式屋頂（平面屋頂、斜面屋頂、綠色屋頂、滯蓄屋頂）位于北京市水科學(xué)技術(shù)研究院屋頂平臺，地理位置與平面布置示意如圖1a所示。普通平面屋頂（坡度：0）面積約96 m2，屋頂鋪有防水油毛氈；斜面屋頂（坡度：5%）面積約85 m2，屋頂材料為鋼板；綠色屋頂（坡度：0；綠化比例：100%）面積約65 m2；滯蓄屋頂（坡度：0）面積約24 m2，屋頂鋪有防水油毛氈。每個屋頂對應(yīng)1個排水管（管徑110 mm）。其中，平面屋頂、斜面屋頂為原有屋頂，綠色屋頂與滯蓄屋頂系在原平面屋頂基礎(chǔ)上改建而成。綠色屋頂有關(guān)構(gòu)造如下：1）植被層草種選擇佛甲草，具有抗旱節(jié)水、隔熱降溫、易于管理等特點(diǎn)；2）基質(zhì)層為采用草炭土、蛭石和砂土混合而成的填料，配比為4:2:1，基質(zhì)層厚度為6 cm，具有質(zhì)量輕、透水性好、持水性好、性能穩(wěn)定、養(yǎng)護(hù)方便等特點(diǎn)；3）過濾層位于基質(zhì)層底部，材料為過濾布（厚度1～2 cm），防止介質(zhì)流失；4）排水層厚5 cm，用輕質(zhì)塑料制成，均勻布置碗狀結(jié)構(gòu)以承載徑流，并有排水出口。見圖1b。滯蓄屋頂主要在屋面排水管入口附近加裝攔污格柵與穿孔擋板，攔污格柵底部抬高對雨水具有一定的蓄存作用，穿孔擋板對雨水徑流具有一定的調(diào)控作用，穿孔擋板結(jié)構(gòu)形式參見圖1a。

圖1 不同形式屋頂布置示意圖

1.2 降雨徑流監(jiān)測方案

降雨量監(jiān)測：屋頂安裝雨量計，可獲得1和5 min雨量值。從中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)獲取北京氣象站（54511）逐日降雨數(shù)據(jù)，以用于比較補(bǔ)充。

徑流過程監(jiān)測：采用“液位計+三角堰”，可以對水位及流量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。液位計選用WL-16壓力液位計（美國Global Water公司生產(chǎn)），該產(chǎn)品測量范圍包括0～0.9、0～4.6、0～9 m等多種選擇，恒溫條件下測量精度為±0.1%滿量程，存儲容量為81 759個記錄，用2塊9 V鋰電池供電。試驗過程中，分別在4類屋頂排水管出口下方各配置1套三角堰測流槽，在槽內(nèi)安裝液位計，見圖1a。三角堰頂角角度均為30°，平坡、斜坡屋頂對應(yīng)三角堰堰底面積為0.48 m2，綠色、滯蓄屋頂對應(yīng)三角堰堰底面積為0.4 m2。

流量計算方法：三角堰流量計算在溢流前、后有所區(qū)別，溢流前計算時段內(nèi)屋頂徑流量為時段始末水位差值與堰底面積的乘積，溢流后過堰流量采用Kindsvater-Shen公式[23]：

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，三角堰溢流后水流連續(xù)方程為

結(jié)合式（1）和式（2），在堰內(nèi)水位與過堰流量測算基礎(chǔ)上，通過逐步反向遞推，可以得到當(dāng)三角堰溢流后屋頂徑流過程。

徑流削減效應(yīng)計算方法：徑流削減效應(yīng)可以分別采用徑流系數(shù)或降雨截留率衡量。徑流系數(shù)越小或降雨截留率越大，則徑流削減效應(yīng)越好。徑流系數(shù)定義為場次降雨在匯水面積上產(chǎn)生的徑流深和降雨量的比值：

式中為徑流系數(shù)；為降雨量，mm；為徑流深，mm，等于徑流量與匯水面積的比值。

據(jù)質(zhì)量守恒原理，因降雨天氣下土壤植被蒸發(fā)蒸騰量相對較小可暫予忽略，則場次降雨截留深與截留率計算公式分別為

=?（4）

D=/=1?（5）

式中為場次降雨截留深；D為場次降雨截留率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同屋頂徑流總量削減效應(yīng)

2015年6—9月期間，對4種類型屋頂（平面屋頂、斜面屋頂、綠色屋頂、滯蓄屋頂）降雨徑流過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，共計監(jiān)測到11場有效降雨徑流數(shù)據(jù)，統(tǒng)計各場次降雨徑流系數(shù)如表1所示。通過比較不同類型屋頂徑流系數(shù)的大小，可用以分析判別綠色屋頂?shù)膹搅骺偭肯鳒p效應(yīng)。有研究表明對于防水油毛氈，當(dāng)降雨量大于1.0 mm時就會產(chǎn)生徑流[10]。從表1可以看出，監(jiān)測各場次降雨量位于1.2～61.4 mm之間，平面、斜面、綠色、滯蓄屋頂徑流系數(shù)變化區(qū)間分別為：0.11～0.78、0.17～0.96、0.01～0.58、0.01～0.55，結(jié)合降雨量加權(quán)平均值分別為：0.68、0.84、0.41、0.43，相比斜面與平面屋頂，綠色與滯蓄屋頂徑流系數(shù)均有所減小，反映出明顯的徑流削減效應(yīng)，且綠色與滯蓄屋頂徑流系數(shù)減小程度較為接近。分析徑流系數(shù)變化規(guī)律，4類屋頂徑流系數(shù)總體均呈現(xiàn)出隨降雨量增大而增大的趨勢，同時還受前期降雨量、場次降雨間隔時間等因素的影響。綠色屋頂因蒸散發(fā)時間較長，徑流系數(shù)受前期降雨量、場次降雨間隔時間因素影響尤為明顯。如對于2015年7月28日07:15－08:45降雨，因上場降雨2015年7月27日20:00－7月28日00:40雨量較大，累計降雨量達(dá)到54.8 mm，2場降雨間隔時間較短，間隔時長小于7 h，導(dǎo)致綠色屋頂徑流系數(shù)達(dá)到0.25，相比雨量較為接近的2015年6月30日06:05－10:00與2015年8月2日01:15－08:15降雨，增大效應(yīng)明顯；對于2015年6月26日20:30－21:35降雨，相比上場降雨2015年6月26日01:50－06:35雨量相差不大，但2場降雨間隔時間較短，間隔時長約為14 h左右，導(dǎo)致徑流系數(shù)增大明顯，達(dá)到0.50。

表1 4類屋頂降雨徑流監(jiān)測時期監(jiān)測結(jié)果

為進(jìn)一步比較綠色與滯蓄屋頂徑流削減效果，基于表1按降雨量從小到大依次排序，分別計算綠色、滯蓄屋頂?shù)膱龃谓涤杲亓羯钆c截留率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 綠色、滯蓄屋頂場次降雨截留深與截留率

在圖2中，綠色屋頂場次降雨截留率變化范圍為42.0%～99.0%，平均值為58.9%，滯蓄屋頂場次降雨截留率變化范圍為45.0%～99.0%，平均值為57.2%，兩者平均截留效果相差不大。分序列分析場次降雨截留深與截留率，對于降雨序列7～11，降雨量相對較大，綠色、滯蓄屋頂各場次降雨截留深除序列8降雨（2015年6月26日20:30－21:35）因距上場降雨（2015年6月26日01:50－06:35）間隔時間較短而有所減小外，其余各場變化不大，平均截留深分別為25.7、24.5 mm，相差不大，各場降雨截留率均遠(yuǎn)小于100%，為部分截留。對于降雨序列4～6，降雨量相對不大，滯蓄屋頂場次降雨截留深近似等于降雨量、截留率達(dá)到98%，基本實(shí)現(xiàn)完全截留、剩余2%監(jiān)測徑流可能是屋頂攔污格柵與排水管入口所圍面積產(chǎn)生的徑流；綠色屋頂除序列6降雨（2015年8月1日21:50－22:55）外場次降雨截留深近似等于降雨量、截留率達(dá)到97%以上，基本實(shí)現(xiàn)完全截留，而序列6降雨（2015年8月1日21:50－22:55）截留深略小于降雨量，可能是由于前期降雨（2015年7月27日20:00－7月28日00:40，雨量54.8 mm）雨量較大且間隔時間不長、屋頂植被土壤通過蒸散發(fā)恢復(fù)調(diào)蓄能力過程較慢所致。對于降雨序列1～3，降雨量相對較小，滯蓄屋頂場次降雨截留深近似等于降雨量，除序列2降雨（2015年6月30日06:05－10:00）外截留率可以達(dá)到98%以上，基本實(shí)現(xiàn)完全截留，序列2降雨（2015年6月30日06:05－10:00）截留率略小可能因距上場降雨（2015年6月29日13:15－15:35）間隔時間較短所致；綠色屋頂場次降雨截留深近似等于降雨量，除序列1降雨（2015年7月28日07:15－08:45）外截留率可以達(dá)到93%以上，基本實(shí)現(xiàn)完全截留，序列1降雨（2015年7月28日07:15－08:45）截留率略小主要是因上場降雨（2015年7月27日20:00－7月28日00:40，雨量54.8 mm）雨量較大且間隔時間較短所致。

2.2 徑流過程比較分析

從2.1節(jié)可以看出，綠色與滯蓄屋頂多場次降雨平均截留深與截留率相差不大。進(jìn)一步深入比較2類屋頂?shù)慕涤陱搅鬟^程，宜選擇降雨量較大、只能部分截留的降雨序列進(jìn)行比較。以2015年7月27日20:00－7月28日00:40和2015年8月7日19:00－20:40降雨為例，2場降雨量均較大并且數(shù)值相近（分別為54.8、52.0 mm），而且2場降雨的上場降雨量均相對較?。ǚ謩e為6.7、1.8 mm）、間隔時間較長均為5 d左右，分別繪制2場降雨條件下綠色與滯蓄屋頂逐時段截留深、徑流深的變化過程，如圖3a～圖3d所示?？梢钥闯觯G色與滯蓄屋頂降雨徑流均經(jīng)歷了蓄集雨水（無徑流產(chǎn)生）與產(chǎn)生徑流2個階段，2類屋頂截留深與徑流深變化過程均較為相近，表明2類屋頂具有相似的雨水徑流調(diào)控過程。其中，不同場次降雨累計截留深在增大至一定程度后基本保持穩(wěn)定，分別對應(yīng)為該場降雨的最大截留量。最大截留量出現(xiàn)時間相比產(chǎn)流時間略有延后，這是由于基質(zhì)層土壤濕潤鋒運(yùn)移至底部產(chǎn)生徑流后，土壤并未完全飽和。分析比較綠色與滯蓄屋頂雨水徑流調(diào)控機(jī)理，綠色屋頂蓄集雨水主要依靠植被屋植被截留、基質(zhì)層土壤恢復(fù)飽和等，并且土水勢作為基質(zhì)層內(nèi)土壤水運(yùn)動的驅(qū)動因子，包括重力勢、壓力勢與基模勢，并依土壤是否飽和而組成不同。根據(jù)土壤水飽和下滲理論，忽略最大截留量出現(xiàn)時間與產(chǎn)流時間的延后差異，簡化認(rèn)為基質(zhì)層內(nèi)土壤水運(yùn)動以濕潤鋒為界，上部土壤含水率達(dá)到飽和，下部土壤保持初始含水率，呈活塞狀向下運(yùn)動。則綠色屋頂在基質(zhì)層濕潤鋒運(yùn)移至底部、土壤恢復(fù)飽和前不會產(chǎn)生徑流，只有在基質(zhì)層內(nèi)濕潤鋒運(yùn)移至底部、土壤達(dá)到飽和后才會產(chǎn)生徑流。滯蓄屋頂雨水蓄集主要是攔污格柵底部抬高形成的水庫蓄水作用（圖3e和圖3f），當(dāng)蓄水深度超過擋水高度后產(chǎn)生徑流。綠色屋頂產(chǎn)生徑流后，基質(zhì)層內(nèi)土壤水運(yùn)動主要受到上部積水水頭的作用，經(jīng)土壤孔隙流至排水層排放。相比滯蓄屋頂產(chǎn)流后受上部積蓄水頭影響的水庫多孔出流過程，2類屋頂水流運(yùn)動動力機(jī)制十分相似，產(chǎn)流后徑流過程可以采用相似的水庫概念模型進(jìn)行簡化模擬。

圖3 綠色與滯蓄屋頂降雨徑流過程比較

3 徑流過程簡化模擬模型及驗證

模型方程：根據(jù)土壤水飽和下滲理論，下滲土柱上的作用合力包括表面積水深、下滲土柱長度、濕潤鋒處毛管上升高度以及空氣剩余壓力。因綠色屋頂基質(zhì)層厚度的有限性，當(dāng)基質(zhì)層內(nèi)土壤全部恢復(fù)飽和產(chǎn)生徑流后，下滲土柱長度將恒為基質(zhì)屋厚度，成為定值，如忽略濕潤鋒處毛管上升高度及空氣剩余壓力項，則下滲速率可以根據(jù)Darcy定律表示為式（6）形式，并因質(zhì)量守恒應(yīng)與基質(zhì)層底部出流速率相等：

式中f(?0)為基質(zhì)層產(chǎn)流后土壤下滲速率，mm/min；(?0)為基質(zhì)層產(chǎn)流后底部出流速率，轉(zhuǎn)換為徑流深單位，mm/min；h(?0)為下滲土柱表面積水深，mm；為基質(zhì)層厚度，mm；(?0)為作用水頭，mm；K為飽和水力傳導(dǎo)度，mm/min；K為系數(shù)，min-1；為計算時間（以降雨開始為起始時間），min；0為產(chǎn)流時間，min。

對于作用水頭(?0)，根據(jù)質(zhì)量守恒原理存在如下平衡方程：

式中(?0)為基質(zhì)層產(chǎn)流后降雨強(qiáng)度，mm/min。

聯(lián)合求解式（6）和式（7），得綠色屋頂產(chǎn)流后徑流過程的連續(xù)卷積形式：

其中

表示為離散形式：

其中

式中(0,)為瞬時單位線；(Δ,)為時段單位線；()為(0,)積分函數(shù)曲線；為計算時段數(shù)；0為產(chǎn)流開始時段序號；為計算時段序號；為0～之間的時間變量，min。

模型評價：選決定系數(shù)（2）和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（Nash-Sutcliffe efficiency，NSE）作為評價指標(biāo)[24-26]。利用Excel軟件對流量計算值與實(shí)測值進(jìn)行線性回歸，可以直接得到回歸方程的2值，2值越趨近于1，說明流量模型擬合效果越好。NSE主要用于水文模型效率評價，是判定殘差與實(shí)測值數(shù)據(jù)方差相對量的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計值。NSE值一般在-∞～1之間，當(dāng)NSE=1時說明流量計算值與實(shí)測值完全吻合，當(dāng)0

模型應(yīng)用：應(yīng)用模型方程離散形式式（10），分別對綠色屋頂2015年6月26日01:50—06:35、2015年6月26日20:30－21:35、2015年7月27日20:00—7月28日00:40及2015年8月7日19:00—20:40降雨徑流過程進(jìn)行模擬，該4場降雨雨量相對較大，均為部分截留，計算結(jié)果（轉(zhuǎn)換為時段徑流深）如圖4所示。其中，系數(shù)K經(jīng)過率定，取值為0.2，對應(yīng)飽和水力傳導(dǎo)度K值為12 mm/min，數(shù)值較大可能是因基質(zhì)層土壤內(nèi)混合含有砂土有關(guān)；對于不同場次降雨綠色屋頂產(chǎn)流時間0，因基質(zhì)層土壤初始含水率不同而有所區(qū)別，可以根據(jù)不同場次降雨實(shí)測最大截留量與累計降雨量比較確定。比較4場降雨徑流計算值與實(shí)測值，結(jié)果見表2。結(jié)合圖4和表2可以看出，綠色屋頂降雨徑流過程計算值與實(shí)測值變化趨勢基本符合，綜合所有降雨徑流的2值及NSE值分別為0.85、0.84，初步驗證了所建模型方法的合理性。

圖4 綠色屋頂降雨徑流過程模擬結(jié)果

表2 綠色屋頂降雨徑流模擬效果評價

4 結(jié) 論

1）平面、斜面、綠色、滯蓄屋頂降雨徑流監(jiān)測結(jié)果表明，降雨量位于1.2～61.4 mm之間，4類屋頂徑流系數(shù)變化區(qū)間分別為0.11～0.78、0.17～0.96、0.01～0.58、0.01～0.55，加權(quán)平均值分別為0.68、0.84、0.41、0.43。相比平面與斜面屋頂，綠色與滯蓄屋頂徑流系數(shù)均明顯減小，并且數(shù)值相差不大，反映出相近的徑流總量削減效果。

2）比較綠色屋頂與滯蓄屋頂?shù)慕涤陱搅鬟^程，2類屋頂徑流過程較為接近，均經(jīng)歷了蓄集雨水與產(chǎn)生徑流2個階段，產(chǎn)流后的水流運(yùn)動機(jī)制十分相似，均主要受到上部積水水頭作用的影響，并以孔流（孔隙、孔口）形式出流，可以采用相似的水庫概念模型進(jìn)行簡化模擬。

3）根據(jù)土壤水飽和下滲理論，考慮綠色屋頂基質(zhì)層厚度的有限性，推導(dǎo)建立了描述綠色屋頂基質(zhì)層土壤飽和產(chǎn)流后降雨徑流過程的模型方程，并對監(jiān)測綠色屋頂降雨徑流過程進(jìn)行了模擬應(yīng)用。結(jié)果表明，徑流過程計算值與實(shí)測值變化趨勢基本符合，2值為0.85、Nash-Sutcliffe效率系數(shù)為0.84，初步驗證了模型的合理性。

本文根據(jù)綠色、滯蓄屋頂徑流過程的相似性，結(jié)合理論分析，建立了用于描述綠色屋頂徑流過程的簡化水庫模型，尚未涉及綠色屋頂不同綠化形式對降雨徑流的影響。綠色屋頂不同綠化形式對降雨徑流的影響主要表現(xiàn)在不同植被雨水截流能力的差異以及土壤基質(zhì)含水率恢復(fù)速率的差異等，這些尚有待于后期進(jìn)一步的深入研究。除此之外，除氣溫、濕度等影響因子外，綠色屋頂不同綠化形式及土壤基質(zhì)對本文簡化模型參數(shù)（飽和水力傳導(dǎo)度和產(chǎn)流時間）的影響仍需進(jìn)一步深入研究。

[1] Berndtsson J C. Green roof performance towards management of runoff water quantity and quality: A review[J]. Ecological Engineering, 2010, 36(4): 351－360.

[2] 唐穎. SUSTAIN支持下的城市降雨徑流最佳管理BMP規(guī)劃研究[D]. 北京：清華大學(xué)，2010.

Tang Ying. Study of Urban Stormwater Runoff BMPs Planning with Support of SUSTAIN[D]. Beijing: Qsinghua University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[3] Monterusso M A, Rowe D B, Rugh C L. Establishment and persistence of Sedum spp. and native taxa for green roof applications[J]. Hortscience, 2005, 40(2): 391－396.

[4] Dunnett N, Kingsbury N. Planting Green Roofs and Living Walls[M]. Portland: Timber Press, 2008.

[5] Nagase A, Dunnett N. Amount of water runoff from different vegetation types on extensive green roofs: Effects of plant species, diversity and plant structure[J]. Landscape and Urban Planning, 2012, 104(3/4): 356－363.

[6] 曹傳生，劉慧民，王南. 屋頂花園雨水利用系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)踐[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(9)：76－85.

Cao Chuansheng, Liu Huimin, Wang Nan. Design and practice of rainwater utilization system for green garden[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(9): 76－85. (in Chinese with English abstract)

[7] Zhang S H, Guo Y P. Analytical probabilistic model for evaluating the hydrologic performance of green roofs[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2013, 18(1): 19－28.

[8] Wolf D, Lundholm J T. Water uptake in green roof microcosms: effects of plant species and water availability[J]. Ecological Engineering, 2008, 33(2): 179－186.

[9] Teemusk A, Mander U. Rainwater runoff quantity and quality performance from a green roof: The effects of short-term events[J]. Ecological Engineering, 2007, 30(3): 271－277.

[10] 葛德，張守紅. 不同降雨條件下植被對綠色屋頂徑流調(diào)控效益影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2018，39(11)：5015－5023.

Ge De, Zhang Shouhong. Impacts of vegetation on hydrological performances of green roofs under different rainfall conditions[J]. Environmental Science, 2018, 39(11): 5015－5023. (in Chinese with English abstract)

[11] Mentens J, Raes D, Hermy M. Green roofs as a tool for solving the rainwater runoff problem in the urbanized 21stcentury[J]. Landscape Urban Plan, 2006, 77(3): 217－226.

[12] Bliss D J, Neufeld R D, Ries R J. Storm water runoff mitigation using a green roof[J]. Environmental Engineering Science, 2009, 26(2): 407－418.

[13] Bemdtsson J C. Green roof performance towards management of runoff water quantity and quality: A review[J]. Ecological Engineering, 2010, 36(4): 351－360.

[14] Berndtsson J C, Bengtsson L, Jinno K. Runoff water quality from intensive and extensive vegetated roofs[J]. Ecological Engineering, 2009, 35(3): 369－380.

[15] Beck D A, Johnson G R, Spolek G A. Amending greenroof soil with biochar to affect runoff water quantity and quality[J]. Environmental Pollution, 2011, 159(8/9): 2111－2118.

[16] 盧浩，康成，譚松明，等. 屋頂綠化基質(zhì)對雨水徑流水質(zhì)的影響[J]. 中國給水排水，2016，32(7)：135－138.

Lu Hao, Kang Cheng, Tan Songming, et al. Effect of green roof substance on water quality of stromwater runoff[J]. China Water & Wastewater, 2016, 32(7): 135－138. (in Chinese with English abstract)

[17] 秦華鵬，唐女，唐巧玲. 蓄水層對綠色屋頂徑流削減能力的影響分析[J]. 中國給水排水，2016，32(13)：132－135.

Qin Huapeng, Tang Nü, Tang Qiaoling. Impact of water storage layer on runoff reduction of green roofs[J]. China Water & Wastewater, 2016, 32(13): 132－135. (in Chinese with English abstract)

[18] Getter K L, Rowe D B, Andresen J A. Quantifying the effect of slope on extensive green roof stormwater retention[J]. Ecological Engineering, 2007, 31(4): 225－231.

[19] Hilten R N, Lawrence T M, Tollner E W. Modeling stormwater runoff from green roofs with Hydrus-1D[J]. Journal of Hydrology, 2008, 358(3/4): 288－293.

[20] 唐莉華，倪廣恒，劉茂峰，等. 綠化屋頂?shù)漠a(chǎn)流規(guī)律及雨水滯蓄效果模擬研究[J]. 水文，2011，31(4)：18－22.

Tang Lihua, Ni Guangheng, Liu Maofeng, et al. Study on runoff and rainwater retention capacity of green roof by experiment and model simulation[J]. Journal of China Hydrology, 2011, 31(4): 18－22. (in Chinese with English abstract)

[21] Palla A, Gnecco I, Lanza L G. Compared performance of a conceptual and a mechanistic hydrologic models of a green roof[J]. Hydrological Processes, 2012, 26(1): 73－84.

[22] 廖愛民，劉九夫，張建云，等. 實(shí)驗小流域尺度下高精度水位計的比測分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2019，30(3)：337－347.

Liao Aimin, Liu Jiufu, Zhang Jianyun, et al. Inter comparison of high-accuracy water level gauges in the scale of small experiment catchment[J]. Advance in Water Science, 2019, 30(3): 337－347. (in Chinese with English abstract)

[23] 吳長文，王禮先. 小集水區(qū)試驗中三角堰量水問題的研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，1993，15(3)：66－74.

Wu Changwen, Wang Lixian. Study on the discharge characteristics of triangular-notch thin-plate weirs[J]. Journal of Beijing Forestry University, 1993, 15(3): 66－74. (in Chinese with English abstract)

[24] 胡勝，曹明明，邱海軍，等. CFSR氣象數(shù)據(jù)在流域水文模擬中的適用性評價-以灞河流域為例[J]. 地理學(xué)報，2016，71(9)：1571－1586.

Hu Sheng, Cao Mingming, Qiu Haijun, et al. Applicability evaluation of CFSR climate data for hydrologic simulation: A case study in the Bahe River Basin[J]. ACTA Geographica Sinica, 2016, 71(9): 1571－1586. (in Chinese with English abstract)

[25] Nash J E, Sutcliffe J V. River flow forecasting through conceptual models (Part 1): A discussion of principles[J]. Journal of Hydrology, 1970, 10(3): 282－290.

[26] Gupta H V, Sorooshian S, Yapo P O. Status of automatic calibration for hydrologic models: Comparison with multilevel expert calibration[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 1999, 4(2): 135－143.

Monitoring and simulation of rainfall-runoff reduction effects and process on green roofs

Shen Hongbin1,2, Xu Zongxue2, Zhang Shuhan3, Yin Ruixue3

(1.,,450045,; 2.,,,100875,; 3.,,100048,)

Green roof is an important facility to mitigate urban flood resulted by increasing urbanization and impermeable surface. A thick substrate material layer with plants, grass, and/or trees, and extra structural support is one of main components of green roof. Due to the complexity of rainwater storage mechanism in the substrate material layer, the simulations results on rainfall-runoff on green roof are mostly unsatisfactory. In this study, the runoff reduction effect of green roof was simulated by considering the effect of substrate material layer on runoff. The green roof was compared with slope roof, plane roof and retention roof in order to understand the effect of substrate material layer on runoff. The experiment was carried out in Beijing Water Science and Technology Institute, China. The precipitation was measured by using a self-recording tipping bucket rain gauge. Runoff was monitored by using an equipment including water level gauges and triangular weir. The runoff coefficient and rainwater retention rate were calculated. A total of 11 rainfall-runoff events were monitored in 2015. The results showed that the change of the runoff coefficient was highly complex and it was influenced by many factors, e.g., precipitation, average/maximum rainfall intensity, and interval time between rainfall events. For all the monitored rainfall events, the average runoff coefficient values for plane roof, slope roof, green roof and retention roof were 0.68, 0.84, 0.41 and 0.43, respectively. The average rainwater retention rate values of green roof and retention roof were 58.9% and 57.2%, respectively. It indicated that the runoff reduction effects of green roof and retention roof are similar but both were better than the other two types of roofs. The runoff process of green roof was also similar with that of retention roof under the same rainfall conditions. Both the outflow processes from green roof and retention roof could be regarded as an unsteady orifice flow under the effect of accumulated water head on the roof-top. Thus, a unit hydrograph model to simulate runoff from green roof was proposed based on the saturated infiltration theory that included the thickness limitation of the substrate material layer and the influence of water accumulated on the surface. By using the proposed unit hydrograph model, the rainfall-runoff processes on green roof were simulated. The simulation results showed that the trends of the simulated and measured runoff were consistent well. The coefficient of determination and Nash-Sutcliffe efficiency were 0.85 and 0.84, respectively. This study will be helpful for further understanding the runoff reduction effect and the outflow mechanism of green roofs.

precipitation; runoff; simulation; green roof; monitoring

2019-08-25

2019-12-10

城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗室開放基金（HYD2019OF02）；國家科技重大科技專項課題（2013ZX07304-001）

申紅彬，博士，講師，主要從事水文學(xué)、河流動力學(xué)方面研究工作。Email：hongbinshen 2012@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.020

TV121+.1

A

1002-6819(2020)-05-0175-07

申紅彬，徐宗學(xué)，張書函，殷瑞雪. 綠色屋頂降雨徑流削減效果監(jiān)測與過程模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(5)：175－181. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.020 http://www.tcsae.org

Shen Hongbin, Xu Zongxue, Zhang Shuhan, Yin Ruixue. Monitoring and simulation of rainfall-runoff reduction effects and process on green roofs[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 175－181. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.020 http://www.tcsae.org

王笑亞 9787512343733 254 王笑亞 DXBL202002 122