深圳綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)變化及其影響因素

胡尹超，秦華鵬，林子璇

北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院，城市人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518055

隨著城市化進(jìn)程的加快和混凝土路面、屋面等不透水面積的增加，雨水自然入滲減少，地表徑流增加，導(dǎo)致城市洪水更加頻繁．海綿城市建設(shè)是中國生態(tài)保護(hù)的國家戰(zhàn)略，綠色屋頂作為海綿城市的重要生態(tài)單元，可以在有限的城市空間內(nèi)增加綠化空間，還能通過滯留雨水，削減徑流量，降低徑流峰值，已成為城市雨水管理的有效方法．

目前，國內(nèi)外對綠色屋頂展開了大量的研究，發(fā)現(xiàn)綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)波動較大．希臘雅典農(nóng)業(yè)大學(xué)的觀測實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，綠色屋頂總徑流量減少幅度在2%～100%[1]．基于北京市觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在降雨量分別為<10、30～80和>80 mm時(shí)，綠色屋頂?shù)膹搅飨鳒p率分別等于或接近100%、低于70%及低于55%[2]．已有研究表明，綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)會隨著場次降雨條件改變而發(fā)生變化．隨著降水量的增加，綠色屋頂?shù)挠晁疁袈式档蚚3-4]；綠色屋頂對降雨量小、歷時(shí)長、雨峰靠前的降雨雨水滯留率高[5-6]．綠色屋頂?shù)挠晁疁裟芰€隨雨前干旱期(antecedent dry period, ADP)延長而增強(qiáng)[7-9]，且ADP的影響在小降雨事件中表現(xiàn)的更為明顯[10]．還有研究關(guān)注綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)的季節(jié)性變化，發(fā)現(xiàn)在降雨事件密集的時(shí)期，雨水滯留效應(yīng)會下降[10-11]．在北半球溫帶氣候區(qū)的夏季，由于太陽輻射較強(qiáng)，蒸散發(fā)量大，使場次降雨間綠色屋頂滯留能力得到較好的恢復(fù)，從而有更好的滯留效果[8,12-13]．由于不同植物類型的綠色屋頂蒸散發(fā)能力不同，雨水滯留效應(yīng)也有顯著差異[14]．文獻(xiàn)[15]研究發(fā)現(xiàn)，草坪植物比耐旱的肉質(zhì)植物有更強(qiáng)的冠層截留能力和蒸散發(fā)能力，可顯著削減徑流量．同種類型的植物也會因不同灌溉方式和季節(jié)條件，使其覆蓋度、生物量及蒸散發(fā)能力發(fā)生變化，導(dǎo)致相應(yīng)的徑流削減能力差異[14,16-17]．

綜上所述，綠色屋頂?shù)挠晁疁粜?yīng)會隨著不同場次降雨和月份氣候特征變化出現(xiàn)復(fù)雜波動．目前針對中國華南地區(qū)亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)綠色屋頂?shù)拈L期連續(xù)監(jiān)測研究較少，且缺少不同植物類型及其長勢對綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)波動的影響研究．本研究對中國深圳市洋竹草、太陽花、臥地延命草和佛甲草4種不同植被綠色屋頂進(jìn)行了18個(gè)月的共58場降雨的連續(xù)監(jiān)測，分析了綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)隨場次降雨、干濕交替及月份氣候變化的波動規(guī)律，以及4種華南地區(qū)常用綠色屋頂植物及其長勢對綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)的影響．以期為綠色屋頂?shù)男阅茉u估和推廣應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)．

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

深圳市屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候．全年平均氣溫為22 ℃，平均降雨量為1 944 mm．受季風(fēng)影響，全年80%～90%的降雨集中在4—9月，因此可根據(jù)降雨量將4—9月劃分為濕雨季，10—次年3月劃分為干旱季．綠色屋頂實(shí)驗(yàn)平臺位于北京大學(xué)深圳研究生院E棟樓頂(22°35′48.26″N，113°58′22.70″E)．本研究設(shè)置8個(gè)尺寸為1 m×1 m的綠色屋頂實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)，綠色屋頂縱切結(jié)構(gòu)圖如圖2，分別是植被層、基質(zhì)層和蓄水層．

圖1 綠色屋頂實(shí)驗(yàn)平臺Fig.1 (Color online) The platform for green roof experiment

圖2 綠色屋頂裝置縱切結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the green roof module

由于本研究主要關(guān)注不同植物類型和長勢對雨水滯留效應(yīng)波動的影響，所以從是否耐旱、耐高溫和耐淹水等方面，從華南地區(qū)常用綠色屋頂植物中，通過比較全年植物長勢，篩選季節(jié)性變化顯著的4種低耗水策略植物作為本研究的設(shè)計(jì)變量．本研究設(shè)置的變量為植被層的4種不同的植物類型(圖3)，分別是洋竹草、太陽花、臥地延命草和佛甲草．在綠色屋頂監(jiān)測平臺建成后，只接受自然降雨，沒有進(jìn)行額外的灌溉或施肥措施．本研究綠色屋頂基質(zhì)層厚度為10 cm，由50%的泥炭土、30%的珍珠巖和20%的蛭石3種常用綠色屋頂基質(zhì)材料混合配制而成，測定得出其有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為280 g/kg，孔隙度為70%，田間含水量(水的質(zhì)量分?jǐn)?shù))為57%．蓄水層厚度為3 cm，由厚2 cm的蓄排水板和厚1 cm的陶粒土組成，可在干旱期為基質(zhì)和植物生長提供水分．此外蓄水層上方設(shè)置排水口用于排放綠色屋頂蓄水能力飽和后產(chǎn)生的徑流．

圖3 綠色屋頂植被層的4種不同植物Fig.3 (Color online) Four different plants on the green roof vegetation layer

1.2 數(shù)據(jù)采集與分析

氣象數(shù)據(jù)由搭建在綠色屋頂平臺旁的小型氣象站(USA Davis wireless vantage Pro2 Plus)測得，包括降雨、太陽輻射、風(fēng)速和溫度等數(shù)據(jù)，每10 min測1次．監(jiān)測實(shí)驗(yàn)于2018年8月至2019年12月在綠色屋頂平臺上進(jìn)行．監(jiān)測期間共錄得58次降雨事件(降雨深度超過0.2 mm，降雨前干旱時(shí)間長達(dá)6 h)．

徑流通過排水口排出，通過PVC(polyvinyl chloride)管導(dǎo)流至徑流收集桶．每場降雨后，記錄雨水桶中的水量體積，并計(jì)算雨水的徑流．徑流深度(單位：mm)為單位面積的徑流量．雨水滯留量由降雨量減去每個(gè)降雨事件的徑流量(單位：mm)計(jì)得．在現(xiàn)有的58場降雨中，有25場降雨收集到了徑流出流數(shù)據(jù)．雨水滯留率是由場次降雨的雨水滯留量與降雨量的比值計(jì)算得出．反映了綠色屋頂對每場降雨的滯留程度．

ADP反映了場次降雨前的初始條件，是綠色屋頂連續(xù)干濕交替過程中的重要指標(biāo)．本研究細(xì)化考慮了有太陽輻射的雨前日間干旱時(shí)間(antecedent dry period in daytime, ADP daytime)，更能反映出干期通過蒸散發(fā)作用恢復(fù)的滯留空間的時(shí)間，因此對兩場降雨間的日間干旱時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)．

在實(shí)驗(yàn)過程中，每周用數(shù)字圖像分析(digital image analysis, DIA)方法測量1次植物覆蓋度．植物覆蓋度是指植物葉片面積占綠色屋頂裝置面積的比例，反映植物的周期性消長，從而反映植物的生理活性．使用拍照設(shè)備每周記錄1次各植被綠色屋頂?shù)拈L勢情況，將圖片信息導(dǎo)入分析軟件ENVI(the environment for visualizing images)中進(jìn)行處理，計(jì)算葉片覆蓋面積占比作為植被覆蓋度．為了最小化陰影的影響，測量在中午(11∶00—13∶00)進(jìn)行，且由垂直角度進(jìn)行．

2 結(jié)果與分析

2.1 綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)隨場次降雨的變化

對于場次降雨來說，主要變化的因素為場次降雨的降雨量及雨前日間的干旱時(shí)間．圖4是監(jiān)測期內(nèi)所有場次降雨的綠色屋頂雨水滯留量，以及雨水滯留率隨降雨量和雨前日間干旱時(shí)間的分布，以反映綠色屋頂滯留效應(yīng)隨場次降雨和干濕交替的波動情況．圓點(diǎn)顏色由淺至深代表了雨水滯留率0～100%的數(shù)值；圓點(diǎn)大小代表綠色屋頂雨水滯留量大小．

由圖4可以看出，在監(jiān)測期間綠色屋頂所有場次降雨的雨水滯留率在2%～100%內(nèi)波動，且隨降雨量的增加而減小，隨雨前日間干旱時(shí)間的縮短而減?。?為雨水滯留效應(yīng)與降雨量及雨前日間干旱時(shí)間的相關(guān)分析．由表1可知，雨水滯留率與降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)，和雨前干旱時(shí)間呈顯著正相關(guān)．在該研究區(qū)監(jiān)測到的58場降雨中，其中有33場降雨被全部滯留．如圖4(a)中紅色及藍(lán)色區(qū)域的部分，當(dāng)降雨量小于14 mm時(shí)，綠色屋頂可將雨水全部滯留．當(dāng)雨前日間干旱時(shí)間大于68 h，顯示出對25 mm以下的降雨有100%滯留效果．而所有全部滯留的場次降雨中的最大滯留量為25.2 mm，出現(xiàn)在雨季雨前日間干旱時(shí)間為138 h的時(shí)候．因此隨著雨前日間干旱期的延長，可能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對大于25.2 mm降雨的全部滯留．

圖4 不同植物綠色屋頂監(jiān)測期內(nèi)所有場次降雨的雨水滯留效應(yīng)Fig.4 (Color online) The rainwater retention performance of all rainfall events during the monitoring period on different vegetation green roofs

表1 雨水滯留效應(yīng)與降雨量及雨前日間干旱時(shí)間的相關(guān)分析

Table 1 Correlation analysis between rainwater retention performance and rainfall and antecedent dry period in daytime

類 別降雨量/mm洋竹草太陽花臥地延命草佛甲草ADP daytime/h洋竹草太陽花臥地延命草佛甲草雨水滯留量0.6301)0.7211)0.6151)0.6191)0.4201)0.3302)0.3501)0.3092)雨水滯留率-0.7921)-0.7941)-0.7851)-0.7931)0.4331)0.3581)0.3701)0.3501)

1)P<0.01；2)P<0.05

由圖4還可發(fā)現(xiàn)，綠色屋頂在監(jiān)測期間所有場次降雨的雨水滯留量在0.4～37 mm內(nèi)波動．由表1可知，雨水滯留量與降雨量和雨前干旱時(shí)間都呈顯著正相關(guān)．整個(gè)監(jiān)測期間最大的雨水滯留量(33～37 mm)出現(xiàn)在雨前日間干旱時(shí)間達(dá)到68 h且降雨量超過80 mm時(shí)．在監(jiān)測期10月末還監(jiān)測到一場雨前日間干旱時(shí)間達(dá)到67 h且降雨量超過70 mm的降雨，在不同植被綠色屋頂中滯留量僅為20～30 mm，未達(dá)到最大滯留量，這是由于10月末出現(xiàn)較長的干旱期，太陽花和佛甲草等部分植物開始出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象，滯留能力減弱．比較這兩場降雨的不同植物綠色屋頂，洋竹草幾乎都達(dá)到最大滯留量，而太陽花、臥地延命草和佛甲草綠色屋頂?shù)淖畲笥晁疁袅窟€會隨ADP和降雨量的增加呈現(xiàn)增加趨勢，因此，若存在雨前日間干旱時(shí)間大于68 h且降雨量大于30 mm的降雨，這3種植物的綠色屋頂則可能出現(xiàn)更大(最大)的雨水滯留量．

除去完全滯留的降雨，不同植物展示出不同的雨水滯留能力(圖4)．表2為不同植被綠色屋頂在監(jiān)測期內(nèi)所有產(chǎn)流降雨下的雨水滯留效應(yīng)，由表2可見，太陽花具有最高的平均雨水滯留量，且通過統(tǒng)計(jì)分析顯示其顯著大于洋竹草和佛甲草(P<0.05)． 臥地延命草的雨水滯留能力也較高，介于太陽花和洋竹草之間．而洋竹草和佛甲草具有相似的雨水滯留能力，顯著低于太陽花(P<0.05)． 不同植物綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)的變化是由于不同植物類型的根系滯水和植物蒸騰作用有差異，以及植被覆蓋率隨著時(shí)間變化導(dǎo)致的．由于太陽花為直根系且根系粗壯，滯水能力優(yōu)于其他3種須根系植物．臥地延命草因有較高的蒸騰能力，可在干旱期快速恢復(fù)綠色屋頂中雨水滯留空間．洋竹草則因?yàn)榭梢栽谌甓急３州^高的覆蓋度，其雨水滯留效應(yīng)較穩(wěn)定．佛甲草由于一直保持較弱的生長態(tài)勢且沒有粗壯發(fā)達(dá)的根系和較高的蒸騰能力，在本研究中雨水滯留效應(yīng)較弱．

表2 不同植被綠色屋頂在監(jiān)測期內(nèi)所有產(chǎn)流降雨下的雨水滯留效應(yīng)

2.2 綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)的月變化

研究監(jiān)測期為2018年8月至2019年11月，期間各月綠色屋頂?shù)挠晁疁粜?yīng)顯示出顯著的月份差異．圖5(a)展示了綠色屋頂在監(jiān)測期間各月份的雨水滯留量曲線(其中12月份未監(jiān)測到降雨，缺失1月份的監(jiān)測數(shù)據(jù))．從圖5(a)可知，綠色屋頂?shù)脑掠晁疁袅吭?3～148 mm波動；2—7月，雨水滯留量逐漸升高，并在7月達(dá)到峰值，隨后下降，至11月雨水滯留量最小．圖5(b)為監(jiān)測期間綠色屋頂在各月份雨水滯留率的曲線．從圖5(b)可知，綠色屋頂?shù)脑掠晁疁袈试?9%～70%波動；其中，2、7—10月的月雨水滯留率較高，2月最高為60%～70%，8月略有下降，為45%；而在3、4、5、6和11月份的月雨水滯留率較低，11月份最低為29%．

為進(jìn)一步分析綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)隨月變化的原因，考慮各月份的天氣條件的變化對雨水滯留效應(yīng)的影響，對月降雨量、平均雨前日間干旱時(shí)間(ADP daytime)、平均太陽輻射、平均溫度和平均風(fēng)速同月雨水滯留量和月雨水滯留率做相關(guān)分析．由于4種植被屋頂?shù)南嚓P(guān)性相似，選取洋竹草屋頂?shù)南嚓P(guān)系數(shù)繪制表3．由表3可知，月雨水滯留量和月降雨量(P<0.01)和平均太陽輻射(P<0.05)呈顯著正相關(guān)．圖5(a)反映了各月雨水滯留量與月降雨量、月均太陽輻射及月均雨前日間干旱時(shí)間的關(guān)系．降雨量越大，越有機(jī)會達(dá)到綠色屋頂?shù)淖畲笥晁疁裟芰?，從而增加雨水滯留量；而更?qiáng)的太陽輻射加快了綠色屋頂在干旱期間滯留空間的恢復(fù)，為下一場雨提供更大的滯水空間，從而增加雨水滯留量．由于雨水滯留率的月變化規(guī)律較為復(fù)雜，主要與月平均太陽輻射呈正相關(guān)，但仍受到月降雨量及平均雨前干旱時(shí)間的影響．如圖5(b)，2月的雨水滯留率較高，主要是由于月降雨量最?。欢?—10月的雨水滯留率較高，主要是由于較高的太陽輻射能使綠色屋頂?shù)挠晁疁粜?yīng)在干濕交替的外界環(huán)境中快速恢復(fù)；8月雨水滯留率出現(xiàn)下降則是由于降雨頻繁，陰雨天較多，平均太陽輻射弱于7月和9月，較短的恢復(fù)期難以應(yīng)對頻繁的降雨；3—6月雨水滯留率較低是由于期間太陽輻射較弱和月降雨量較高；11月則因?yàn)檫^長的雨前干旱時(shí)間導(dǎo)致綠色屋頂植物萎蔫，滯留雨水能力減弱．

圖5 天氣條件及綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)的月變化Fig.5 (Color online) Monthly variation of weather conditions and green roof rainwater retention performance

表3 綠色屋頂(以洋竹草屋頂為例)月雨水滯留效應(yīng)與天氣條件的相關(guān)性分析

Table 3 Correlation analysis of green roof monthly rainwater retention performance and weather conditions

月降雨量平均ADP平均太陽輻射平均溫度平均風(fēng)速月雨水滯留量0.9241)-0.0380.8772)-0.525-0.618月雨水滯留率-0.284-0.4170.7443)-0.205-0.348

1)P<0.01；2)P<0.05;3)P<0.1

不同植物綠色屋頂?shù)脑路萦晁疁粜?yīng)也存在差異，在雨水滯留率更小的月份中差異更明顯，如圖5(a)和(b)，其中太陽花與佛甲草的月份雨水滯留量存在統(tǒng)計(jì)上的顯著差異(P<0.05)． 從圖5(a)可見，在3—6月，太陽花的月雨水滯留量始終最高，隨后出現(xiàn)優(yōu)勢植物的更迭，在7—9月臥地延命草的月雨水滯留量明顯升高，在10—次年2月則為洋竹草．不同植物綠色屋頂?shù)脑掠晁疁袈室渤霈F(xiàn)一樣的更替規(guī)律，如圖5(b)．這是因?yàn)樵?—6月，深圳地區(qū)氣候較溫和，雨水滯留效應(yīng)主要取決于植物本身的滯水能力，太陽花相比其他3種植物根系更粗壯，滯水能力更強(qiáng)．在7—9月初，由于密集的連續(xù)降雨較豐富，綠色屋頂?shù)挠晁疁粜?yīng)取決于系統(tǒng)在干旱期間的滯留空間的恢復(fù)能力．通過對基質(zhì)含水量的連續(xù)監(jiān)測已得到臥地延命草相比其他3種植物綠色屋頂有較強(qiáng)的恢復(fù)能力，因此在7—9月中雨水滯留效應(yīng)有一定程度的增強(qiáng)．而10—次年2月，除了洋竹草外，其余植物受干旱脅迫的影響出現(xiàn)植物萎蔫和覆蓋度減少的現(xiàn)象(圖6)，降低了對雨水的滯留和干期的恢復(fù)，顯現(xiàn)出較低的雨水滯留效應(yīng)．

圖6 不同綠色屋頂植物覆蓋度月變化Fig.6 (Color online) Monthly change of vegetation coverage on different green roofs

2.3 綠色屋頂雨水滯留全年總效應(yīng)

在監(jiān)測期間，監(jiān)測到的所有降雨的總降雨量為1 362 mm，如圖7．由圖7可見，各植物綠色屋頂?shù)目倻袅糠謩e為洋竹草617.35 mm、太陽花656.54 mm、臥地延命草617.21 mm、佛甲草610.47 mm，研究區(qū)不同植物綠色屋頂?shù)娜昕倻袈蕿?4%～49%．其中太陽花綠色屋頂?shù)臏粜?yīng)最強(qiáng)，達(dá)到48%以上；其余3種植物綠色屋頂雨水滯留總效應(yīng)的差異不大．因此從全年雨水滯留效應(yīng)來看，選擇根系滯水能力強(qiáng)的植物可以提高綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)．

圖7 不同植被綠色屋頂全年雨水滯留效應(yīng)Fig.7 (Color online) Annual rainwater retention performance of different vegetation green roofs

3 結(jié) 論

基于2018年8月至2019年12月對深圳市4種不同植物綠色屋頂?shù)倪B續(xù)監(jiān)測，對在中國華南地區(qū)氣候條件下的綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)的規(guī)律及影響因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1) 綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)隨場次和月份降雨條件的變化而波動．綠色屋頂對場次降雨的雨水滯留量為0.4～37 mm，雨水滯留率為2%～100%；綠色屋頂月雨水滯留量為13～148 mm，月雨水滯留率為29%～70%；綠色屋頂全年總雨水滯留量為610～660 mm，雨水滯留率為44%～49%．綠色屋頂對監(jiān)測期內(nèi)所有雨量<14 mm或雨量<25 mm但雨前日間干旱時(shí)間大于68 h的場次降雨的雨水滯留率達(dá)到100%，在監(jiān)測期間的最大雨水滯留量達(dá)到37 mm．

2) 綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)的波動主要受到降雨量和雨前日間干旱時(shí)間的影響，雨水滯留率和雨水滯留量與降雨量分別呈顯著負(fù)相關(guān)和正相關(guān)，二者都與雨前日間干旱時(shí)間呈顯著正相關(guān)．此外，月太陽輻射與植被類型及其覆蓋度變化對月份間的雨水滯留量波動有較大影響．

3) 不同植物綠色屋頂展現(xiàn)出不同的雨水滯留能力．太陽花由于其粗壯發(fā)達(dá)的根系有較強(qiáng)的滯水能力，在生長季節(jié)(3—6月)都保持更高的雨水滯留效應(yīng)．其他3種植物的全年總滯留效應(yīng)差異不大，臥地延命草則因其具有較高的蒸散發(fā)作用在降雨密集的月份雨水滯留效應(yīng)較強(qiáng)，而洋竹草因其受干旱脅迫小，在降雨小且降雨頻率小的月份保持較高的雨水滯留效應(yīng)，而佛甲草在本研究中一直保持較低的雨水滯留效應(yīng)．

以上研究結(jié)果可為綠色屋頂?shù)男阅茉u估和推廣應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)．