低影響開(kāi)發(fā)（LID）綠色屋頂降雨徑流調(diào)控運(yùn)行機(jī)理研究*

閆少奇 ， 李鵬程 ， 任柯翰 ， 王 佩 ， 王海波

（河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061001）

綠色屋頂作為城市低影響開(kāi)發(fā)（LID）和城鎮(zhèn)綠色基建的關(guān)鍵措施，在城市雨洪資源調(diào)控、緩解干旱方面具有重要作用[1]。綠色屋頂表層為種植植被，植被層以下為種植植被生長(zhǎng)需要的土壤基質(zhì)層，以及雨水過(guò)濾層、排水層、隔絕綠色屋頂與傳統(tǒng)屋頂結(jié)構(gòu)的防滲層。綠色屋頂一般建設(shè)在露臺(tái)、天臺(tái)或者其他建筑物、構(gòu)筑物頂部，由于土壤基質(zhì)層厚度的限制、屋頂受較大風(fēng)速的影響，綠色屋頂?shù)谋Ｋ炙捷^低，成為綠色屋頂推廣，尤其是在北方地區(qū)的應(yīng)用的主要限制因素。課題組試圖探究綠色屋頂降雨徑流的調(diào)控機(jī)理及運(yùn)行機(jī)制，優(yōu)化綠色屋頂結(jié)構(gòu)，為綠色屋頂?shù)耐茝V及發(fā)展提供科學(xué)支撐。

1 綠色屋頂徑流平衡機(jī)理及水文效應(yīng)

1.1 綠色屋頂徑流平衡機(jī)理

根據(jù)綠色屋頂徑流流經(jīng)路徑及存貯機(jī)制，其水體轉(zhuǎn)移及轉(zhuǎn)化受到的影響因素主要有降水量P、蒸騰揮發(fā)量ET、降水徑流量R、雨水存貯量W、植被截存量I和土壤基質(zhì)表層蓄存量D，水體水量平衡方程如式（1）所示，示意圖如圖1所示。根據(jù)區(qū)域的不同，對(duì)于濕潤(rùn)多雨的地區(qū)，水量平衡方面植被截存量I和土壤基質(zhì)表層蓄存量D占比較小，可作為次要考量因素進(jìn)行省略，其對(duì)應(yīng)的水量平衡方程如式（2）所示。對(duì)于降雨歷時(shí)較短的降雨，短歷時(shí)降雨，蒸騰揮發(fā)量ET較小，可忽略不計(jì)。綜上，降水徑流量R、雨水存貯量W的大小決定了綠色屋頂產(chǎn)流量的大小。

圖1 屋頂綠化水量平衡示意圖

綠色屋頂雨水存貯量W即最大雨水蓄持量與初始結(jié)構(gòu)蓄存總量的差值，對(duì)于確定結(jié)構(gòu)配置的綠色屋頂，其最大雨水存貯量W為定值。但初期雨水存貯量受到前期降雨間隔時(shí)間、間隔段內(nèi)太陽(yáng)輻射量、風(fēng)速等因素的影響，因此同樣降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)流量也會(huì)存在差異。

1.2 綠色屋頂降雨徑流水文效應(yīng)分析

綠色屋頂降雨水文效應(yīng)分析主要包括降雨產(chǎn)流過(guò)程及雨水蓄滯能力復(fù)原過(guò)程。

1）降雨產(chǎn)流過(guò)程。降雨產(chǎn)流主要為綠色屋頂進(jìn)行雨洪蓄滯的過(guò)程，該過(guò)程水量的轉(zhuǎn)移過(guò)程如式（3）所示，體現(xiàn)了降雨、產(chǎn)流及屋頂蓄滯能力之間的關(guān)系。當(dāng)降雨雨強(qiáng)小于屋頂雨水蓄滯能力時(shí)，不產(chǎn)流，Rt=0；當(dāng)降雨雨強(qiáng)大于雨水蓄滯能力時(shí)，土壤基質(zhì)層飽和，含水率達(dá)到最大，此時(shí)Rt=Pt。當(dāng)降雨結(jié)束后，進(jìn)入到綠色屋頂雨水蓄滯能力復(fù)原過(guò)程。

式中：Rt表示降雨過(guò)程中時(shí)間t對(duì)應(yīng)的產(chǎn)流流速，St表示綠色屋頂雨水蓄滯能力，Pt表示降雨過(guò)程中t時(shí)刻對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)大小，單位均為mm/min。

2）雨水蓄滯能力復(fù)原過(guò)程。雨水蓄滯能力復(fù)原過(guò)程發(fā)生在降雨間隔時(shí)段，此階段主要是植被生長(zhǎng)最大截留量及其蒸發(fā)過(guò)程，綠色屋頂土壤基質(zhì)層的蒸發(fā)與綠色屋頂蓄滯能力之間的關(guān)系。植被生長(zhǎng)最大截留量與植被種類、種植密度等關(guān)系密切，綠色屋頂在降雨間隔時(shí)段的蒸發(fā)量與日照時(shí)長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、氣溫等有關(guān)[2]。該階段內(nèi)雨水通過(guò)蒸散發(fā)、植物蒸騰作用，回到大氣中，直到下次降雨，綠色屋頂雨水蓄滯能力復(fù)原過(guò)程結(jié)束，開(kāi)始新一輪的“降雨產(chǎn)流過(guò)程—雨水蓄滯能力復(fù)原過(guò)程”。

2 綠色屋頂降雨徑流模型

評(píng)價(jià)綠色屋頂性能的最好方法是利用實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但是這種方法受到時(shí)間和數(shù)據(jù)的制約，尤其受長(zhǎng)時(shí)間性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的制約。除此之外，對(duì)于某些擬修建LID或者BMPs調(diào)控措施的地區(qū)來(lái)說(shuō)，通過(guò)模型進(jìn)行性能模擬是有效途徑。根據(jù)生物滯留模擬目標(biāo)的不同，綠色屋頂軟件可分為水質(zhì)模擬、水量模擬以及兩者綜合的模擬軟件?，F(xiàn)就目前國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛的綠色屋頂模擬軟件作簡(jiǎn)要介紹。

RECARGA是由Wisconsin大學(xué)基于MATLAB研發(fā)的專門針對(duì)綠色屋頂?shù)热霛B措施的水文性能進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的軟件。該模型采用TR-55CN程序分別模擬研究區(qū)的透水性區(qū)域及不透水性區(qū)域的徑流量；運(yùn)用Green-Ampt方程模擬蓄水層至介質(zhì)層土壤的入滲，并通過(guò)van Genuchten非線性方程模擬控制土壤層內(nèi)（介質(zhì)層至沙礫層），沙礫層至天然土壤間的水分運(yùn)動(dòng)；地下排水管的出流量用小孔出流方程計(jì)算。其輸入?yún)?shù)主要包括研究區(qū)的面積及其不透水性區(qū)域的比例及CN，綠色屋頂?shù)拿娣e、降雨量和蒸發(fā)量、表層積水、綠色屋頂?shù)耐寥绤?shù)（如飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)）等。模型的輸出包括植物耐受性項(xiàng)目（積水時(shí)間和溢流次數(shù)）以及水量平衡方程的各項(xiàng)要素，如入流量、徑流量、排泄水量、回補(bǔ)量、蒸發(fā)量、土壤含水量和滯留水量等。因此，利用RECARGA可以對(duì)綠色屋頂?shù)母黜?xiàng)要素，如面積、根區(qū)土壤特性等反復(fù)進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬，從而達(dá)到特定的性能目標(biāo)，如降低徑流量、增加地下水入滲量等。RECARGA具有界面友好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以模擬單一、連續(xù)或用戶自定義的徑流系列，但排水管線的位置不能改變，排水管上層只能設(shè)置一種土壤類型，模擬具有局限性。同時(shí)，降雨最小只能以小時(shí)輸入，不適合模擬單次（1 h以內(nèi)）降雨徑流過(guò)程。

HYDRUS-1D是由國(guó)際地下水模型中心（IGWMC）發(fā)布的用于模擬多孔介質(zhì)中變飽和情況下（飽和-非飽和）水熱運(yùn)移的軟件。模型主要包括水流運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)運(yùn)移、熱量遷移和根系吸水4個(gè)主程序模塊。其中，水分模塊采用Richards方程對(duì)土壤水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并利用van Genuchten描述土壤的水力特性，溶質(zhì)運(yùn)移模塊和溫度模塊均采用對(duì)流彌散方程分別模擬溶質(zhì)運(yùn)移轉(zhuǎn)化和溫度的對(duì)流傳導(dǎo)。模型的上邊界位于植物冠層上方，由降雨、灌溉、蒸發(fā)等控制，下邊界位于飽和帶或地下水系統(tǒng)上部，分別考慮大氣環(huán)境因素和區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)變化的影響。程序可靈活處理各類水流邊界，包括定水頭和變水頭邊界、給定流量邊界、滲水邊界、自由排水邊界以及排水溝等。在上下邊界之間，水分運(yùn)動(dòng)按一維垂向運(yùn)動(dòng)考慮，分為若干個(gè)單元，對(duì)水分、溶質(zhì)和熱量運(yùn)移采用伽遼金有限元法數(shù)值求解。求解過(guò)程中可考慮土壤質(zhì)地、土壤持水性、膨脹收縮性、優(yōu)先流、滯后性等土壤復(fù)雜物理特性的影響。模型輸出結(jié)果豐富，包括累積水分平衡分量、地下水位、逐日水量和溶質(zhì)平衡分量、逐時(shí)土壤物理量等。因此，利用HYDRUS-1D可以對(duì)綠色屋頂?shù)乃诌\(yùn)動(dòng)和污染物運(yùn)移進(jìn)行模擬，對(duì)其滯蓄效果進(jìn)行定量計(jì)算，進(jìn)而評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)道路積滯水防控和面源污染削減的能力。HYDRUS-1D可以對(duì)任意時(shí)段內(nèi)的降雨-徑流過(guò)程進(jìn)行模擬，可以模擬較為復(fù)雜的土壤水和溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程，但由于其沒(méi)有考慮不透水區(qū)域的比例，僅可用于單個(gè)綠色屋頂?shù)哪M，而對(duì)區(qū)域內(nèi)多個(gè)綠色屋頂采用此方法是不現(xiàn)實(shí)的。

DRAINMOD模型是20世紀(jì)70年代末由美國(guó)北卡萊納州立大學(xué)生物及農(nóng)業(yè)工程系R.W.Skaggs博士開(kāi)發(fā)的田間水管理模型，它被應(yīng)用于農(nóng)田排水系統(tǒng)、濕地水文、排水土壤中的氮素運(yùn)移和損失，干旱地區(qū)排水系統(tǒng)和灌溉管理對(duì)土壤鹽分的影響，就地污水處理等領(lǐng)域。近年來(lái)，有學(xué)者關(guān)注到綠色屋頂內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)與田間排水有一定的相似性，DRAINMOD模型逐漸被用于模擬綠色屋頂?shù)乃倪^(guò)程。DRAINMOD所依據(jù)的是水量平衡原理，包括地表水平衡和土壤內(nèi)部水平衡，計(jì)算各土壤水分分量。模型通過(guò)輸入長(zhǎng)期的氣象、土壤、作物和田間排水資料，計(jì)算出每日田間水文變化情況，包括地表地下排水量、田間入滲和騰發(fā)量以及地下水埋深等。其中，側(cè)向排水量采用Hooghoudt公式，入滲量采用Green-Ampt公式，深層滲漏量采用Darcy公式，騰發(fā)量采用模型默認(rèn)的Thornthwaite溫度法或更為精確的Penman-Monteith法計(jì)算后直接輸入。該模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間系列的模擬（長(zhǎng)達(dá)50年或更久），更有利于評(píng)價(jià)或預(yù)測(cè)生物滯留系統(tǒng)性能；2）模型中添加了土壤凍融模塊，適用于寒冷地區(qū)的模擬；3）模型利用地下水埋深和土壤水力特征曲線確定土壤的儲(chǔ)水量；4）可以準(zhǔn)確地模擬綠色屋頂?shù)呐潘^(guò)程。其缺點(diǎn)是輸入?yún)?shù)較多，模擬之前需要進(jìn)行敏感性分析，同時(shí)模擬天數(shù)最短為一個(gè)月，不適合模擬單次降雨徑流過(guò)程，在率定和驗(yàn)證階段也需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐。

MUSIC是由澳大利亞流域水文合作研究中心（CRCCH）開(kāi)發(fā)的用于模擬和預(yù)測(cè)城市雨水處理系統(tǒng)對(duì)雨水特性（水量和水質(zhì)）影響的軟件。目前，模型能夠模擬9種雨水處理措施，包括綠色屋頂、植草淺溝、沉積池、貯水池、滲濾池、濕地和池塘等。模型通過(guò)設(shè)置不同的節(jié)點(diǎn)和連接線參數(shù)來(lái)描述雨水匯流過(guò)程，模型的節(jié)點(diǎn)包括源節(jié)點(diǎn)、處理節(jié)點(diǎn)和接納節(jié)點(diǎn)，其中源節(jié)點(diǎn)代表實(shí)際匯水區(qū)（面積為0.1 ha~100 ha），處理節(jié)點(diǎn)代表不同的雨水處理設(shè)施，接納節(jié)點(diǎn)代表接納雨水的區(qū)域（一個(gè)匯流過(guò)程只能包含一個(gè)接納節(jié)點(diǎn)），并且利用連接線將不同的節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)。模型中采用概念日降雨徑流模型計(jì)算城市徑流，模型利用USTM（the Universal Stormwater Treatment Model）模擬雨水通過(guò)不同處理設(shè)施的水流運(yùn)動(dòng)和污染物遷移過(guò)程，對(duì)于水流運(yùn)動(dòng)采用連續(xù)性方程和CSTR（Continuously Stirred Tank Reactors），污染物的遷移采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型（k-C*）。對(duì)于綠色屋頂，模型需要輸入源節(jié)點(diǎn)的降雨特性和水質(zhì)參數(shù)等；處理節(jié)點(diǎn)的滲濾介質(zhì)、植被、滲漏（有無(wú)襯砌）和排水溝等相關(guān)參數(shù)。模型輸出結(jié)果包括各節(jié)點(diǎn)的水均衡項(xiàng)、源節(jié)點(diǎn)出流的水量和水質(zhì)隨時(shí)間的變化或累積頻率曲線、處理節(jié)點(diǎn)入流和出流的水量和水質(zhì)隨時(shí)間的變化或累積頻率曲線等。

3 綠色屋頂降雨徑流調(diào)控研究

根據(jù)綠色屋頂徑流平衡機(jī)理及其降雨徑流水文效應(yīng)分析，對(duì)綠色屋頂?shù)恼{(diào)控進(jìn)行探析。

3.1 植被種類的選擇

綠色屋頂作為城市微景觀及綠色基建的重要組成部分，要求兼顧城市綠化、生態(tài)效應(yīng)。從降雨徑流削減方面看，草坪草本植物效果優(yōu)于景天屬植被、非禾本草本植被，對(duì)于同屬科植被，莖稈粗細(xì)、根莖密實(shí)程度及植被高度都是徑流影響的關(guān)鍵因素[3-4]。植被種植密度直接影響降雨蓄滯效果，綠色屋頂要求具備較高的植被覆蓋度。

不同氣候區(qū)對(duì)植被抗旱要求不同，肉質(zhì)植被具備較強(qiáng)的抗旱性，但其雨水的蓄滯效應(yīng)較弱。對(duì)于北方地區(qū)，太陽(yáng)花的降雨徑流蓄滯效應(yīng)明顯高于佛甲草，部分抗旱性較差的草本植物如高羊茅無(wú)法在自然條件下正常生長(zhǎng)，需要進(jìn)行定期灌溉養(yǎng)護(hù)。

3.2 基質(zhì)層組成及其厚度

基質(zhì)層的選取對(duì)雨洪的蓄滯效果具有顯著影響，基質(zhì)層不同，其密實(shí)度以及與植被根系結(jié)合程度不同。因此，基質(zhì)層蓄水能力不同，輕質(zhì)土及改良土，如添加草炭土和河沙的培養(yǎng)土，調(diào)控效應(yīng)明顯優(yōu)于大田土[5-6]。另外，基質(zhì)層厚度越厚對(duì)雨水蓄滯及調(diào)控效果越好，且二者呈現(xiàn)冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著厚度的逐漸增大，其調(diào)控效果增長(zhǎng)度逐漸降低，且經(jīng)濟(jì)成本增加。

3.3 過(guò)濾層、排水層

過(guò)濾層間隔基質(zhì)層和排水層，防止基質(zhì)層隨雨水進(jìn)入到排水層，影響整體結(jié)構(gòu)。排水層的主要作用是提高基質(zhì)層的水體通透性，可將部分水體迅速排出，降低基質(zhì)層的水壓力，同時(shí)蓄存少部分水體。該結(jié)構(gòu)的設(shè)置可與基質(zhì)層及植被層有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)綠色屋頂降雨徑流的調(diào)控效果。

4 結(jié)論

綠色屋頂降雨徑流過(guò)程主要涉及降水量、蒸騰揮發(fā)量、降水徑流量、雨水存貯量、植被截存量和土壤基質(zhì)表層蓄存量間的水體水量平衡。綠色屋頂運(yùn)行包含“降雨產(chǎn)流過(guò)程—雨水蓄滯能力復(fù)原過(guò)程”涉及的水體運(yùn)轉(zhuǎn)方式。通過(guò)梳理綠色屋頂徑流平衡機(jī)理及其降雨徑流水文效應(yīng)，優(yōu)化植 被種類的選擇、基質(zhì)層組成及其厚度、過(guò)濾層與排水層等組成結(jié)構(gòu)，為綠色屋頂?shù)耐茝V及發(fā)展提供技術(shù)支持。