绿色屋面丰富城市绿色景观, 减少建筑能耗[1], 隔音降噪[2], 改善“热岛效应”[3].当雨水降落到绿色屋面, 一部分被植物截留、利用, 还有部分临时储存在基质和排蓄水板中, 经蒸发蒸腾作用回归大气[4], 剩余部分则穿透土壤缓慢释放进入排水系统[5].因此, 相比于传统屋面, 绿色屋面还能减少屋面径流量[6-7], 削减并延迟径流峰值[8-9].
近年来, 绿色屋面对雨水径流水文特性的影响得到了国内外学者的广泛研究.降雨特征是影响绿色屋面截留率的重要因素[10].Locatelli等[11]发现对于重现期为0.1~1年和5~10年的降雨事件, 绿色屋面的径流峰值分别削减了40%~78%, 10%~36%.基质的初始含水量也会影响绿色屋面的径流量和峰值流量[12].Getter等[13]发现, 当降雨前基质较为干燥时, 绿色屋面的截留率可达64%, 而当基质相对湿润时, 截留率仅为45%.同时, 绿色屋面的截留能力呈现季节性差异, 夏季截留效果普遍好于冬季[14].坡度对绿色屋面截留效果的影响仍存在争议性, Vanwoert等[15]认为坡度越小, 截留能力越强, 但也有研究表明坡度与截留率间无显著相关性[16].另外, 植物的蒸腾作用可以增加土壤水分损失[17], 有助于减少绿色屋面的屋面径流, 但目前仅有少数研究监测了土壤的实际蒸腾量[18], 因而对绿色屋面土壤水分蒸腾量的监测和分析尤为重要.因为研究区域气候、降雨特征和绿色屋面设计(基质[19], 坡度, 植物[20])的差异, 往往导致不同研究所得绿色屋面对雨水径流的控制效果差异大[21].通过汇总前人的研究结果, 发现绿色屋面的截留率介于15.5%到82.8%之间[22], 峰值流量可削减22%至93%[11].同样的, 不同研究报告中绿色屋面的滞留效果也差距悬殊, 例如Denardo等[23]通过统计7次降雨事件, 提出绿色屋面能延迟径流峰值长达2 h, 而Villarreal[24]通过模拟降雨实验, 发现绿色屋面只能使径流峰值延迟1 min.
目前国内对绿色屋面对雨水径流控制效果的量化研究较少, 又难以参考国外研究结果, 极大限制了绿色屋面的推广.因此, 本文基于国内常见的绿色屋面类型, 通过分析降雨、屋面径流特征, 以及绿色屋面的土壤水分蒸腾量, 来实现以下研究目的：1)杭州降雨特征下, 以次降雨事件为单位, 评估绿色屋面对雨水径流的控制效果；2)探讨坡度、生长基质、植物对截留效果的影响；3)简单预测某特定降雨事件下绿色屋面的截留率.
1 实验装置与方法 1.1 实验装置绿色屋面装置构建于2016年1月, 放置在杭州市浙江大学室外平台上.装置上部由有机玻璃组件构成, 长宽高为1.1 m×0.5 m×0.5 m(长边0.1 m为排水渠), 分别置在不同倾角(2°, 10°, 25°)的角钢支架上.绿色屋面装置构造如图 1所示, 自上而下分为4层, 依次为植被层、基质层(厚10 cm)、过滤层和排水层.框内种植佛甲草, 配合使用常用基质A(腐叶土:蛭石:砂土=7:2:1)或者基质B(田园土:腐叶土:蛭石=4:3:1).过滤层采用土工布, 排水层使用20 mm高的排蓄水板.径流汇流至排水渠后, 排入采样容器或雨量计.另外, 试验中设置了坡度为2°的非绿色屋面和纯基质对照组(基质A).屋面装置属性如表 1所示.
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图 1 绿色屋面断面示意图 Fig. 1 Schematic of green roof cross-section |
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表 1 屋面装置属性 Table 1 Characteristics of roof setups |
试验期间, 装置不进行灌溉, 以保证所有的径流均由降雨产生[25].待植物生长一个月后, 2016年2月开始, 三台SL3-1型翻斗式雨量计分别用于监测降雨、非绿色屋面和1号绿色屋面的径流过程.雨量计测量最小分度为0.1 mm, 设置记录时间间隔为1 min.当降雨(或径流)强度小于4 mm/min时, 雨量计误差小于±4%.观测期内最大径流强度为8.4 mm/min, 经过3次重复实验, 发现该降雨强度下, 测量值与真实值的误差控制在8%内.其他屋面径流收集在单独的集雨容器内, 待径流结束后, 量筒量取总径流量并记录.另外, 采用TP-SR-1土壤水分传感器长期监测绿色屋面的土壤含水率.数据采集时间间隔为1 h, 含水率测量精度±2%.
1.3 数据分析以次降雨事件为单位, 针对单场独立降雨事件分别统计以下参数：降雨时间t, 降雨深度h(mm), 平均雨强i(mm/h), 5 min峰值雨强I(mm/h), 前期干燥天数(the antecedent dry weather period, ADWP), 单位：d.并相应统计各屋面的径流深度V(mm), 截留率P(%)以及1号装置的径流峰值削减率和延迟时间.参照Zhang等[26]的方法, 一场独立降雨事件前至少要连续干燥6 h, 同时当前一场降雨形成的屋面径流还未结束又发生降雨事件时, 则将两场降雨事件合为一次计算[25], 以此保证径流量计算的准确性.截留率, 平均雨强分别按公式(1)、(2)计算.
| $ P = \frac{{D-V}}{D}. $ | (1) |
| $ i = \frac{D}{t}. $ | (2) |
通过Spearman相关分析判断降雨参数与绿色屋面的雨水径流控制效果是否存在显著相关关系.Spearman相关系数
杭州属亚热带季风气候, 年均气温介于15.9和17.0 ℃之间, 夏季6~9月平均气温23.4~28.4 ℃, 极端最高气温达39.9 ℃；冬季平均气温4.3~6.8 ℃, 极端最低至-8.6 ℃.年均降水量为1 454.5 mm, 3~9月份降水丰富, 其余时间降水量相对较少.
研究期间(2016/02~2017/03)总共记录了99场独立降雨事件(未记录到降雪数据), 降雨深度分布情况如图 2(a)所示.图中f为频率, 中小降雨频率高, 74%的降雨事件集中在0~20 mm区间内, 强降雨事件较少.通过对杭州市2004-2015年降雨资料的统计分析, 如图 2(b)所示, 发现降雨事件的分布规律与观测期较为相似, 说明观测数据具有代表性.研究期间最大降雨事件发生在2016/09/13, 总降雨深度达142 mm.不同降雨事件的前期干燥天数差距悬殊, 最短仅有5 h, 最长达15 d(2017/02/04).
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图 2 杭州地区降雨量的概率密度分布 Fig. 2 Distribution of rainfall probability density inHangzhou |
从各月中选取土壤初始含水率介于23%至27%的某天, 绘制日累计蒸腾量图(如图 3所示).图中ET为干燥期的日蒸腾量，不同曲线代表不同日期绿色屋面的蒸腾情况.如图 3(a)所示, 不同月份的蒸腾速率在一天内呈相似的变化规律.日出前和日落后水分蒸腾量极少, 接近于0.日出后光照加强, 温度升高, 蒸腾速率加快, 并于午后达到最大.另外, 当土壤初始含水量充足且大致相等时, 6~9月份的日蒸腾量最多, 达3.7~4.9 mm, 最大蒸腾速率高达0.6~0.8 mm/h.如图 3(b)所示, 7~9月份的日均蒸腾量实验数据相对较小(2.2~2.4 mm), 这主要是因为该阶段土壤水分蒸腾能力强而降雨偏少, 土壤整体含水率偏低, 限制了蒸腾量[28], 致使实验所测数据偏小.
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图 3 绿色屋面各月日蒸腾量特征 Fig. 3 Daily transpiration characteristics of green roof for each month |
如图 4所示是2016/03/30和2016/04/02降雨及相应的屋面径流过程图, 图中的降雨量和径流量是以5 min时间间隔统计的，这两场降雨事件的降雨深度分别为8.7、41.5 mm, ADWP分别为6.2、2.8 d, 相比于非绿色屋面, 绿色屋面的径流量大幅减小.本研究拟采用截留率来评价绿色屋面的径流总量削减效果, 如图 4(a)所示, 绿色屋面径流量很少, 截留率高达99.7%.如图 4(b)所示, 较大降雨时, 降雨初期绿色屋面能大幅削减屋面径流, 降雨中期削减效果快速下降, 至降雨末期, 两屋面的径流过程线差距小, 绿色屋面截留效果微弱.这是因为降雨初期基质相对干燥, 之后随着降雨量的增加, 基质逐渐临近或处于田间含水率, 使绿色屋面的截留效果大大减弱[29], 导致绿色屋面对2016/04/02整场降雨的截留率仅有35.3%.
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图 4 降雨-径流过程线 Fig. 4 Rainfall-runoff responses for events |
另外, 2种屋面的径流峰值强度和出峰时间也存在较大差异.如图 4(a)所示, 该降雨事件于20:20出现降雨峰值, 非绿色屋面随即出现径流峰值(4.2 mm/h), 而绿色屋面直到22:20才出现径流峰值(0.12 mm/h).2016/04/02的降雨事件亦是如此.可见, 绿色屋面具有较为显著的滞留和削峰效果, 因而本研究中分别采用径流峰值延迟时间和峰值削减率来评价其效果.2016/03/30降雨事件下, 相比于非绿色屋面, 绿色屋面的径流峰值削减率为98%, 峰值延迟时间为120 min.另外, 2016/04/02的降雨是个多峰降雨事件, 第一个降雨峰值时绿色屋面的径流峰值延迟了30 min.而当第2、3个降雨峰值出现时(2016/04/03 4:25、9:30), 径流峰值延迟时间缩短, 分别延迟了5和0 min.峰值削减效果也呈相似变化, 3个降雨峰值相继发生时, 绿色屋面的径流峰值分别削减了94%, 79%, 19%.因此, 绿色屋面的峰值延迟和削峰效果与雨峰的位置有关.随着峰前雨量增多, 绿色屋面的效果随之减弱.这也与Nawaz等的[22]观测结果一致.对于多峰降雨, 本研究中只分析最大降雨峰值产生的径流峰值削减率和延迟时间.
2.3 不同类型屋面的效果分析屋面径流量由降雨量和降雨事件发生时绿色屋面的蓄水能力决定.当降雨量不超过绿色屋面可达的截留量时, 不产生径流, 反之, 超出部分形成屋面径流.从前场降雨结束进入干燥期开始, 到降雨总量D mm的降雨事件结束, 针对这一过程, 建立绿色屋面的水量平衡分析：
| $ w = ({\theta _{\rm{f}}}-\theta {\prime _{\rm{i}}})h. $ | (3) |
| $ X = {S_{\rm{l}}} + {S_{\rm{c}}} + w + {\rm{ET}}\cdot{\rm{ADWP}} $ | (4) |
| $ V = \left\{ \begin{array}{l} 0, \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;D \le X\\ D-X, \;\;\;D > X \end{array} \right.. $ | (5) |
式中：w为前场降雨结束时基质残留的截留能力(mm)；θf为基质的田间含水率(%)；θ′i为前场降雨结束时的基质含水率(%)；h为基质厚度(mm)；X为绿色屋面系统的蓄水能力(mm)；Sl为植被截留损失量(mm)；Sc为蓄水板的存储容量(mm).
装置截留率如图 5所示, 非绿色屋面(2号装置)的截留率均值仅有9%, 显著低于其他装置, 说明相比于高径流系数的非绿色屋面屋面, 绿色屋面可有效减少屋面径流.对比不同坡度的1、5、7号装置, 发现随着屋面坡度增加, 绿色屋面的截留效果迅速下降, 当坡度从2°增加到10°时, 截留率均值从62%降至57%, 坡度增加到25°时, 截留率降至53%, Getter等[13]也得到类似的结论.这是因为随着屋面坡度增加, 雨水汇集的速度加快, 基质存储容量难以充分利用, 同时, 蓄水板的有效储水空间(Sc)也相应减小.因此, 平坡绿色屋面对雨水径流的控制效果更好.
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图 5 各装置截留率 Fig. 5 Retention performance for each setup |
此外, 对比栽种植物的1号装置(62%)和无植物的3号装置(58%), 发现植物增加了4%的截留率, 这意味着当年均降雨深度为1 454.5 mm时, 植物一年大约能减少58 mm的径流.如公式(4)所示, 植物截留损失量是绿色屋面蓄水能力的重要组成部分.植物不仅可以通过叶片截留雨滴, 根系也有助于减少绿色屋顶的屋面径流[30].另外, 植物的蒸腾作用还能增加土壤水分损失速率(ET)[31], 增加20%~48%水分损失[27].
与此同时, 由水量平衡分析可知, 基质的蓄水量可显著影响绿色屋面系统的蓄水能力.不同基质的物化特性差异, 使基质具有不同的田间含水率, 导致基质的最大储水容量存在显著差异.一般认为小粒径颗粒物的含量高的基质蓄水能力好[32].本研究中采用基质A的1号装置截留率中值(75%)低于选用基质B的4号装置(92%), 前者的截留效果较差.通过对比较大坡度下的5(57%)、6(75%)或者7(64%)、8(77%)号装置截留率中值也能得到相同的结论.因此在屋顶承重范围内, 可优先选用小粒径颗粒物含量较高的基质B.
2.4 相关性分析长期实验表明绿色屋面(1号装置)可使径流峰值平均削减50%, 同时延迟8 min.Spearman相关性分析结果显示, 峰值削减率与降雨深度、峰值雨强以及平均雨强均呈显著负相关(p < 0.001、< 0.001、=0.007), 同时与ADWP呈显著正相关(p=0.007)；峰值延迟时间与峰值雨强和平均雨强也呈负相关(p=0.162、0.128), 但关系并不显著, 且与ADWP呈微弱正相关(p=0.449).对比图 4的两场降雨也可以得到类似结论, 前者降雨量小, ADWP长, 强度小, 因而绿色屋面滞留和削峰的效果明显好于后者.
另外, 如图 5所示, 相比于非绿色屋面, 各绿色屋面的截留率区间广, 说明绿色屋面的截留效果对降雨特征十分敏感.经相关性分析得, 截留率与降雨时间、深度存在显著负相关关系(p < 0.001、< 0.001), 与ADWP呈显著正相关(p=0.004).由绿色屋面水量平衡分析可知, 绿色屋面的截留量有限, 大降雨事件往往导致更高比例的降雨转化为屋面径流[33], 致使绿色屋面的截留效果显著下降.如图 6所示为降雨参数与径流参数的散点图.如图 6(b)所示, 当D=10 mm左右时, 绿色屋面的截留率能维持在100%.而一旦降雨深度超过10 mm, 装置的截留率随雨量的增大呈现显著下降趋势.此外, 绿色屋面对雨水的实际储存能力主要通过干燥期内土壤水分蒸发蒸腾得以恢复[34](公式(4)), 因而, 截留率与ADWP呈显著正相关.
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图 6 降雨参数与1号装置径流参数散点图(实线为拟合曲线) Fig. 6 Scatterplots showing the relationship between selected key rainfall and runoff parameters for setup 1 (Solid black lines represent the fitting curve) |
在高降雨强度下, 基质没有充足的时间吸收储存水分, 因此截留率会有所下降.Lee等[35]研究同样表明, 截留率和平均雨强间存在负相关关系.本研究相关分析显示, 截留率与平均雨强、峰值雨强呈微弱负相关关系(p=0.904、0.095).如图 6(d)所示, 降雨事件的平均雨强大多集中在0~3 mm/h, 而在该范围内, 绿色屋面截留率变化趋势不明显, 主要是受其他降雨参数影响(如D、ADWP等)而导致低雨强低截留率情况多.同样的, 如图 6(e)所示, 绿色屋面截留率随峰值雨强增大, 整体呈微弱的下降趋势, 然而在高强度降雨下, 绿色屋面仍可能实现有效截留.例如2016/08/10的降雨事件, 峰值、平均雨强分别高达91.2、16.7 mm/h, 但截留率保持在较高水平(57%).因而, 相比于降雨量和ADWP, 雨强对绿色屋面截留效果的影响较小.
2.5 回归分析ADWP长短常作为判断土壤含水率高低的指标, 但由于土壤水分蒸腾速率的季节差异, ADWP在使用时存在较大的局限性, 可能会产生一些误导性结论.这也是Nawaz等[22, 36]所得回归方程拟合度低(R2只有39%~50%)的重要原因.如相似降雨量的两场降雨(2017/01/10(14.1 mm)和2016/06/08(13.1 mm)), 由于蒸腾速率的差别, 出现了ADWP短但截留能力高的现象.因此, 本研究根据年蒸腾能力的分布特征, 将全年分为3阶段：蒸腾能力大于3.7 mm/d的快速蒸腾段(6~9月)、日蒸腾量小于1 mm的慢速蒸腾段(12~2月)以及其他时间段(3~5月、10~11月), 以减小ADWP的局限性.另外, 由于单个降雨参数与截留率的回归曲线对观测值的拟合度(R2)低(图 6), 因此, 选择与截留率显著相关的D和ADWP, 分段建立多元回归分析.获得截留率回归方程，并对回归方程中的回归系数进行显著性检验，获得T统计量和对应的概率P值.当p＜0.05时认为该回归系数对应变量的贡献是明显的，在T统计量后标“*”，当p＜0.01时认为该回归系数对应变量的贡献极其显著在T统计量后标“**”.分析结果如表 2所示, 各阶段回归方程的拟合度均显著提高(R2>0.7), 能够较好预测截留率，并且各回归系数均极其显著的影响截留率.如图 7所示是截留率与降雨参数的回归关系图, 在不同蒸腾速率下, 绿色屋面的截留率分布差异悬殊.当ET≥3.7 mm时(图 7(a)), 绿色屋面的截留效果最好, 较大降雨下仍能有效截留, 而当ET < 1 mm时(图 7(b)), 绿色屋面的低截留率占比大, 1 mm≤ET < 3.7 mm则介于两者之间.另外, 在不同蒸腾速率下, ADWP对绿色屋面截留效果的贡献程度也存在较大差异.如图 7(a)所示, 当ET≥3.7 mm时, 蓄水能力w恢复快(公式(4)), 较小的ADWP就能使绿色屋面的截留效果迅速提升, 反之, 如图 7(b)所示, 当ET < 1 mm时, 等截留率线几乎平行于ADWP坐标轴, 说明ADWP增加对截留率的贡献相对较小.蒸腾速率的不同导致了绿色屋面截留效果的阶段性差异, 因此根据蒸腾速率来分段进行回归分析是合理且必要的, 这也是本研究回归分析结果优于前人研究的重要原因.
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图 7 1号装置截留率与降雨参数的回归关系(对应表 2回归公式) Fig. 7 Regression relationships between retention and rainfall parameters for setup 1 (corresponding to the regression equations given in Table 2) |
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表 2 1号装置截留率与降雨深度以及ADWP的回归关系 Table 2 Regression relationships between retention and rainfall depth combined with ADWP for setup 1 |
(1) 本实验研究表明, 相比于非绿色屋面, 绿色屋面能够显著延缓并削减径流峰值, 其中, 栽种植被的平坡绿色屋面(1号装置, 基质A)使径流峰值平均削减50%, 同时延迟8 min.当降雨强度小, ADWP长, 且降雨峰值发生在降雨初期时, 绿色屋面的削峰和滞留效果较好.
(2) 绿色屋面能够有效地截留城市屋面径流, 截留率均值高达62%.本实验建立的绿色屋面最多可截留10 mm降雨, 鉴于绿色屋面的蓄水能力有限, 其截留性能随着降雨时间、深度增加而显著降低.杭州市中小降雨概率大, 强降雨概率小, 这意味着绿色屋面可以有效地减少杭州市高频降雨事件(小降雨事件)的雨水径流.此外, 其截留效果还受绿色屋面特性(如屋面的坡度、植物以及基质)影响.随着屋面坡度增大, 绿色屋面的截留率迅速下降.植物可使绿色屋面的截留率提高4%, 有效减少径流量.同时, 配合使用小粒径含量较高的混合基质(如田园土:腐叶土:蛭石=4:3:1), 绿色屋面对雨水径流的控制效果更好.
(3) 绿色屋面的截留能力主要通过土壤水分蒸腾得以恢复, 因而截留率与ADWP呈显著正相关.但由于各月土壤水分蒸腾速率的差异, 仅根据ADWP来反应土壤含水率存在较大局限性, 因此本研究根据年蒸腾能力的分布特征, 将全年分为快速蒸腾段(6~9月)、慢速蒸腾段(12~2月)和其他时间段(3~5、10~11月), 利用降雨深度和ADWP分段建立多元回归分析, 大大提高了绿色屋面截留率的预测精度.
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