張 華，李 茂，張 灃，曹金露，袁 密

（三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002）

簡單屋頂綠化的滯蓄特性

張 華，李 茂，張 灃，曹金露，袁 密

（三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002）

設(shè)計(jì)了模擬降雨與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，研究了短時(shí)強(qiáng)降雨下簡單屋頂綠化基質(zhì)（配比：陶粒57.0%、草炭41.5%、保水劑1.5%）的降雨產(chǎn)流過程，基于37次模擬降雨實(shí)驗(yàn)，歸納了降雨產(chǎn)流的一般過程、規(guī)律和特性，分析了降雨強(qiáng)度、基質(zhì)厚度和基質(zhì)初始含水率對(duì)簡單屋頂綠化滯流蓄水特性的影響。結(jié)果表明：基質(zhì)厚度和基質(zhì)初始含水率對(duì)簡單屋頂綠化的蓄水特性有顯著影響，基質(zhì)初始含水率越低、基質(zhì)厚度越厚時(shí)蓄水特性越佳。建立了產(chǎn)流時(shí)間數(shù)學(xué)模型，簡單屋頂綠化降雨產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)也受初始含水量和基質(zhì)厚度影響。隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，基質(zhì)的厚度總體呈現(xiàn)下降趨勢，儲(chǔ)水性能逐漸下降，延遲產(chǎn)流時(shí)間逐漸縮短。

簡單屋頂綠化；降雨；滯蓄特性；延遲產(chǎn)流

城市內(nèi)澇災(zāi)害，嚴(yán)重危及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全以及城市日常運(yùn)行［1－2］。為了解決這一問題，國務(wù)院發(fā)布重要通知［3］，要求各城市增強(qiáng)排水防澇建設(shè)，完善城市排水防澇工程體系。屋頂綠化作為地面綠化在空間上的延伸，不僅能增加綠化面積，改善環(huán)境［4］，調(diào)節(jié)小氣候［5］，它本身的基質(zhì)特點(diǎn)還決定了它能儲(chǔ)存一部分降雨對(duì)屋頂降雨產(chǎn)流起延時(shí)作用。廣泛應(yīng)用屋頂綠化，對(duì)解決城市內(nèi)澇問題有一定積極作用。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同屋頂綠化基質(zhì)滯流蓄水進(jìn)行了研究，Villarreal等［6］研究了主要成分為碎磚和沙的屋頂綠化基質(zhì)的蓄水能力，Van Woert等［7］對(duì)主要成分為碎石和砂的屋頂綠化基質(zhì)的蓄水效果進(jìn)行了研究，唐莉華等［8］對(duì)砂土、壤土和粉粘土在屋頂綠化中滯流蓄水效果進(jìn)行了研究，葉建軍等［9］研究了主要成分為碎磚和河沙的屋頂綠化基質(zhì)的蓄水能力。已有研究主要圍繞著屋頂綠化在降雨產(chǎn)流中對(duì)蓄水效果的影響進(jìn)行研究，筆者以陶粒、草炭和保水劑混合輕質(zhì)基質(zhì)材料為研究對(duì)象，應(yīng)用人工模擬降雨，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)簡單屋頂綠化在降雨產(chǎn)流中滯流蓄水效果進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)主要研究無植被覆蓋的簡單屋頂綠化基質(zhì)的降雨產(chǎn)流過程，試驗(yàn)所用基質(zhì)由57.0%陶粒、41.5%草炭以及1.5%保水劑構(gòu)成。試驗(yàn)裝置如圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

基質(zhì)配備與數(shù)據(jù)采集：在長寬高為30 cm×20 cm×18 cm的試驗(yàn)盒內(nèi)從下至上依次鋪設(shè)蓄排水板（厚25 mm）、無紡布以及經(jīng)充分干燥混合均勻基質(zhì)，試驗(yàn)盒底一邊開孔接排水管用于產(chǎn)流采集。將試驗(yàn)盒置于精度為0.1 g電子天平上，調(diào)整試驗(yàn)盒呈3%坡度（以模擬屋頂），電子天平連接計(jì)算機(jī)通過特定程序每隔一秒采集并保存試驗(yàn)盒質(zhì)量m1。

產(chǎn)流采集：試驗(yàn)盒排水管連接集水容器，容器置于0.1 g電子天平，電子天平連接計(jì)算機(jī)通過特定程序每隔一秒采集并保存產(chǎn)流質(zhì)量m2。

模擬降雨：模擬降雨采用膠管小孔滴灌的模式，即將有均勻分布小孔的膠管均勻架設(shè)在試驗(yàn)盒上，膠管鏈接水源，使用單向球閥調(diào)節(jié)水流大小。

1.2 試驗(yàn)方案

短時(shí)強(qiáng)降雨時(shí)間短，強(qiáng)度大，容易發(fā)生城市內(nèi)澇，根據(jù)湖北地區(qū)多年來降雨情況［10－13］，試驗(yàn)將通過調(diào)節(jié)球閥控制降雨強(qiáng)度大小，模擬小時(shí)降雨量為18～80 mm，持時(shí)1～2 h的短時(shí)強(qiáng)降雨。

景天屬植物在屋頂綠化中被廣泛應(yīng)用，試驗(yàn)選擇適應(yīng)景天屬植物生長的基質(zhì)厚度7 cm［14］作為初始厚度。對(duì)同一個(gè)試驗(yàn)盒按不同降雨強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)前將通過降雨、靜置、通風(fēng)等手段調(diào)節(jié)初始含水量，并使用游標(biāo)卡尺測量基質(zhì)厚度，記錄基質(zhì)厚度隨試驗(yàn)進(jìn)行的變化情況以及基質(zhì)的降雨產(chǎn)流過程。

試驗(yàn)在76 d內(nèi)共模擬了37次短時(shí)強(qiáng)降雨，降雨分布情況如圖2。試驗(yàn)中先后5次對(duì)基質(zhì)的含水率通過靜置和通風(fēng)的手段經(jīng)行調(diào)節(jié)，降低基質(zhì)的含水率（圖2）。

圖2 降雨強(qiáng)度和基質(zhì)初始含水量變化情況Fig.2 Variation of rainfall intensity and initial water content

1.3 試驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)處理

在基質(zhì)填裝前稱量試驗(yàn)盒、排水板和無紡布總質(zhì)量m3，并與填裝基材后試驗(yàn)盒的總質(zhì)量相減得基質(zhì)干質(zhì)量m0。

程序自動(dòng)記錄時(shí)間t、試驗(yàn)盒質(zhì)量m1以及集水盒質(zhì)量m2。在試驗(yàn)開始前將降雨支架立于集水盒上，通過觀測程序所記錄數(shù)據(jù)并通過調(diào)節(jié)球閥來調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度。測量試驗(yàn)盒內(nèi)基質(zhì)厚度h，將降雨支架移至試驗(yàn)盒上，試驗(yàn)開始。從降雨開始到集水盒開始接收滲流的時(shí)間間隔為產(chǎn)流時(shí)間，從程序記錄的數(shù)據(jù)中得到產(chǎn)流時(shí)間T以及每次試驗(yàn)降雨開始前零時(shí)刻試驗(yàn)盒初始質(zhì)量m01。每次試驗(yàn)降雨開始前的基質(zhì)含水率即為基質(zhì)初始含水率θ，通過計(jì)算程序記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到基質(zhì)初始含水率θ以及實(shí)時(shí)降雨強(qiáng)度i?；|(zhì)初始含水率θ為

式中：θ為基質(zhì)初始含水率；m01為降雨開始前零時(shí)刻試驗(yàn)盒總質(zhì)量；m3為試驗(yàn)盒、排水板以及無紡布總質(zhì)量；m0為基質(zhì)干質(zhì)量。

實(shí)時(shí)降雨強(qiáng)度i為

式中：i為降雨強(qiáng)度；Δt為時(shí)間間隔；Δm1、Δm2為在Δt時(shí)間內(nèi)兩個(gè)電子天平所測質(zhì)量變化；ρw為水的密度；A為降雨面積即試驗(yàn)盒長寬之積。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 降雨產(chǎn)流過程

影響屋頂綠化產(chǎn)流過程的因素有基質(zhì)的種類、降雨強(qiáng)度、基質(zhì)初始含水率、基質(zhì)厚度、坡度、植被種類以及植被覆蓋情況等［4－9］。試驗(yàn)針對(duì)定配比、定坡度（3%）、無植被覆蓋的簡單屋頂綠化基質(zhì)進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，降雨強(qiáng)度、基質(zhì)初始含水率、基質(zhì)厚度則是影響產(chǎn)流過程的主要因素。

圖3～6分別展示了計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)得到第1、5、12、34次試驗(yàn)的產(chǎn)流全過程，4次試驗(yàn)所具有的初始含水率、降雨強(qiáng)度、基質(zhì)厚度各不相同，但展現(xiàn)了簡單屋頂綠化降雨產(chǎn)流的一般過程（圖7）：降雨滯蓄階段、產(chǎn)流上升階段、平穩(wěn)產(chǎn)流階段、殘余產(chǎn)流階段。展現(xiàn)了簡單屋頂綠化降雨產(chǎn)流一般規(guī)律：延時(shí)產(chǎn)流、降低波峰、延滯波峰；展現(xiàn)了簡單屋頂綠化對(duì)降雨產(chǎn)流的滯流蓄水特性。

2.2 蓄水效果分析

人工模擬降雨試驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)記錄產(chǎn)流時(shí)基質(zhì)蓄水量q、降雨結(jié)束時(shí)基質(zhì)的蓄水量Q以及產(chǎn)流時(shí)基質(zhì)蓄水量與降雨結(jié)束時(shí)基質(zhì)的蓄水量比值q／Q，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8。

圖3 第1次降雨產(chǎn)流過程Fig.3 The process curve of rainfall infiltration and runoff in 1st rainfall

圖4 第5次降雨產(chǎn)流過程Fig.4 The process curve of rainfall infiltration and runoff in 5th rainfall

圖5 第12次降雨產(chǎn)流過程Fig.5 The process curve of rainfall infiltration and runoff in 12th rainfall

由圖7可以看出在37次試驗(yàn)中產(chǎn)流時(shí)的蓄水量q較為平穩(wěn)，而降雨結(jié)束時(shí)的總蓄水量Q變化較大。圖7中總蓄水量Q出現(xiàn)了5次峰值，分別為第1、10、12、18、25次，同時(shí)，產(chǎn)流時(shí)的蓄水量q與降雨結(jié)束時(shí)的總蓄水量Q的比值q／Q相對(duì)應(yīng)出現(xiàn)波谷值。通過與圖2中基質(zhì)初始含水率變化曲線作對(duì)比可知，第1次試驗(yàn)初始含水率為0，其余4次都是在基質(zhì)經(jīng)過靜置風(fēng)干處理后的第1次試驗(yàn)，這5次試驗(yàn)中基質(zhì)都有較低的含水率，使得這5次試驗(yàn)在降雨的全過程中蓄存更多的水即降雨結(jié)束時(shí)的總蓄水量Q值更大。結(jié)果表明：基質(zhì)的初始含水率對(duì)簡單屋頂綠化蓄水效果有較大影響，當(dāng)基質(zhì)初始含水率低時(shí)，簡單屋頂綠化基質(zhì)在降雨過程中能儲(chǔ)蓄更多的降雨。

圖6 第34次降雨產(chǎn)流過程Fig.6 The process curve of rainfall infiltration and runoff in 34th rainfall

圖7 產(chǎn)流的一般過程Fig.7 The fundamental process curve of rainfall infiltration and runoff

圖8 基質(zhì)蓄水量隨試驗(yàn)次數(shù)變化Fig.8 The relationship between rainwater storage in matrix and test times

同時(shí)，由圖8也可以看出降雨結(jié)束時(shí)的總蓄水量有下降的趨勢，而降雨結(jié)束時(shí)基質(zhì)含水率（圖9）也呈下降趨勢，這表明基質(zhì)的蓄水能力隨著試驗(yàn)次數(shù)的增多而降低?？疾煸囼?yàn)過程中基質(zhì)厚度的變化（圖10），基質(zhì)厚度起先快速增大而后風(fēng)干靜置過程中快速降低，隨試驗(yàn)次數(shù)增多逐漸降低最后趨于平穩(wěn)，基質(zhì)厚度變化規(guī)律與基質(zhì)初始含水率變化規(guī)律基本相同。這是由于基質(zhì)成分中含有保水劑，會(huì)在降雨過程中吸水膨脹［15］，容器四周被限制，因而膨脹主要發(fā)生在豎直方向上即基質(zhì)厚度會(huì)發(fā)生變化，基質(zhì)含水率越高基質(zhì)因膨脹厚度越大；同時(shí)，基質(zhì)主要成分為陶粒和草炭，陶粒輕質(zhì)、多孔而草炭輕質(zhì)、疏松，降雨過后基質(zhì)含水率上升在重力作用下會(huì)發(fā)生沉降，保水劑具較高的粘性使得基質(zhì)會(huì)逐漸聚集變得密實(shí)，在眾多作用下基質(zhì)厚度會(huì)逐漸達(dá)到穩(wěn)定。因?yàn)?，試?yàn)過程中基質(zhì)厚度會(huì)隨著降雨量的大小、降雨次數(shù)發(fā)生變化，基質(zhì)厚度決定了基質(zhì)的孔隙率從而影響基質(zhì)對(duì)水分的吸收，所以，基質(zhì)厚度對(duì)簡單屋頂綠化在降雨過程中的蓄水能力有較大的影響，當(dāng)基質(zhì)厚度因膨脹變大時(shí)其孔隙率增大蓄水能力增強(qiáng)，當(dāng)基質(zhì)厚度因沉降變小時(shí)起孔隙率減小蓄水能力減弱。

由于簡單屋頂綠化基質(zhì)結(jié)構(gòu)松散、孔隙大，降雨不會(huì)在基質(zhì)表面積留，雨水在下滲的過程中被基質(zhì)吸收儲(chǔ)存，影響基質(zhì)蓄水量的主要因素是基質(zhì)的孔隙率和保水劑的含量，而降雨強(qiáng)度對(duì)蓄水效果影響較小（圖9），因而影響簡單屋頂綠化降雨過程中蓄水效果的因素主要是基質(zhì)初始含水率和基質(zhì)厚度?；|(zhì)初始含水率越低，基質(zhì)厚度越厚，基質(zhì)的蓄水效果越強(qiáng)；反之，基質(zhì)的蓄水效果越弱。

2.3 滯流效果分析

從降雨開始到集水盒開始接收滲流的時(shí)間間隔為產(chǎn)流時(shí)間，通過記錄數(shù)據(jù)得到每一次試驗(yàn)產(chǎn)流時(shí)間T，產(chǎn)流時(shí)間T隨試驗(yàn)次數(shù)變化情況、產(chǎn)流時(shí)間T與降雨強(qiáng)度i的關(guān)系、產(chǎn)流時(shí)間T與初始含水量θ的關(guān)系以及產(chǎn)流時(shí)間T與基質(zhì)厚度h的關(guān)系，如圖11～14所示。

含保水劑的屋頂綠化基材降雨產(chǎn)流過程類似于非飽和土滲流過程，但也有區(qū)別。如圖11～13所示，產(chǎn)流時(shí)間與3個(gè)因素之間數(shù)據(jù)分布零散，影響產(chǎn)流時(shí)間的因素比較復(fù)雜。簡單屋頂綠化基質(zhì)結(jié)構(gòu)松散、孔隙大，降雨強(qiáng)度越大越易產(chǎn)生滲流。

圖12 產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度關(guān)系Fig.12 The relationship between the delayed time of runoff and rainfall intensity

圖13 產(chǎn)流時(shí)間與初始含水率關(guān)系Fig.13 The relationship between the delayed time of runoff and initial water content

圖14 產(chǎn)流時(shí)間與基質(zhì)厚度關(guān)系Fig.14 The relationship between the delayed time of runoff and matrix depth

在側(cè)向受限的試驗(yàn)條件下，基質(zhì)厚度的變化反映著基質(zhì)體積的變化。在試驗(yàn)過程中經(jīng)過多次干濕循環(huán)，基質(zhì)在吸水膨脹的同時(shí)也會(huì)因沉降和保水劑的粘聚逐漸變得密實(shí)，而基質(zhì)厚度也會(huì)隨之發(fā)生變化。在試驗(yàn)開始初期，基質(zhì)厚度主要受保水劑吸水膨脹的影響，厚度隨基質(zhì)含水率升高而增大；在試驗(yàn)中后期，隨著降雨次數(shù)增多和試驗(yàn)周期的增長，基質(zhì)逐漸沉降而且陶粒、草炭在保水劑的粘性作用下膠結(jié)成團(tuán)，基質(zhì)變得密實(shí)起來。基質(zhì)厚度增漲不單純是體積的膨脹，其膨脹的空間也會(huì)被吸水后膨脹的保水劑填充；而基質(zhì)厚度降低也不僅是結(jié)構(gòu)的變化，同時(shí)也有結(jié)構(gòu)變化對(duì)保水劑吸水能力的影響，因此，含保水劑的屋頂綠化基質(zhì)材料的體積變化對(duì)滲流的影響比對(duì)土壤滲流的影響［16］更為復(fù)雜。

就入滲率而言，試驗(yàn)所采用的基質(zhì)材料以陶粒為骨架，以草炭和保水劑為填充，這種配比決定了其孔隙大、孔隙率高，因而，基質(zhì)含水率的變化對(duì)入滲率的影響非常小，這種性質(zhì)在試驗(yàn)中表現(xiàn)為只要出流路徑保持通暢，屋頂綠化在長時(shí)間強(qiáng)降雨下不會(huì)發(fā)生表面徑流。含水率對(duì)基質(zhì)材料的主要影響表現(xiàn)在對(duì)基材導(dǎo)水率的影響，與非飽和土滲流不同的是，含水率不僅代表著滲流路徑的浸潤情況也代表著基質(zhì)內(nèi)部孔隙被保水劑填充情況。

考察降雨強(qiáng)度、基質(zhì)厚度以及基質(zhì)初始含水率對(duì)產(chǎn)流時(shí)間的綜合影響，對(duì)37次模擬降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸，得到回歸模型

回歸模型的模擬計(jì)算值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)為0.924，置信度P＜0.001，說明該回歸模型較為合理，模擬效果較好?；貧w模型式（3）表明產(chǎn)流時(shí)間T受降雨強(qiáng)度i、基質(zhì)厚度h以及基質(zhì)初始含水率θ綜合影響，當(dāng)初始含水量θ和基質(zhì)厚度h不變時(shí)，產(chǎn)流時(shí)間T與降雨強(qiáng)度i呈負(fù)相關(guān)，即降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)流時(shí)間越短。

3 結(jié) 論

1）展示了由陶粒、草炭和保水劑組成的簡單屋頂綠化降雨產(chǎn)流的一般過程，歸納了簡單屋頂綠化基質(zhì)材料降雨產(chǎn)流的一般過程和規(guī)律，展現(xiàn)了簡單屋頂綠化在降雨過程中的滯流蓄水特性。

2）分析了降雨強(qiáng)度、基質(zhì)厚度、基質(zhì)初始含水率對(duì)簡單屋頂綠化降雨過程中蓄水效果影響。影響簡單屋頂綠化降雨過程中蓄水效果的因素主要是基質(zhì)初始含水率和基質(zhì)厚度。基質(zhì)初始含水率越低，基質(zhì)厚度越厚，基質(zhì)的蓄水效果越強(qiáng)；反之，基質(zhì)的蓄水效果越弱。

3）建立了產(chǎn)流時(shí)間數(shù)學(xué)模型，簡單屋頂綠化降雨產(chǎn)流時(shí)間與降雨強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)降雨強(qiáng)度一定時(shí)，產(chǎn)流時(shí)間受基質(zhì)厚度與初始含水率的綜合影響。

4）在側(cè)向受限的試驗(yàn)條件下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，基質(zhì)的厚度總體呈現(xiàn)下降趨勢，儲(chǔ)水性能逐漸下降，延遲產(chǎn)流時(shí)間逐漸縮短。

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（編輯 郭 飛）

2015-03-16

National Natural Science Foundation of China（No.51178251）

Author brief：Zhang Hua（1974-），Ph D，associate professor，main research interests：unsaturated soil seepage and roof greening materials moisture migration，（E-mail）cezhua＠139.com.

Rainwater retention features of extensive green roof

Zhang Hua，Li Mao，Zhang Feng，Cao Jinlu，Yuan Mi

（Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area，Yichang 443002，Hubei，P.R.China）

An artificial rainfall device and a data acquisition system are designed to study the rainfall-runoff processes of an extensive green roof with matrix of 57.0%ceramsite，41.5%peat，and 1.5%super absorbent polymer.Based on 37 times artificial rainfall tests，the fundamental processes of rainfall infiltration and runoff are illustrated.The effects of rainfall intensity，matrix depth and initially water content on the rainwater retention features are studied.The results show that the effects of matrix depth and initially water content are significant.The rainwater storage in matrix will increase with lower initially water content and higher depth.A multiple linear regression equation is presented for the delayed time of runoff.It shows that the delayed time of runoff is negative related with rainfall intensity.Meanwhile the delayed time of runoff are affected by initial water content and depth.With the increase of wetting and drying times，the matrix depth tends to decrease，the rainwater storage gradually declines，and the delayed runoff time tends to shorten.

extensive green roof；rainfall；rainwater retention feature；delayed runoff

TU111.4

A

1674-4764（2015）04-0135-07

10.11835／j.issn.1674-4764.2015.04.018

2015-03-16

國家自然科學(xué)基金 （51178251）

張華（1974-），男，副教授，主要從事非飽和土滲流、屋頂綠化材料水分運(yùn)移研究，（E-mail）cezhua＠139.com。