蘇曉敏，李紹才，孫海龍

（1.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065）

0 引言

屋面綠化不僅可以減輕熱島效應(yīng)、調(diào)節(jié)濕度、節(jié)省資源，而且可以起到增加綠地、改善城市生態(tài)環(huán)境的作用，屋面綠化可以起到緩解雨水流失的作用，該技術(shù)已經(jīng)越來越受到重視，城市的綠化之路已然勢在必行[1-4]。屋面綠化發(fā)展的近20年來已經(jīng)取得了一些成果，國內(nèi)外的研究已經(jīng)成功篩選出100多種屋面綠化植物[5-8]。目前，歐洲屋面綠化的實(shí)施主要是參照德國的景觀建筑機(jī)構(gòu)推出的有關(guān)屋面綠化的技術(shù)指導(dǎo)，該指南涵蓋了屋面綠化的設(shè)計(jì)施工、產(chǎn)品安裝、后期養(yǎng)護(hù)等，并逐年更新，是歐洲行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的最權(quán)威的指南[9-10]。在國內(nèi)，依據(jù)氣候差異，北京、成都、重慶、上海等地有針對性地提出了適應(yīng)于當(dāng)?shù)氐奈菝婢G化技術(shù)規(guī)范，明確了屋面綠化的構(gòu)造層次、材料選擇及建造方法[11-14]。但對于綠化屋面建造及建成后的水肥管理，生態(tài)養(yǎng)護(hù)方面的研究還不是很完備，尤其是在屋面綠化實(shí)施過程中植物水分的保持與利用還不甚了解，屋面綠化的基質(zhì)和綠化植物之間的連通性被阻隔，水分、養(yǎng)分難以被有效利用[15]。國內(nèi)的屋面綠化蓄排水層材料的選擇還存在諸多難題，卵石的抗壓及排水性能好但荷載大，陶粒輕質(zhì)透水但蓄水能力差，從國外引進(jìn)的蓄排水材料給生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力，不利于長遠(yuǎn)發(fā)展[16]?，F(xiàn)階段使用的覆土屋面綠化載荷大、施工繁瑣，對環(huán)境造成了一定的壓力，且在一些老舊建筑上無法進(jìn)行改造，因此不便于大規(guī)模推廣[9]。本研究針對以上適用范圍不具普適性、施工周期長、植物水分保持利用等難題，提出了屋面綠化卷材構(gòu)造方法，并針對發(fā)生于卷材植物-養(yǎng)分-水分系統(tǒng)中的植物水分特征進(jìn)行研究。近年來，國內(nèi)外針對土壤水分進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，如降雨水分入滲、土壤含水率對入滲的影響、裸土水分蒸發(fā)試驗(yàn)、覆膜水分蒸發(fā)試驗(yàn)等，并建立了一定的理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)。屋面綠化作為一種環(huán)境友好的新型生態(tài)治理手段，研究發(fā)生在其上面的水分過程顯得至關(guān)重要。本研究就新型屋面綠化卷材的降雨入滲和蒸發(fā)特征進(jìn)行了試驗(yàn)，探究了不同開孔率對綠化卷材降雨入滲、產(chǎn)流及蒸發(fā)特征的影響，以期為屋面綠化卷材找到最適宜的開孔設(shè)計(jì)，為卷材的研發(fā)提供合理的優(yōu)化建議。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為課題組自己開發(fā)設(shè)計(jì)的屋面綠化卷材，卷材構(gòu)造主要包括物料基質(zhì)層，種子萌發(fā)層，水分截留層，保溫防輻射層（見圖1）。其中水分截留層的截留槽、入滲孔、下滲孔是卷材雨水利用的重要組成部分，完成降雨水分的收集再利用，確保種子萌發(fā)和生長所必須的水分，為植物在無土界面的穩(wěn)定建植提供水分供給[17]。

圖1 綠化卷材的結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 降雨入滲試驗(yàn)

試驗(yàn)在位于彭州市積泉村的四川省山地生態(tài)工程技術(shù)研究中心的人工降雨實(shí)驗(yàn)室完成。試件放置在長1.5m、寬1.0m、高0.5 m的土槽內(nèi)，周圍密閉，坡度設(shè)置為15°，底部設(shè)置徑流收集裝置。人工降雨強(qiáng)度設(shè)置為33.4 mm/h，降雨均勻度系數(shù)為95%；設(shè)置5個(gè)屋面綠化卷材水分入滲通道（水分入滲孔+種子萌發(fā)帶）開孔率：A1為12.5%，A2為25%，A3為50%，A4為75%，A5為100%，其中，100%開孔率為對照試件，每個(gè)試件設(shè)置3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)。自產(chǎn)流開始后每1 min采集表面徑流量并稱重，記錄產(chǎn)流歷時(shí)，直至穩(wěn)定產(chǎn)流（5次徑流量無差異認(rèn)為穩(wěn)定產(chǎn)流）停止降雨。

1.2.2 蒸發(fā)試驗(yàn)

蒸發(fā)試驗(yàn)在試驗(yàn)地玻璃棚內(nèi)進(jìn)行，試件置于長40 cm、寬40 cm、高5 cm的方形有機(jī)玻璃盆內(nèi)，有機(jī)玻璃盆底部有圓形開孔。試件盒底部鋪設(shè)防止水分滲漏的塑料薄膜，下部墊砂和防水無紡布以防止與地面熱交換。試驗(yàn)以水分入滲通道開孔率為變量因子，分別設(shè)置12.5%、25%、50%、75%、100%5個(gè)開孔率。其中，100%開孔率為對照試件。每天 08：30、20：30進(jìn)行試件稱量并記錄。試驗(yàn)持續(xù)至各試件質(zhì)量基本維持穩(wěn)定，即視為卷材水分蒸發(fā)達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 屋面綠化卷材降雨入滲、產(chǎn)流特征

水分入滲是指水分通過土壤表面垂直向下進(jìn)入土壤和地下的運(yùn)動(dòng)過程。水分入滲不僅直接影響地面徑流量的大小，也影響土壤水分及地下水的增長[18]。不同開孔率綠化卷材入滲速率隨降雨時(shí)間變化如圖2所示。

圖2 不同開孔率綠化卷材入滲速率隨降雨時(shí)間變化

由圖2可見：隨降雨時(shí)間的延長，入滲速率呈下降趨勢。降雨前期入滲速率下降迅速，開孔率越小入滲速率下降越迅速，降雨后期入滲速率下降緩慢，最后趨于穩(wěn)定；入滲速率受開孔率的影響，開孔率越大，入滲速率變化越緩慢，穩(wěn)定入滲所需時(shí)間越長。穩(wěn)定后的入滲速率表現(xiàn)為：A1條件＜A2條件＜A3條件＜A4條件＜A5條件。入滲量和入滲比例均隨開孔率的增大而增大（見表1），開孔率為A1、A2、A3差異不顯著，與A4、A5在5%水平差異顯著。對不同開孔率的入滲量曲線采用 Kostiakov模型進(jìn)行擬合，見式（1）[19]。

式中：I——累積入滲量，mm；

t——入滲時(shí)間，min；

α——入滲指數(shù)；

k——入滲系數(shù)，mm/min。

由表1分析可知：在相同降雨強(qiáng)度下，相同的入滲時(shí)間內(nèi)，開孔率越大，累積入滲量越大，以冪指函數(shù)對入滲曲線進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98，擬合效果較好，試驗(yàn)結(jié)果可信度高。

產(chǎn)流是指降雨量扣除損失形成凈雨的過程，降雨損失包括植物截留、下滲、填洼與蒸發(fā)，其中以下滲為主[20]。當(dāng)降雨強(qiáng)度一定時(shí)，土壤入滲能力相同，產(chǎn)流速率取決于表面覆膜開孔率的大?。ㄒ妶D3），見表2。

表1 不同開孔率的入滲比例差異性比較

圖3 不同開孔率的產(chǎn)流速率

表2 不同開孔率下的累積入滲量模型參數(shù)

由圖3、表2可知，產(chǎn)流速率隨降雨時(shí)間的延長不斷變大，最后趨于穩(wěn)定產(chǎn)流，開孔率為A5時(shí)達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流的時(shí)間最短，A1達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流的時(shí)間最長。

2.2 開孔率對綠化卷材蒸發(fā)的影響

2.2.1 開孔率對綠化卷材蒸發(fā)速率的影響

試驗(yàn)在不受外界環(huán)境干擾的玻璃棚中進(jìn)行，不同開孔率綠化卷材白天和夜晚的蒸發(fā)速率變化分別見圖4、圖5。

圖4 不同開孔率下綠化卷材白天的蒸發(fā)速率變化

圖5 不同開孔率下綠化卷材夜晚的蒸發(fā)速率變化

由圖4、圖5可以得到，試驗(yàn)期間，白天的蒸散速率波動(dòng)幅度較大，夜間的蒸散速率變化較日間而言則相對平穩(wěn)，出現(xiàn)這種差異的原因可能是受太陽輻射的影響，夜間的輻射量是非常低的。在蒸散試驗(yàn)的第1天（8月26日），白天的蒸散速率達(dá)到了試驗(yàn)期間的最大值，之后的蒸散速率驟降，這與當(dāng)日的氣溫有著極大的關(guān)系，當(dāng)天平均溫度高達(dá)30.55℃，在這之后平均氣溫一直保持在20～25℃。這也就解釋了為什么26日之后夜間的蒸發(fā)速率驟降并穩(wěn)定保持在某一范圍之內(nèi)。雖然日間和夜間蒸散速率存在一定的波動(dòng)幅度，會(huì)出現(xiàn)忽高忽低的狀況，但仍然可以看到總體的趨勢表現(xiàn)為蒸散速率逐漸減小，并且最后在某一固定值附近波動(dòng)，此時(shí)即達(dá)到了穩(wěn)定蒸散狀態(tài)，蒸散速率趨于穩(wěn)定。分析不同開孔率對卷材日間、夜間蒸散速率的影響，可以看出不同開孔率的水分蒸散速率的變化趨勢是一致的，隨著蒸散時(shí)間的延長逐漸趨于穩(wěn)定，在同一天內(nèi)，蒸散速率隨開孔率的增大而增大，開孔率為50%時(shí)，無論是白天還是夜晚，其蒸散速率都是最大且相同，在開孔率為12.5%時(shí)，蒸散速率都是最小的。對日間、夜間不同開孔率下的蒸散速率進(jìn)行差異性分析，結(jié)果表明，他們之間不存在顯著性差異。

2.2.2 開孔率對綠化卷材白天、夜晚蒸散量的差異分析

采用SPSS軟件對不同開孔率下白天與夜晚的蒸散量進(jìn)行分析，結(jié)果表明，不同開孔率條件下的日間蒸散量之間差異顯著（0.01

由圖6可以清楚的看到，白天的蒸散量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于夜晚，且隨著開孔率的增大，日間蒸散量不斷增加，而夜間蒸散量則變化不大，說明開孔面積主要影響卷材的日間蒸散量，白天蒸散較強(qiáng)的原因可能是白天氣溫和輻射都較高，加之開孔率的雙重影響，導(dǎo)致大量水分的蒸散，而夜間溫度和輻射都較低，水分蒸散原本就較為緩慢，開孔面積對其的影響也就很微弱了。當(dāng)開孔率為最小值12.5%時(shí)，卷材的日間、夜晚蒸散量都最小，由此可見，小的開孔率可以較好地保存基質(zhì)中的水分以供植物生長所需。表3列出了發(fā)生在綠化卷材中的日間、夜間蒸散量占總蒸散量的比例

圖6 開孔率與白天、夜晚蒸發(fā)量的關(guān)系

表 3 不同開孔率下的白天、夜晚蒸發(fā)量

由表 3 可見，A1、A2、A3、A4、A5 五個(gè)開孔率下的日間蒸散量占總蒸散量的比例分別為73.5%、74.9%、78.1%、79.1%和81.5%，差異不是很大，說明卷材的蒸散主要發(fā)生在白天。由試驗(yàn)結(jié)果可知，開孔率為A1、A2、A3、A4、A5的卷材最大日蒸發(fā)量與最小日蒸發(fā)量之間的差值分別是129.67、183.00、278.33、449.33、523.67 g，由此得到了開孔率與日蒸發(fā)量極值差之間的關(guān)系，二者滿足多項(xiàng)式關(guān)系，其線性回歸的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9779，結(jié)果可信度較強(qiáng)。所以，裸土蒸發(fā)的日變化量最大，開孔率越小日蒸發(fā)量差值就越小，可見開孔率小可有效保持卷材水分變動(dòng)的穩(wěn)定性（見圖7）。

圖7 開孔率與日蒸發(fā)量差值的關(guān)系

2.2.3 開孔率對綠化卷材累積蒸發(fā)量的影響

已有大量的實(shí)踐研究證實(shí)，裸土蒸發(fā)條件下，其累積蒸發(fā)量與時(shí)間的平方根之間存在正比例函數(shù)關(guān)系，符合Gandner理論[21-22]。對本試驗(yàn)中累積蒸發(fā)量和蒸發(fā)時(shí)間實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知，不同開孔率條件下的累積蒸發(fā)量與時(shí)間的關(guān)系也符合Gandner理論[23]，可以表示為式（2）。

式中：E——累積蒸發(fā)量，g；

t——蒸發(fā)時(shí)間，d；

kE——蒸發(fā)系數(shù)；

β——蒸發(fā)指數(shù)。

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理得出了二者之間存在極好的冪指函數(shù)關(guān)系，其擬合的相關(guān)系數(shù)R均高于0.97（見表4）

表 4 不同開孔率下的累積蒸發(fā)量模型參數(shù)

由表4可見，蒸發(fā)指數(shù)β的變化范圍在0.5188～0.6231之間。土壤蒸發(fā)系數(shù)kE隨開孔率的增大呈線性增大，開孔率越小，蒸發(fā)系數(shù)就越小，裸土蒸發(fā)的蒸發(fā)系數(shù)最大；蒸發(fā)指數(shù)隨開孔率的增大呈非線性減小，開孔率越大，蒸發(fā)指數(shù)越小，裸土蒸發(fā)條件下的蒸發(fā)指數(shù)最?。?.5188）。卷材整個(gè)系統(tǒng)并無外來水源的供給，隨蒸散時(shí)間的延長，累積蒸發(fā)量逐漸減少并最終趨于穩(wěn)定（見圖8）。

圖8 開孔率與累積蒸發(fā)量的關(guān)系

從圖8可見，開孔率越大，基質(zhì)與大氣之間水分交換的阻礙越小，水汽蒸散的通量越大，基質(zhì)水分蒸發(fā)的效率越強(qiáng)，結(jié)果就是基質(zhì)水分累積蒸發(fā)量越大，基質(zhì)水分越早趨于蒸發(fā)穩(wěn)定狀態(tài)，A1條件下累積蒸發(fā)量最少，A5條件即裸土累積蒸發(fā)量最大。

3 結(jié)語

（1）卷材基質(zhì)特征、降雨強(qiáng)度和坡度等一定，不同開孔率條件下，卷材基質(zhì)入滲、產(chǎn)流的總體趨勢一致。隨著降雨的進(jìn)行，基質(zhì)含水量不斷增加，最后達(dá)到飽和狀態(tài)，入滲速率不斷減小，直至穩(wěn)定，產(chǎn)流速率不斷增大，一直到穩(wěn)定產(chǎn)流。開孔率越大，同一研究對象的入滲量越大。在開孔率為12.5%、25%、50%時(shí)，水分入滲比例差異不顯著，而開孔率為75%、100%時(shí)，顯著性差異較明顯。

（2）在無外界干擾的條件下，隨開孔率的增大，卷材累積蒸發(fā)量不斷增加，最后趨于穩(wěn)定，在穩(wěn)定蒸發(fā)之前，累積蒸發(fā)量與蒸發(fā)時(shí)間呈較好的冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系，日蒸發(fā)量極差和蒸發(fā)系數(shù)均隨開孔率的增大而增大；蒸發(fā)主要發(fā)生在白天，夜晚蒸發(fā)緩慢，開孔率主要影響卷材白天的蒸發(fā)量，對夜晚蒸發(fā)量影響較小。

（3）屋面綠化實(shí)施過程中植物的水分保持與利用很重要，屋面綠化卷材可通過調(diào)節(jié)開孔率的大小，對水分進(jìn)行合理有效的利用。希望蒸發(fā)量小一點(diǎn)，利于基質(zhì)保存水分，有助于植物的生長發(fā)育，但是蒸發(fā)量較小的時(shí)候，植物的開孔面積也就比較小，降雨進(jìn)入卷材內(nèi)部的水分相對較少。通過試驗(yàn)確定最佳的開孔率，使得卷材整個(gè)系統(tǒng)水分入滲大于等于水分蒸發(fā)，維持卷材整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，開孔率為25%、50%時(shí)，水分入滲比例相差不大，但是開孔為50%的累積蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開孔25%時(shí)，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可選擇較小的開孔，即把卷材的開孔率設(shè)置為25%。選擇合適的開孔率，有效控制卷材蒸散發(fā)的強(qiáng)度，截留更多的雨水，降低徑流量的產(chǎn)生，平衡蒸散與入滲的關(guān)系，達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。