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(duì)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(dòng)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(huì)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(duì)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(huì)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(huì)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(huì)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(dòng)．目前針對(duì)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(duì)綠色屋頂雨水滯留效應(yīng)波動(dòng)的影響研究．本研究對(duì)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(dòng)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(duì)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(píng)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(tái)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(tái)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(duì)雨水滯留效應(yīng)波動(dòng)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(tái)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(tái)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(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)，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(duì)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(duì)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(dòng)．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(huì)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(dòng)；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?。畧D5(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(dòng)；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(duì)雨水滯留效應(yīng)的影響，對(duì)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(huì)達(dá)到綠色屋頂?shù)淖畲笥晁疁裟芰Γ瑥亩黾佑晁疁袅?；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小；而7—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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)深圳市4種不同植物綠色屋頂?shù)倪B續(xù)監(jiān)測，對(duì)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(dòng)．綠色屋頂對(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)月份間的雨水滯留量波動(dòng)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(píng)估和推廣應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)．