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需要的土壤基質(zhì)層，以及雨水過濾層、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、天臺或者其他建筑物、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)控機理及運行機制，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理及水文效應(yīng)

1.1 綠色屋頂徑流平衡機理

根據(jù)綠色屋頂徑流流經(jīng)路徑及存貯機制，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，對于濕潤多雨的地區(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行省略，其對應(yīng)的水量平衡方程如式（2）所示。對于降雨歷時較短的降雨，短歷時降雨，蒸騰揮發(fā)量ET較小，可忽略不計。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間、間隔段內(nèi)太陽輻射量、風(fēng)速等因素的影響，因此同樣降雨強度下的產(chǎn)流量也會存在差異。

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)流過程及雨水蓄滯能力復(fù)原過程。

1）降雨產(chǎn)流過程。降雨產(chǎn)流主要為綠色屋頂進行雨洪蓄滯的過程，該過程水量的轉(zhuǎn)移過程如式（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)降雨雨強小于屋頂雨水蓄滯能力時，不產(chǎn)流，Rt=0；當(dāng)降雨雨強大于雨水蓄滯能力時，土壤基質(zhì)層飽和，含水率達到最大，此時Rt=Pt。當(dāng)降雨結(jié)束后，進入到綠色屋頂雨水蓄滯能力復(fù)原過程。

式中：Rt表示降雨過程中時間t對應(yīng)的產(chǎn)流流速，St表示綠色屋頂雨水蓄滯能力，Pt表示降雨過程中t時刻對應(yīng)雨強大小，單位均為mm/min。

2）雨水蓄滯能力復(fù)原過程。雨水蓄滯能力復(fù)原過程發(fā)生在降雨間隔時段，此階段主要是植被生長最大截留量及其蒸發(fā)過程，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段的蒸發(fā)量與日照時長、太陽輻射強度、風(fēng)速、氣溫等有關(guān)[2]。該階段內(nèi)雨水通過蒸散發(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)原過程結(jié)束，開始新一輪的“降雨產(chǎn)流過程—雨水蓄滯能力復(fù)原過程”。

2 綠色屋頂降雨徑流模型

評價綠色屋頂性能的最好方法是利用實地監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，但是這種方法受到時間和數(shù)據(jù)的制約，尤其受長時間性能監(jiān)測數(shù)據(jù)的制約。除此之外，對于某些擬修建LID或者BMPs調(diào)控措施的地區(qū)來說，通過模型進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)就目前國際上應(yīng)用比較廣泛的綠色屋頂模擬軟件作簡要介紹。

RECARGA是由Wisconsin大學(xué)基于MATLAB研發(fā)的專門針對綠色屋頂?shù)热霛B措施的水文性能進行分析和設(shè)計的軟件。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；運用Green-Ampt方程模擬蓄水層至介質(zhì)層土壤的入滲，并通過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動；地下排水管的出流量用小孔出流方程計算。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目（積水時間和溢流次數(shù)）以及水量平衡方程的各項要素，如入流量、徑流量、排泄水量、回補量、蒸發(fā)量、土壤含水量和滯留水量等。因此，利用RECARGA可以對綠色屋頂?shù)母黜椧?，如面積、根區(qū)土壤特性等反復(fù)進行設(shè)計模擬，從而達到特定的性能目標(biāo)，如降低徑流量、增加地下水入滲量等。RECARGA具有界面友好、操作簡單等特點，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，降雨最小只能以小時輸入，不適合模擬單次（1 h以內(nèi)）降雨徑流過程。

HYDRUS-1D是由國際地下水模型中心（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）水熱運移的軟件。模型主要包括水流運動、溶質(zhì)運移、熱量遷移和根系吸水4個主程序模塊。其中，水分模塊采用Richards方程對土壤水流運動進行模擬計算，并利用van Genuchten描述土壤的水力特性，溶質(zhì)運移模塊和溫度模塊均采用對流彌散方程分別模擬溶質(zhì)運移轉(zhuǎn)化和溫度的對流傳導(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，水分運動按一維垂向運動考慮，分為若干個單元，對水分、溶質(zhì)和熱量運移采用伽遼金有限元法數(shù)值求解。求解過程中可考慮土壤質(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、逐時土壤物理量等。因此，利用HYDRUS-1D可以對綠色屋頂?shù)乃诌\動和污染物運移進行模擬，對其滯蓄效果進行定量計算，進而評價系統(tǒng)對道路積滯水防控和面源污染削減的能力。HYDRUS-1D可以對任意時段內(nèi)的降雨-徑流過程進行模擬，可以模擬較為復(fù)雜的土壤水和溶質(zhì)運移過程，但由于其沒有考慮不透水區(qū)域的比例，僅可用于單個綠色屋頂?shù)哪M，而對區(qū)域內(nèi)多個綠色屋頂采用此方法是不現(xiàn)實的。

DRAINMOD模型是20世紀(jì)70年代末由美國北卡萊納州立大學(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移和損失，干旱地區(qū)排水系統(tǒng)和灌溉管理對土壤鹽分的影響，就地污水處理等領(lǐng)域。近年來，有學(xué)者關(guān)注到綠色屋頂內(nèi)的水流運動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^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，計算各土壤水分分量。模型通過輸入長期的氣象、土壤、作物和田間排水資料，計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法計算后直接輸入。該模型具有以下優(yōu)點：1）可以進行長時間系列的模擬（長達50年或更久），更有利于評價或預(yù)測生物滯留系統(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水量；4）可以準(zhǔn)確地模擬綠色屋頂?shù)呐潘^程。其缺點是輸入?yún)?shù)較多，模擬之前需要進行敏感性分析，同時模擬天數(shù)最短為一個月，不適合模擬單次降雨徑流過程，在率定和驗證階段也需要大量的實驗數(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）開發(fā)的用于模擬和預(yù)測城市雨水處理系統(tǒng)對雨水特性（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。模型通過設(shè)置不同的節(jié)點和連接線參數(shù)來描述雨水匯流過程，模型的節(jié)點包括源節(jié)點、處理節(jié)點和接納節(jié)點，其中源節(jié)點代表實際匯水區(qū)（面積為0.1 ha~100 ha），處理節(jié)點代表不同的雨水處理設(shè)施，接納節(jié)點代表接納雨水的區(qū)域（一個匯流過程只能包含一個接納節(jié)點），并且利用連接線將不同的節(jié)點連接起來。模型中采用概念日降雨徑流模型計算城市徑流，模型利用USTM（the Universal Stormwater Treatment Model）模擬雨水通過不同處理設(shè)施的水流運動和污染物遷移過程，對于水流運動采用連續(xù)性方程和CSTR（Continuously Stirred Tank Reactors），污染物的遷移采用一級動力學(xué)模型（k-C*）。對于綠色屋頂，模型需要輸入源節(jié)點的降雨特性和水質(zhì)參數(shù)等；處理節(jié)點的滲濾介質(zhì)、植被、滲漏（有無襯砌）和排水溝等相關(guān)參數(shù)。模型輸出結(jié)果包括各節(jié)點的水均衡項、源節(jié)點出流的水量和水質(zhì)隨時間的變化或累積頻率曲線、處理節(jié)點入流和出流的水量和水質(zhì)隨時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理及其降雨徑流水文效應(yīng)分析，對綠色屋頂?shù)恼{(diào)控進行探析。

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，對于同屬科植被，莖稈粗細、根莖密實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)對植被抗旱要求不同，肉質(zhì)植被具備較強的抗旱性，但其雨水的蓄滯效應(yīng)較弱。對于北方地區(qū)，太陽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法在自然條件下正常生長，需要進行定期灌溉養(yǎng)護。

3.2 基質(zhì)層組成及其厚度

基質(zhì)層的選取對雨洪的蓄滯效果具有顯著影響，基質(zhì)層不同，其密實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)控效果增長度逐漸降低，且經(jīng)濟成本增加。

3.3 過濾層、排水層

過濾層間隔基質(zhì)層和排水層，防止基質(zhì)層隨雨水進入到排水層，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)層及植被層有機結(jié)合，增強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。綠色屋頂運行包含“降雨產(chǎn)流過程—雨水蓄滯能力復(fù)原過程”涉及的水體運轉(zhuǎn)方式。通過梳理綠色屋頂徑流平衡機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。