閆 婧,張守紅,2,3,*,章孫遜,王任重遠(yuǎn),何瑛瑛,楊 航,王 愷

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京 100083

2 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,臨汾 042200

3 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心,北京 100083

近年來,快速城市化導(dǎo)致城鎮(zhèn)地區(qū)大面積的綠地被不透水面(如道路、停車場和建筑物等)替代[1]。城鎮(zhèn)地區(qū)的自然景觀和自然水循環(huán)過程遭到破壞,城市內(nèi)澇頻發(fā),生態(tài)環(huán)境問題突出[2]。在此背景下,我國借鑒不同國家和地區(qū)的諸如低影響開發(fā)[3]、最佳管理措施[4]和可持續(xù)城市排水等[5]雨洪管理理念,提出了“海綿城市”建設(shè)戰(zhàn)略[6],旨在解決快速城市化造成的城市生態(tài)環(huán)境問題。綠色屋頂作為“海綿城市”的重要措施之一,具有減少徑流、延遲產(chǎn)流和削減洪峰等徑流調(diào)控功能[7],在我國各地區(qū)得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[8]。

綠色屋頂?shù)膹搅髡{(diào)控功能主要通過植被層和基質(zhì)層滯留雨水來實(shí)現(xiàn)[9]。當(dāng)降雨進(jìn)入綠色屋頂系統(tǒng),小部分雨水被植被莖葉截留,大部分雨水進(jìn)入基質(zhì)層,補(bǔ)充基質(zhì)水分,基質(zhì)含水量增加,基質(zhì)的雨水滯留能力下降。當(dāng)基質(zhì)含水率超過田間持水量時(shí),多余的雨水通過基質(zhì)層進(jìn)入排水層并以徑流形式排出。降雨結(jié)束后,植被層和基質(zhì)層中滯蓄的水分通過蒸散發(fā)進(jìn)入大氣,綠色屋頂?shù)挠晁疁裟芰χ饾u恢復(fù)[9—10]?？梢?蒸散發(fā)過程決定綠色屋頂雨水滯留能力的恢復(fù),對綠色屋頂?shù)膹搅髡{(diào)控功能有重要影響。已有研究表明[11—12],綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)過程因受到基質(zhì)、植被和氣候等因素的綜合影響而變化復(fù)雜。然而,當(dāng)前對于綠色屋頂?shù)难芯慷嗉杏诮涤?徑流過程和徑流調(diào)控效益評估[9—10,13—19],對不同氣候區(qū)綠色屋頂蒸散發(fā)變化規(guī)律的研究較少,一定程度上限制了綠色屋頂水熱過程調(diào)控效益評估和不同氣候區(qū)綠色屋頂?shù)耐茝V應(yīng)用。

綠色屋頂蒸散發(fā)量很難直接測定[11],以往研究通常采用實(shí)驗(yàn)間接測定[20]或模型模擬等方法獲取[15,21—22]。其中,模型模擬方法被廣泛應(yīng)用于綠色屋頂蒸散發(fā)量估計(jì)。Li等[21]基于水量平衡研發(fā)了模擬綠色屋頂蒸散發(fā)的水文模型,但該模型需葉面積指數(shù)、消光系數(shù)、壓力水頭以及土壤水分特征曲線參數(shù)等多個(gè)復(fù)雜參數(shù),且計(jì)算過程繁瑣;Talebi等[23]開發(fā)了概念性水文模型并采用該模型模擬分析了8個(gè)城市的綠色屋頂蒸散發(fā),但模型缺少實(shí)測數(shù)據(jù)支撐,可靠性有待檢驗(yàn)。為精確模擬綠色屋頂蒸散發(fā)過程,亟待構(gòu)建參數(shù)少、計(jì)算過程簡單且實(shí)用性強(qiáng)的綠色屋頂水文過程模型。

本研究基于水量平衡原理和Penman-Monteith公式構(gòu)建綠色屋頂水文模型,并采用北京市區(qū)搭建實(shí)驗(yàn)綠色屋頂2019年的蒸散發(fā)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行模型率定和檢驗(yàn)。通過輸入不同氣候區(qū)城市的氣象數(shù)據(jù),設(shè)定不同基質(zhì)厚度,定量模擬分析不同氣候區(qū)城市基質(zhì)厚度對綠色屋頂蒸散發(fā)的影響。本研究有望為綠色屋頂蒸散發(fā)模擬提供工具,為我國不同氣候區(qū)城市綠色屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2019年7—10月北京市海淀區(qū)北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)樓樓頂(40°0′5.66″ N,116°20′39.65″ E)開展綠色屋頂蒸散發(fā)過程監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)區(qū)1970—2018年年平均降水量為551 mm(國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心http://data.cma.cn/)。

如圖1所示,綠色屋頂(1 m×1 m)從上到下分別為植被層、基質(zhì)層、過濾層和排水層。其中,植被層選用綠色屋頂常用植物八寶景天(Sedumspectabile),基質(zhì)層選用厚度為8 cm的輕質(zhì)生長基 [浮石∶草炭土∶沸石∶碎木屑=4∶3∶2∶1(體積比)],過濾層采用300 g/m2的聚酯無紡布,排水層使用直徑為1—3.5 cm的陶粒(厚度為10 cm)。在綠色屋頂下方安裝精確度為0.1 kg的稱重傳感器,用于記錄綠色屋頂質(zhì)量變化(間隔為1 min)。此外,使用分辨率為1 mm的翻斗式雨量計(jì)記錄綠色屋頂?shù)漠a(chǎn)流過程。在雨量計(jì)下方放置250 L的HDPE集水桶,承接綠色屋頂?shù)娜慨a(chǎn)流。產(chǎn)流結(jié)束后,量取集水桶中徑流總量,用以校核雨量計(jì)監(jiān)測的綠色屋頂徑流過程數(shù)據(jù)。在距離綠色屋頂2 m高處架裝小型氣象站(HOBO U30),記錄實(shí)驗(yàn)區(qū)降雨、溫度、氣壓、相對濕度和風(fēng)速等數(shù)據(jù)。相較于基質(zhì)質(zhì)量,綠色屋頂植被每日生長量造成的系統(tǒng)質(zhì)量變化很小,因此本研究通過稱重傳感器稱量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)質(zhì)量差確定綠色屋頂日實(shí)際蒸散發(fā)量。因綠色屋頂早晚有露水凝結(jié)現(xiàn)象且夜間蒸散發(fā)量較少,本研究采用每日8:00—17:00綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量代表當(dāng)日的實(shí)際蒸散發(fā)量[24]。

圖1 綠色屋頂結(jié)構(gòu)與監(jiān)測設(shè)施Fig.1 Structure of green roofs and monitoring facilities

1.2 模型構(gòu)建

本研究基于綠色屋頂水量平衡原理和Penman-Monteith公式構(gòu)建概念性水文模型,該模型包括雨水滯留和蒸散發(fā)兩個(gè)模塊。

1.2.1雨水滯留模塊

綠色屋頂雨水滯留過程主要包括植被截留和基質(zhì)雨水滯留[9]。經(jīng)觀測,綠色屋頂?shù)闹脖唤亓袅枯^少,且通常可在降雨間隔期蒸發(fā)消耗,其雨水截留能力可在次日恢復(fù)。當(dāng)基質(zhì)含水率低于凋萎系數(shù)時(shí),綠色屋頂植被將枯萎。為避免植物枯萎死亡,需適時(shí)灌溉以保證基質(zhì)含水率不低于凋萎系數(shù)[9,25]。參考前人研究[23,26],可假設(shè)當(dāng)基質(zhì)含水率達(dá)到凋萎系數(shù)時(shí),基質(zhì)層雨水滯留能力達(dá)到最大值。

St=Svmax+(θf-θt-1)h

(1)

Smax=Svmax+(θf-θw)h

(2)

式中,St為t日基質(zhì)的雨水滯留能力(mm);Smax為基質(zhì)最大雨水滯留能力(mm);Svmax為植被最大截留能力(mm);θf為基質(zhì)田間持水量(cm3/cm3);θw為基質(zhì)凋萎系數(shù)(cm3/cm3);θt為t日的平均基質(zhì)含水率(cm3/cm3);h為基質(zhì)厚度(mm)。

植被截留量受降雨量影響,當(dāng)降雨量大于植被最大截留能力時(shí),植被截留量等于植被最大截留能力,而當(dāng)降雨量小于植被最大截留能力時(shí),植被截留量等于降雨量。

(3)

式中,Pt為t日的降雨量(mm)。

綠色屋頂初始基質(zhì)質(zhì)量由基質(zhì)干重和初始基質(zhì)含水率決定:

(4)

(5)

式中,Wsub0為綠色屋頂初始基質(zhì)質(zhì)量(kg);O為綠色屋頂?shù)酌娣e(m2);Wbulk為綠色屋頂基質(zhì)干燥時(shí)質(zhì)量(kg);θ1為初始基質(zhì)含水率(cm3/cm3);ρw為水的密度,為1000 kg/m3;ρbulk為基質(zhì)干密度(kg/m3)。

基于綠色屋頂?shù)乃倪^程,綠色屋頂在t日的基質(zhì)質(zhì)量為:

(6)

式中,Wsubt-1為t-1日綠色屋頂?shù)幕|(zhì)質(zhì)量(kg);AETt為綠色屋頂t日的實(shí)際蒸散發(fā)量(mm)。

綠色屋頂在t日的基質(zhì)體積含水率可由下式計(jì)算:

(7)

根據(jù)水量平衡,綠色屋頂t日的徑流量由下式計(jì)算:

(8)

1.2.2蒸散發(fā)模塊

參考作物蒸散發(fā)量采用FAO-56 Penman-Monteith公式進(jìn)行計(jì)算[27]:

(9)

式中,ET0為參考作物蒸散發(fā)量(mm/d);Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa/℃);Rn為作物表面凈輻射(MJ m-2d-1);G為土壤熱通量(MJ m-2d-1);γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃);T為日平均氣溫(℃);u2為2 m處的日平均風(fēng)速(m/s);es為飽和水汽壓(kPa);ea為實(shí)際水汽壓(kPa)。

除大氣參考作物蒸散發(fā)外,綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)還受植被和基質(zhì)水分條件影響。參考前人研究[12,25,28],可采用作物系數(shù)和土壤可用水函數(shù)分別定量表達(dá)植被和水分條件影響。綠色屋頂?shù)膶?shí)際蒸散發(fā)量計(jì)算如下:

(10)

式中,C0為作物系數(shù)(無量綱),常用于計(jì)算綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)[27]。

1.3 不同氣候區(qū)城市氣候特征

參考柯本氣候分區(qū)[29—30]與Cuthbert等的研究方法[31],本文選擇蘭州、北京、武漢和廣州4個(gè)不同氣候區(qū)城市作為研究對象,并依據(jù)濕潤指數(shù)將其劃分為濕潤指數(shù)小于1的水分限制區(qū)(蘭州0.33和北京0.51)與濕潤指數(shù)大于1的能量限制區(qū)(武漢1.34和廣州1.66)。本研究基于4個(gè)城市1970—2018年的日尺度氣象數(shù)據(jù),包括降雨量、氣溫、相對濕度、氣壓、太陽輻射和風(fēng)速等(數(shù)據(jù)來源中國氣象網(wǎng)http://www.cma.gov.cn/),進(jìn)行不同基質(zhì)厚度八寶景天綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)的模擬研究。各城市氣候特征見表1。

表1 1970—2018年各氣候區(qū)典型城市氣候特征[29—30]Table 1 The climatic characteristics of selected cities in different climatic zones from 1970 to 2018

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究使用Matlab 2018a進(jìn)行模型編程,分別使用2019年7月12日—9月5日和9月6日—10月3日的氣象數(shù)據(jù)(降雨量、溫度、濕度、壓強(qiáng)和風(fēng)速等)和綠色屋頂蒸散發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)(基質(zhì)干密度、作物系數(shù)、田間持水量、凋萎系數(shù)和植被最大截留量)進(jìn)行率定和檢驗(yàn)。采用決定系數(shù)(R2)和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NSE)評估模型模擬效果[32]。NSE效率系數(shù)的計(jì)算方法如下:

(11)

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定與檢驗(yàn)

本研究基于實(shí)驗(yàn)綠色屋頂蒸散發(fā)實(shí)測數(shù)據(jù),對構(gòu)建的綠色屋頂水文模型參數(shù)進(jìn)行率定和檢驗(yàn),通過率定得到的模型參數(shù)值見表2。模型率定和檢驗(yàn)結(jié)果見圖2。模型率定和檢驗(yàn)期的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.6385和0.6014,R2分別為0.7191和0.6168,表明模型可較準(zhǔn)確模擬綠色屋頂蒸散發(fā)量。

表2 模型率定參數(shù)值Table 2 Calibrated parameter values of the model

圖2 模型率定和檢驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Calibration and verification of the model R2:決定系數(shù) Determination Coefficient;NSE:Nash-Sutcliffe 效率系數(shù) Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient

2.2 不同氣候區(qū)綠色屋頂蒸散發(fā)

圖3對比了北京、廣州、武漢和蘭州1970—2018年日平均降雨量、參考作物蒸散發(fā)量和綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量。雖然4個(gè)城市日均參考作物蒸散發(fā)量差異不大(2.58—3.01 mm/d),但綠色屋頂日均實(shí)際蒸散發(fā)量差異明顯,且隨日均降雨量增大而增加。廣州綠色屋頂(基質(zhì)厚度為10 cm)的日均實(shí)際蒸散發(fā)量最大(1.30 mm/d),依次高于武漢(1.09 mm/d)、北京(0.66 mm/d)和蘭州(0.49 mm/d)。降雨量越大的城市綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量越大,這與Talebi[23]等的研究結(jié)果一致。除降雨量外,各城市不同量級降雨日數(shù)的分布特征也是影響綠色屋頂蒸散發(fā)量的重要因素。蘭州和北京降雨日數(shù)較少,約80%的日數(shù)為無降雨日(圖4),綠色屋頂基質(zhì)含水率因長時(shí)間得不到降雨補(bǔ)給而處于相對較低水平,水源不足限制了綠色屋頂蒸散發(fā)[23],因此,這兩個(gè)城市綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)長時(shí)間保持在較低水平(0—1 mm/d),兩個(gè)城市綠色屋頂蒸散發(fā)量超過1 mm的日數(shù)分別只有18%和25%(圖4)。而廣州的降雨日數(shù)最多,占比為41%(圖4),頻繁降雨經(jīng)常性供給水分,綠色屋頂蒸散發(fā)量超過1 mm的日數(shù)接近60%,為4個(gè)城市最高值(圖4)。降雨是無灌溉綠色屋頂蒸散發(fā)主要水分來源。廣州雨量最大且降雨日數(shù)最多,降雨對綠色屋頂水分補(bǔ)給量大且補(bǔ)給頻繁,使得綠色屋頂基質(zhì)含水率長時(shí)間維持在較高水平,因此,廣州綠色屋頂雨水供給充足,蒸散發(fā)量最大[26]。然而,北京和蘭州降雨量較少且無降雨日數(shù)較多,綠色屋頂基質(zhì)含水率因長時(shí)間得不到降雨充分補(bǔ)給而處于較低水平,限制了綠色屋頂蒸散發(fā),因此,北京和蘭州綠色屋頂?shù)娜站羯l(fā)量較低。

圖3 不同城市1970—2018年日平均降雨量、綠色屋頂參考作物蒸散發(fā)量和實(shí)際蒸散發(fā)量Fig.3 Daily average rainfall,reference crop evapotranspiration,and actual evapotranspiration of green roofs in different cities from 1970 to 2018 綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量以基質(zhì)厚度為10 cm的八寶景天綠色屋頂為例

圖4 不同氣候區(qū)城市1970—2018年不同量級降雨量和蒸散發(fā)量日數(shù)分布Fig.4 Daily distributions of different levels of rainfall and actual evapotranspiration from green roofs at different cities from 1970 to 2018

2.3 基質(zhì)厚度對綠色屋頂蒸散發(fā)的影響

如圖5,北京、廣州、武漢和蘭州綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量均隨基質(zhì)厚度增加而增大。基質(zhì)越厚的綠色屋頂最大雨水滯留能力越大[9],基質(zhì)中儲(chǔ)存的可供蒸散發(fā)的水量越多,因此,綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量均隨基質(zhì)厚度增加而增大。由圖6可見,在相同氣象條件下,隨著基質(zhì)厚度增加,綠色屋頂基質(zhì)含水率波動(dòng)幅度變小且維持在相對較高水平,基質(zhì)水分對實(shí)際蒸散發(fā)的限制較小,實(shí)際蒸散發(fā)量較大[33—34],因此增加基質(zhì)厚度可以提高綠色屋頂?shù)膶?shí)際蒸散發(fā)量。值得注意的是,當(dāng)基質(zhì)厚度超過一定限度時(shí),綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量增加的趨勢減緩。當(dāng)蘭州、北京、武漢和廣州綠色屋頂基質(zhì)厚度分別超過10 cm、17 cm、24 cm和25 cm時(shí),綠色屋頂?shù)膶?shí)際蒸散發(fā)量增加不明顯,日均實(shí)際蒸散發(fā)量隨基質(zhì)厚度增長速率均小于0.01 mm/cm。由此可見,基質(zhì)厚度對綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量的影響存在閾值,且不同氣候區(qū)綠色屋頂基質(zhì)厚度閾值不同。當(dāng)基質(zhì)厚度為50 cm時(shí),廣州綠色屋頂1970—2018年日平均實(shí)際蒸散發(fā)量閾值為1.73 mm/d,依次高于武漢(1.49 mm/d)、北京(0.95 mm/d)和蘭州(0.58 mm/d),可見不同氣候區(qū)城市的綠色屋頂日平均實(shí)際蒸散發(fā)量也存在不同閾值。

圖5 各城市不同基質(zhì)厚度綠色屋頂日平均實(shí)際蒸散發(fā)量 Fig.5 The daily average actual evapotranspiration of green roofs with different substrate depths in 4 cities

圖6 2018年北京不同基質(zhì)厚度綠色屋頂基質(zhì)含水率變化過程Fig.6 The substrate moisture content process of green roofs with different substrate depth in Beijing in 2018h:綠色屋頂基質(zhì)厚度Substrate depth of green roofs

3 討論

3.1 氣候因素對綠色屋頂蒸散發(fā)的影響

本研究結(jié)果表明,不同氣候區(qū)城市相同基質(zhì)厚度綠色屋頂?shù)娜掌骄鶎?shí)際蒸散發(fā)量呈現(xiàn)蘭州<北京<武漢<廣州的規(guī)律。太陽輻射為綠色屋頂蒸散發(fā)提供能量[11,27,35],當(dāng)水分充足時(shí),太陽輻射越強(qiáng),綠色屋頂蒸散發(fā)量越大。相對濕度低的環(huán)境飽和水汽壓差較大,從而提高綠色屋頂蒸散發(fā)[36—37]。在所選4個(gè)氣候區(qū)城市中,盡管蘭州的日平均太陽輻射最大且相對濕度最小(表1),但蘭州綠色屋頂?shù)膶?shí)際蒸散發(fā)量仍最低。這是由于在無灌溉條件下,綠色屋頂基質(zhì)含水率主要受降水影響。蘭州降水量明顯低于北京、武漢和廣州(圖3),且無降雨日數(shù)比例接近80%(圖4),導(dǎo)致綠色屋頂基質(zhì)含水率因長時(shí)間得不到降雨充分補(bǔ)給而處于較低水平,制約了綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)過程[23,26,38]。北京日平均相對濕度較武漢和廣州低且日平均太陽輻射與武漢和廣州相差不大,但較低的降水量(圖3)和較高的無降雨日數(shù)比例(圖4)仍易限制綠色屋頂?shù)膶?shí)際蒸散發(fā)量。廣州和武漢的日平均太陽輻射和相對濕度相差較小,但廣州的日平均氣溫明顯高于武漢,兩地相差5.23℃。因?yàn)楦邷乜梢约涌炀G色屋頂周圍水汽分子擴(kuò)散速度[34],加之廣州降雨量較武漢多,所以廣州綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量高于武漢。

3.2 基質(zhì)厚度對不同氣候區(qū)綠色屋頂蒸散發(fā)的影響

本研究結(jié)果表明,基質(zhì)厚度對綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量的影響存在閾值,綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量也存在閾值且不同氣候區(qū)城市閾值不同(圖5)。Budyko[39]理論表明,蒸散發(fā)主要受能量和水源兩方面因素影響。大氣相對濕度和水汽擴(kuò)散條件也會(huì)影響實(shí)際蒸散發(fā)過程,而大氣相對濕度和水汽擴(kuò)散條件在很大程度上也取決于區(qū)域氣候條件下的能量和降水特征。因此,蒸散發(fā)存在閾值的根本原因是能量輸入或水分來源限制[40]。當(dāng)降水充足時(shí),能量是限制蒸散發(fā)的主要因素;降水較少時(shí),水源供給狀況則是限制蒸散發(fā)的主要因素[40]。綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)也遵循能量或水分限制規(guī)律?；|(zhì)厚度增加對綠色屋頂蒸散發(fā)影響存在閾值主要有以下兩種機(jī)制:其一,在降水充足的氣候條件下,增加基質(zhì)厚度,可提升綠色屋頂雨水滯留能力和雨水滯留量,為綠色屋頂蒸散發(fā)提供充足的水分來源,但綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)量因能量輸入限制而存在一定閾值,并不會(huì)隨著基質(zhì)厚度的增加而無限升高;其二,在干旱或半干旱氣候條件下,增加基質(zhì)厚度,雖可提升綠色屋頂雨水滯留能力,但因降水較少,綠色屋頂實(shí)際可滯留的雨水量存在閾值,綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)量因水分來源限制而存在一定閾值,同樣不會(huì)隨著基質(zhì)厚度的增加而無限升高。由表1濕潤指數(shù)可知,蘭州和北京是水分限制區(qū),參考作物蒸散發(fā)量高,但降水較少。盡管增加基質(zhì)厚度提高了綠色屋頂?shù)淖畲笥晁疁裟芰9,17,26],但供給綠色屋頂蒸散發(fā)的水分有限,因而限制了這兩個(gè)城市綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)。武漢和廣州等是能量限制區(qū),降水多,但參考作物蒸散發(fā)量有限。綠色屋頂基質(zhì)較薄時(shí),基質(zhì)雨水滯留量較少,蒸散發(fā)所需消耗的能量也較少。當(dāng)基質(zhì)厚度逐漸增加,綠色屋頂滯留的雨水增加,蒸散發(fā)所需的能量供給不足,導(dǎo)致綠色屋頂蒸散發(fā)受到限制。如表1,廣州的日平均太陽輻射和日均氣溫(分別為14.24 MJ/m2和22.15℃)均高于武漢,即廣州綠色屋頂蒸散發(fā)的能量限制閾值高于武漢(分別為13.83 MJ/m2和16.92℃),且廣州降雨充足(日均降雨量5.00 mm),因此,廣州綠色屋頂日平均蒸散發(fā)量閾值高于武漢。綜上,不同氣候區(qū)城市綠色屋頂日平均蒸散發(fā)量存在閾值,且廣州綠色屋頂日平均蒸散發(fā)量閾值依次高于武漢、北京和蘭州。

3.3 建議與展望

本研究基于4個(gè)氣候區(qū)代表性城市(蘭州、北京、武漢和廣州)的氣象數(shù)據(jù),模擬分析4個(gè)城市的綠色屋頂蒸散發(fā)變化特征。結(jié)果表明,在房屋結(jié)構(gòu)承重允許的情況下,可通過適當(dāng)增加基質(zhì)厚度的方式提高綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量,進(jìn)而提升綠色屋頂?shù)挠晁疁粜б妗４送?在降水較少的蘭州,綠色屋頂基質(zhì)含水率一年中有較長時(shí)段處于接近凋萎系數(shù)水平,表明植被生長易受水分限制,需要對綠色屋頂進(jìn)行適時(shí)灌溉以維持植被生長。

考慮綠色屋頂基質(zhì)飽和導(dǎo)水率較高(3—118.8 mm/min)[9]且具有排水層,因此,本文構(gòu)建水文模型的雨水滯留模塊并未考慮基質(zhì)含水率高于田間持水量的情景。為保證綠色屋頂植物的生長,在干旱氣候條件下需要對綠色屋頂進(jìn)行灌溉以避免因基質(zhì)含水率低于凋萎系數(shù)而造成植物枯萎,因此,該模型的雨水滯留模塊未考慮基質(zhì)含水率低于凋萎系數(shù)的情景。然而,在基質(zhì)透水率較低、無排水層或排水層排水不暢的情況下,綠色屋頂基質(zhì)含水率可能會(huì)高于田間持水量,且在干旱氣候條件下綠色屋頂基質(zhì)含水率可能會(huì)低于凋萎系數(shù)。由于僅考慮基質(zhì)含水率在田間持水量和凋萎系數(shù)之間的動(dòng)態(tài)變化,該模型不適用于因基質(zhì)透水率較低、無排水層或排水層排水不暢導(dǎo)致霍頓產(chǎn)流過程的模擬,也不適用于極端干旱情況下綠色屋頂植被凋萎后基質(zhì)蒸發(fā)模擬。此外,不同氣候條件下綠色屋頂植被生長狀況不同,作物系數(shù)存在差異,且作物系數(shù)在不同植被生長階段也呈動(dòng)態(tài)變化。未來研究中,根據(jù)不同氣候條件和不同生長階段,動(dòng)態(tài)調(diào)整作物系數(shù),有望提升綠色屋頂蒸散發(fā)過程模擬精度?？稍诓煌瑲夂騾^(qū)布設(shè)對比觀測實(shí)驗(yàn),對比分析不同氣候條件對綠色屋頂植被生長特征和蒸散發(fā)過程影響,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化綠色屋頂雨水滯留和蒸散發(fā)過程模擬,以滿足不同氣候區(qū)城市綠色屋頂設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。

4 結(jié)論

本研究構(gòu)建綠色屋頂水文模型對不同氣候區(qū)城市不同基質(zhì)厚度的綠色屋頂蒸散發(fā)進(jìn)行模擬分析,得到以下結(jié)論:

1)本研究構(gòu)建的綠色屋頂水文模型能較準(zhǔn)確模擬綠色屋頂蒸散發(fā)量,率定與檢驗(yàn)期的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.6385和0.6014,決定系數(shù)(R2)分別為0.7191和0.6168;

2)從半干旱區(qū)(蘭州)、半濕潤區(qū)(北京)到濕潤區(qū)(武漢和廣州),相同基質(zhì)厚度綠色屋頂?shù)娜掌骄鶎?shí)際蒸散發(fā)量呈增加趨勢;

3)增加基質(zhì)厚度可提高綠色屋頂實(shí)際蒸散發(fā)量,但增加基質(zhì)厚度對綠色屋頂日平均實(shí)際蒸散發(fā)量的影響存在閾值,且不同氣候區(qū)城市綠色屋頂日平均實(shí)際蒸散發(fā)的閾值不同。蘭州、北京、武漢和廣州綠色屋頂?shù)幕|(zhì)厚度閾值分別為10 cm、17 cm、24 cm和25 cm,廣州綠色屋頂日平均實(shí)際蒸散發(fā)量的閾值依次高于武漢、北京和蘭州。