屋顶绿化基质雨水滞蓄效果影响因素研究

张 华, 袁 密, 刘 栓, 申 科

(三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

屋顶绿化基质雨水滞蓄效果影响因素研究

张 华, 袁 密, 刘 栓, 申 科

(三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

绿化屋顶基质层吸水饱和时的蓄水含量定义为最大含水量，最大含水量是绿化屋顶雨水滞蓄效果的重要评价指标。选择陶粒、草炭、煤渣等按不同组合不同配比设计6组基质配制方案，通过人工模拟降雨试验，探究了不同基质厚度、降雨强度及基质类型对屋顶绿化基质雨水滞蓄效果的影响。结果表明：对于同种屋顶绿化基质层，厚度、降雨强度不影响其最大含水量，但厚度越大，蓄水总量越大，延迟产流时间越长，而降雨强度越大，延迟产流时间越短；对于不同种绿化基质层，总孔隙度较大的基质组其最大含水量也相对较大，但基质层持水性与颗粒不均匀系数有关，颗粒越均匀，其持水性能越低。

屋顶绿化；最大含水量；滞蓄效果；延迟产流；持蓄雨水

1 研究背景

随着我国经济高速发展，城镇化进程快速推进，大量的城市土地逐渐被硬化路面所取代，加上受全球气候变化的影响、城市排水系统的不完善，近年来，城市内涝灾害频繁发生。2012 年 7 月，北京发生罕见内涝，导致79人死亡，经济损失近百亿元[1]。2015年夏季，北京、南京、武汉、长沙等地相继发生严重城市内涝灾害。7月14日至15日的连续强降雨造成湖北省8市26县区32.8万人受灾，直接经济损失1.39亿元人民币[2]。数据显示，自 2010 年以来，国内三分之二的城市都发生过类似严重的内涝灾害，给我们带来了巨大的人员伤亡及财产损失。因此，探究城市内涝防治措施，提高城市滞蓄雨水的能力成为目前学者研究的热点问题。

屋顶绿化作为城市的“第五立面”，能有效截留蓄滞雨水，减少降雨产流总径流量，延迟产流时间，对于减少城市内涝、改善城市水环境等有利。国内外学者对屋顶绿化基质的滞蓄能力进行了一系列研究，Van Woert等[3]和Villarreal等[4]研究表明，植物种类对屋顶绿化的截留能力影响不大，基质厚度、初始含水量、降雨强度等因素对屋顶绿化的截留蓄滞作用有一定影响。Nardini等[5]在地中海气候的意大利东北部，对不同基质厚度(120 mm和200 mm)屋顶绿化在无植被覆盖的情况下对降雨滞蓄效果的影响进行研究，结果表明基质厚度越大，减少的径流量越多。Simmons等[6]在美国德克萨斯州对基质厚度为100 mm的屋顶绿化在不同降雨强度下的降雨径流规律进行了研究，结果表明当持续降雨的降雨量<10 mm时，屋顶绿化能截留绝大部分雨水，随着降雨量的增大，屋顶绿化的雨水截持量减少。Getter 等[7]研究了屋顶绿化基质坡度(2%，7%，15%，25%)对降雨滞蓄效果的影响，结果表明坡度越大，屋顶绿化对降雨的滞蓄效果越小。张华等[8]设计了陶粒含量57%、草炭含量41.5%、保水剂含量1.5%的绿化基质，基于37次模拟降雨试验，分析了基质厚度、初始含水率和降雨强度对简单屋顶绿化基质雨水滞蓄效果的影响，结果表明：基质初始含水率越低、厚度越厚，基质滞蓄效果越佳。唐莉华等[9-10]建立了描述绿化屋顶降雨产流过程的一维入渗模型，并利用模型模拟分析了降雨频率、土层厚度、土壤类型等对屋顶绿化雨水持蓄效果的影响，结果表明随着土层厚度增加，绿化屋顶的雨水滞蓄效果增强，同时就雨水持蓄效果而言，砂土比粉黏土更适合于绿化土壤。张小泉等[11]通过试验得出土壤的蓄水持水的能力受土壤自身条件以及气候等的影响，其中土壤自身理化性质是影响其蓄水能力的重要因素。

通过人工模拟降雨试验，设计多组基质配制方案，探究基质层厚度和降雨强度对不同绿化屋顶基质层雨水滞蓄效果的影响，结论可为合理选择基质配置方案、更好地利用屋顶绿化解决城市雨洪问题提供重要理论依据。

2 试验方案设计

2.1 试验材料

试验主要研究无植被覆盖的简单屋顶绿化基质对雨水的滞蓄作用。保证屋顶植物的正常生长发育，且对于不同情况需综合考虑基材重力荷载、化学缓冲能力和物理性质等多方面因素。本文参考现有的多项屋顶绿化技术，选取陶粒、草炭、煤渣、碎红砖和河砂按照不同配比设计了6组不同的绿化基质层配制方案[12-14]，见表1。其中黄土作为对照组，每组基质组添加其总质量0.5%的保水剂，并对基材进行烘干，测定每组方案绿化基质层的总孔隙度。总孔隙度是土壤各类孔隙在单位体积土壤中所占百分比，其测定参考连兆煌[15]提出的对于总孔隙度的测定方法。

表1 屋顶绿化基材配制方案Table 1 Schemes of proportion of substrate material for green roof

表1中，很明显地，含草炭较多的基质组总孔隙度较大，其次是陶粒和草炭组成的基质组，而煤渣和河砂以及黄土所形成的基质组孔隙度较小。这是由于草炭是一种蓬松的介质，会形成较多的孔隙；陶粒体积较大，颗粒内部本身存在孔隙，与草炭混合后陶粒与草炭均处于松散状态，孔隙度较大。相反地，煤渣、河砂所形成的基质组粗细颗粒相互填充，形成的孔隙度较小。黄土颗粒相对较小，结构较致密，形成的孔隙度相对较小。

2.2 试验装置

绿化基材置于30 cm×20 cm×18 cm的试验盒内，为模拟屋顶结构层，试验盒从下往上依次铺设蓄水板、无纺布、基质层，底部开设泄水口，连接集水容器以收集产流。试验装置如图1所示,主要分为3个部分：

图1 人工降雨试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of apparatus for artificial rainfall experiment

(1) 室内人工降雨装置。室内人工降雨试验采用胶管小孔滴灌的模式，即将有分布小孔的胶管均匀分散架设在试验盒上，制成简易的降雨装置，胶管连接水源，使用单向球阀调节水流大小，控制降雨强度，定时开关水源可模拟间断降雨过程。

(2) 电子天平。将屋顶绿化模型盒置于1台精度为0.01 g、量程为6 000 g的电子天平上，模型盒的排水管连接盛水容器置于另一天平上，降雨开始后，2台天平持续记录质量变化，从而获得基材含水量、降雨量、产流量随时间的变化情况。天平连接计算机，通过数据采集系统实时采集数据。

(3) 数据采集系统。通过数据采集卡结合LabVIEW软件开发了一套完整的数据采集系统，可以方便地连续获取天平的实时读数，程序自动记录时间、试验盒质量以及集水容器质量，由此可以得到基材的降雨产流曲线及基质含水量的变化曲线。

2.3 试验方案

影响屋顶绿化基质雨水滞蓄能力的因素包括基质类型、基质厚度、基质初始含水量、降雨强度、坡度以及植被覆盖情况等[16-17]。试验针对无植被覆盖、无坡度的绿化基层，且在试验前通过降雨、静置、通风等手段调节初始含水量使其一致，分别探究基质厚度和雨型对绿化基质持蓄能力的影响及规律。

综合考虑屋面荷载、所选绿化植物的种植厚度以及经济性等原则，选择基质厚度为5，9 cm[18]；针对可能致使产生城市内涝的降雨情况，选择降雨强度为60，120，180 mm/h，且保证每次降雨总量一定，对不同基质类型进行降雨试验。具体试验方案见表2。

表2 降雨试验方案Table 2 Schemes of rainfall experiment

为探究基质厚度对绿化基质层雨水滞蓄效果的影响，分别对M2，M3，M4，M6基质组进行了厚度为5 cm和9 cm、降雨强度为120 mm/h的2组降雨试验，共8次。为探究降雨强度对绿化基质层雨水滞蓄效果的影响，分别对M1，M5，M6基质组进行了厚度为5 cm、降雨强度为60,120,180 mm/h的3组降雨试验，共9次。方案1和方案2共模拟了17次降雨试验,并控制降雨时间保证每种雨强下的降雨总量均为120 mm。

3 试验数据与分析

3.1 绿化基质降雨产流全过程

对以上所设计的试验组进行人工降雨试验，并分析基质降雨产流的一般过程。研究发现，5组基质层降雨产流过程曲线变化趋势具有一致性，选取典型的试验组5 cm-120 mm/h-M6(即基质厚度为5 cm，降雨强度为120 mm/h，基材编号为M6，下同)进行具体分析。绿化屋顶降雨产流过程和产流累积量见图2。

图2 绿化屋顶降雨产流过程和产流累积量Fig.2 Curves of the process and cumulative amount of rainfall-caused runoff on green roof

由图2(a)可知，在降雨强度为120 mm/h、基质厚度为5 cm时，降雨开始即被基质全部吸收，在T<426 s时间段内，绿化基质可持蓄全部的降雨量，没有产流发生，基质累积含水量在该时间段内呈线性增长。随着降雨的继续，产流量不再为0，且产流速率在196 s时间内从E点上升至F点，该产流过程在图2(b)累积量显示为极小的一段曲线。在426 s

3.2 基质厚度对基质滞蓄效果的影响

根据方案1，分别对M2，M3，M4，M6组进行降雨强度为120 mm/h的人工降雨试验，对比基质厚度为5,9 cm，分析基质厚度对基质层最大含水量的影响。选取试验组5 cm-120 mm/h-M6与9 cm-120 mm/h-M6进行对比分析，见图3。图3中W1，W2分别为5 cm和9 cm基质时饱和含量。

图3 不同厚度基质层含水量过程线及最大含水量Fig.3 Time-history curve of water content and maximum water content of substrate layer of different thickness

由图3(a)可见：M6在降雨强度为120 mm/h、基质厚度为5 cm条件下，基质层最大含水量Wmax1=68.8%，厚度为9 cm时最大含水量Wmax2=66.8%，Wmax1与Wmax2近似相等，同样地，Wg1与Wg2也近似相等。相类似地，不同厚度的其余试验组也呈现出该规律。对M2，M3，M4和M6在5 cm和9 cm厚度下的最大含水量进行对比分析，如图3(b)。通过对比分析可以得出，在基质厚度为5 cm和9 cm时，相同的降雨强度下，基质层最大含水量近似相等，即绿化基质层在降雨强度相同的条件下，其最大含水量与基质层厚度无关。

进一步地，将5 cm-120 mm/h-M6和9 cm-120 mm/h-M6试验组的降雨产流过程进行对比分析，见图4。 由图4可见：M6在降雨强度为120 mm/h、基质厚度为5 cm的条件下，其产流发生时刻为T1=426 s，9 cm的基质层产流发生时刻为T2=1 107 s；对图4进行积分，可得5 cm和9 cm的基质层在达到饱和时所持蓄的降雨总量分别为S1=25.517 mm,S2=42.628 mm，即对于同种基质配制方案，增加其厚度能有效地延缓产流发生的时间，且持蓄的降雨总量也会大大增加。因此，综合考虑经济效益和屋顶荷载等因素，适当增加屋顶绿化基质层厚度能更好地发挥屋顶绿化持蓄水、降低总径流量和径流洪峰峰值的作用。

图4 不同厚度的基质产流过程分析Fig.4 Process of runoff of substrate of different thickness

3.3 雨强对基质滞蓄效果的影响

根据方案2，分别对M1，M5，M6组进行降雨试验，基质厚度为5 cm，对比降雨强度分别为60，120，180 mm/h，分析雨型对基质蓄水能力的影响。

由图5可见：在基质厚度均为5 cm，降雨强度分别为60,120和180 mm/h条件下,M1，M5，M6组基质层的最大含水量近似相等，且含水量较大的为M1，含水量较小的为M5，M6。为保证数据的可靠性，重复3次试验，结果显示与该结论一致，即相同厚度的绿化基质层在不同降雨类型条件下，其最大含水量近似相等，其滞蓄雨水效果与降雨强度无关。

图5 降雨强度对绿化屋顶滞蓄效果的影响Fig.5 Effect of rainfall intensity on rainfall retention capacity of green roof

进一步地，将5 cm-60 mm/h-M6和5 cm-120 mm/h-M6试验组的降雨产流过程进行对比分析见图6。由图6可见：M6在基质厚度为5 cm、降雨强度为60，120 mm/h条件下，其产流发生时刻分别为T1=1 215 s，T2=426 s，即对于同种基质配制方案，在厚度相同条件下，降雨强度越小，产流发生的时间越长。这与我们的认知是相同的，当发生大暴雨时，地表会很快地产生径流，这也是引起城市内涝的主要原因。

图6 不同降雨强度降雨产流过程示意图Fig.6 Schematic diagram of runoff process under different rainfall intensities

3.4 基质类型对基质滞蓄效果的影响

从前文可知，绿化基质层持蓄雨水达到饱和时的最大含水量与基质厚度和降雨强度均无明显关系。为探究基质类型对雨水滞蓄效果的影响，分析各基质组总孔隙度与其对应的最大含水量的关系，见图7。

图7 基质总孔隙度与最大含水量的关系Fig.7 Relationship between total porosity and maximum water content of substrate

总体上来说，各基质组的最大含水量与其孔隙度具有相同变化趋势，孔隙度较大的含水量也较大，反之也成立，如图7所示。差异性较大的为M3，M5，最大含水量与总孔隙度比较而言变化相对较大，初步分析可能是由于有煤渣和河砂的存在，虽然会形成一定量的孔隙，但孔隙之间相互贯通，密闭空隙较少，导致其持蓄雨水的能力较低，因而最大含水量较低。简言之，绿化屋顶基质层的雨水滞蓄效果与总孔隙度有关，总孔隙度越大，其吸水达到饱和时的最大含水量越大。同时，土颗粒不均匀系数越低，其持水性能越弱。

4 结 论

(1) 对6组由陶粒、草炭、碎红砖等按不同配比方案组成的基质层，进行人工降雨试验并记录其降雨产流及蓄水过程。归纳了基质产流的一般过程，定义了基质蓄水能力的重要评价指标：基质最大含水量。

(2) 分析了基质厚度及降雨强度对绿化基质最大含水量的影响。结果表明：绿化基质的最大含水量与基质层厚度、降雨强度无明显关系，但基质厚度越大，其蓄水总量越大，延迟产流发生时间越长。此外，在厚度相同条件下，降雨强度越大，产流发生的时间越短。

(3) 分析了基质类型对绿化屋顶雨水滞蓄效果的影响。结果表明：绿化屋顶基质层的雨水滞蓄效果与总孔隙度有关，总孔隙度越大，其吸水达到饱和时的最大含水量也越大。同时，基质层的持水能力与其颗粒不均匀系数相关，颗粒粒径越均匀，其持水性能越弱。

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(编辑：占学军)

Influential Factors of Rainfall Detention of Green Roof Substrates

ZHANG Hua, YUAN Mi, LIU Shuan, SHEN Ke

(College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002,China)

The water storage capacity of saturated green roof substrates is defined as the maximum water content, which is important for evaluating the effect of rainfall detention. In this research, ceramics particles, peat, and coal cinder were selected to design the substrate of green roof by adjusting the combinations and mixing proportions. The influences of substrate thickness, rainfall intensity, and substrate type on the effect of rainwater detention were investigated through artificial rainfall experiments. Results suggest that thickness and rainfall intensity have no effect on the maximum water content in the presence of the same substrate. But with the increase of substrate thickness, the total capacity of water detention grows, and the delay time of runoff also extends; while when rainfall intensity increases, the delay time of runoff shortens. As for different substrates, the maximum water content of substrates of large total porosity is large correspondingly; and the water retention capacity is related with the coefficient of non-uniformity of substrate particles, which means that more even particles lead to lower water retention capacity.

green roof；maximum water content；retention effect；delayed runoff；rainwater retention

2016-08-22；

2016-10-07

国家自然科学基金项目(51178251)

张 华(1974-)，男，湖北宜昌人, 教授，博士，主要从事非饱和土渗流研究，(电话)0717-6394403(电子信箱)cezhua@139.com。

袁 密(1991-)，女，湖北宜昌人, 硕士研究生，主要从事非饱和土渗流研究，(电话)15571741242(电子信箱)3319595305@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160861

2017,34(4):33-37

P349

A

1001-5485(2017)04-0033-05