低影響開發（LID）綠色屋頂降雨徑流調控運行機理研究*

閆少奇 ， 李鵬程 ， 任柯翰 ， 王 佩 ， 王海波

（河北水利電力學院，河北 滄州 061001）

綠色屋頂作為城市低影響開發（LID）和城鎮綠色基建的關鍵措施，在城市雨洪資源調控、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層，以及雨水過濾層、排水層、隔絕綠色屋頂與傳統屋頂結構的防滲層。綠色屋頂一般建設在露臺、天臺或者其他建筑物、構筑物頂部，由于土壤基質層厚度的限制、屋頂受較大風速的影響，綠色屋頂的保水持水水平較低，成為綠色屋頂推廣，尤其是在北方地區的應用的主要限制因素。課題組試圖探究綠色屋頂降雨徑流的調控機理及運行機制，優化綠色屋頂結構，為綠色屋頂的推廣及發展提供科學支撐。

1 綠色屋頂徑流平衡機理及水文效應

1.1 綠色屋頂徑流平衡機理

根據綠色屋頂徑流流經路徑及存貯機制，其水體轉移及轉化受到的影響因素主要有降水量P、蒸騰揮發量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。根據區域的不同，對于濕潤多雨的地區，水量平衡方面植被截存量I和土壤基質表層蓄存量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構蓄存總量的差值，對于確定結構配置的綠色屋頂，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、間隔段內太陽輻射量、風速等因素的影響，因此同樣降雨強度下的產流量也會存在差異。

1.2 綠色屋頂降雨徑流水文效應分析

綠色屋頂降雨水文效應分析主要包括降雨產流過程及雨水蓄滯能力復原過程。

1）降雨產流過程。降雨產流主要為綠色屋頂進行雨洪蓄滯的過程，該過程水量的轉移過程如式（3）所示，體現了降雨、產流及屋頂蓄滯能力之間的關系。當降雨雨強小于屋頂雨水蓄滯能力時，不產流，Rt=0；當降雨雨強大于雨水蓄滯能力時，土壤基質層飽和，含水率達到最大，此時Rt=Pt。當降雨結束后，進入到綠色屋頂雨水蓄滯能力復原過程。

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

2）雨水蓄滯能力復原過程。雨水蓄滯能力復原過程發生在降雨間隔時段，此階段主要是植被生長最大截留量及其蒸發過程，綠色屋頂土壤基質層的蒸發與綠色屋頂蓄滯能力之間的關系。植被生長最大截留量與植被種類、種植密度等關系密切，綠色屋頂在降雨間隔時段的蒸發量與日照時長、太陽輻射強度、風速、氣溫等有關[2]。該階段內雨水通過蒸散發、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原過程結束，開始新一輪的“降雨產流過程—雨水蓄滯能力復原過程”。

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測數據進行分析，但是這種方法受到時間和數據的制約，尤其受長時間性能監測數據的制約。除此之外，對于某些擬修建LID或者BMPs調控措施的地區來說，通過模型進行性能模擬是有效途徑。根據生物滯留模擬目標的不同，綠色屋頂軟件可分為水質模擬、水量模擬以及兩者綜合的模擬軟件。現就目前國際上應用比較廣泛的綠色屋頂模擬軟件作簡要介紹。

RECARGA是由Wisconsin大學基于MATLAB研發的專門針對綠色屋頂等入滲措施的水文性能進行分析和設計的軟件。該模型采用TR-55CN程序分別模擬研究區的透水性區域及不透水性區域的徑流量；運用Green-Ampt方程模擬蓄水層至介質層土壤的入滲，并通過van Genuchten非線性方程模擬控制土壤層內（介質層至沙礫層），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。其輸入參數主要包括研究區的面積及其不透水性區域的比例及CN，綠色屋頂的面積、降雨量和蒸發量、表層積水、綠色屋頂的土壤參數（如飽和水力傳導系數）等。模型的輸出包括植物耐受性項目（積水時間和溢流次數）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、蒸發量、土壤含水量和滯留水量等。因此，利用RECARGA可以對綠色屋頂的各項要素，如面積、根區土壤特性等反復進行設計模擬，從而達到特定的性能目標，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）降雨徑流過程。

HYDRUS-1D是由國際地下水模型中心（IGWMC）發布的用于模擬多孔介質中變飽和情況下（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，溶質運移模塊和溫度模塊均采用對流彌散方程分別模擬溶質運移轉化和溫度的對流傳導。模型的上邊界位于植物冠層上方，由降雨、灌溉、蒸發等控制，下邊界位于飽和帶或地下水系統上部，分別考慮大氣環境因素和區域地下水動態變化的影響。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、溶質和熱量運移采用伽遼金有限元法數值求解。求解過程中可考慮土壤質地、土壤持水性、膨脹收縮性、優先流、滯后性等土壤復雜物理特性的影響。模型輸出結果豐富，包括累積水分平衡分量、地下水位、逐日水量和溶質平衡分量、逐時土壤物理量等。因此，利用HYDRUS-1D可以對綠色屋頂的水分運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可以對任意時段內的降雨-徑流過程進行模擬，可以模擬較為復雜的土壤水和溶質運移過程，但由于其沒有考慮不透水區域的比例，僅可用于單個綠色屋頂的模擬，而對區域內多個綠色屋頂采用此方法是不現實的。

DRAINMOD模型是20世紀70年代末由美國北卡萊納州立大學生物及農業工程系R.W.Skaggs博士開發的田間水管理模型，它被應用于農田排水系統、濕地水文、排水土壤中的氮素運移和損失，干旱地區排水系統和灌溉管理對土壤鹽分的影響，就地污水處理等領域。近年來，有學者關注到綠色屋頂內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的水文過程。DRAINMOD所依據的是水量平衡原理，包括地表水平衡和土壤內部水平衡，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、田間入滲和騰發量以及地下水埋深等。其中，側向排水量采用Hooghoudt公式，入滲量采用Green-Ampt公式，深層滲漏量采用Darcy公式，騰發量采用模型默認的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），更有利于評價或預測生物滯留系統性能；2）模型中添加了土壤凍融模塊，適用于寒冷地區的模擬；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）可以準確地模擬綠色屋頂的排水過程。其缺點是輸入參數較多，模擬之前需要進行敏感性分析，同時模擬天數最短為一個月，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據作為支撐。

MUSIC是由澳大利亞流域水文合作研究中心（CRCCH）開發的用于模擬和預測城市雨水處理系統對雨水特性（水量和水質）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。模型通過設置不同的節點和連接線參數來描述雨水匯流過程，模型的節點包括源節點、處理節點和接納節點，其中源節點代表實際匯水區（面積為0.1 ha~100 ha），處理節點代表不同的雨水處理設施，接納節點代表接納雨水的區域（一個匯流過程只能包含一個接納節點），并且利用連接線將不同的節點連接起來。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施的水流運動和污染物遷移過程，對于水流運動采用連續性方程和CSTR（Continuously Stirred Tank Reactors），污染物的遷移采用一級動力學模型（k-C*）。對于綠色屋頂，模型需要輸入源節點的降雨特性和水質參數等；處理節點的滲濾介質、植被、滲漏（有無襯砌）和排水溝等相關參數。模型輸出結果包括各節點的水均衡項、源節點出流的水量和水質隨時間的變化或累積頻率曲線、處理節點入流和出流的水量和水質隨時間的變化或累積頻率曲線等。

3 綠色屋頂降雨徑流調控研究

根據綠色屋頂徑流平衡機理及其降雨徑流水文效應分析，對綠色屋頂的調控進行探析。

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、生態效應。從降雨徑流削減方面看，草坪草本植物效果優于景天屬植被、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。

不同氣候區對植被抗旱要求不同，肉質植被具備較強的抗旱性，但其雨水的蓄滯效應較弱。對于北方地區，太陽花的降雨徑流蓄滯效應明顯高于佛甲草，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護。

3.2 基質層組成及其厚度

基質層的選取對雨洪的蓄滯效果具有顯著影響，基質層不同，其密實度以及與植被根系結合程度不同。因此，基質層蓄水能力不同，輕質土及改良土，如添加草炭土和河沙的培養土，調控效應明顯優于大田土[5-6]。另外，基質層厚度越厚對雨水蓄滯及調控效果越好，且二者呈現冪指數函數關系，隨著厚度的逐漸增大，其調控效果增長度逐漸降低，且經濟成本增加。

3.3 過濾層、排水層

過濾層間隔基質層和排水層，防止基質層隨雨水進入到排水層，影響整體結構。排水層的主要作用是提高基質層的水體通透性，可將部分水體迅速排出，降低基質層的水壓力，同時蓄存少部分水體。該結構的設置可與基質層及植被層有機結合，增強綠色屋頂降雨徑流的調控效果。

4 結論

綠色屋頂降雨徑流過程主要涉及降水量、蒸騰揮發量、降水徑流量、雨水存貯量、植被截存量和土壤基質表層蓄存量間的水體水量平衡。綠色屋頂運行包含“降雨產流過程—雨水蓄滯能力復原過程”涉及的水體運轉方式。通過梳理綠色屋頂徑流平衡機理及其降雨徑流水文效應，優化植 被種類的選擇、基質層組成及其厚度、過濾層與排水層等組成結構，為綠色屋頂的推廣及發展提供技術支持。