屋面绿化卷材降雨入渗及蒸发特征研究

苏晓敏，李绍才，孙海龙

（1.四川大学 生命科学学院，生物资源与生态环境教育部重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065）

0 引言

屋面绿化不仅可以减轻热岛效应、调节湿度、节省资源，而且可以起到增加绿地、改善城市生态环境的作用，屋面绿化可以起到缓解雨水流失的作用，该技术已经越来越受到重视，城市的绿化之路已然势在必行[1-4]。屋面绿化发展的近20年来已经取得了一些成果，国内外的研究已经成功筛选出100多种屋面绿化植物[5-8]。目前，欧洲屋面绿化的实施主要是参照德国的景观建筑机构推出的有关屋面绿化的技术指导，该指南涵盖了屋面绿化的设计施工、产品安装、后期养护等，并逐年更新，是欧洲行业内公认的最权威的指南[9-10]。在国内，依据气候差异，北京、成都、重庆、上海等地有针对性地提出了适应于当地的屋面绿化技术规范，明确了屋面绿化的构造层次、材料选择及建造方法[11-14]。但对于绿化屋面建造及建成后的水肥管理，生态养护方面的研究还不是很完备，尤其是在屋面绿化实施过程中植物水分的保持与利用还不甚了解，屋面绿化的基质和绿化植物之间的连通性被阻隔，水分、养分难以被有效利用[15]。国内的屋面绿化蓄排水层材料的选择还存在诸多难题，卵石的抗压及排水性能好但荷载大，陶粒轻质透水但蓄水能力差，从国外引进的蓄排水材料给生态环境造成了巨大的压力，不利于长远发展[16]。现阶段使用的覆土屋面绿化载荷大、施工繁琐，对环境造成了一定的压力，且在一些老旧建筑上无法进行改造，因此不便于大规模推广[9]。本研究针对以上适用范围不具普适性、施工周期长、植物水分保持利用等难题，提出了屋面绿化卷材构造方法，并针对发生于卷材植物-养分-水分系统中的植物水分特征进行研究。近年来，国内外针对土壤水分进行了大量的试验研究，如降雨水分入渗、土壤含水率对入渗的影响、裸土水分蒸发试验、覆膜水分蒸发试验等，并建立了一定的理论与试验基础。屋面绿化作为一种环境友好的新型生态治理手段，研究发生在其上面的水分过程显得至关重要。本研究就新型屋面绿化卷材的降雨入渗和蒸发特征进行了试验，探究了不同开孔率对绿化卷材降雨入渗、产流及蒸发特征的影响，以期为屋面绿化卷材找到最适宜的开孔设计，为卷材的研发提供合理的优化建议。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为课题组自己开发设计的屋面绿化卷材，卷材构造主要包括物料基质层，种子萌发层，水分截留层，保温防辐射层（见图1）。其中水分截留层的截留槽、入渗孔、下渗孔是卷材雨水利用的重要组成部分，完成降雨水分的收集再利用，确保种子萌发和生长所必须的水分，为植物在无土界面的稳定建植提供水分供给[17]。

图1 绿化卷材的结构

1.2 试验方法

1.2.1 降雨入渗试验

试验在位于彭州市积泉村的四川省山地生态工程技术研究中心的人工降雨实验室完成。试件放置在长1.5m、宽1.0m、高0.5 m的土槽内，周围密闭，坡度设置为15°，底部设置径流收集装置。人工降雨强度设置为33.4 mm/h，降雨均匀度系数为95%；设置5个屋面绿化卷材水分入渗通道（水分入渗孔+种子萌发带）开孔率：A1为12.5%，A2为25%，A3为50%，A4为75%，A5为100%，其中，100%开孔率为对照试件，每个试件设置3个重复试验。自产流开始后每1 min采集表面径流量并称重，记录产流历时，直至稳定产流（5次径流量无差异认为稳定产流）停止降雨。

1.2.2 蒸发试验

蒸发试验在试验地玻璃棚内进行，试件置于长40 cm、宽40 cm、高5 cm的方形有机玻璃盆内，有机玻璃盆底部有圆形开孔。试件盒底部铺设防止水分渗漏的塑料薄膜，下部垫砂和防水无纺布以防止与地面热交换。试验以水分入渗通道开孔率为变量因子，分别设置12.5%、25%、50%、75%、100%5个开孔率。其中，100%开孔率为对照试件。每天 08：30、20：30进行试件称量并记录。试验持续至各试件质量基本维持稳定，即视为卷材水分蒸发达到基本稳定状态。

2 试验结果与分析

2.1 屋面绿化卷材降雨入渗、产流特征

水分入渗是指水分通过土壤表面垂直向下进入土壤和地下的运动过程。水分入渗不仅直接影响地面径流量的大小，也影响土壤水分及地下水的增长[18]。不同开孔率绿化卷材入渗速率随降雨时间变化如图2所示。

图2 不同开孔率绿化卷材入渗速率随降雨时间变化

由图2可见：随降雨时间的延长，入渗速率呈下降趋势。降雨前期入渗速率下降迅速，开孔率越小入渗速率下降越迅速，降雨后期入渗速率下降缓慢，最后趋于稳定；入渗速率受开孔率的影响，开孔率越大，入渗速率变化越缓慢，稳定入渗所需时间越长。稳定后的入渗速率表现为：A1条件＜A2条件＜A3条件＜A4条件＜A5条件。入渗量和入渗比例均随开孔率的增大而增大（见表1），开孔率为A1、A2、A3差异不显著，与A4、A5在5%水平差异显著。对不同开孔率的入渗量曲线采用 Kostiakov模型进行拟合，见式（1）[19]。

式中：I——累积入渗量，mm；

t——入渗时间，min；

α——入渗指数；

k——入渗系数，mm/min。

由表1分析可知：在相同降雨强度下，相同的入渗时间内，开孔率越大，累积入渗量越大，以幂指函数对入渗曲线进行拟合，相关系数R2均大于0.98，拟合效果较好，试验结果可信度高。

产流是指降雨量扣除损失形成净雨的过程，降雨损失包括植物截留、下渗、填洼与蒸发，其中以下渗为主[20]。当降雨强度一定时，土壤入渗能力相同，产流速率取决于表面覆膜开孔率的大小（见图3），见表2。

表1 不同开孔率的入渗比例差异性比较

图3 不同开孔率的产流速率

表2 不同开孔率下的累积入渗量模型参数

由图3、表2可知，产流速率随降雨时间的延长不断变大，最后趋于稳定产流，开孔率为A5时达到稳定产流的时间最短，A1达到稳定产流的时间最长。

2.2 开孔率对绿化卷材蒸发的影响

2.2.1 开孔率对绿化卷材蒸发速率的影响

试验在不受外界环境干扰的玻璃棚中进行，不同开孔率绿化卷材白天和夜晚的蒸发速率变化分别见图4、图5。

图4 不同开孔率下绿化卷材白天的蒸发速率变化

图5 不同开孔率下绿化卷材夜晚的蒸发速率变化

由图4、图5可以得到，试验期间，白天的蒸散速率波动幅度较大，夜间的蒸散速率变化较日间而言则相对平稳，出现这种差异的原因可能是受太阳辐射的影响，夜间的辐射量是非常低的。在蒸散试验的第1天（8月26日），白天的蒸散速率达到了试验期间的最大值，之后的蒸散速率骤降，这与当日的气温有着极大的关系，当天平均温度高达30.55℃，在这之后平均气温一直保持在20～25℃。这也就解释了为什么26日之后夜间的蒸发速率骤降并稳定保持在某一范围之内。虽然日间和夜间蒸散速率存在一定的波动幅度，会出现忽高忽低的状况，但仍然可以看到总体的趋势表现为蒸散速率逐渐减小，并且最后在某一固定值附近波动，此时即达到了稳定蒸散状态，蒸散速率趋于稳定。分析不同开孔率对卷材日间、夜间蒸散速率的影响，可以看出不同开孔率的水分蒸散速率的变化趋势是一致的，随着蒸散时间的延长逐渐趋于稳定，在同一天内，蒸散速率随开孔率的增大而增大，开孔率为50%时，无论是白天还是夜晚，其蒸散速率都是最大且相同，在开孔率为12.5%时，蒸散速率都是最小的。对日间、夜间不同开孔率下的蒸散速率进行差异性分析，结果表明，他们之间不存在显著性差异。

2.2.2 开孔率对绿化卷材白天、夜晚蒸散量的差异分析

采用SPSS软件对不同开孔率下白天与夜晚的蒸散量进行分析，结果表明，不同开孔率条件下的日间蒸散量之间差异显著（0.01

由图6可以清楚的看到，白天的蒸散量远远高于夜晚，且随着开孔率的增大，日间蒸散量不断增加，而夜间蒸散量则变化不大，说明开孔面积主要影响卷材的日间蒸散量，白天蒸散较强的原因可能是白天气温和辐射都较高，加之开孔率的双重影响，导致大量水分的蒸散，而夜间温度和辐射都较低，水分蒸散原本就较为缓慢，开孔面积对其的影响也就很微弱了。当开孔率为最小值12.5%时，卷材的日间、夜晚蒸散量都最小，由此可见，小的开孔率可以较好地保存基质中的水分以供植物生长所需。表3列出了发生在绿化卷材中的日间、夜间蒸散量占总蒸散量的比例

图6 开孔率与白天、夜晚蒸发量的关系

表 3 不同开孔率下的白天、夜晚蒸发量

由表 3 可见，A1、A2、A3、A4、A5 五个开孔率下的日间蒸散量占总蒸散量的比例分别为73.5%、74.9%、78.1%、79.1%和81.5%，差异不是很大，说明卷材的蒸散主要发生在白天。由试验结果可知，开孔率为A1、A2、A3、A4、A5的卷材最大日蒸发量与最小日蒸发量之间的差值分别是129.67、183.00、278.33、449.33、523.67 g，由此得到了开孔率与日蒸发量极值差之间的关系，二者满足多项式关系，其线性回归的相关系数高达0.9779，结果可信度较强。所以，裸土蒸发的日变化量最大，开孔率越小日蒸发量差值就越小，可见开孔率小可有效保持卷材水分变动的稳定性（见图7）。

图7 开孔率与日蒸发量差值的关系

2.2.3 开孔率对绿化卷材累积蒸发量的影响

已有大量的实践研究证实，裸土蒸发条件下，其累积蒸发量与时间的平方根之间存在正比例函数关系，符合Gandner理论[21-22]。对本试验中累积蒸发量和蒸发时间实测数据分析可知，不同开孔率条件下的累积蒸发量与时间的关系也符合Gandner理论[23]，可以表示为式（2）。

式中：E——累积蒸发量，g；

t——蒸发时间，d；

kE——蒸发系数；

β——蒸发指数。

对试验数据分析处理得出了二者之间存在极好的幂指函数关系，其拟合的相关系数R均高于0.97（见表4）

表 4 不同开孔率下的累积蒸发量模型参数

由表4可见，蒸发指数β的变化范围在0.5188～0.6231之间。土壤蒸发系数kE随开孔率的增大呈线性增大，开孔率越小，蒸发系数就越小，裸土蒸发的蒸发系数最大；蒸发指数随开孔率的增大呈非线性减小，开孔率越大，蒸发指数越小，裸土蒸发条件下的蒸发指数最小（为0.5188）。卷材整个系统并无外来水源的供给，随蒸散时间的延长，累积蒸发量逐渐减少并最终趋于稳定（见图8）。

图8 开孔率与累积蒸发量的关系

从图8可见，开孔率越大，基质与大气之间水分交换的阻碍越小，水汽蒸散的通量越大，基质水分蒸发的效率越强，结果就是基质水分累积蒸发量越大，基质水分越早趋于蒸发稳定状态，A1条件下累积蒸发量最少，A5条件即裸土累积蒸发量最大。

3 结语

（1）卷材基质特征、降雨强度和坡度等一定，不同开孔率条件下，卷材基质入渗、产流的总体趋势一致。随着降雨的进行，基质含水量不断增加，最后达到饱和状态，入渗速率不断减小，直至稳定，产流速率不断增大，一直到稳定产流。开孔率越大，同一研究对象的入渗量越大。在开孔率为12.5%、25%、50%时，水分入渗比例差异不显著，而开孔率为75%、100%时，显著性差异较明显。

（2）在无外界干扰的条件下，随开孔率的增大，卷材累积蒸发量不断增加，最后趋于稳定，在稳定蒸发之前，累积蒸发量与蒸发时间呈较好的幂指数函数关系，日蒸发量极差和蒸发系数均随开孔率的增大而增大；蒸发主要发生在白天，夜晚蒸发缓慢，开孔率主要影响卷材白天的蒸发量，对夜晚蒸发量影响较小。

（3）屋面绿化实施过程中植物的水分保持与利用很重要，屋面绿化卷材可通过调节开孔率的大小，对水分进行合理有效的利用。希望蒸发量小一点，利于基质保存水分，有助于植物的生长发育，但是蒸发量较小的时候，植物的开孔面积也就比较小，降雨进入卷材内部的水分相对较少。通过试验确定最佳的开孔率，使得卷材整个系统水分入渗大于等于水分蒸发，维持卷材整个系统的稳定性。试验结果表明，开孔率为25%、50%时，水分入渗比例相差不大，但是开孔为50%的累积蒸发量远远大于开孔25%时，因此，在实际应用中，可选择较小的开孔，即把卷材的开孔率设置为25%。选择合适的开孔率，有效控制卷材蒸散发的强度，截留更多的雨水，降低径流量的产生，平衡蒸散与入渗的关系，达到最优化的设计。