低影响开发（LID）绿色屋顶降雨径流调控运行机理研究*

闫少奇 ， 李鹏程 ， 任柯翰 ， 王 佩 ， 王海波

（河北水利电力学院，河北 沧州 061001）

绿色屋顶作为城市低影响开发（LID）和城镇绿色基建的关键措施，在城市雨洪资源调控、缓解干旱方面具有重要作用[1]。绿色屋顶表层为种植植被，植被层以下为种植植被生长需要的土壤基质层，以及雨水过滤层、排水层、隔绝绿色屋顶与传统屋顶结构的防渗层。绿色屋顶一般建设在露台、天台或者其他建筑物、构筑物顶部，由于土壤基质层厚度的限制、屋顶受较大风速的影响，绿色屋顶的保水持水水平较低，成为绿色屋顶推广，尤其是在北方地区的应用的主要限制因素。课题组试图探究绿色屋顶降雨径流的调控机理及运行机制，优化绿色屋顶结构，为绿色屋顶的推广及发展提供科学支撑。

1 绿色屋顶径流平衡机理及水文效应

1.1 绿色屋顶径流平衡机理

根据绿色屋顶径流流经路径及存贮机制，其水体转移及转化受到的影响因素主要有降水量P、蒸腾挥发量ET、降水径流量R、雨水存贮量W、植被截存量I和土壤基质表层蓄存量D，水体水量平衡方程如式（1）所示，示意图如图1所示。根据区域的不同，对于湿润多雨的地区，水量平衡方面植被截存量I和土壤基质表层蓄存量D占比较小，可作为次要考量因素进行省略，其对应的水量平衡方程如式（2）所示。对于降雨历时较短的降雨，短历时降雨，蒸腾挥发量ET较小，可忽略不计。综上，降水径流量R、雨水存贮量W的大小决定了绿色屋顶产流量的大小。

图1 屋顶绿化水量平衡示意图

绿色屋顶雨水存贮量W即最大雨水蓄持量与初始结构蓄存总量的差值，对于确定结构配置的绿色屋顶，其最大雨水存贮量W为定值。但初期雨水存贮量受到前期降雨间隔时间、间隔段内太阳辐射量、风速等因素的影响，因此同样降雨强度下的产流量也会存在差异。

1.2 绿色屋顶降雨径流水文效应分析

绿色屋顶降雨水文效应分析主要包括降雨产流过程及雨水蓄滞能力复原过程。

1）降雨产流过程。降雨产流主要为绿色屋顶进行雨洪蓄滞的过程，该过程水量的转移过程如式（3）所示，体现了降雨、产流及屋顶蓄滞能力之间的关系。当降雨雨强小于屋顶雨水蓄滞能力时，不产流，Rt=0；当降雨雨强大于雨水蓄滞能力时，土壤基质层饱和，含水率达到最大，此时Rt=Pt。当降雨结束后，进入到绿色屋顶雨水蓄滞能力复原过程。

式中：Rt表示降雨过程中时间t对应的产流流速，St表示绿色屋顶雨水蓄滞能力，Pt表示降雨过程中t时刻对应雨强大小，单位均为mm/min。

2）雨水蓄滞能力复原过程。雨水蓄滞能力复原过程发生在降雨间隔时段，此阶段主要是植被生长最大截留量及其蒸发过程，绿色屋顶土壤基质层的蒸发与绿色屋顶蓄滞能力之间的关系。植被生长最大截留量与植被种类、种植密度等关系密切，绿色屋顶在降雨间隔时段的蒸发量与日照时长、太阳辐射强度、风速、气温等有关[2]。该阶段内雨水通过蒸散发、植物蒸腾作用，回到大气中，直到下次降雨，绿色屋顶雨水蓄滞能力复原过程结束，开始新一轮的“降雨产流过程—雨水蓄滞能力复原过程”。

2 绿色屋顶降雨径流模型

评价绿色屋顶性能的最好方法是利用实地监测数据进行分析，但是这种方法受到时间和数据的制约，尤其受长时间性能监测数据的制约。除此之外，对于某些拟修建LID或者BMPs调控措施的地区来说，通过模型进行性能模拟是有效途径。根据生物滞留模拟目标的不同，绿色屋顶软件可分为水质模拟、水量模拟以及两者综合的模拟软件。现就目前国际上应用比较广泛的绿色屋顶模拟软件作简要介绍。

RECARGA是由Wisconsin大学基于MATLAB研发的专门针对绿色屋顶等入渗措施的水文性能进行分析和设计的软件。该模型采用TR-55CN程序分别模拟研究区的透水性区域及不透水性区域的径流量；运用Green-Ampt方程模拟蓄水层至介质层土壤的入渗，并通过van Genuchten非线性方程模拟控制土壤层内（介质层至沙砾层），沙砾层至天然土壤间的水分运动；地下排水管的出流量用小孔出流方程计算。其输入参数主要包括研究区的面积及其不透水性区域的比例及CN，绿色屋顶的面积、降雨量和蒸发量、表层积水、绿色屋顶的土壤参数（如饱和水力传导系数）等。模型的输出包括植物耐受性项目（积水时间和溢流次数）以及水量平衡方程的各项要素，如入流量、径流量、排泄水量、回补量、蒸发量、土壤含水量和滞留水量等。因此，利用RECARGA可以对绿色屋顶的各项要素，如面积、根区土壤特性等反复进行设计模拟，从而达到特定的性能目标，如降低径流量、增加地下水入渗量等。RECARGA具有界面友好、操作简单等特点，可以模拟单一、连续或用户自定义的径流系列，但排水管线的位置不能改变，排水管上层只能设置一种土壤类型，模拟具有局限性。同时，降雨最小只能以小时输入，不适合模拟单次（1 h以内）降雨径流过程。

HYDRUS-1D是由国际地下水模型中心（IGWMC）发布的用于模拟多孔介质中变饱和情况下（饱和-非饱和）水热运移的软件。模型主要包括水流运动、溶质运移、热量迁移和根系吸水4个主程序模块。其中，水分模块采用Richards方程对土壤水流运动进行模拟计算，并利用van Genuchten描述土壤的水力特性，溶质运移模块和温度模块均采用对流弥散方程分别模拟溶质运移转化和温度的对流传导。模型的上边界位于植物冠层上方，由降雨、灌溉、蒸发等控制，下边界位于饱和带或地下水系统上部，分别考虑大气环境因素和区域地下水动态变化的影响。程序可灵活处理各类水流边界，包括定水头和变水头边界、给定流量边界、渗水边界、自由排水边界以及排水沟等。在上下边界之间，水分运动按一维垂向运动考虑，分为若干个单元，对水分、溶质和热量运移采用伽辽金有限元法数值求解。求解过程中可考虑土壤质地、土壤持水性、膨胀收缩性、优先流、滞后性等土壤复杂物理特性的影响。模型输出结果丰富，包括累积水分平衡分量、地下水位、逐日水量和溶质平衡分量、逐时土壤物理量等。因此，利用HYDRUS-1D可以对绿色屋顶的水分运动和污染物运移进行模拟，对其滞蓄效果进行定量计算，进而评价系统对道路积滞水防控和面源污染削减的能力。HYDRUS-1D可以对任意时段内的降雨-径流过程进行模拟，可以模拟较为复杂的土壤水和溶质运移过程，但由于其没有考虑不透水区域的比例，仅可用于单个绿色屋顶的模拟，而对区域内多个绿色屋顶采用此方法是不现实的。

DRAINMOD模型是20世纪70年代末由美国北卡莱纳州立大学生物及农业工程系R.W.Skaggs博士开发的田间水管理模型，它被应用于农田排水系统、湿地水文、排水土壤中的氮素运移和损失，干旱地区排水系统和灌溉管理对土壤盐分的影响，就地污水处理等领域。近年来，有学者关注到绿色屋顶内的水流运动与田间排水有一定的相似性，DRAINMOD模型逐渐被用于模拟绿色屋顶的水文过程。DRAINMOD所依据的是水量平衡原理，包括地表水平衡和土壤内部水平衡，计算各土壤水分分量。模型通过输入长期的气象、土壤、作物和田间排水资料，计算出每日田间水文变化情况，包括地表地下排水量、田间入渗和腾发量以及地下水埋深等。其中，侧向排水量采用Hooghoudt公式，入渗量采用Green-Ampt公式，深层渗漏量采用Darcy公式，腾发量采用模型默认的Thornthwaite温度法或更为精确的Penman-Monteith法计算后直接输入。该模型具有以下优点：1）可以进行长时间系列的模拟（长达50年或更久），更有利于评价或预测生物滞留系统性能；2）模型中添加了土壤冻融模块，适用于寒冷地区的模拟；3）模型利用地下水埋深和土壤水力特征曲线确定土壤的储水量；4）可以准确地模拟绿色屋顶的排水过程。其缺点是输入参数较多，模拟之前需要进行敏感性分析，同时模拟天数最短为一个月，不适合模拟单次降雨径流过程，在率定和验证阶段也需要大量的实验数据作为支撑。

MUSIC是由澳大利亚流域水文合作研究中心（CRCCH）开发的用于模拟和预测城市雨水处理系统对雨水特性（水量和水质）影响的软件。目前，模型能够模拟9种雨水处理措施，包括绿色屋顶、植草浅沟、沉积池、贮水池、渗滤池、湿地和池塘等。模型通过设置不同的节点和连接线参数来描述雨水汇流过程，模型的节点包括源节点、处理节点和接纳节点，其中源节点代表实际汇水区（面积为0.1 ha~100 ha），处理节点代表不同的雨水处理设施，接纳节点代表接纳雨水的区域（一个汇流过程只能包含一个接纳节点），并且利用连接线将不同的节点连接起来。模型中采用概念日降雨径流模型计算城市径流，模型利用USTM（the Universal Stormwater Treatment Model）模拟雨水通过不同处理设施的水流运动和污染物迁移过程，对于水流运动采用连续性方程和CSTR（Continuously Stirred Tank Reactors），污染物的迁移采用一级动力学模型（k-C*）。对于绿色屋顶，模型需要输入源节点的降雨特性和水质参数等；处理节点的渗滤介质、植被、渗漏（有无衬砌）和排水沟等相关参数。模型输出结果包括各节点的水均衡项、源节点出流的水量和水质随时间的变化或累积频率曲线、处理节点入流和出流的水量和水质随时间的变化或累积频率曲线等。

3 绿色屋顶降雨径流调控研究

根据绿色屋顶径流平衡机理及其降雨径流水文效应分析，对绿色屋顶的调控进行探析。

3.1 植被种类的选择

绿色屋顶作为城市微景观及绿色基建的重要组成部分，要求兼顾城市绿化、生态效应。从降雨径流削减方面看，草坪草本植物效果优于景天属植被、非禾本草本植被，对于同属科植被，茎秆粗细、根茎密实程度及植被高度都是径流影响的关键因素[3-4]。植被种植密度直接影响降雨蓄滞效果，绿色屋顶要求具备较高的植被覆盖度。

不同气候区对植被抗旱要求不同，肉质植被具备较强的抗旱性，但其雨水的蓄滞效应较弱。对于北方地区，太阳花的降雨径流蓄滞效应明显高于佛甲草，部分抗旱性较差的草本植物如高羊茅无法在自然条件下正常生长，需要进行定期灌溉养护。

3.2 基质层组成及其厚度

基质层的选取对雨洪的蓄滞效果具有显著影响，基质层不同，其密实度以及与植被根系结合程度不同。因此，基质层蓄水能力不同，轻质土及改良土，如添加草炭土和河沙的培养土，调控效应明显优于大田土[5-6]。另外，基质层厚度越厚对雨水蓄滞及调控效果越好，且二者呈现幂指数函数关系，随着厚度的逐渐增大，其调控效果增长度逐渐降低，且经济成本增加。

3.3 过滤层、排水层

过滤层间隔基质层和排水层，防止基质层随雨水进入到排水层，影响整体结构。排水层的主要作用是提高基质层的水体通透性，可将部分水体迅速排出，降低基质层的水压力，同时蓄存少部分水体。该结构的设置可与基质层及植被层有机结合，增强绿色屋顶降雨径流的调控效果。

4 结论

绿色屋顶降雨径流过程主要涉及降水量、蒸腾挥发量、降水径流量、雨水存贮量、植被截存量和土壤基质表层蓄存量间的水体水量平衡。绿色屋顶运行包含“降雨产流过程—雨水蓄滞能力复原过程”涉及的水体运转方式。通过梳理绿色屋顶径流平衡机理及其降雨径流水文效应，优化植 被种类的选择、基质层组成及其厚度、过滤层与排水层等组成结构，为绿色屋顶的推广及发展提供技术支持。