上海梅雨期佛甲草轻薄屋顶绿化的3个方法

研究方法

 

本研究选取0°和26.6°（坡比为1∶2）为试验研究的典型屋面坡度，在同济大学建筑与城市规划学院文远楼楼顶设置试验装置，对2019年6—7月梅雨期自然降雨过程及佛甲草模块滞蓄情况进行持续记录观察，并参照试验期间土壤湿度的测定数据，解析佛甲草模块对于梅雨全期及单次典型降雨过程的滞蓄实效（图1）。

 

对平、坡屋面进行对照试验，是因为既有研究对于不同屋面坡度下屋顶绿化的滞蓄试验结果尚存在差异。如Chow等[26]的研究表明，屋面坡度越大，拓展型屋顶绿化的滞蓄率越低，坡度从2%增加至7%，滞蓄率会从56.9%减少到52.3%；而Liu等[27]的研究则表明相较于7%和12%的屋面坡度，坡度为2%的拓展型屋顶绿化的径流排放量更大。通过对照试验可确认上海地区典型屋面条件下的滞蓄效果差异，有助于研判绿色屋顶作为海绵技术手段的推进策略。

 

基质含水量也会影响绿色屋顶尤其是拓展型绿化屋顶的截流能力，降雨前基质干燥的绿色屋顶较降雨前基质相对湿润者截流效率明显会高出很多[16]，因此本研究参考前期降水情况和土壤湿度测定值筛选基质含水整体较高但仍有差异的单次降雨，以深入评估模块在梅雨期的滞蓄力下降情况。此外，囿于经费和可操作性，试验装置仅设置了一组，试验地点位于上海中心城区中暴雨发生水平较高的杨浦区[23]，借助较为极端的实证个案归纳推断上海地区的滞蓄下限。

 

2.1试验装置设计

 

选取佛甲草生长成熟稳定的试验模块共6个，种植基质以上海地区市场上常见的营养土（火山岩2%、珍珠岩28%、蚯蚓粪34%、泥炭36%）与蛭石以1∶1体积混合而成。用角铁搭建平、坡屋面的模拟构架，构架上部固定放置试验模块（在平、坡屋面模拟构架上各放置3个试验模块，为平、坡屋面组），下部放置记录仪器，并通过密封胶管将模块的渗漏槽与仪器相连，确保经过模块滞蓄后的降水能够全部流入仪器中（图2）。

记录仪器为7台美国SPECTRUMWatchDog2000系列气象站。仪器雨量筒的直径为20.5cm，测量范围为0.25mm，测量精度为降水量＜5cm/h时±2%。其中仪器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ作为试验组分别连接平、坡屋面模拟构架上的各个试验模块，仪器Ⅶ作为对照组测量实际降水量。试验数据记录间隔时间设置为1min。

 

 

采用正大仪器的手持式ZD-06土壤酸碱度/湿度专用测定仪进行土壤湿度测定，湿度测定范围为10%~80%，测量精度为±1%。利用降雨间隔在每个测验模块中随机选择3个分散的测点，依次将测定仪插入土壤底部读取湿度数据并计算平均值。囿于试验模块的土壤厚度小于测定仪准确测量所要求的15cm测量深度，该数据仅作为土壤湿度相对判定的参考依据。

 

2.3滞蓄效益测算

 

滞蓄率、削减量以及延缓时间是目前评价屋顶绿化滞蓄力的3种常用的核心参数。其中滞蓄率和削减量分别以无量纲和有量纲的方式考察屋顶绿化对雨水的减量情况，延缓时间则可分为产流延缓时间和峰值延缓时间。本研究通过滞蓄率考察梅雨全期的滞蓄效益，通过滞蓄率和延缓时间考察梅雨期内单次降雨事件的滞蓄效益。

 

2.3.1梅雨全期滞蓄效益

 

2019年上海官方宣布的入梅时间为6月17日，出梅时间为7月20日，总持续时间为33天。本研究取该时间段内仪器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ记录总量的平均值反映平屋面试验模块的滞蓄后排放总量（R平），仪器Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ记录总量的平均值反映坡屋面试验模块的滞蓄后排放总量（R坡），仪器Ⅶ的记录总量反映总降水量（P）。通过比较R平、R坡对于P的削减量来计算平、坡屋面滞蓄雨量对梅雨全期降水量的滞蓄率，进而分析比较不同屋面条件下的滞蓄效益差异。由于试验模块与仪器雨量筒的受雨面积不同，试验组和对照组仪器的记录数值在比较前需按式（1）进行换算，整个梅雨期试验模块的滞蓄率计算式如式（2）所示：

 

R′φ式中：为换算后的滞蓄后排放量（mm）；R为试验组仪器记录的滞蓄后排放量R平或R坡（mm）；0.25m2为试验模块的受雨面积，0.033m2为仪器雨量筒的受雨面积；为滞蓄率（%）；P为降水量（mm）；x为表面径流流失系数，x=0时表示屋面坡度为0°。

 

囿于试验装置较为简陋，未能搜集测得模块的表面径流部分。因屋面坡度越大，模块的表面径流流失更多[26]，故参考GB50014—2021《室外排水设计标准》[28]中规定的绿地径流系数经验值（为0.1～0.2），取上限值0.2作为坡屋面模块表面径流流失系数x。

 

 

φi以6h为最小降雨间隔时间[29]区分单次降雨事件。在单次降雨事件i时段内同样通过仪器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的记录总量平均值以及仪器Ⅶ的记录总量获得平、坡屋面试验模块的滞蓄后排放量（Ri平和Ri坡）及该次降水量（Pi），按式（1）对Ri平、Ri坡进行换算后，再按式（2）计算平、坡屋面滞蓄雨量在该次降水量下的滞蓄率（）。比较该次降雨事件中对照组仪器的初始降水时间和试验组仪器初始产流时间以反映产流延缓时间（Ti/min），以及比较该次降雨事件中对照组仪器的瞬时最大峰值时间和试验组仪器的瞬时最大峰值时间以反映峰值延缓时间（Ti'/min）。由于单场降雨过程往往呈现多个峰值，在分析Ti'时也需讨论排放峰值与多个降雨峰值的关系。

 

鉴于生长成熟、稳定的拓展型佛甲草模块在既定的屋面条件下，基质含水量是影响其滞蓄作用的重要自身系统因素，降雨强度则是影响其滞蓄作用的主要外部环境因素[30]，因此分别选择梅雨期间前期降水和土壤湿度情况不同但本场降水特征类似的同雨型单次降雨事件，进一步区分半湿润组和湿润组，考察基质含水量和雨型差异对滞蓄效益的影响。按照中国气象局的降水等级划分[31]，以24h内的累计降水量判定单次降雨事件的雨型。对于降水过程超过24h的单次降雨事件，其降水量及试验模块滞蓄后排放量的分析均采用了完整降水过程的测量数据。

 

2.4滞蓄差异性分析

 

本研究视数据正态性和方差齐性情况，通过独立样本t检验或曼-惠特尼检验判断梅雨全期平、坡屋面组，单次降雨事件下平、坡屋面组，以及同雨型同屋面条件下半湿润、湿润组的滞蓄差异，通过单因素方差分析或克鲁斯卡尔-沃利斯检验判断屋面和土壤湿度条件相同时不同雨型下各组的滞蓄差异，p＜0.050则表明组间差异显著。因样本量小，若差异不显著则进一步考察差异幅度Cohen’sd值，以0.200、0.500、0.800分别对应小、中、大临界点。