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第十二届水产业计算和控制国际会议（ccwi2013）
屋顶绿化对城市水循环的影响
摘 要
绿色屋顶正在成为越来越受欢迎的城市雨水管理可持续城市排水系统（SUDS）技术。事实上，他们大大的减少了排水系统的洪峰流量和径流，随之发生的是通过CSO(计算机服务机构)的洪水事件及污染物也减少。为了评估一个绿色屋顶的不透水性和其在一个城市的流域水文的影响，用一种桶模型来模拟一个单一的绿色屋顶的降雨径流关系。我们的目标是模拟绿色屋顶系统中水文通量与气候强迫、基本技术组件和几何特性之间的关系。
1引言
在过去的几十年中，由于对城市化扩展和环境污染更大的关注,很大地增加在城市地区的雨水管理的重要性。城市化导致那些连接有效的液压管接收水域的不透水表面(如屋顶、车道、道路、停车场、和人行道)的增加。自然的粗糙和植被过滤和底层土壤的渗透存储能力被以水文功能（如植物截留、洼地存储、入渗、土壤贮水量、流动阻滞等）为代价被压实的土壤和水力光滑不透水的表面所替代。对于一个给定的降雨事件，这将产生一个更加的过量的水流量。
传统的雨水控制实践是基于“全到下水道”的态度，依靠运输路线将城市不透水面附近的雨水引流到天然水体流域。相反，绿色屋顶设计是用来捕捉、暂时保留和渗透雨水，促进蒸发蒸腾和收获水源，鼓励一般蒸发，蒸散量和雨水的再利用。这样的技术可以提供一个机会，以减少，衰减风暴径流的来源，在这种方式中，许多研究建议绿色屋顶与传统屋顶相比可以减少雨水径流量的40%-80%。从文献的数据来看，很明显的，一个绿色屋顶可以将径流峰值速率下降60%-80%。
然而，对于突发事件，绿色屋顶的动态雨水响应是可变的而且涉及到一组特定的气候条件和绿色屋顶设计的变化。
近年来，由于其在恢复水文循环平衡方面的特殊效率相当于城市化前期的境况，因此屋顶绿化的实施对城市流域的影响已成为热点研究课题。科学家们通过各种方法和探索，基于水平衡模型，把绿色屋顶作为简单的水库与限制出口，检查它们的水文响应来研究绿色屋顶的效果。
以杰克逊和凯特为例，他们采用土壤保持服务曲线（SCS）法作为渗透和径流模型，对多空间尺度下的屋顶绿化进行了试验研究。希尔顿等人通过利用Hydrus-1D屋顶绿化对减轻雨水径流的效果研究。霍兰德使用一个改进的Green-Ampt入渗法和物理模型来研究屋顶绿化的作用。Palla等用swms_2d模型，根据理查兹定律和Van Genuchten–Mualem函数，去模拟绿色屋顶系统中水流的饱和度；她和庞（2010）构建了一个基于物理的模型来模拟雨水的绿色屋顶介质运动；谢拉德等人为一个单一的绿色屋顶建立一个简单的桶模型，并将其外推到城市规模来测试它对雨水径流量减少的影响。
雨水径流的平均减少量似乎为绿色屋顶防渗参数提供了指标；当绿色屋顶被规划为一个城市的体系建设中时，他们代表了三分之一种饱和前可渗透及饱和后不可渗透的表面区域。评估一个绿色屋顶的不透水性在城市水文流域的影响，用一个简单的桶模型来模拟土壤层的水通量和一个绿色屋顶产生降雨径流关系。该模型基于影响绿色屋顶雨水响应的物理过程：在风暴事件的关键水文机制内的绿色屋顶植物层截留降雨、基质蒸发蒸腾、入渗、储层及水库蓄水。该模型仅能提供一个工具，以了解屋顶绿化的实施对不同条件下的城市流域影响；事实上，其目的是模拟水文通量（截留，蒸散量，在表面和皮下部分土壤水分通量）与气候强迫，基本技术组件和绿色屋顶系统的几何特性（土壤层的厚度和材料、植被类型和密度）。在这项研究中我们采用一个简化的桶模型，在概念上类似于TOPMODEL土壤水分会计方案。
2模型描述
2.1屋顶绿化设计对土壤水通量的影响
一个绿色屋顶的水文过程包括蒸散量、入渗、产流。每一部分的水文预算量化对确定绿色屋顶在减少径流量的峰值效率都至关重要。水文预算平衡了储水量变化的系统中的输入和输出。水文平衡提供了控制方程，以确定在任何给定的时间有多少降雨可能被绿色屋顶所捕获。
绿色屋顶与自然环境不同，因为它们位于建筑物的顶部，并没有连接到自然地面;因此，土壤可以同时排放和保留水是至关重要的，即使在非常浅的系统中它们也能工作。对于任何绿色屋顶系统的成功，使用适当的成长媒体实际上是至关重要的。当成长的媒体质量差或劣质时，植物无法茁壮成长，绿化屋顶系统将失效。用于绿色屋顶的植物必须在土壤中支撑，但天然土壤太重，不能在屋顶上使用。用于绿色屋顶的土壤或生长介质是专门设计用于支持植物，同时满足其他屋顶要求。它必须是轻便的，能够保留一些水，同时允许多余的水排出，能够为植物生长提供营养，并最大限度地减少渗入水中的营养物质的流失。为了实现这些特性，生长培养基由聚集体（非有机，吸收性填料）和有机物混合的土壤组成。因此，植被屋顶是被设计为完全排水的工程系统，所以防水膜上没有静止水;为了满足这一要求，典型的系统是合成排水层与高性能介质层的组合。
在这项工作中，我们将注意力集中在水力渗透上，并通过他影响径流生成过程：我们的目标是通过基于绿色屋顶垂直土壤水分运动详细而清晰地再现地下水文模块来描述和建模这些过程。 为了做到这一点，我们决定用一维二室（或“桶”）土壤湿度计算方案概述一个单一的绿色屋顶; 该方案由两个储层组成，一个用于生长介质，另一个用于排水层，以便每个储层储存水并将其流量限制在极限。
我们的目标是采用模型结构来处理每个元素中的土壤水分通量（与通常用于土壤渗透过程表示的达西理查兹法相反），最低限度的“调整变量”，我们模拟风暴流量的产生但保持一些物理基础和空间显示的表示方式。 这里的工作是基于对过程的经验描述来开发概念模型，可以用观察数据进行校准。 为了做到这一点，在Matlab中建立了一个单一的绿色屋顶的数学模型，假设每层的土壤均匀性，并且在该分析的第一个例子中，忽略了蒸散量流动。 该模型用于为单个绿色屋顶产生降雨 - 放电关系。
2.2。 绿色屋顶的地下模块：简化桶型号
使用简化桶模型研究了绿色屋顶中的地下通量（Vertessy和Elsenbeer，1999）。 该模型通常用于表示非城市化盆地土壤中渗透过程（Rulli和Rosso，2007）：我们的目的是将模型适应为特定工程地层的土壤，专为多层建筑中广泛的绿色屋顶系统而设计 。
简化桶模型是一种机械模型，代表了参数化难度与渗透进入土壤过程的准确性之间的一个很好的折中。 事实上，它在解释土壤饱和度方面具有坚实的物理基础，并且不需要大量的输入参数（Vertessey等，1997）。
简化桶模型将土壤视为特征为一定深度z并且分为表面不饱和区域I和饱和较深区域S的储罐。两个罐体中的每一个的尺寸随着时间和两个区域的含水量而变化 以长度为单位表示，以便返回到水的高度。 饱和区总是被认为是这样的，并且内部的含水量在时间上可以仅因为收缩或膨胀而变化，从而损害不饱和区。 饱和区上方的表面可大致视为地下水的自由表面。 SBM不是用于模拟地下水动力学的，而是简化了水位几乎平行于表面的假设，使得有效的液压梯度等于局部表面坡度。
简化桶模型需要输入降水数据，土壤深度（z），土壤表面饱和水力传导率（K0），深度（m）K0的衰减率，经验参数（n），饱和含水量 theta;s）和残差（theta;dry）。 对于计算的每个时间步长进行分析，通过不饱和区域和饱和区域到排水层的水的渗透和垂直渗透，通过土工织物过滤织物。 基本假设是，层l的饱和土壤Ks的电导率（原始公式仅指一层）与深度z呈指数衰减：
其中f是等于：
对应于饱和区以上深度zi的区域可以大致视为地下水的自由表面。 在每个时刻，饱和区内含水量等于：
缺水I d使得不饱和区域的罐体积完全达到饱和，由下式表示：
蓄水池一直被认为是如前所述，因此，增加或损失来自它，只是通过扩大和缩小尺寸来表示。 在模型中也定义了Sd，与土壤饱和度相比，整个土壤剖面的饱和度计算如下：
渗透到地下的水量（in）由土壤的水力传导率和不饱和区域的饱和度与饱和度Id相比调节。 从不饱和土壤向饱和区域st的垂直运动通过水力传导系数Ks（Eq.1）到深度zi以及Is与S d之间的关系进行调整：
本报告不考虑不饱和区域I中含有的土壤水，因为它被评估为实现土壤完全饱和所需的水的高度。 通过与Darcy方程类似的方程调节从饱和流到饱和的流，然而饱和水力传导系数Ks随着负指数（Eq.1）的深度而减小。
在原始的简化桶模型公式中，饱和区域内存在的水量倾向于以每个元素的形式从地下径流（sf）流出。 对于每个时间间隔，通过以下关系获得元素单位面积计算的sf值：
其中beta;是表面的倾斜角。 这个关系只不过是Darcy方程的公式，它表示饱和区的流动，并通过水力传导率Ks（Eq.1）的常数将其与载荷相关联。 流出的子表面（等式8）被认为只有在土壤剖面形成饱和区域的情况下才能发生，而在土壤的不饱和区域只有垂直方向渗透的现象（公式7 ）。
2.3 多层简化桶模型
多层SBM是原始模型的扩展，其中每个层l作为桶并且彼此通信;每个层再次出现在顶部由渗流区分离，并在饱和区的深部分开（图1）。
与基于物理的模型相比，多层SBM的潜力与后者在层之间的界面处的难度有关。涉及到必须为每个层定义相关参数的费力就会产生与不连续性相对应的问题：特别是不同层的水力特性之间的显注差异，导致界面内的水含量同样强烈的不连续性。多层SBM不存在这种类型的问题，由于其简单，不存在数值不稳定性和收敛性问题。
SBM利用“等效连续”的方法分析渗透过程，即流程被描述为如由多孔基质表示的单个域中发生的。
从一层到底层1 1的渗透（lin）仅在发展饱和区时才发生;它由两层之间的界面处的相对导电率Ki乘以当前层的饱和区域S中所含的水量与下面的层的不饱和区域的饱和度不足Id之间的比率决定：
如果以时间单位表示上层水位的高度，则由于式 9小于土壤界面的电导率，小于每单位时间评估的Id，除了与实心骨架成一体的残留物，然后将其全部排入地下。
如果由两个土壤之间的界面处的电导率决定的层渗透（方程9）被证明超过了，则悬浮在第一桶中的含水层及其中存在的全部水继续渗入垂直方向含水量在上层饱和区内;相反，形成了一个栖水台。
应注意，两层之间的界面处的水力传导性与随后向不同性质的土壤的转变和下面的区域的部分饱和相关联;因此，为了模拟两种现象，需要在界面Ki处的磁导率值，即使当下层的高面积不饱和时也能够估计电导率。通常，绿色屋顶系统以这样的方式构造：在表面层（即，生长介质）和排水层之间插入土工织物，土工织物用作过滤器并具有特定的水力传导性，这取决于过滤织物本身。因此，渗透过程受这种导电性的影响，这不仅限制了供给排水层的水的流动，也调节了任何地下排放，而且调节了根层的水分含量和后者的最终饱和。
多层SBM中的亚表面流仅针对屋顶系统（即排水层）的最后一层计算。 由于该层的厚度zD通常很小，所以认为有必要修改描述这个流程的方程，以便考虑到底层的影响，在原始方案中被忽略， 如在天然土壤中，厚度越深，厚度越大，基岩的影响通常可以忽略不计：
通过水流连续性的平衡，每个时间步长更新变量e zi。
图1 多层SBM方案：RF =降雨量; I =不成熟的商店 ; S = satured store; SF =地下流; EX = exfiltration; IE =渗透过量;
LIN =层渗透; IN =渗透 ; SE =饱和度过剩; OF =溢出; ST =垂直排水。
3结果与讨论
3.1 绿色屋顶模型的校准和性能
水文模块中所需的参数不能简单地从文献中获取，因为它们具有很高的变异性，并且由于安装实践，如土壤压实水平，可能对这些参数的值。仅在绿色屋顶径流排放模拟中聚焦，由于某些未知参数和有限的可用观测结果，校准证明是必要和有用的。三个参数需要校准：土壤表面的饱和水力传导率（K0），K0的深度衰减率（m），经验参数（n）;其可能值的范围已经从物理考虑定义为非校准参数的值，即饱和含水量（theta;s）和残留量（theta;dry）。目的是使用从范围随机选择的参数进行一组模拟他们可能的价值观。通过使用公认的Nash-Sutcliffe标准比较测量和模拟放电来完成校准：这些模拟的质量已经在径流放电选择a根据所选标准提供最佳参数集合的可接受模拟子集;从可接受模拟的子集中选择各种参数的最终值（图3）。每个绿色屋顶组件的渗透模型所需的液压参数列于表1和表2并使用选定的降雨事件进行校准（见表3）。
图2 （a）绿屋顶系统带“蛋箱”排水层; （b）具有颗粒排水层的绿色屋顶系统。
表1.“蛋箱”排水层绿色屋顶系统模型中使用的变量和参数。
|
zt |
K0 |
m |
n |
theta;s |
theta;dry |
beta; |
|
(m) |
(m/s) |
(m) 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[612404]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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