基于Hydrus-1D不同...市绿色屋顶径流调控效益研究_王恺.pdf

第 43 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.43，No.3Mar.，2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae基于Hydrus-1D不同气候区城市绿色屋顶径流调控效益研究王恺1，章孙逊1，张守红1，2，3，*1.北京林业大学水土保持学院，北京 1000832.北京市水土保持工程技术研究中心，北京 1000833.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，临汾 042200摘要：气候条件是影响绿色屋顶径流调控效益的重要因素，目前国内尚缺乏不同气候区城市绿色屋顶径流调控效益的对比研究.基于北京市区搭建的绿色屋顶在20172019年实测降雨-径流数据，率定和验证Hydrus-1D绿色屋顶降雨-径流模型，并采用该模型模拟分析6个不同气候区城市（兰州、北京、沈阳、合肥、上海和深圳）绿色屋顶在不同设计暴雨条件下的降雨-径流过程，定量分析气候条件对绿色屋顶径流调控效益的影响.结果表明：基于Hydrus-1D可准确模拟绿色屋顶径流过程，模型率定与验证的纳什效率系数平均值分别为0.73和0.67；不同气候区城市绿色屋顶径流削减率、洪峰削减率和产流延迟时间随暴雨重现期增加而降低，兰州绿色屋顶的峰现延迟时间随重现期增加明显降低，而其他城市绿色屋顶的峰现延迟时间较短，均在 02 min；半干旱气候区城市兰州绿色屋顶的径流削减率（23.89%68.73%）和洪峰削减率（44.15%88.21%）均明显高于其他湿润、半湿润气候区城市；兰州绿色屋顶的产流延迟时间最高（3752 min），依次高于北京、合肥、沈阳、上海和深圳.随气候条件由湿润到干旱，绿色屋顶的径流调控效益逐渐提高.研究结果可望为我国不同气候区城市绿色屋顶水文设计与评估提供科学参考.关键词：绿色屋顶；Hydrus-1D；气候条件；径流调控效益文章编号：0253-2468（2023）03-0195-11 中图分类号：X143 文献标识码：AHydrological performances of green roofs in different climates based on Hydrus-1D simulationWANG Kai1，ZHANG Sunxun1，ZHANG Shouhong1，2，3，*1.School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing 1000832.Beijing Engineering Research Center of Soil and Water Conservation，Beijing 1000833.National Station for Forest Ecosystem Research in Ji County，Linfen 042200Abstract：Runoff management performances of green roofs are affected by climatic conditions，but there is still a lack of studies comparing the hydrological performances of green roofs in different climate zones in China.Based on the observation data of rainfall-runoff processes of a green roof from 2017 to 2019 in Beijing，a Hydrus-1D model of green roofs rainfall-runoff processes was calibrated and validated.Six cities with notably different climate conditions were selected to quantify the rainfall-runoff processes of green roofs under different climate zones through this model.The results indicate that the hydrological model based on Hydrus-1D can accurately simulate the runoff process of green roofs，and the average values of Nash efficiency coefficients of calibration and validation are 0.76 and 0.71，respectively.The runoff reduction rate，peak discharge reduction rate，and time delay in runoff generation of the green roofs all reduce as the increase of storm design return period for each city.Green roofs in the semiarid climate zone（i.e.，Lanzhou）have a higher runoff reduction rate（23.89%68.73%）and peak discharge reduction rate（44.15%88.21%）than those in other cities.The time delay of runoff generation of green roofs in Lanzhou is 3752 min，which is higher than those in the subhumid and humid climatic regions（i.e.，Beijing，Hefei，Shenyang，Shanghai，and Shenzhen）.Except for Lanzhou（324 min），the time delay of peak discharge in the other five cities is not obvious（02 min）.In conclusion，green roofs perform better hydrological benefits in dry climates than in humid climates.These results are expected to provide scientific references for the development of green roofs in different climate zones.Keywords：green roofs；Hydrus-1D；climate conditions，hydrological performanceDOI：10.13671/j.hjkxxb.2022.0248王恺，章孙逊，张守红.2023.基于Hydrus-1D不同气候区城市绿色屋顶径流调控效益研究 J.环境科学学报，43（3）：195-205WANG Kai，ZHANG Sunxun，ZHANG Shouhong.2023.Hydrological performances of green roofs in different climates based on Hydrus-1D simulationJ.Acta Scientiae Circumstantiae，43（3）：195-205收稿日期：2022-05-18 修回日期：2022-07-08 录用日期：2022-07-11基金项目：国家自然科学基金（No.52279001）作者简介：王恺（1999），男，E-mail：；*责任作者，E-mail：环境科学学报43 卷1引言（Introduction）近年来，城镇化造成城市原有绿地（如农田、草地和林地等）被不透水面（如道路、屋顶和停车场等）替代，城市自然水循环受到破坏，城市内涝日渐严重（张建云等，2014；夏军等，2016；刘昌明等，2016）.屋顶约占城市不透水面的40%50%（Boulanger et al.，2003；Lindblom et al.，2011），在城镇地区进行屋顶改造和建设绿色屋顶，可有效增加城市绿地，提高城市雨洪管理能力.作为海绵城市措施之一，绿色屋顶不仅具有削减降雨径流和延缓产流与洪峰等径流调控功能（陈小平等，2015；罗珊等，2018），还具备减少径流污染、改善城市热岛效应和美化环境等生态功能（Gong et al.，2020；Zhang et al.，2020），近年来在国内外得到了广泛的关注和推广.气候条件是影响绿色屋顶径流调控效益的重要因素之一（Viola et al.，2017）.Akther等（2018）对不同 气候区的548个绿色屋顶的径流调控效益统计分析表明，不同气候区绿色屋顶径流调控效益存在明显差异，平均径流削减率在56%71%之间.为探究气候条件对绿色屋顶径流调控效益的影响，研究人员在不同气候区城市开展了实验研究.例如，Razzaghmanesh和Beecham（2014）对澳大利亚地中海气候区的绿色屋顶研究发现，不同配置绿色屋顶平均径流削减率为74%89%.Kuoppamki（2017）监测发现，芬兰南部寒冷气候条件下的绿色屋顶年径流削减率在40%70%之间.Sims等（2016）对加拿大3个不同气候区城市绿色屋顶的研究发现，干旱气候区城市绿色屋顶的径流削减率（67%）高于其他气候区城市（48%34%）.可见，不同气候区 绿色屋顶径流调控效益存在明显差异.由于不同研究绿色屋顶的结构配置等因素不一致，无法通过对比 已有的实验研究评估不同气候条件对绿色屋顶径流调控效益的影响（Sims et al.，2016）.通过构建模型模拟绿色屋顶的水文过程，能够以较低的人力和物资要求，评估不同气候区绿色屋顶径流调控效益，为各城市绿色屋顶的广泛应用提供科学参考（Carbone et al.，2015；Stovin et al.，2015）.例如，Roehr和Kong（2010）基于径流曲线数法（SCS-CN）对比了不同气候区城市绿色屋顶的径流调控效益，结果表明，温哥华、上海和基洛纳的绿色屋顶分别可削减29%、55%和100%的年径流量.除经验模型外，SWAP、SWMM 和 Hydrus-1D 等物理模型也可用于绿色屋顶水文过程模拟（Hilten et al.，2008；Metselaar，2012；Cipolla et al.，2016），模拟结果通常更精确（Palla et al.，2012；Marco et al.，2015）.Zhang等（2021）使用Hydrus-1D模拟了绿色屋顶降雨-径流过程，评估绿色屋顶的径流调控效益.我国幅员辽阔，涵盖多种气候类型，研究不同气候条件下绿色屋顶的径流调控效益十分必要.然而，国内对绿色屋顶的研究大部分局限于单一城市（王书敏等，2014；李田等，2015；Liu et al.，2019；李俊生等，2019；葛德等，2019），尚缺少不同气候区城市绿色屋顶径流调控效益对比研究.本研究于北京市搭建绿色屋顶，对实验绿色屋顶20172019年的降雨-径流过程进行长期监测，采用监测数据率定并验证Hydrus-1D模型.在此基础上，采用该模型模拟位于不同气候区6个城市的绿色屋顶降雨-径流过程，评估不同气候条件下绿色屋顶的径流调控效益.以期为我国不同气候区城市绿色屋顶水文设计和评估提供科学参考.2材料与方法（Materials and methods）2.1实地监测2.1.1实验设计实验绿色屋顶于2017年5月搭建，位于北京市海