简单屋顶绿化水分运移试验与数值模拟研究

相比工程技术，人们对屋顶绿化在温度变化情况下降雨产流过程，以及缓解城市内涝、降低城市热岛效应等的认识要少得多，这制约了其发展和应用。本项目通过室内和现场试验，获得绿化基材的基本物理性质；建立考虑温度影响的非饱和土水特征曲线；研究不同绿化基材在不同绿化厚度、雨强和雨量等情况下含水量、吸力、基材温度、产流量等随时间的变化规律；对比研究3年观测周期内有无简单屋顶绿化、不同屋顶绿化材料以及不同绿化厚度等因素对建筑室内外温湿度、降雨产流等影响。在试验基础上，建立考虑植物与温度影响的简单屋顶绿化系统非饱和渗流数值模型，以及模型参数预测与反演方法。通过系统试验和数值模拟对比研究，构建自然条件下简单屋顶绿化蒸腾蒸发、降雨入渗和产流简化分析模型及设计参数图表，为其优化设计、技术创新和推广应用提供理论依据和试验数据支持。

本项目围绕计划书展开研究，已发表论文11篇，其中SCI收录1篇，EI检索5篇；出版专著1部；计算机软件著作权1件；授权发明1项；实用新型8项；培养硕士生10名，其中毕业5名。主要成果如下：.一、.基本特性研究.1、开发了可变环境条件自动蒸渗测量系统、高精度土水特征曲线自动测量系统等9项专利，较好地解决了薄层屋顶绿化系统蒸渗、土水特征曲线测试等问题。.2、建立了考虑温度影响的土水特征曲线预测模型。.3、进行一维土柱和薄层粘土室内蒸发试验，结果表明非饱和土的蒸发过程可分为：稳定、减速和残余三个阶段。.4、研究了不同材料对绿化基材理化性质、植物生长的影响。.5、开展了绿化基材中重金属含量分布研究。结果表明4月份植物茎叶中的重金属含量要明显低于10月份，而且茎叶中的含量要显著低于根茎中。.二、.蓄滞特性研究.1、开展了室内降雨入渗产流全过程试验。结果显示屋顶绿化的降雨入渗产流过程可分为延迟产流、产流、稳定三个阶段；产流阀值只与基材有关，不受降雨强度等影响，可用于评估基材截留缓排效果。.2、进行了4轮240次室内模拟降雨试验。结果表明延迟产流时间主要受降雨强度和叶面积指数的影响，草炭含量的增加能增强基材的持水性能，而煤渣含量的增加会削弱基材的持水性，陶粒含量过多不利于植物生长。.3、在楼顶建成了2块3×3米的试验区，研究了室外绿化基质蓄滞特性及其演化规律。结果表明室外试验区产流过程与室内相似；但一年使用后，室外绿化基质蓄滞特性逐渐劣化，截留缓排效果降低，延迟产流能力增强。.三、.数值模拟研究.1、采用非饱和土水-热迁移模型进行了一维土柱蒸渗数值模拟，结果显示在干土层形成前，土壤内水分以液态流动形式为主；在干土层形成后则是以水蒸气扩散的形式向大气运动，与实测值基本吻合。.2、运用SEEP/W对设计绿化基质层进行了入渗产流数值模拟，结果显示延迟产流时间与实测基本一致。.四、.反演与预测.1、提出一种基于VG模型的非饱和土渗流参数反演方法，编制了二维非饱和渗流参数反演程序，实现了通过实测含水量或孔隙水压力数据反分析土水特征曲线和渗透性函数。.2、探索了一种基于土壤基本物性参数和气象数据预测非饱和土表层蒸发过程的方法。.五、.推荐选型.1、综合理化性质、植物生长和截留缓排特性等因素，推荐了3个较理想的简单屋顶绿化方案。.2、提出了2个可用于预测简单屋顶绿化截留缓排效果的计算公式。