评估模块化蓝色屋顶随时间变化的水文性能

《Journal of Hydrology》：Assessing the hydrological performance of a modular blue roof over time

本研究通过六年的监测，评估了意大利卡塔尼亚大学安装的模块化蓝屋顶系统在52次降水事件中的蓄水和滞洪效率。结果表明，系统平均蓄水效率44%，滞洪效率71%，且性能稳定，无需频繁维护。

　　在现代城市化进程中，雨水管理已成为城市可持续发展的重要议题。随着全球气候变化带来的极端天气事件频率和强度的增加，传统的灰色基础设施已难以满足城市排水需求。在此背景下，可持续城市排水系统（SUDs）作为一种绿色基础设施，逐渐成为研究和应用的重点。SUDs旨在通过模拟自然水循环过程，有效控制雨水径流，减轻城市内涝压力，同时改善水质和增强城市生态功能。在众多SUDs技术中，蓝色屋顶（Blue Roofs, BRs）因其轻质、低成本和易于安装等特性，成为极具潜力的解决方案之一。

蓝色屋顶是一种通过在建筑屋顶上设置蓄水模块，以实现雨水滞留和延迟排放的系统。这种技术的核心在于利用屋顶空间作为临时储水设施，从而减少瞬时径流峰值。与传统的绿色屋顶相比，蓝色屋顶不依赖植被层，而是通过物理结构实现雨水的收集和释放，因此更适合那些无法承受高荷载的建筑屋顶。此外，蓝色屋顶的设计通常更加简单，维护成本也相对较低，这使其在实际应用中更具优势。

本研究聚焦于一个位于意大利西西里岛卡塔尼亚市的蓝色屋顶全尺寸试点系统，该系统自2018年安装以来，已进行了为期六年的监测。监测期间共记录了52次降雨事件，涵盖了全年不同季节的降水情况。通过分析这些数据，研究者评估了蓝色屋顶在长期运行中的滞留和蓄滞性能，并提出了新的性能指标，以更准确地反映降雨事件的复杂性。传统研究中，蓝色屋顶的性能评估通常基于有限的降雨事件，缺乏对长期运行效果的系统性分析。而本研究通过延长监测周期，提供了更全面的数据集，从而更深入地探讨了蓝色屋顶在不同时间尺度上的表现。

监测数据显示，该蓝色屋顶系统在所有记录的降雨事件中，平均滞留效率为44%，平均蓄滞效率为71%。这一结果表明，蓝色屋顶在控制雨水径流方面具有显著效果。进一步的年度比较分析显示，尽管在某些年份中存在个别波动，但整体来看，蓝色屋顶的滞留和蓄滞效率并未随时间发生明显变化，呈现出较高的稳定性。这一发现对于城市排水系统的长期规划和管理具有重要意义，因为它表明即使在缺乏定期维护的情况下，蓝色屋顶仍能保持良好的性能。

然而，研究者也注意到，某些降雨事件的滞留和蓄滞效率可能存在较大的波动。例如，在降雨强度极高或降雨事件包含多个峰值的情况下，蓝色屋顶的性能可能会受到一定影响。因此，研究团队提出了一种新的滞留效率指标（RI），该指标不仅考虑了降雨总量，还引入了降雨事件中峰值数量的参数。这一改进使得性能评估更加全面，能够更准确地反映蓝色屋顶在复杂降雨模式下的表现。

在监测过程中，研究团队发现蓝色屋顶的蓄滞性能（DI）与降雨深度之间存在一定的相关性，但这种关系并非线性。相反，DI值随降雨深度的增加呈现出非线性变化趋势，这表明在高降雨强度下，蓝色屋顶的峰值流量衰减效果可能有所减弱。尽管如此，蓝色屋顶在大多数降雨事件中仍能有效降低峰值流量，展现出优于传统屋顶的性能。

此外，研究团队还对系统运行期间的排水时间（TD）进行了分析。结果显示，蓝色屋顶的排水时间通常在数小时内完成，远低于美国纽约市环境保护局（NYC DEP）推荐的24小时标准。这一现象可能与系统设计有关，例如排水孔的尺寸和结构。研究者指出，如果能够通过调整排水孔的尺寸或优化模块布局，提高排水时间，可能有助于进一步提升蓝色屋顶的蓄滞性能。

值得注意的是，尽管蓝色屋顶在监测期间经历了多种降雨条件，但其性能并未因时间推移而显著下降。这一稳定性可能与系统设计的合理性以及维护措施的适当性有关。研究团队仅进行了有限的维护活动，主要是清除积聚在模块中的杂物，如落叶和塑料袋等。这种维护方式虽然简单，但足以维持系统的正常运行。因此，研究结果表明，蓝色屋顶在实际应用中可能不需要频繁的维护，这在经济和技术上都具有重要意义。

在讨论部分，研究者还提到，蓝色屋顶的稳定性使其成为城市可持续排水系统的重要组成部分。然而，由于其性能受到降雨事件内部结构的影响，如降雨峰值的数量和间隔时间，因此在系统设计时需要充分考虑这些因素。此外，研究团队建议未来的研究可以进一步探索如何通过优化设计参数，如增加模块的蓄水能力或调整排水孔的尺寸，来提高蓝色屋顶的蓄滞性能。

总体而言，本研究为蓝色屋顶在城市可持续排水系统中的应用提供了重要的实证数据。通过六年的长期监测，研究团队不仅验证了蓝色屋顶在控制雨水径流方面的有效性，还提出了新的性能评估指标，为未来的研究和实践提供了参考。研究结果表明，蓝色屋顶在大多数情况下能够有效减少径流，尤其是在降雨强度较高或降雨事件包含多个峰值的情况下。此外，系统的稳定性也为其在实际工程中的应用提供了支持。然而，研究者也指出，未来仍需进一步优化设计参数，以提升系统的整体性能。