Proudění vody a transport tepla v antropogenních půdách

Abstract

Prvky městské zelené infrastruktury jsou typické využíváním antropogenních půd. Specifickým prvkem jsou pak zelené střechy, které díky expozici vůči extrémním klimatickým podmínkám umožňují získat poznatky zobecnitelné pro ostatní prvky zelené infrastruktury. Vhodným prostředkem pro studium zelené infrastruktury je detailní analýza měřených dat a matematické modelování jejich hydrologického a tepelného režimu. Dlouhodobý venkovní experiment probíhá na střeše budovy Univerzitního centra energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze. Sbírána a analyzována jsou hydrometeorologická data z šesti experimentálních segmentů extenzivních zelných střech (s efektivní plochou 1 m2 a rozdílnou skladbou souvrství) a blízké meteorologické stanice. Ověřena byla schopnost dvou základních konceptuálních modelů predikovat odtok ze segmentů. Komplexnější jednorozměrný fyzikálně založený model S1D byl využit k simulaci hydrologického a tepelného režimu segmentů. Parametry modelů byly zjištěny inverzním modelováním. Využito bylo jednovrstvé a dvouvrstvé konceptualizace svislého řezu souvrství. Vytvořeny byly návrhové scénáře sledující vliv mocnosti substrátu a typu vegetace na hydrologický režim segmentů. Proveden byl rozbor některých vybraných aspektů fyzikálního modelování – intercepce dešťové vody na vegetaci, preferenční proudění vody a rozdělení evapotranspirace na výpar z půdy a transpiraci rostlin. Analýza dat prokázala velký význam zelenostřešní vegetace z hlediska zadržování dešťové vody, redukce odtoku a ochrany nižších vrstev před promrzáním. Pro okamžité zajištění těchto benefitů se ukázalo jako vhodné využití předpěstovaných rozchodníkových koberců. Srovnání konceptuálních modelů bylo provedeno v případě epizodického odtoku ze segmentů. Úspěšnějším v porovnání s kaskádou lineárních rezervoárů byl model nelineárního rezervoáru. Použitý fyzikální model byl schopen úspěšně simulovat nejen odtok, zachyceny byly také změny vlhkosti substrátu a související zásoby vody způsobené srážkovými epizodami a obdobími sucha. Vysoké míry shody bylo dosaženo mezi měřenou a simulovanou teplotou substrátu. Jako vhodná se ukázala dvouvrstvá konceptualizace, umožňující studování procesů probíhajících odděleně v substrátu a drenážní vrstvě. Návrhové scénáře odhalily výraznou citlivost střech s nižší vrstvou substrátu na druh použité vegetace. Jako účelné se jeví zpřesnění okrajových podmínek modelu uvažováním intercepce srážek a výparu z půdy, nebo zahrnutí preferenčního proudění.

Elements of urban green infrastructure are characterized by the use of anthropogenic soils. Specific are green roofs, which, due to their exposure to extreme climatic conditions, allow to obtain knowledge generalizable to other green infrastructure elements. A suitable tool for studying green infrastructure is the detailed analysis of measured data and mathematical modeling of their hydrological and thermal regime. The long-term field experiment is conducted on the roof of the University Centre for Energy Efficient Buildings, CTU in Prague. Hydrometeorological data from six experimental test beds of extensive green roofs (with an effective area of 1 m2 and different compositions) and a nearby meteorological station are collected and analyzed. The ability of two basic conceptual models to predict runoff from the segments was verified. The more complex one-dimensional physically-based model S1D was used to simulate the hydrological and thermal regime of the test beds. The parameters of the models were determined by inverse modeling. A one- and two-layer conceptualization of the vertical section of the layered system was used. Design scenarios were developed to observe the effect of substrate depth and vegetation type on the hydrological regime of the segments. Selected aspects of the physical modeling, i.e., rainwater interception on vegetation, preferential flow and partitioning of evapotranspiration into soil evaporation and plant transpiration, were analyzed. The analysis showed the great importance of green roof vegetation regarding rainwater retention, runoff reduction, and protection of lower layers from freezing. For the immediate provision of these benefits, pre-grown stonecrop carpets proved to be appropriate. A comparison of conceptual models was made in the case of episodic runoff from test beds. The non-linear reservoir model was more successful compared to the cascade linear reservoir model. The physical model used was able to successfully simulate runoff and capture changes in substrate moisture and associated water storage caused by rainfall episodes and droughts. A high degree of agreement was achieved between measured and simulated substrate temperature. A two-layer conceptualization proved appropriate, allowing the study of processes occurring separately in the substrate and the drainage layer. The design scenarios showed a high sensitivity of roofs with a thinner substrate layer to the type of vegetation used. Further refinement of the model's boundary conditions by considering the rainfall interception and soil evaporation, or the inclusion of preferential flow, appears to be appropriate.