ChapterPDF Available

Modellazione idrologico-idraulica dei tetti verdi

Authors:

Abstract and Figures

I tetti verdi possono rappresentare una valida soluzione per la gestione delle acque piovane urbane, che protegge, ripristina o imita il ciclo idrologico di pre-sviluppo (infiltrazione, percolazione, evaporazione, evapotraspirazione) che è stato modificato a seguito della crescente urbanizzazione. Al fine di capire come specifici sistemi a verde pensile rispondano ad eventi pluviometrici specifici sono richiesti strumenti di modellazione affidabili che consentano di ottimizzare le prestazioni dei sistemi a verde pensile su una vasta gamma di tipi di costruzione e in diverse condizione operative. In particolare in questo studio è stata condotta una revisione dello stato dell'arte sulla base di studi scientifici e progetti sperimentali volti alla valutazione dell'efficacia del verde pensile come strumento per la gestione sostenibile delle acque meteoriche.
Content may be subject to copyright.
© 2014 EdiBios
MODELLAZIONE IDROLOGICO-IDRAULICA DEI TETTI VERDI
G. Nigro, F. Principato, G. Garofalo, A. Ferrante,
F. Frega, M. Carbone, P. Piro
Dipartimento di Ingegneria Civile, Università della Calabria
Arcavacata di Rende 87036, Cosenza, (Italia)
SOMMARIO
I tetti verdi possono rappresentare una valida soluzione per la gestione delle acque
piovane urbane, che protegge, ripristina o imita il ciclo idrologico di pre-sviluppo (infil-
trazione, percolazione, evaporazione, evapotraspirazione) che è stato modificato a se-
guito della crescente urbanizzazione.
Al fine di capire come specifici sistemi a verde pensile rispondano ad eventi plu-
viometrici specifici sono richiesti strumenti di modellazione affidabili che consentano di
ottimizzare le prestazioni dei sistemi a verde pensile su una vasta gamma di tipi di co-
struzione e in diverse condizione operative.
In particolare in questo studio è stata condotta una revisione dello stato dell'arte sulla
base di studi scientifici e progetti sperimentali volti alla valutazione dell'efficacia del
verde pensile come strumento per la gestione sostenibile delle acque meteoriche.
283
1. Introduzione
L’intenso sfruttamento del territorio che ha accompagnato l’urbanizzazione
degli ultimi decenni, la realizzazione di grandi vie di comunicazione e
l’industrializzazione di sempre più ampie aree, ha comportato uno sconvolgi-
mento del ciclo idrologico naturale sia a livello locale (scala del bacino di dre-
naggio) che globale (scala dell’acquifero che lo stesso centro urbano sfrutta).
La diffusione delle superfici impermeabili in ambiente urbano - strade, par-
cheggi edifici - l'eliminazione di uno strato di suolo poroso e permeabile nel
quale può avere luogo l’infiltrazione, ed un appianamento degli avvallamenti
comunemente presenti sulle superfici naturali, sono tutti elementi che riducono
il naturale processo idrologico dell’infiltrazione dell’acqua nel suolo, fino ad
inibirlo in alcuni casi, determinando una rapida trasformazione delle acque di
precipitazione meteorica in deflussi superficiali, il cui smaltimento viene posto
totalmente a carico delle infrastrutture idrauliche per il drenaggio urbano.
Fig. 1 - Effetti dell'urbanizzazione sul ciclo idrologico naturale
L’infiltrazione rappresenta soltanto l’elemento preponderante - tra i diversi
processi che contribuiscono alle dinamiche del ciclo idrologico naturale - ad es-
sere inibito totalmente o parzialmente nelle condizioni ambientali tipiche degli
insediamenti antropici. Altri processi importanti, che risultano limitati in tali
condizioni, sono ovviamente costituiti dall’intercettazione, evaporazione, eva-
potraspirazione, ed alimentazione del deflusso sub-superficiale e profondo.
La scomparsa di ampie superfici vegetate e la conseguente riduzione degli
effetti esercitati dalla vegetazione sul bilancio idrologico - intercettazione e re-
stituzione all’atmosfera per evaporazione e traspirazione di parte della precipi-
tazione - si traduce pertanto in un aumento delle portate al colmo di piena e dei
volumi defluiti in rete.
Una moderna gestione dei deflussi idrici urbani prevede il ripristino delle
capacità di invaso e di infiltrazione distribuite sul territorio al fine di ridurre le
massime portate ed i volumi di deflusso. Nasce quindi l'esigenza di realizzare,
con attenta consapevolezza tecnica e scientifica, in un’ottica di sviluppo ambien-
284
Fig. 2 - Impatti idraulici dell'urbanizzazione
talmente sostenibile, sistemi semplici che ricreino puntualmente o in modo di-
stribuito sul territorio - almeno in parte - le condizioni idrogeologiche che carat-
terizzavano il bacino prima dell’urbanizzazione, e che siano rivolti ad ottenere:
l’invarianza idraulica: invarianza della Portata di Picco
l’invarianza idrologica: invarianza del Volume di piena
rispetto alle situazioni pre-urbanizzazione.
Fig. 3 - Invarianza Idraulica ed Idrologica
In generale, gli interventi strutturali e non strutturali indirizzati ad un parzia-
le ripristino della condizione di drenaggio “naturale" - citati nella letteratura in-
glese con l’acronimo SUDS (Sustainable Urban Drainage Systems) e nella lette-
ratura americana, con sottili differenze, “Low Impact Development” (LID) - ri-
chiedono grandi aree disponibili per la realizzazione di strutture di infiltrazione
ed immagazzinamento (trincee di infiltrazione, pozzi drenanti, vasche volano,
elementi di disconnessione), ovvero prevedono l’utilizzo di pavimentazioni
285
permeabili, fasce filtro inerbite, tetti verdi, ecc. Tra queste la tecnica del verde
pensile si inserisce a pieno titolo tra gli strumenti di mitigazione e compensa-
zione ambientale; in particolare, permette di contenere l’aumento delle tempera-
ture, attraverso l’evapotraspirazione e l’assorbimento della radiazione solare in-
cidente, di abbattere considerevolmente il ricircolo delle polveri inquinanti me-
diante la capacità di assorbimento e trattenuta delle stesse, di ridurre e controlla-
re gli afflussi ai sistemi di drenaggio mediante la ritenzione e la detenzione delle
acque meteoriche, di mitigare l’inquinamento acustico con la riduzione della ri-
flessione del suono all’esterno e della diffusione all’interno, ed infine di preser-
vare la biodiversità grazie alla creazione di nuovi ambienti di vita per animali e
piante.
Sfruttando gli ampi spazi disponibili sulle coperture a tetto altrimenti inuti-
lizzate (più del 40-50% delle superfici impermeabili nelle aree urbane (Dunnett
e Kingsbury, 2004)), le coperture a verde pensile possono essere applicate an-
che in ambienti urbani densamente edificati, avendo efficacia sulla relativa re-
gimazione idrica e ripristinando, almeno in parte, il ciclo naturale dell’acqua at-
traverso i processi di percolazione, infiltrazione, evaporazione dal suolo ed eva-
potraspirazione dalla vegetazione.
Operando in tal senso il tetto verde è di particolare interesse ambientale per
l’insieme dei benefici (non limitatamente idraulici ma termo-fisici, acustici,
ambientali, ecc.) che comporta alla scala del singolo edificio e del comprensorio
urbano circostante.
Diversi studi (Hutchinson et al., 2003; VanWoert et al., 2005; Moran et al.,
2005; Tillinger et al., 2006; Gnecco et al., 2009) hanno dimostrato che i tetti
verdi, grazie alla loro capacità di stoccaggio dell'acqua, permettono di controlla-
re efficacemente la generazione del deflusso superficiale alla fonte, riducendo
significativamente i volumi complessivi scaricati avendo un efficienza di riten-
zione che varia dal 40÷80% (Bengtsson et al., 2005), e che sono in grado di ri-
durre l’altezza di picco dell’idrogramma del 60÷80% (Getter et al., 2007), e di
rallentare il conferimento del picco stesso (dilatazione dei tempi di concentra-
zione) alla rete di drenaggio urbano. Tuttavia, la risposta idrologica del tetto
agli eventi di precipitazione è molto variabile ed è funzione non solo delle carat-
teristiche costruttive della copertura a verde adottata (spessore della stratigrafia,
caratteristiche tecnologiche di ogni singolo componente, pendenza) e del tipo di
vegetazione, ma anche delle condizioni meteo-climatiche e della diffusione del-
le coperture a verde pensile sul bacino.
2. Contributo dei tetti verdi nella regimazione delle acque meteoriche
Il controllo sulla generazione dei deflussi superficiali viene operato all'inter-
no dei substrati costituente la copertura attraverso la ritenzione e la detenzione
dei volumi di acque meteoriche. In particolare, il volume di ritenzione si ottiene
per immagazzinamento e dispersione in atmosfera per mezzo dell'evapotraspi-
razione, mentre il volume di detenzione e il ritardo del deflusso sono dovute al
286
relativamente lento rilascio di acqua piovana in eccesso che viene temporanea-
mente immagazzinata nei pori del substrato e dello strato drenante.
Focalizzando l'attenzione sull'infiltrazione idraulica e quindi sui processi che
generano il deflusso, l'obiettivo è quello di descrivere e governare tali processi
basati sulla riproduzione del movimento verticale dell'acqua nel terreno. Il ter-
reno immagazzina acqua fino a che non ha raggiunto la condizione di completa
saturazione ed inizia a svuotarsi quando le condizioni di umidità del suolo han-
no raggiunto la capacita di campo. Eventi di altezza inferiore alla capacita di
campo vengono completamente ritenuti dal sistema, mentre per eventi di altezza
superiore si ha una ritenzione che decresce al crescere dell’intensità di pioggia
(Prowell, 2006). La capacità di ritenzione raggiunge il 100% per eventi di bas-
sissima intensità e si riduce al crescere dell’intensità di pioggia.
Va ricordato, inoltre, che la capacita del verde pensile di immagazzinare tem-
poraneamente volumi di acqua meteorica è funzione del contenuto di umidità del
suolo a sua volta funzione del tempo secco tra due eventi meteorici successivi; se
tali intervalli sono abbastanza lunghi, il contenuto di umidità del suolo può rag-
giungere, per mezzo dell’evapotraspirazione e del consumo idrico operato dagli
apparati radicali, le condizioni di umidità residua. Per contenuti di umidità del
suolo inferiori alla capacita di campo non si ha scorrimento superficiale, mentre il
massimo contenuto d’acqua che può essere teoricamente immagazzinato in un
suolo è calcolabile come la differenza tra il volume occupato dall’acqua quando il
suolo si trova a completa saturazione ed il volume occupato dall’acqua quando il
suolo si trova nelle condizioni del punto di essiccamento.
In campo il massimo volume immagazzinato è rappresentato dalla differenza
dei volumi occupati dall’acqua nelle condizioni di completa saturazione e di
umidità residua. Per alti valori del contenuto di umidità del suolo oltre l’umidità
residua, la capacita di immagazzinamento del sistema si riduce notevolmente
(Moran et al., 2005).
La risposta di un tetto verde ad un evento meteorico subisce infine un ritardo
rispetto alla risposta delle coperture impermeabili, a causa del tempo impiegato
dall’acqua per muoversi verticalmente ed orizzontalmente nello strato drenante
(Bengtsson et al., 2005).
Come per la ritenzione dei volumi e la riduzione dell’altezza del picco
dell’idrogramma, il ritardo nel conferimento dell’idrogramma alla rete di dre-
naggio è funzione di molteplici fattori, tuttavia le maggiori differenze che si re-
gistrano nei ritardi sono imputabili al contenuto di umidità del suolo ed alla
pendenza della copertura, ovvero ai fattori che intervengono direttamente sulla
velocità di propagazione all’interno dei substrati; all’aumentare del contenuto di
umidità del suolo si riducono le resistenze all’interno dei meati ed al crescere
della pendenza della copertura, il contributo al moto della forza gravitazionale
diviene maggiore (Bengtsson et al., 2005).
Se finora gli studi in letteratura hanno focalizzato l'attenzione sull'infiltrazione
e sui processi che generano il deflusso, la nuova frontiera delle tecniche per il
drenaggio urbano sostenibile prevede la valorizzazione degli interventi che ampli-
ficano il contributo dell'evapotraspirazione in rapporto a quello dell'infiltrazione.
287
2.1 Fattori che influenzano la capacità di regimazione delle acque meteoriche
nei tetti verdi
La capacità di regimazione idrica dei tetti verdi e le dinamiche di deflusso
sono influenzate da diversi fattori che dipendono prevalentemente dalle caratte-
ristiche costruttive e progettuali dei tetti verdi (n. di strati e materiali, tipo di
suolo e suo spessore, pendenza della copertura, geometria del tetto, posizione ed
età della copertura) e dalle condizioni meteo-climatiche (caratteristiche dell'e-
vento di pioggia, periodi secchi antecedenti l'evento, clima, stagione).
Al fine di individuare macroclassificazioni efficaci che consentano di evi-
denziare alcuni fattori chiave per la caratterizzazione della risposta di un siste-
ma a verde pensile è necessario innanzitutto suddividere e valutare le esperienze
e i relativi risultati sperimentali con riferimento alle diverse scale spaziali e
temporali di evoluzione del fenomeno. Le scale spaziali di riferimento sono la
scala del "plot" (circa 1m2 di struttura a verde realizzata su supporto autonomo
all'aperto o in laboratorio), la scala del tetto e la scala del bacino urbano (Gnec-
co et al., 2009); se per le piccole scale ("plot" e singolo tetto) i fattori determi-
nanti della risposta sono l'umidità del suolo e lo spessore della stratigrafia, a
scala di bacino è la percentuale di copertura a verde rispetto alla superficie im-
permeabile ad essere determinante. Alle scale temporali brevi (scala d'evento) i
fattori che maggiormente giocano un ruolo importante nella generazione dei de-
flussi sono il contenuto di umidità del suolo e l'altezza di pioggia, mentre su
scala stagionale o annuale, l'evapotraspirazione e le caratteristiche costruttive
del sistema assumono un ruolo fondamentale. Solo una volta definite le scale
spaziali e temporali e le relative metodiche di analisi è quindi possibile forma-
lizzare i risultati attesi.
In generale i fattori che maggiormente influenzano la capacità di immagaz-
zinamento idrico sono lo strato colturale, lo strato drenante, la pendenza della
copertura e il tipo di vegetazione.
Strato colturale
È molto importante nella progettazione a verde pensile non prevedere l'uti-
lizzo di normali substrati per giardinaggio o terreno di coltivo, perché col passa-
re del tempo il terreno vegetale va incontro a delle modificazioni chimiche e fi-
siche che causano una serie di inconvenienti già a breve termine: compattamen-
to e conseguente asfissia radicale, sbilancio nel rapporto aria/acqua, peso eleva-
to in massima saturazione idrica, perdita della capacità drenante, scompensi nel-
la disponibilità di sostanze nutritive, sviluppo di diverse patologie.
Per il successo di qualsiasi sistema a verde pensile è necessario, quindi, im-
piegare e utilizzare esclusivamente un substrato colturale appropriato, specifica-
tamente progettato per supportare le piante nel rispetto di altri requisiti. Tale
strato deve possedere delle ben precise caratteristiche per la buona riuscita della
copertura vegetale, che si possono così sintetizzare (UNI11235/07): peso ridot-
to, anche in massima saturazione idrica; elevata permeabilità (Ks > 0.4 cm/s);
288
capacità di ritenzione idrica elevata e buona aerazione per lo sviluppo della co-
pertura vegetale; elevata capacità drenante e bilanciato rapporto aria/acqua a
massima saturazione idrica; ridotto compattamento nel tempo; giusta quantità di
sostanza organica; assenza di semi di infestanti; ottima resistenza al gelo; ed in-
fine una struttura chimico-fisica idonea a garantire stabilità per eventi meteorici
intensi.
Per ottenere tali caratteristiche il substrato è composto da una parte minerale
e da una percentuale di materia organica; i materiali normalmente impiegati per
formare la parte minerale sono costituiti da materiali vulcanici (lava e pomice)
che, a seconda della tipologia, sono presenti nel substrato circa dal 50% al 90%
in volume, e da torba e residui vegetali compostati per la parte organica (in per-
centuale non elevata) con rapporto carbonio-azoto inferiore a 30.
Particolare importanza viene anche data, nella produzione di questi substrati,
alle caratteristiche chimiche: come la salinità, il pH , la capacità di adsorbimen-
to e il potere tampone.
Strato drenante
Il requisito generale che deve essere richiesto a tale elemento è la capacità
drenante rispetto alle acque di origine meteorica o dovute all’irrigazione, ma in
alcuni casi tale elemento svolge anche la funzione di aerazione degli apparati
radicali e di accumulo idrico per la vegetazione.
Le tipologie correntemente utilizzate sono gli elementi prefabbricati (ele-
menti preformati, geosintetici), ma si possono altresì progettare strati drenanti
composti da aggregati granulari. Gli elementi prefabbricati, che vengono realiz-
zati in materiale plastico, o polietilene, presentano, a parità di spessore, capacità
drenanti nettamente superiori a quelle dei materiali sfusi con pesi più contenuti:
hanno il vantaggio della leggerezza e facilità di posa e di una buona resistenza
alla compressione, mantenendo contemporaneamente continuità ed efficacia di
drenaggio.
Per quanto riguarda la capacità drenante, il dimensionamento dei sistemi
drenanti in pannelli viene attualmente riferito ad una pioggia con intensità di
300 l/s x ha.
Pendenza
I diversi studi sull'influenza della pendenza sulla capacità di ritenzione del
deflusso nei tetti verdi hanno portato a risultati diversi: mentre alcuni studi non
trovano alcuna correlazione tra pendenza del tetto e deflusso (Bengtsson, 2005;
Mentens et al., 2006), altri osservano, invece, che la ritenzione del deflusso può
dipendere dalle pendenze (Getter et al., 2007; VanWoert et al., 2005; Villarreal
e Bengtsson, 2005). L'effetto della pendenza nella ritenzione del deflusso com-
bina con l'effetto di altri fattori come le proprietà fisiche del substrato, la durata
e l'intensità dell'evento di pioggia studiato e le condizioni del flusso (saturo o
insaturo), la progettazione dei diversi strati del tetto verde e la presenza o meno
di materiale o strato drenante.
289
Villarreal e Bengtsson (2005), hanno scoperto attraverso sperimentazioni che
la pendenza di un tetto verde non influenza i picchi di flusso e i volumi delle
acque piovane, e quindi la risposta del sistema per diversi eventi di pioggia, ma
che tuttavia la pendenza (e l'intensità di pioggia) influenza la ritenzione idrica
nel tetto verde: a pendenza minore corrisponde una maggiore ritenzione. Per di-
verse intensità di pioggia la ritenzione idrica del tetto dipendeva dalle pendenze:
pendenza del 2% ha mostrato una capacità di ritenzione doppia confrontata con
una pendenza del 14%.
Un risultato simile è stato trovato da Getter et al. (2007) che, per quantificare
l'effetto che la pendenza ha sulla ritenzione delle acque piovane in un tetto ver-
de, hanno analizzato la ritenzione delle acque piovane su tetti estensivi con 4
diverse pendenze. Gli eventi di pioggia sono stati classificati come leggeri (<2
mm), medi (2-10 mm) e forti (> 10 mm). Lo studio ha mostrato che il tipo di
pioggia e la pendenza, così come la loro interazione, sono significativi per la ri-
tenzione idrica. I tetti verdi hanno trattenuto in media l'80% delle precipitazioni;
la ritenzione media era più bassa (75%) per la pendenza maggiore e più alta
(85%) per quella minore. I valori di ritenzione erano più alti per piogge leggere
(94%) e più bassi per le piogge torrenziali (63%).
Anche VanWoert et al. (2005) per quanto riguarda l'influenza della pendenza
e l'altezza del substrato sulla conservazione del deflusso, hanno scoperto che per
tutte le categorie studiate (2% - 25mm, 2% - 40mm, 6,5% - 40mm, 6,5% -
60mm) la massima percentuale di ritenzione (87%) si è verificata per pendenza
del 2% e substrato alto 40 mm.
Vegetazione
Anche se le piante giocano un ruolo importante sulla prestazione idraulico di
un tetto verde come interfaccia tra il tetto verde stesso e l'ambiente circostante,
meccanismi alla base, come per esempio le interazioni tra suolo e sistema delle
radici delle piante, non sono ancora ben comprese. Pochi studi di letteratura
(Berretta et al. 2014; Schroll et al. 2011, Dunnett et al. 2008) hanno analizzato
in dettaglio le interazioni tra le singole componenti di un tetto verde e l'ambien-
te circostante per determinare l'effetto della vegetazione sul deflusso nel sotto-
suolo.
Il comportamento del sottosuolo è indirettamente influenzato dalla copertura
delle piante sul substrato, che è in grado di intrappolare una percentuale di vo-
lume di precipitazioni, quindi disponibile per evaporazione potenziale (Dunnett
et al., 2008). Dunnett et al., 2008 hanno dimostrato che le caratteristiche della
vegetazione, come l'altezza e la struttura, influenzano la ritenzione del deflusso
e i modelli per un tetto verde.
La riduzione complessiva del deflusso nel sottosuolo è leggermente influen-
zata dalla capacità di ritenzione del substrato, ma più significativamente dai fe-
nomeni di evapotraspirazione dovuti alla vegetazione. Infatti, la componente
vegetale non solo ricopre un ruolo importante in termini di maggiore qualità
dell'habitat, estetica, mitigazione dell'inquinamento atmosferico, ma anche nella
290
formazione del deflusso sub-superficiale e quindi, nel rendimento idraulico
complessivo di un tetto verde.
La presenza delle piante incide anche sulla conduttività idraulica del substra-
to a causa dell'apparato radicale che genera percorsi preferenziali attraverso il
suolo (Beven e Germann, 1982; Getter et al., 2007). Infatti, a causa delle radici
vive o decomposte e ai cambiamenti nel contenuto di sostanza organica derivata
dalla decomposizione delle radici stesse, può aumentare nel substrato la presen-
za di spazi e pori (Beven e Germann, 1982); questo aumento della porosità ac-
cresce il flusso preferenziale nei macropori attraverso il substrato con un conse-
guente aumento del contenuto idrico e, quindi, un rapido movimento di acqua.
Studi di letteratura hanno inoltre dimostrato che l'influenza della vegetazione
sulle prestazioni delle acque piovane è fortemente dipendente dalle condizioni
climatiche (Schroll et al., 2011). Schroll et al. (2011) hanno mostrato che duran-
te la stagione invernale, fredda e piovosa, la vegetazione non ha avuto un'in-
fluenza significativa sulla conservazione delle acque piovane, mentre durante
l'estate la ritenzione complessiva è stata significativamente alta. Inoltre, mentre
per gli eventi di tempesta più piccoli la vegetazione ha elevata capacità di inter-
cettazione, per i grandi eventi l'apparato radicale genera percorsi di flusso prefe-
renziali che aumentano il deflusso sub-superficiale: questi risultati suggeriscono
che la vegetazione deve essere selezionato per ottimizzare i propri compromessi
e conflitti in base al clima regionale.
3. La modellazione dei tetti verdi
Le considerazioni fatte finora suggeriscono che se i tetti verdi devono essere
ampiamente distribuiti come parte delle strategie di gestione delle acque piova-
ne, è fondamentale capire come specifici sistemi di copertura rispondano ad
eventi pluviometrici specifici; questo richiede strumenti di modellazione affida-
bili che consentano di ottimizzare le prestazioni dei sistemi a verde pensile su
una vasta gamma di tipi di costruzione e in diverse condizione operative. La
modellazione del comportamento idrologico delle coperture a verde risulta
quindi essere un compito complesso poiché le variabili che descrivono il siste-
ma sono sia di tipo abiotico (tipologia del substrato, spessori) che di tipo biotico
(specie vegetali, composizione chimica dei substrati nutritivi, disponibilità di
acqua).
Pochi studi hanno finora analizzato e costruito modelli per prevedere l'effi-
cienza idraulica di un tetto verde al fine di valutare i potenziali benefici del si-
stema e, soprattutto in Italia e nello specifico in ambiente Mediterraneo, studi
scientifici e progetti sperimentali volti a valutare l'efficacia dei tetti verdi come
strumento di drenaggio urbano sostenibile, sono scarsi.
I metodi utilizzati in letteratura per valutare i benefici ambientali e le presta-
zioni idrologiche (in termini di volume totale e riduzione del picco di flusso) di
un sistema a verde pensile sono diversi e variano dalle semplici relazioni empi-
riche, agli schemi modellistici concettuali, ai modelli fisicamente basati.
291
Le relazioni empiriche analizzano i dati di letteratura suddividendoli oppor-
tunamente in base alle scale temporali di riferimento ed hanno l’obiettivo di in-
dividuare correlazioni significative tra altezza e durata di pioggia, spessore del
substrato, pendenza della copertura, tempo secco antecedente, ecc. I risultati so-
no relazioni polinomiali che consentono di calcolare il volume di scorrimento
sub-superficiale complessivo in un assegnato intervallo di tempo, i volumi trat-
tenuti o i ritardi nell’arrivo del picco in funzione delle variabili ritenute signifi-
cative per la caratterizzazione del processo (Palla e Lanza, 2009).
I modelli concettuali considerano i fenomeni oggetto di studio simili ad altri,
anche se differenti dal punto di vista fisico, ma adeguati a fornire risposte soddi-
sfacenti. In generale nell’ambito dei deflussi urbani i modelli concettuali fanno
riferimento alla sola legge di conservazione della massa e schematizzano il ba-
cino e la rete fognaria come un insieme di strutture idrauliche elementari, quali
serbatoi e canali, connesse in modo vario. Gli schemi modellistici impiegati so-
no il metodo razionale, il modello a serbatoio lineare ed il metodo del Curve
Number.
Nei modelli fisicamente basati vengono studiati, talvolta anche con molto
dettaglio, i diversi fenomeni fisici, tenendo conto della loro variabilità spazio-
temporale. Questi modelli nel campo dei deflussi urbani si basano sulla legge di
conservazione della massa e della conservazione della quantità di moto.
Gli approcci rigorosi, che affrontano la formulazione del campo di moto per
l’infiltrazione in mezzo insaturo attraverso soluzioni dell’equazione di Richards
generalmente integrata sulla verticale, sono meno diffusi.
3.1 I modelli in letteratura
La maggior parte dei modelli esistenti si basano su relazioni empiriche, ge-
neralmente elaborate su serie estese di dati sperimentali al fine di individuare
qualche correlazione significativa tra il deflusso del sottosuolo e la profondità e
durata delle precipitazioni (Mentens et al., 2006).
Più nello specifico alcuni autori hanno limitato la loro indagine per valutare
la portata di punta rilasciata da un tetto verde applicando equazioni di deflusso
dei bacini idrici, sulla base del Curve Number (CN) o coefficiente razionale.
Moran et al. (2005) hanno ricavato un coefficiente razionale di 0.5 per 10 diver-
si eventi di pioggia. Cater e Jackson (2006) hanno utilizzato il metodo Curve
Number (CN) del Soil Conservation Service (SCS), come modello di infiltra-
zione e di deflusso per testare l'impatto del tetto verde a differenti scale spaziali.
Getter et al. (2007) hanno ricavato un CN variabile tra 85-90 per i tetti verdi con
diverse pendenze. Hollander (2007) ha utilizzato un metodo di Green-Ampt
modificato ed un modello fisico per ricercare l'effetto di implementazioni dei
tetti verdi.
Altri autori, per la simulazione dei comportamenti idrologici e idraulici dei
tetti verdi, hanno invece proposto i modelli concettuali, tra cui i modelli a serba-
toi lineari, che vengono utilizzati per testare l'impatto del tetto verde a differenti
292
scale spaziali. La risposta del sistema multistrato viene generalmente schema-
tizzata con una combinazione di serbatoi lineari posti in cascata ciascuno dei
quali interpreta il comportamento di uno strato specifico (Zimmer e Geiger,
1997).
Nello specifico Palla et al. (2008), ipotizzando diversi scenari di applicazio-
ne dei tetti verdi estensivi in un tessuto urbanizzato, hanno dimostrato che l'uso
di coperture a verde pensile anche solo per il 10% del totale delle coperture può
ridurre significativamente i picchi di flusso dal 5% fino al 51 % nel caso in cui
la diffusione dei tetti verdi raggiunga il 100%.
Berthier et al. (2010) hanno presentato uno studio preliminare su un modello
che utilizza approcci di bilancio di massa per simulare l'equilibrio idrico dei tetti
verdi. Il modello concettuale sviluppato è più accurato nel riprodurre le osserva-
zioni (il volume delle precipitazioni e la profondità dell'acqua nel substrato),
quando aumenta la scala tempo; le prestazioni del modello sono molto sensibili
ai parametri di input, capacità di campo, punto di appassimento e il numero di
serbatoi selezionati nel processo di modellazione.
Fig. 4 - Struttura del modello concettuale sviluppato da Berthier et al., 2010
Carbone et al. (2013) hanno utilizzato un modello concettuale che idealizza
il tetto verde come un sistema costituito da tre singole componenti in serie,
ognuna caratterizzata da uno specifico processo idrologico e idraulico. Ad ogni
blocco viene applicata un'equazione di bilancio di massa che tiene in conto i fe-
nomeni fisici della specifica componente. Lo strato superficiale (vegetativo) è
concettualizzato come un sottobacino, in cui i volumi infiltrati vengono calcola-
ti usando l'equazione di Green-Ampt; nel substrato, modellato come un acquife-
ro, si genera il moto di percolazione dell'acqua che diventa input per lo strato
drenante, configurato come un serbatoio, il cui comportamento idraulico è de-
scritto da una legge di efflusso a stramazzo. Infine per tener conto dell’effetto di
ritardo è stata introdotta una condotta con lunghezza equivalente, facendo rife-
rimento al metodo dell’onda cinematica per il moto all’interno della stessa. I ri-
293
sultati hanno dimostrato che il modello sovrastima i volumi effluenti rispetto ai
dati misurati; questo perché il modello basato su Green-Ampt non è in grado di
stimare i processi d’imbibizione e la capacità di accumulo del substrato.
Per stimare l'ermeticità di un tetto verde - che si comporta come permeabile
prima della saturazione e come impermeabile dopo la saturazione - e valutare,
quindi, l'impatto idrologico all'interno di uno spartiacque urbano, Lamera et al.
(2013) hanno adottato un modello semplificato a secchio per simulare i flussi
d'acqua negli strati di terreno e generare così un rapporto afflussi-deflussi per un
singolo tetto verde. Per semplificare la parametrizzazione del modello, basato
sui processi fisici che influenzano la risposta piovana del tetto verde, il modello
a secchio adottato simula concettualmente il regime di funzionamento idrico del
suolo.
Carbone et al. (2014) hanno poi proposto un modello concettuale in ambien-
te SWMM per dimostrare i benefici idrologici delle coperture a verde imple-
mentati in un bacino urbano. Il modello idealizza il tetto verde come un sistema
realizzato da tre componenti in serie (subcatchment, soil layer, storage layer),
ognuna caratterizzata da uno specifico processo idrologico ed idraulico.
Fig. 5 - Schematizzazione del tetto verde in SWMM (Carbone et al., 2014)
Ad ogni componente è applicata la legge del bilancio di massa ed il flusso è
governato dalle equazioni di Richards. Il modello è stato validato con i dati os-
servati da una campagna di monitoraggio che ha riguardato anche le grandezze
climatiche e termo-fisiche. I risultati ottenuti hanno dimostrato che un approccio
distribuito nell’implementazione dei tetti verdi in un bacino fortemente urbaniz-
zato, può dare una risposta efficace nella gestione dei volumi di piena e delle
portate di picco durante eventi di pioggia estremamente intensi.
294
Approcci più sofisticati, e molto meno diffusi, proposti in letteratura sono i
modelli meccanicistici come HYDRUS-1D (Hilten et al., 2008; Palla et al.,
2009, 2012) e SWM-2D (Palla et al., 2009, 2012), sulla base dell'equazione di
Richards 'e le funzione di Van Genuchten-Mualem, che disciplinano l'equazione
di flusso nelle due forme tridimensionali. Gli studi di questi modelli, comune-
mente usati per prevedere il trasporto dell'umidità del suolo nei tetti verdi, han-
no dimostrato che la profondità della piovosità impatti significativamente le
prestazioni del sistema, fornendo ritenzione completa per piccoli eventi e deten-
zione per tempeste più grandi. D'altra parte, modelli fisici, pur essendo teorica-
mente complesso, sono indipendenti dalle specifiche condizioni al contorno del
sito sperimentale che consente di raggiungere conclusioni generali basate su fe-
nomeni fisici.
Più nel dettaglio Hilten et al. (2008) hanno condotto uno studio sull'efficacia
dei tetti verdi nel ridurre il deflusso delle acque piovane utilizzando il modello
HYDRUS-1D sulla base della previsione del trasporto di umidità del suolo. Lo
studio ha dimostrato che la profondità delle precipitazioni influisce significati-
vamente sulle prestazioni del sistema, fornendo una ritenzione completa per
piccoli eventi e detenzione per piogge più grandi.
Fig. 6 - Struttura del modello concettuale a serbatoi lineari (a) e del modello meccani-
cistico per l'infiltrazione (b). (Palla et al., 2009,2012)
295
Palla et al. (2009, 2012) hanno utilizzato due diversi approcci modellistici: il
modello Hydrus-1D - basato sulla legge di Richards nella forma uni-dimensionale
del flusso d'acqua e le funzioni di Van Genuchten-Mualem - è stato in grado di pre-
vedere con precisione il processo di infiltrazione e i profili di contenuto d'acqua
all'interno del sistema a verde pensile; un modello concettuale, a limitato numero di
parametri, in cui tre serbatoi lineari vengono utilizzati per simulare la percolazione
nel terreno colturale e il drenaggio dalla zona satura a quella insatura.
She e Pang (2010) hanno costruito un modello fisicamente basato per simu-
lare il movimento dell'acqua piovana nel terreno del tetto verde.
4. Conclusioni
Nell’ambito della valutazione dei benefici ambientali (ad es. prevenzione dei
fenomeni di inondazione, e riduzione dell’impatto sugli impianti di trattamento)
è necessario ampliare l’orizzonte spaziale di analisi, dalla scala del singolo edi-
ficio alla scala dell’intero comprensorio urbano.
I sistemi di drenaggio urbano sostenibile, e nello specifico le coperture a
verde, sono in grado di ridurre in modo significativo il deflusso delle acque pio-
vane in termini di riduzione di volume defluito, attenuazione del picco e aumen-
to del tempo di concentrazione, risultando ancor più efficaci quando vengono
installati nel tessuto urbano in sinergia con altre soluzioni tecnologiche quali ad
esempio le pavimentazioni permeabili, le fasce filtranti inerbite, gli stagni per la
detenzione, ecc.
Le esperienze riportate in letteratura (Villareal et al., 2004) mostrano che la
diffusione di installazioni a verde pensile a scala spaziale del bacino urbano
rappresenta un efficace strumento per la prevenzione dei fenomeni di allagamen-
mento delle aree urbane e per la riduzione dell’impatto delle acque meteoriche
sugli impianti di trattamento delle acque reflue e sui corpi idrici ricettori.
I risultati quantitativi ottenuti dalle simulazioni modellistiche confermano la
possibilità di impiegare i sistemi a verde pensile quale efficace strumento per la
regimazione delle acque meteoriche, e per la mitigazione del rischio di fallanza
delle reti di drenaggio urbano e di allagamento nelle aree urbanizzate.
In particolare, il verde pensile costituisce una moderna tecnica di controllo
della formazione dei deflussi superficiali in grado di affiancare e migliorare le
soluzioni tradizionali volte alla semplice raccolta e convogliamento delle acque
meteoriche dalle superfici impermeabili.
Al fine di individuare macroclassificazioni efficaci che consentano di evi-
denziare alcuni fattori chiave per la caratterizzazione della risposta di un siste-
ma a verde pensile è necessario suddividere e valutare le esperienze e le relative
risultanze sperimentali con riferimento alle diverse scale spaziali (scala di baci-
no, singola copertura) e temporali (scala d'evento, stagionale o annuale) di evo-
luzione dei fenomeni osservati. (Palla e Lanza, 2009)
È dunque possibile identificare il verde pensile non solo quale strumento di
mitigazione e compensazione ambientale in generale, ma di promuoverlo nello
specifico quale soluzione di drenaggio urbano sostenibile per il ripristino dei
296
processi fondamentali del ciclo idrologico naturale nell’ambiente urbano
(“hydrologic restoration”).
Ringraziamenti. Il presente lavoro è cofinanziato con fondi del Progetto di ricerca
PON01_02543 “Servizio di gestione integrata e sostenibile del ciclo acqua – energia
nei sistemi di drenaggio urbano”. Gli autori sono i soli responsabili di questo lavoro e il
MIUR declina ogni responsabilità sull’uso che potrà essere fatto delle informazioni in
esso contenute.
Bibliografia
1. Bengtsson L., Grahn L., and Olsson J. (2005) - Hydrological function of a thin ex-
tensive green roof in southern Sweden - Nordic Hydrology, 36, 259-268.
2. Bengtsson, L. (2005) - Peak flows from thin sedum-moss roof - Nordic Hydrology,
36 (3), 269–280.
3. Berndtsson J.C. (2010) - Green roof performance towards management of runoff
water quantity and quality: a review - Ecological Engineering 36, 351-360
4. Berretta C., Poë S., Stovin V. (2014) - Moisture content behaviour in extensive
green roofs during dry periods: The influence of vegetation and substrate character-
istics - Journal of Hydrology 511, 374–386. doi:10.1016/j.jhydrol.2014.01.036
5. Berthier E., de Gouvello B., Archambault F., Gallis D. (2010) - Bilan hydrique des
toitures végétalisées: vers de meilleures compréhension et modélisation - TSM n. 6,
2010, pp. 39-47.
6. Beven K., Germann P. (1982) - Macropores and water flow in soils - Water Re-
sources Research, 18, 1311–1325. doi:10.1029/WR018i005p01311
7. Carbone M., Garofalo G., Nigro G., Piro P. (2014) - A conceptual model for predict-
ing hydraulic behaviour of a green roof - Procedia Engineering, pp. 266-274
8. Carbone M., Turco M., Nigro G., Piro P. (2014) - Modeling of hydraulic behaviour
of green roof in catchment scale - 14th International Multidisciplinary Scientific Ge-
oConference SGEM 2014, in press
9. Carter T.L., Jackson C.R. (2006) - Vegetated roofs for stormwater management at
multiple spatial scales - Landscape Urban Planning, 80 (1-2), pp.84-94.
10. Dunnett N., Kingsbury N. (2004) - Planting Green Roofs and Living Walls - Timber
Press, Portland.
11. Dunnett N., Nagase A., Booth R. (2008) - Influence of vegetation composition on
runoff in two simulated green roof experiments - Urban Ecosyst 11:385–398.
doi:10.1007/s11252-008-0064-9
12. Getter K. L., Rowe D. B., and Andresen J. A. (2007) - Quantifying the effect of
slope on extensive green roof stormwater retention - Ecological Engineering, 31,
225-231.
13. Gnecco I., Palla A., Lanza L.G. (2009) - Il verde pensile: regimazione e depura-
zione delle acque meteoriche - IA Vol. XXXVIII, n.3, pp.79-89 Ed. CIPA, Milano.
14. Hilten R.N., Lawrence T.M., Tollner E.W. (2008) - Modeling stormwater runoff
from green roofs with HYDRUS-1D - Journal of Hydrology, 358(3), pp.288-29.
15. Hollander D.A. (2007) Mathematical rainfall/runoff modeling methods for green
roofs and their applications - Thesis Master.
16. Hutchinson D., Abrams P., Retzlaff R., Liptan T. (2003) - Stormwater monitoring
two ecoroofs in Portland, Oregon, USA - Proceedings Greening Rooftops for Sus-
tainable Communities, Chicago, Illinois, USA, 29-30 May.
297
17. Lamera C., Becciu G., Rulli M.C., Rosso R. (2013) - Green roofs effects on the ur-
ban water cycle components - Atti del 12th International Conference on Computing
and Control for the Water Industry, 2-4 Settembre, Perugia, Italy: CCWI201
18. Mentens J., Reas D., Hermy M. (2006) - Green roofs as a tool for solving the rain-
water runoff problem in the urbanized 21st century? - Landscape Urban Planning,
77 (3), pp. 217-226.
19. Moran A., Hunt B., Smith J. (2005) - Hydrologic and water quality performance
from green roofs in Goldsboro and Raleigh, North Carolina - Proceedings Greening
Rooftops for Sustainable Communities: Washington D.C., Washington D.C., 4-6
May 2005.
20. Palla A., Berretta C., Lanza L.G., La Barbera P. (2008) - Modelling storm water
control operated by green roofs at the urban catchment scale - 11th International
Conference on Urban Drainage, Edinburgh, Scotland, UK.
21. Palla A., Gnecco I., and Lanza L. G. (2012) - Compared performance of a concep-
tual and a mechanistic hydrologic models of a green roof - Hydrological Processes,
26 (1), p. 73-84.
22. Palla A., Lanza L.G. (2009) - Installazioni a verde pensile in area urbana per il con-
trollo della formazione dei deflussi superficiali - L'Acqua, n.1, pp. 19-32
23. Palla A., Lanza L.G., La Barbera P. (2008) - A green roof experimental site in the
Mediterranean climate -11th International Conference on Urban Drainage, Edin-
burgh, Scotland, UK
24. Palla, A. Gnecco, I. Lanza, L.G. (2009) - Unsaturated 2-D modelling of subsurface
water flow in the coarse-grained porous matrix of a green roof - Journal of Hydrol-
ogy, 379(1-2): 139-204.
25. Prowell, E.S. (2006) - An Analysis of Stormwater Retention and Detention of Modu-
lar Green Roof Blocks, Master’s thesis, University of Georgia, Department of Forest
Resources.
26. Schroll E., Lambrinos J., Righetti T., Sandrock D. (2011) - The role of vegetation in
regulating stormwater runoff from green roofs in a winter rainfall climate - Ecolog-
ical Engineering 37, 595–600. doi:10.1016/j.ecoleng.2010.12.020
27. She N., Pang J. (2010) - Phisically Based Green Roof Model - Journal of Hydrologic
Engineering, 15, pp.458-464.
28. Tillinger D., Ostroff G., Beattie D., Berghage R., Mankiewicz P., Montaldo F.
(2006) - Hydrologic Functions of Green Roofs in New York City - Green Roofs in
the New York Metropolitan Region: Research Report, Columbia University Center
for Climate Systems Research and NASA Goddard Institute for Space Studies,
pp.27-36.
29. UNI 11235. (2007) - Istruzioni per la progettazione, l'esecuzione, il controllo e la
manutenzione di coperture a verde.
30. VanWoert N.D., Rowe D.B., Andresen J.A., Rugh C.L., Fernandez R.T., Xiao L.
(2005) - Green Roof Stormwater Retention: Effects of Roof Surface, Slope, and Me-
dia Depth - Journal of Environmental Quality, 34(3), May, pp. 1036-44.
31. Villarreal E.L., Semadeni-Davies A., & Bengtsson L. (2004) - Inner city stormwater
control using a combination of best management practices - Ecological Engineering,
22, p.279-298
32. Villarreal E.L., Bengtsson L. (2005) - Response of a sedum green-roof to individual
rain events - Ecological Engineering 25, 1-7.
33. Zimmer U., Geiger W.F. (1997) - Model for the design of multi-layered infiltration
systems - Water Science & Technology, 36 (89), 301306.
298
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Article
Full-text available
The runoff from and the water balance of a thin extensive green roof with sedum-moss have been studied. The soil cover is about 3 cm underlain by a thin drainage layer. The water balance is determined on a monthly basis. The runoff from the green roof is much reduced compared to runoff from hard roofs because of evapotranspiration. The annual runoff is rather close to that of natural river basins. Although most rainy days there is no or little runoff from the roof, the highest observed daily runoff values are close to the daily rainfall. Runoff is initiated when the soil is at field capacity, which for the studied roof corresponds to 9 mm storage. After that, on a not very short time basis, the runoff equals the precipitation. The reduction of the daily runoff can be described in a simple way knowing the daily precipitation, potential evaporation and storage capacity of the green roof.
Article
Full-text available
In urban environment green roof represents a sustainable solution for mitigating rainfall-runoff volumes delivered to combined sewer systems. Despite numerous studies have been focusing on long-term monitoring of green roof in urban watersheds, few literature has analysed and built models for predicting the hydraulic efficiency of a green roof. This study proposes a conceptual model to predict the hydraulic behaviour of a small-scale physical model of a green roof. The model green roof is idealized as a system consisting of three individual components in series. Each component is subjected to different hydrologic and hydraulic processes and therefore, is treated as a separate module. A mass balance equation is applied to each component, taking into account the specific phenomena occurring in each module. The model is loaded by a series of constant rainfall intensities. The physical model testing is also performed. Results demonstrate the model is accurately able to predict the hydraulic behaviour of the system as compared to measured data. In future research study this model will be applied to long-term basis simulations.
Article
Evapotranspiration (ET) is a key parameter that influences the stormwater retention capacity, and thus the hydrological performance, of green roofs. This paper investigates how the moisture content in extensive green roofs varies during dry periods due to evapotranspiration. The study is supported by 29 months continuous field monitoring of the moisture content within four green roof test beds. The beds incorporated three different substrates, with three being vegetated with sedum and one left unvegetated. Water content reflectometers were located at three different soil depths to measure the soil moisture profile and to record temporal changes in moisture content at a five-minute resolution. The moisture content vertical profiles varied consistently, with slightly elevated moisture content levels being recorded at the deepest substrate layer in the vegetated systems. Daily moisture loss rates were influenced by both temperature and moisture content, with reduced moisture loss/evapotranspiration when the soil moisture was restricted. The presence of vegetation resulted in higher daily moisture loss. Finally, it is demonstrated that the observed moisture content data can be accurately simulated using a hydrologic model based on water balance and two conventional Potential ET models (Hargreaves and FAO56 Penman–Monteith) combined with a soil moisture extraction function. Configuration-specific correction factors have been proposed to account for differences between green roof systems and standard reference crops.
Article
The runoff from real 3 cm thick sedum-moss roofs and from laboratory roof plots in southern Sweden is measured and analysed. Real rains and artificial storms are used for the analysis. The probability of high runoff is compared with the probability of high precipitation intensity. Intensity-duration-frequency curves for runoff are derived and it is found that the runoff of 1.5 year return period corresponds to rain of 0.4 year return period. The storage of water in the soil-vegetation cover on the roof is determined. The storage at field capacity, when runoff is initiated, is about 9 mm. Water in excess of that is temporary stored during storms. The runoff distribution during prolonged storms can be related to the mean rain intensity over 20-30 min. The influence of the slope and length of the roof on the runoff peak is investigated as is the effect of the drainage layer. Neither slope nor length seems to significantly influence the runoff distribution, which indicates that the vertical percolation process through the vegetation and the soil dominates the rainfall-runoff process. The presence of a drainage layer below the soil results in somewhat faster runoff compared to when there is no drainage layer, and thus results in an increased runoff peak.
Conference Paper
In the last decades the increase of urbanization has drastically modified the hydrological cycle; in particular, while the extension of impervious surface has increased the runoff and hence, the potential for flooding, the reduction of green areas has caused the formation of urban heat island and consequently, the increase of the energy demand. Another negative effect of urbanization has been a severe decline of biodiversity. In this context a comprehensive land planning and engineering design approach with a goal of maintaining are needed to restore pre-development hydrologic regime of urban and developing watersheds. At the University of Calabria GIs were designed and built to develop a sustainable approach example of university campus; the project is called “Urban Water Park”. The park consists of a green roof, a permeable pavement and a biofiltration system. From the hydraulic point of view the parameters retrieved are rainfall, influent and effluent flow rates, humidity and water content in the soil substrate. For each facility the main pollutant (eg. TSS, heavy metal, PAH, COD) are monitored. From a thermo-physical point of view temperature and solar parameters are measured. Green roof techniques are increasingly becoming popular among the Low Impact Developments (LIDs) techniques for urban runoff management. Of particular interest is the rooftop runoff management on large time scales (eg. annual). Several studies have shown that green roofs allow to effectively control the generation of surface runoff, significantly reducing the overall discharged volumes (40% to 80%) as well as slowing the contribution to the urban drainage network. This study proposes a conceptual model based on the SWMM model to predict the hydrological benefit of a green roof in a large watershed for daily simulation. The model idealizes the green roof as a system consisting of three individual components in series, each characterized by a specific process hydrological and hydraulic. A mass balance equation is applied to each block, taking into account the specific physical phenomena occurring in each module, and the flow is governed by Richards equations. The model is validated with the data observed from the monitoring campaign (climatic, thermal-hydraulic parameters) of a full-scale green roof characterized by different drainage layers and vegetation species. This study aims to provide quantitative information about the hydraulic performance of green roofs in large watershed for daily series of rainfall, and to identify the most sensitive parameters, such as retained volume, runoff delay for modeling the hydraulic behaviour. The results show that the ability of water regulation is a function of weatherclimatic conditions, plant species and green roof design characteristics.
Article
Evapotranspiration (ET) is a key parameter that influences the stormwater retention capacity, and thus the hydrological performance, of green roofs. This paper investigates how the moisture content in extensive green roofs varies during dry periods due to evapotranspiration. The study is supported by 29 months continuous field monitoring of the moisture content within four green roof test beds. The beds incorporated three different substrates, with three being vegetated with sedum and one left unvegetated. Water content reflectometers were located at three different soil depths to measure the soil moisture profile and to record temporal changes in moisture content at a five-minute resolution. The moisture content vertical profiles varied consistently, with slightly elevated moisture content levels being recorded at the deepest substrate layer in the vegetated systems. Daily moisture loss rates were influenced by both temperature and moisture content, with reduced moisture loss/evapotranspiration when the soil moisture was restricted. The presence of vegetation resulted in higher daily moisture loss. Finally, it is demonstrated that the observed moisture content data can be accurately simulated using a hydrologic model based on water balance and two conventional Potential ET models (Hargreaves and FAO56 Penman–Monteith) combined with a soil moisture extraction function. Configuration-specific correction factors have been proposed to account for differences between green roof systems and standard reference crops.
Article
Extensive green roofs composed of a thin layer of growing medium topped with vegetation can significantly reduce both the timing and magnitude of stormwater runoff relative to a typical impervious roof. However, regional climatic conditions such as seasonality in rainfall and potential evapotranspiration could strongly alter the stormwater performance of green roofs. In this study we evaluate the stormwater performance of green roofs in the predominately winter rainfall climate of the U.S. Pacific Northwest. We also test whether the amount of irrigation used to maintain green roof vegetation in a seasonally dry climate such as the Pacific Northwest influences stormwater performance. We monitored stormwater performance over one year for sets of experimental roofs constructed using three designs: a conventional impervious design, a medium-only design, and a typical extensive green roof design that included vegetation. During the winter rainy season vegetation had no significant influence on stormwater retention; medium-only and vegetated roofs reduced stormwater runoff nearly identically relative to the impervious roofs. In contrast, during summer vegetated roofs retained significantly more rainfall than medium-only roofs, although this effect depended strongly on the size of the rain event. In addition, total relative retention for both roof types was significantly higher during summer than during winter. Irrigation significantly reduced summer retention capacity of both medium-only and planted roofs, but only during the largest dry season rain event. These results suggest that cool wet season climates such as the Pacific Northwest are challenging ones for green roof stormwater performance. In order to optimize stormwater benefits of green roofs, designers should create explicitly regional designs that include plant selections better matched to the specific environmental and management constraints.
Article
Infiltration and retention of rain water are used to reduce the runoff peaks in the sewerage system and in the receiving waters. At the University of Essen the efficiency of green roofs and porous pavements has been investigated. A mathematical model has been applied which allows a fast simulation for the runoff and respectively for the seepage. For linear systems the Fourier transform allows the calculation of transfer functions from measured data. (C) 1997 IAWQ. Published by Elsevier Science Ltd.
Article
Ecoroofs, long used in Europe to reduce stormwater runoff from rooftops, are beginning to be installed in North America. When the City of Portland, Bureau of Environmental Services (BES) began considering ecoroofs for stormwater management, no applicable performance data could be located. To generate region-specific data, BES initiated a monitoring project of an apartment building vegetated with two different ecoroofs. After over two years of water quality monitoring and over a year of flow monitoring, some impressive performance has been measured. Precipitation retention has been calculated at 69 % for the 4-5 inch ecoroof substrate section and nearly all of the rainfall is absorbed during dry period storm events. Stormwater detention and peak intensity attenuation has also been impressive even when the roof was saturated during winter months. Some water quality benefits have proven more difficult to quantify but important water quality lessons have been learned. In situations where a receiving water system may be sensitive to certain pollutants, substrate composition will be an important consideration in the ecoroof design. Our work to date has proven that ecoroofs can be an effective urban stormwater management tool. The next major endeavor will be to apply this information to system modeling efforts to determine hydrologic and hydraulic infrastructure and stream benefits that may be achieved. This information is also expected to assist bureau managers, planners, engineers and elected officials with policy decisions, such as zoning density bonuses, infrastructure designs, drainage fee discounts, and code compliance.