Hydrological modelling of extensive green roofs in temperate climates

In the last decades the importance of storm water management in urban areas has increased considerably, due to both urbanization extension and to a greater concern for environment pollution. Traditional storm water control practices, based on the “all to the sewer” attitude, rely on conveyance to route storm water runoff from urban impervious surfaces towards the nearby natural water bodies. In recent years, infiltration facilities are receiving an increasing attention, due to their particular efficiency in restoring a balance in hydrological cycle quite equal to quite pre-urbanization condition. In particular, such techniques are designed to capture, temporarily retain and infiltrate storm water, promote evapotranspiration and harvest water at the source, encouraging in general evaporation, evapotranspiration, groundwater recharge and the re-use of storm water. Green roofs are emerging as an increasingly popular Sustainable Urban Drainage Systems technique for urban storm water management. Indeed, they are able to operate hydrologic control over storm water runoff: they allow a significant reduction of peak flows and runoff volumes collected by drainage system, with a consequent reduction of flooding events and pollution masses discharges by Combined Sewer Overflows. Furthermore green roofs have a positive influence on the microclimate in urban areas by helping in lower urban air temperatures and mitigate the heat island effect. Last but not least, they have the advantage of improving the thermal insulation of buildings, with significant energy savings. Many studies suggest that green roofs can reduce stormwater runoff in comparison to conventional roofs with volume retention scores in the order of 40–80% of the total rainfall volume. From literature’s data it is also evident that a decrease of 60–80% in runoff peak rates is to be expected from a green roof. However, the dynamic stormwater response of a green roof to precipitation events is highly variable and related to a particular set of climate conditions and changes with green roof design. The basic problem driving my PhD research is that green roofs differ from a natural environment as they are on top of a building and are not connected to the natural ground; therefore it is critical that soils can drain and retain water simultaneously and that they work even in very shallow systems. The growing medium used for green roofs is specifically engineered to provide the vegetation with nutrients, discharging any excess water into the drainage layer, and releasing stored water back into the substrate. In this way, medium depth and porosity play an important role in stormwater retention and plant growth in a green roof. Due to the lack of a good understanding about the hydraulic efficiency of each green roof’s layer in rainwater management, a detailed analysis of the hydrological dynamics, connected with the green roof technical design is essential in order to obtain a full characterization of the hydrologic behavior of a green roof system and its effects on the urban water cycle components. The purpose of my PhD research is analyzing the soil-water dynamics through the different components of a green roof and modeling these processes though a detailed but clear conceptual model, based on green roof vertical soil water movement reproduction, in relation to climate forcing, basic technology components and geometric characteristics of green roof systems (thickness of the stratigraphy, soil layers and materials, vegetation typology). Though research has been published attempting to model green roof storm response as a time series, these models have generally been based on existing soil models (typically used to represent the processes of infiltration in natural soils), requiring high levels of specific parameterization; our aim was to employ a model structure for handling soil water fluxes in each element, with a bare minimum of "tuning variables" but to retain the physical basis, and to adapt it to a soil characterized by a specific engineered stratigraphy, designed for extensive green roof systems in multilayer construction. A multi-layer bucket model, which represents a good compromise between the difficulty of parameterization and accuracy in the description of the process of infiltration into the soil, has been applied to examine the hydrological response of a small-scale physical green roof system, under a temperate maritime climate, by varying the physical and geometric parameters that characterize the different components of the vegetated cover. In this model a single green roof is outlined as a system consisting of three individual module in series, subjected to different hydrologic and hydraulic processes; each layer works as a bucket and communicates with each other. A mass balance equation is applied to the whole system, taking into account the specific phenomena occurring in each module. The surface layer is represented by the vegetation module, where the evapotranspiration processes are modeled using the FAO56 Penman-Monteith Equation, proved to be the most robust tool for predicting ET for green roof experiments; the growing medium is the second module, which predicts the infiltration and vertical percolation of water both through the unsaturated zone and from the saturated zone to the drainage layer, passing through the geotextile filter fabric. Finally the drainage layer, which usually consist of drainage plates, waffled plastic sheets that store water above and drain water below, is modelled as a storage. The modeling was performed following progressive steps of complexity in the outline of the green roof system, starting from a detailed representation of the hydrological fluxes which characterize the different layers of the system through a mass balance at event scale, and then switch to a modeling at seasonal scale, where the evapotranspiration component represents a critical process, in terms of percentage reduction of the volume drained. Due to the high sensitivity of the hydrological response to a small variation of the system configuration, we provide finally a sensitivity analysis of hydrological benefits of the green roof at different soil and geometric parameters to test the model response, in terms of peak and volume reduction; this two variables corresponds to the measures associated to the potential environmental impact of the green roof: the degree of imperviousness exhibited by the green roof. This has allowed to draw some general guidelines useful in the design and construction of this type of drainage systems.

La forte dinamica urbanistica di questi ultimi decenni nelle grandi aree urbane ha reso le soluzioni tradizionali del drenaggio urbano, basate sul concetto di “all to the sewer”, sempre meno efficienti e soddisfacenti, sia in termini di controllo del rischio di allagamento che dell’impatto inquinante sui corpi idrici ricettori. Un approccio alternativo, come noto, è quello del controllo a monte dei deflussi meteorici tramite opere diffuse di infiltrazione e laminazione locale. In questo ambito i tetti verdi rappresentano una soluzione sempre più considerata, in relazione sia alla sua efficacia tecnica, sia ai benefici eco-ambientali e paesaggistici. Essi, infatti, consentono non solo di diminuire sia i volumi che le portate dei deflussi meteorici che arrivano alla rete di drenaggio, ma anche di influire positivamente sul microclima delle aree urbane. Non ultimo, essi hanno il vantaggio di migliorare l’isolamento termico degli edifici, con significativi risparmi energetici. Nella letteratura italiana e internazionale esistono pochi studi sull’efficacia di questa tipologia di sistema di controllo diffuso dei deflussi meteorici in ambito urbano solitamente sito specifici e non univoci per quanto riguarda le performance; in aggiunta la mancanza di sperimentali dovuta alle scarse esperienze applicative di questo tipo di interventi rende la ricerca difficoltosa. Il presente studio si propone di dare un contributo conoscitivo su queste tecniche di controllo dei deflussi, analizzandone da un lato limiti e potenzialità allo scopo di consentire una loro valutazione comparativa rispetto alle soluzioni tradizionali, dall’altro individuandone caratteristiche ingegneristiche che ne facilitino l’applicazione pratica e ottimizzino il funzionamento. La problematica di alla base della mia ricerca è che un tetto verde, seppur riproduca una varietà di processi idrologici associabili ai terreni naturali, intrinsecamente differisce da un ambiente naturale in quanto è posto sulla sommità di un edificio ed è costituito da una serie di strati specificamente progettati, che devono garantire, in uno spazio assai limitato e compatto, la sopravvivenza della vegetazione e il drenaggio delle acque meteoriche. Nell’analisi degli effetti dei tetti verdi, risulta essenziale pertanto effettuare uno studio approfondito delle dinamiche idrologiche connesse con le caratteristiche sia del contesto climatico, sia delle particolarità costruttive con cui i tetti verdi sono realizzati. L'obiettivo della presente ricerca è pertanto quello di analizzare nel dettaglio degli effetti idrologici di un tetto verde di tipo estensivo, mediante la modellazione dei flussi idrologici in relazione alla forzante climatica e alle caratteristiche geometriche. La modellazione è stata effettuata seguendo steps progressivi di complessità nella rappresentazione del sistema tetto verde, partendo da una rappresentazione di dettaglio dei flussi idrologici che caratterizzano i diversi strati caratteristici del sistema attraverso un bilancio a scala di evento per poi passare ad una modellazione in continuo a scala stagionale, in cui la componente evapotraspirativa costituisce un contributo rilevante in termini di percentuale di riduzione del volume defluito. E' stato scelto di schematizzare il sistema con un modello meccanicistico concettuale a serbatoi che rappresenta un buon compromesso tra la difficoltà di parametrizzazione e precisione nella descrizione del processo di infiltrazione nel suolo. Il modello è stato applicato a due casi di studio diversi, con differenti condizioni di stratigrafia e climatiche. A causa della elevata sensibilità della risposta idrologica alle variazioni della configurazione del sistema, è stata effettuata infine una analisi di sensitività della risposta idrologica di un tetto verde estensivo, ai diversi parametri idraulici e costruttivi che ne caratterizzano la struttura, che ha consentito di trarre delle indicazioni generali che possono essere di orientamento nella progettazione e nella realizzazione di questo tipo di opere.