advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

11
World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 1 Advocating a physically-based hydrological model for green roofs: Evapotranspiration during the drying cycle Simon Poë, Alumasc Exterior Building Products Ltd, (poes@alumascexteriors.co.uk ), U.K. Dr. Virginia Stovin, University of Sheffield (Civil & Structural Engineering), ([email protected] ), U.K. Abstract Green roofs temporarily store rainwater during infiltration, resulting in delayed and attenuated runoff (detention). They also retain rainfall, which is subsequently released via evapotranspiration (ET) (retention). However, as with many infiltrationbased sustainable drainage solutions (SUDS), modelling the hydrological performance of green roofs is complicated by the dependence upon both configuration and climatic factors. A green roof’s finite hydrological capacity a function of substrates’ structure and texture and plant architecture and physiology is seldom fully available at the outset of a storm event. ET regenerates the available water capacity (AWC), affecting the roof’s response to a specific event. This paper presents data from an experimental study at the University of Sheffield, aimed at identifying the drying cycle behaviour of nine different green roof configurations (with combinations of three characterised substrates and three contrasting planting strategies) under different climatic conditions. After saturation and drainage to field capacity, the mass of each microcosm was continuously recorded within a controlled environment facility, where relative humidity, air temperature and lighting were programmed to replicate typical UK diurnal cycles during spring and, later, summer. Initial analyses highlight the effect of both climate and configuration. As expected, in summer test conditions, higher ET losses were observed, initially exceeding 3 mm/day before decaying below 0.5 mm/day over time. During spring condition tests, lower initial losses of between 1.5 and 2.5 mm/day later fell to below 1.0 mm/day. The response of each configuration varied with the climate, with high early evaporative losses from nonvegetated configurations subsequently falling below planted configurations as transpiration of deeper water became a factor.

Upload: landscape-university-of-sheffield

Post on 23-Mar-2016

213 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Advocating a physically-based hydrological model for green roofs: Evapotranspiration during the drying cycle. Paper presented at the World Green Roof Congress, 2012.

TRANSCRIPT

Page 1: Advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 1

 

Advocating a physically-based hydrological model for green roofs: Evapotranspiration during the drying cycle  

Simon Poë, Alumasc Exterior Building Products Ltd, (poes@alumasc‐exteriors.co.uk), U.K. Dr. Virginia Stovin, University of Sheffield (Civil & Structural Engineering), ([email protected]), U.K. 

Abstract Green roofs temporarily store rainwater during infiltration, resulting in delayed and attenuated runoff  (detention).  They  also  retain  rainfall,  which  is  subsequently  released  via evapotranspiration  (ET)  (retention).  However,  as  with  many  infiltration‐based  sustainable drainage  solutions  (SUDS),  modelling  the  hydrological  performance  of  green  roofs  is complicated by  the dependence upon both configuration and climatic  factors. A green  roof’s finite  hydrological  capacity  ‐  a  function  of  substrates’  structure  and  texture  and  plant architecture  and  physiology  ‐  is  seldom  fully  available  at  the  outset  of  a  storm  event.  ET regenerates  the  available water  capacity  (AWC),  affecting  the  roof’s  response  to  a  specific event.  This  paper  presents  data  from  an  experimental  study  at  the  University  of  Sheffield, aimed at identifying the drying cycle behaviour of nine different green roof configurations (with combinations of three characterised substrates and three contrasting planting strategies) under different climatic conditions. After saturation and drainage to field capacity, the mass of each microcosm was continuously recorded within a controlled environment facility, where relative humidity, air temperature and lighting were programmed to replicate typical UK diurnal cycles during  spring  and,  later,  summer.  Initial  analyses  highlight  the  effect  of  both  climate  and configuration. As expected, in summer test conditions, higher ET losses were observed, initially exceeding 3 mm/day before decaying below 0.5 mm/day over  time. During  spring  condition tests,  lower  initial  losses of between 1.5 and 2.5 mm/day  later fell to below 1.0 mm/day. The response of each configuration varied with the climate, with high early evaporative losses from non‐vegetated  configurations  subsequently  falling  below  planted  configurations  as transpiration of deeper water became a factor.  

Page 2: Advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 2

Authors’ Biographies 

 

Simon Poe is the Product Director at Alumasc Exterior Building Products Ltd –the UK  partner  to  ZinCo  – where  he  is  responsible  for  the  development  of Alumasc’s  extensive  portfolio  of  roofing  solutions.  With  a  background  in roofing and drainage, Simon  is a member of  the Technical Advisory Group of the UK’s green  roof  trade association, GRO, and has worked on  some major national  and  international  roofing  projects,  including  Centre  Court  at Wimbledon.  Simon  is  also  a  part‐time  PhD  candidate  at  the  University  of Sheffield, where he is researching the hydrological response of green roofs.  

Dr Virginia Stovin is a Senior Lecturer in the Department of Civil and Structural Engineering at The University of Sheffield.  Her work focuses on urban drainage structures  and  processes, most  recently on  the  hydrological performance of SuDS.  She is an enthusiastic proponent of SuDS retrofitting, and is a co‐author of the recently‐published CIRIA retrofitting guidance. As part of the Sheffield‐based Green Roof Centre,  she has constructed 11 green  roof  test beds.  The long term records from these beds are being combined with laboratory studies to  underpin  the  development  of  green  roof  hydrological  performance modelling tools suitable for urban stormwater management planning.  

Background 

Industrial Context 

The  need  for  complementary,  sustainable,  drainage  strategies  has  become  increasingly apparent  in  the  UK  over  recent  years,  as  a  higher  frequency  of  flooding  has  further demonstrated that traditional below‐ground drainage networks cannot cope with runoff from the  increased  impervious  surface areas  in urban  spaces during extreme  storm events. Green roofs are often heralded as potential Sustainable Drainage Systems (SuDS) due to their capacity for  the  retention  and  detention  of  stormwater,  without  the  need  to  extend  beyond  the building’s footprint (and occupy scarce and expensive ground space). By retaining stormwater in  the  green  roof  layers  (for  subsequent  evapotranspiration  (ET)  back  to  atmosphere),  the volumes discharging into watercourses are reduced. Detention affords attenuated peak rates of runoff by temporarily storing water as it permeates the green roof layers; discharging at a later time and/or over the longer period of time. 

 

An  increasing number of green roof hydrological research programmes have been conducted, reporting  variable  average  annual  retention  levels  ‐  typically between 30  and 100%.  Indeed, retention of  individual  storm events can  range between 0 and 100%  (Berghage et al., 2007). Without greater  clarity  regarding  the quantifiable  stormwater benefit of green  roofs,  the UK public bodies charged with ensuring that Low  Impact Developments  (LIDs) maintain the site’s pre‐development  hydrology  will  be  unable  to  unequivocally  advocate  the  incorporation  of green roofs into SuDS management trains, as acknowledged by the Environment Agency (CIBSE, 2007).  It  is  therefore  incumbent  upon  the  UK  green  roof  industry  to  provide  the  requisite substantiation of green roofs’ contribution to stormwater management. 

Page 3: Advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 3

Problem 

Green roofs reduce rainfall runoff rates due to the plant cover (by interception), the substrate (by  infiltration and/or  retention  for ET) and  the additional  storage capacity  in  the underlying drainage reservoir. However, as with all drainage systems, green roofs have a finite capacity to store moisture. Furthermore, the full extent of a green roof’s maximum capacity will seldom be fully available (Berghage et al., 2007) due to the presence of a  level of residual moisture. The antecedent moisture  content  (AMC)  is  critical  to  the  hydrologic  response  of  the  green  roof (Koehler & Schmidt, 2008) because greater values of AMC will  limit the roof’s available water capacity (AWC) and therefore restrict the volume of rainfall that can be retained.  

 Antecedent moisture is variably depleted between storm events via ET. The rate of ET loss is a function of (1) the climate – affecting heat energy (i.e. air temperature and solar radiation) and the  air’s  water‐holding  capacity  (i.e.  relative  humidity  and  wind);  and  (2)  the  green  roof configuration – substrate texture and structure and plant architecture and physiology.  

 The  influence  of  climatic  factors  is  manifested  in  observations  of  different  levels  of  ET occurring: 

1. Throughout  the  diurnal  cycle:    Fassman  &  Simcock  (2008)  identified  clear  diurnal patterns of both evaporation  from bare surfaces and evapotranspiration  from planted configurations, whilst  Koehler &  Schmidt  (2008)  observed  condensation  on  the  plant cover at night times; 

2. As a result of the climate and micro‐climate at a specific location; and 

3. As  a  function of  season: with  significantly  greater daily ET  rates observed  in  summer compared  to winter.  According  to  Rezaei  &  Jarrett  (2006),  ET  rates  in  Pennsylvania State’s  high  summer  (3.23 mm/day) were  approximately  four  times  greater  than  the 0.79 mm/day observed on average during the winter. Similar patterns were observed in European conditions by Koehler & Schmidt (2008); albeit at lower winter losses of 0.1 ‐ 0.5 mm/day and a greater range of summer losses (1.5 ‐ 4.5 mm/day).  

 Voyde  et  al.  (2010)  concluded  that  plant  transpiration  is  an  important  control  on  ET  rates; accounting  for  between  20  and  48%  of  moisture  lost  to  atmosphere.  The  influence  of vegetation  can be explained,  firstly, by  the  fact  that  the  increased  surface area  (afforded by plant  foliage) results  in a greater capacity to  intercept rainfall,  increasing surface evaporation back  to  atmosphere.  Secondly,  the plant’s  root  system  absorbs pore water,  trans‐locating  it through the xylem to stomatal cavities  in the  leaf, where  it  is vapourised by solar energy. The deficit in the leaf cells creates a difference in potential between the leaves and roots, such that a  suction  force  is  transmitted  back  to  the  root  (van  den Honert,  1948). Generally,  previous research  has  focused  on  Sedum  (or  other  hardy,  drought  tolerant)  species  and  hydrological differences are therefore not widely known. However, Fassman & Simcock (2008) reported that configurations planted with Sedum mexicanum  tended  to  result  in higher ET  rates  than with New  Zealand  Ice  Plants  and  there  is  evidence  that  Sedum‐planted  configurations  reduced runoff to a significantly greater extent than equivalent configurations with a mix of  ‘Meadow Flowers’ (Poë et al., 2011). 

Page 4: Advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 4

 A substrate’s physical characteristics are typically recognised as a key influence in the system’s capacity  to actively store  rainfall  (Palla et al., 2010). The  tenacity with which water  is held  in pores is a function of a soil’s structure (Miller, 2003). As moisture is retained with lower tension in  larger pores,  there  is a greater  tendency  for  these pores  to empty more quickly  than with smaller pores. Pores of different sizes serve specific functions (Rowell, 1994), with transmission pores  (>50  μm)  for  drainage  and  aeration,  storage  pores  (0.2‐50  μm)  for  plant  water consumption, and residual pores (<0.2 μm) that  largely dictate the soil’s mechanical strength. Soil  structure  (i.e.  Particle  Size  Distribution  [PSD]  and  Void  Size  Distribution  [VSD])  is  an important  control  on  the  filling  and  emptying  of  voids  (Manning,  1987)  and  is  therefore  a significant influence upon the rate at which retained water is released during the drying cycle. ET rates are expected to decay exponentially with respect to time (Fassman & Simcock, 2011; Kasmin et al., 2010) as a greater amount of energy is required to remove the moisture from the smaller pores.  

 Therefore,  whilst  the  Antecedent  Dry  Weather  Period  (ADWP)  is  an  important  factor  – determining  the  length of  the drying cycle –  in  isolation,  it “fails  to characterise  the complex processes that account for the roof’s antecedent moisture content” (Stovin et al., 2012). 

 A hydrological model for green roofs will inevitably require a physical basis if it is to account for the  numerous  hydrological  processes  and  heterogeneous  climatic  factors  and  soil characteristics  that  dictate AMC  (Beven,  2001)  and  hydrological  response  of  different  green roof configirations. In order to facilitate development of such a model, data must be collected to  inform  the  physical  drivers  behind  water  balance  changes,  both  within  different configurations and in response to diverse climatic conditions.  Learning Objectives: 

To clarify that green roofs’ hydrological responses should be expected to vary as a function of location (and therefore climate) and configuration 

To highlight the importance of a green roof’s configuration to its performance 

To advocate the need for physically‐based green roof hydrological models 

Page 5: Advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 5

Approach 

Trials were designed and conducted to  identify  the  influence  of configuration  and  climate  upon  ET rates.  To  this  end,  saturated  green roof samples were placed onto  load cells  within  the  confines  of  a temperature‐controlled  facility  at the  University  of  Sheffield  (see Figure 1).  

 

Figure 1: Load cell arrangements in chamber 

 Mass readings were continuously logged. Nine different green roof configurations, containing a drainage  layer  (with zero storage capacity),  filter  fleece and combinations of three substrates (to a settled depth of 80 mm) and  three planting strategies were established,  in  triplicate,  in 250 x 250 mm trays. A non‐vegetated option facilitated isolation of the influence of two other plant strategies – ‘Sedum Carpet’ (a pre‐cultivated mat comprising a dense coverage of 4 to 7 different  Sedum  species)  and  ‘Meadow  Flower’  (a  mix  of  wildflowers,  grasses  and  hardy succulents; originated from seed). A temperature‐controlled glasshouse was used to allow the establishment of the plant cover prior to commencing trials in April 2011. 

 Sedum Carpet – a  typical extensive green  roof  cover  in  the UK –  is  considered  to be  ideally suited to the harsh microclimates prevailing on UK rooftops. The Crassulacean Acid Metabolism of  Sedum  species  ensures  excellent  tolerance  to  drought  conditions;  regulating  water consumption patterns in line with availability. Meadow Flower is a strategy that can contribute to  the drive  for  increased biodiversity  in  the UK. However,  their use as green roof plants can often require additional irrigation measures. 

 Three different substrates were trialled: 

(1) Alumasc ZinCo Sedum Substrate (SCS) – a commercial extensive substrate with few fine particles (1.8% < 0.063 mm) and relatively high permeability of 14.8 mm/minute; 

(2) Alumasc ZinCo Heather & Lavender Substrate (HLS) – a commercial semi‐intensive mix with  a  greater  proportion  of  fines  than  SCS  (3.6%)  and  a  significantly  reduced permeability of 2.41 mm/min; 

(3) A mix based on Lightweight Expanded Clay Aggregate (LECA) with a high proportion of large particles (25.7%  in excess of 4 mm) and voids (such that air content at MWHC  is 49.8%). As a result, permeability is extremely high: 33 mm/min. 

 

Page 6: Advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 6

Each  configuration was  tested under  two  climatic  regimes; being  subjected  to diurnal  cycles that are akin to, first, a UK spring and then a UK summer. Each condition was replicated three times on a sequential basis. The final test trialled for 28 days; the previous two ran for 14 days. The  climatic  settings of  the  chamber were derived  through  consideration of hourly data  for temperature and  relative humidity, as  recorded by a Met Office weather  station  in Sheffield during 2009. For trials in spring conditions, the average diurnal temperature range from March 2009 (i.e. 5.01‐9.76 °C) was adopted – a range that is largely in line with the long‐term averages published for spring months  in the period between 1971 and 2000 (March: 3.1 – 9.3 °C; April: 4.4 – 11.8  °C; May: 7.0 – 15.7  °C). The diurnal  temperature  range adopted  for summer  trials (13.76 – 19.84 °C) reflected the range measured  in August 2009 – the warmest month of that year.  This  range  compares well  to  long‐term  averages  published  for  summer months  in  the period between 1971 and 2000 (June: 10.0 – 18.3 °C; July: 12.4 – 20.8 °C; August: 12.1 – 20.6 °C). The lighting system was programmed to provide artificial sunlight to allow the replication of daylight and night time conditions. In spring, lights were programmed to be on for 12 hours per day  (as  sunlight hours published  for Sheffield  in March 2009); whilst,  in  summer  trials,  lights were on  for 17 hours  (as sunlight hours published  for  June 2009 – the  longest daylight hours recorded in summer months). 

 Before the start of each trial, the nine configurations were submersed in water for 2 hours and then allowed to drain to field capacity over a period of 2 hours. Each tray was randomly placed on  to a calibrated RLS010 single‐point compression  load cell  (with a safe working capacity of 10 kg and a maximum  linearity error of 0.02%  ‐ equivalent to 0.032 mm of ET). The signal  (in mV) was  amplified  and  recorded  on  an  hourly  basis  for  each microcosm  by  a Modular  600 multi‐channel signal conditioning and datalogging unit. The data was converted to mass (in kg) using calibration equations that were derived prior to the commencement of tests. Changes in mass  over  time were  subsequently  converted  to moisture  losses  in mm/m2.  The  chamber’s climatic data was captured via a separate, central logging system. 

 

Analysis 

Cumulative ET losses are seen to vary as a function of configuration and season, with a range of ET  losses  observed  (see  Figures  2  and  3).  In  spring,  cumulative  losses  over  the  28  day  trial period  ranged  from  18.8  to  28.9 mm  (mean:  23.9 mm).  The  corresponding  losses  during summer conditions ranged from 20.7 to 35.5 mm (mean: 28.3 mm). However, the  lower‐than‐anticipated mean daily ET rates of 0.85 mm and 1.0 mm for spring and summer respectively are clearly affected by the decay  in ET rates over the 28 days – particularly in summer conditions, when virtually no losses are measured from many of the configurations during the final 14 days. Indeed,  after  10  days, mean  cumulative  losses  of  13.8 mm  (spring)  and  21.2 mm  (summer) indicate significantly higher mean daily ET losses of 1.4 mm and 2.2 mm respectively. 

Page 7: Advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 7

0

5

10

15

20

25

30

35

40

ET Losses (m

m)

ADWP (Days)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

ET Losses (m

m)

ADWP (Days)

Sedum on HLS

Sedum on SCS

Sedum on LECA

MF on HLS

MF on SCS

MF on LECA

Non‐vegetated HLS

Non‐vegetated SCS

Non‐vegetated LECA

Figure 2: Cumulative ET (Spring)  Figure 3: Cumulative ET (Summer) 

A closer investigation of the mean daily ET rates further highlights this trend and suggests that a further variable – moisture availability –  is an  important consideration. As Figure 4 highlights, during the initial 10 days following saturation, when moisture availability would not typically be considered  limiting,  daily  ET  rates  are  generally  greater  in  summer  conditions  (initially >3 mm/day) than in spring (initially 2 mm/day).  Thereafter, ET  rates subsequently  fall towards,  and  ultimately  below, 1 mm/day in both spring and summer. In  spring,  this  decline  is  generally more gradual and  linear. However,  in summer,  the  significant  depletion  of moisture  during  the  first  10  days appears  to  restrict  further  significant ET  losses;  in  many  cases  reaching virtually  zero  loss  towards  the  latter stages of the trials. 

‐2.00

‐1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

ET Rates [m

m/day]

ADWP (Days)

Ave_Summer Ave_Spring

Figure 4: Mean Daily ET Rates  These mean trends highlight the importance of several physical influences that require further investigation; namely, configuration, climate and moisture availability over time. 

Importance of the green roof configuration

Plant Strategy

The  addition  of  a  plant  layer  into  green  roof  configurations  can,  in  some  instances,  have  a detrimental  impact  on  the  systems’  propensity  to  regenerate  available  moisture  capacity; particularly in the earlier stages of the trial periods. This period varies seasonally, with greater losses observed  from non‐vegetated configurations  in  the  initial 12 days of  spring conditions and  in  the  initial 4 days of summer conditions. This  trend would be explained by  the greater amount of evaporation that occurs from a bare surface of a dark and porous growing medium, relative to a green, planted coverage that contributes to the localised cooling of air.  

Page 8: Advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 8

However,  after  this  initial  effect, plants  appear  to  make  a  positive contribution  to  losses,  due  to  the incremental  moisture  loss  that  is attributable  to  transpiration  and  the configurations’  greater  overall moisture capacity.  The patterns of ET  losses can be seen to vary according to the plant species in  question.  The  different  responses of  the  Sedum  and  meadow  flower plant strategies to spring and summer conditions are highlighted in Figure 5. 

‐6.0

‐4.0

‐2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Incremental ET Loss due to Plant [m

m]

ADWP [Days]

Sedum Carpet [Summer] Meadow Flower [Summer]

Sedum Carpet [Spring] Meadow Flower [Spring]

Figure 5: Net Effect of Vegetation on Cumulative ET 

 It was expected that the Sedum vegetation would improve the hydrological response, due both to  its greater coverage (relative to meadow flowers) and to  its Crassulacean Acid Metabolism (CAM).  In general, plants regulate water demands  in  line with supply, by closing stomata, but CAM  plants  are  able  to metabolise  at  night when water  loss  is  lower,  such  that  losses  are controlled  to  a  greater  extent  than  would  be  the  case  with  non‐CAM  species.  In  spring conditions,  these properties  translated  into  lower  losses being observed  from Sedum‐planted configurations, when  compared with meadow  flower  configurations.  Indeed,  ET  losses  from Sedum  planted  configurations  were  also  lower  than  those  that  were  observed  from  non‐vegetated  configurations  for ADWPs  of  up  to  20  days,  such  that  the  net  effect  of  including Sedum planting is just 2 mm of additional ET at the end of the 28 day trial period. However, it is in summer conditions that Sedum’s properties can be seen to positively impact the hydrological response. Here, after an  initial 6 days when the  losses from non‐vegetated configurations are greater, the Sedum planted configurations contribute significantly greater ET losses than those observed from non‐vegetated configurations. Importantly, the pattern of ET losses from Sedum plants  is  such  that  net  losses  that  are  attributable  to  the  plant  layer  exceed  the  equivalent losses observed from meadow flower after an ADWP of 20 days; as Sedum’s controlled  losses gradually  transpire  soil‐water,  such  that  the  net  effect  of  the  planting  is  circa  8 mm  of additional ET.  The coverage of the meadow flower also resulted in lower ET losses during the first 12 days of spring  trials,  relative  to  non‐vegetated  configurations.  Thereafter,  however,  the  plants contribute towards ET losses that exceed those from non‐vegetated samples, such that the net effect of incorporating meadow flowers is to increase cumulative ET losses by 6 mm. In summer conditions, with  the  exception  of  the  first  4  days,  the meadow  flower makes  a positive  net contribution to ET losses. This incremental ET loss increases rapidly, reaching circa 9 mm after 14 days. Thereafter,  the net  contribution  starts  to  fall, as  the plants  start  to wilt due  to  the moisture stress that  is a result of the  fast  initial consumption of the plant‐available water. By the end of the 28 day trial period, the meadow flower had made a positive net contribution to cumulative ET losses of 6 mm. However, in light of the apparent permanent wilting of the plant layer  by  this  time,  it  is  unlikely  that  the  planting  would  be  able  to  make  any  positive contributions in future.  

Page 9: Advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 9

It  is apparent  that meadow  flower will  typically  regenerate  the available water capacity at a faster  rate  than  Sedum.  This  trend  was  evident  both  in  the  spring  trials  (where  the  net contributions  to  cumulative ET  losses were 6 mm  and 2 mm  for meadow  flower  and  Sedum respectively)  and  in  the  initial  14  days  of  the  summer  trials  (where  the  net  contribution  of meadow flower was circa 9 mm, compared to 6 mm for Sedum). However,  in order for this to be suitable for a real green roof installation, additional irrigation measures may be required to prevent the permanent wilting of the plants that led to the net effect of meadow flower falling below the level of Sedum (i.e. 6 mm, compared with 8 mm).  Substrate Type

The composition of the different tested substrates is seen to produce variable responses, often depending on the climate and any  interaction with the plant  layer. Losses  from all substrates are  typically  greatest  during  the  initial  14  day  period.  From  a  stormwater  management perspective, it is this initial period that would be considered to be of greatest relevance. During this time, different ET loss patterns are observed from the three substrates: after an ADWP of 10 days, the differences  in cumulative ET  losses (and therefore  in available moisture capacity) could differ by as much as 7 mm ‐ approximately 30% of the mean cumulative loss to that point in time.  In  summer, ET  losses  from HLS are  seen  to be  the highest of all  three  substrates. Here,  the warm temperatures and greater plant water consumption appear to result in potential energy  (ψ) that is sufficient to break the pore‐water tension in the smaller pores and therefore extract significant  proportions  of  the  substrate’s MWHC. Mean  cumulative  losses  therefore  exceed 25 mm within 10 days of the trial start date, before the rate of loss decays, such that losses are 29 mm after 14 days and 32 mm after 28 days. Conversely,  in the cooler conditions of spring, the relatively high proportion of large particles (and voids) within SCS leads to a greater volume of moisture being released (compared to HLS); reaching 26 mm by the end of the 28 day trial period.  The  unique  composition  of  LECA  results  in  the  lowest  losses  of  all  three  substrates, reaching approximately 22.5 mm after 28 days of spring and 26 mm in summer.  Climate

The  impact of  climatic  regime  is apparent  in virtually all of  the presented analyses; not only affecting the rate of ET  loss, but equally, variably  impacting on the survival of the plant  layer and on the retention and release of moisture from the substrate. As expected, greater overall losses are witnessed  in summer compared  to spring, with  the  influence of season apparently greatest  in the  initial 10 to 14 days that  follow saturation; such that the differential between mean cumulative ET  losses steadily  increases to a peak of approximately 7 mm after 11 days. Indeed,  during  the  initial  14  day  period  of  summer,  cumulative  losses  from  planted configurations  are  approximately  double  those  observed  during  the  tests  under  spring conditions.  Thereafter,  the differential  starts  to  reduce; presumably  as  a  result of  restrictive moisture availability in the configurations that were subjected to summer conditions.  

Page 10: Advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 10

Results and Business Impacts 

Key Findings 

With a focus on the period that is of most relevance to stormwater management – the initial 10 to 14 days following a storm event – it can be seen that daily ET rates over the course of the 10 day period average 1.4 mm  in spring and 2.2 mm  in summer; regenerating 14 mm and 22 mm of  capacity  respectively.  After  this  time, moisture  availability  is  a  key  constraint  to  further significant  losses and ET rates tend to fall below 1 mm/day. This trend of decay  is apparent  in both summer – due to the  limited moisture availability – and  in spring, where there  is greater moisture availability, but where the  lower energy source  in the cooler, spring climate yields a lesser capacity to draw moisture out of the smaller pores and  induce further ET. Whilst mean trends  are  of  value  in  communicating  the  SuDS  potential  of  green  roofs,  there  are  clear differences  apparent  in  the  responses  of  the  different  configurations.  The  incorporation  of planting  into a green roof  is  important  in delivering many of  the key benefits of green  roofs. However,  from a hydrological perspective, the additional moisture capacity of a plant  layer  is initially partly offset by a net reduction in ET, relative to non‐vegetated roofs. The length of this initial  period  is  a  function  of  the  climate  and  plant  layer,  with  positive  hydrological contributions witnessed from planting after 14 to 21 days in spring and 4 to 6 days in summer.  

Business Impacts 

The  research  findings  presented  herein  form  part  of  a  wider  research  programme  at  the University  of  Sheffield, where  the  same  nine  configurations  are  being monitored  at  a  field research site. The findings from this set‐up will allow the  information from the drying cycle to be evaluated against actual rainfall and runoff records; thereby facilitating the development of a predictive model. With  the  stormwater management contribution heralded as a key driver behind green roof installations, such a model will be critical to the number of green roofs that are installed as part of SuDS management trains. In addition, the findings highlight the central importance of the green roof configuration to its performance and its reliance upon the climate prevailing at the installation site. Such factors must be considered by green roof manufacturers and specifiers  in order to ensure that the roof fulfils  its objectives during  its  life cycle. Indeed, further analysis is expected to provide information pertaining to the optimisation of plant and substrate combinations. 

Conclusions 

Green  roofs  can  provide  valuable  drainage  capacity  that  complements  traditional  drainage measures and other SuDS methods. To put  this capacity  into perspective, an ability  to  retain 20 mm would equate to 91% of a rainfall event in Sheffield with a 10 year return period and of 1 hour  in duration  (Stovin  et al.,  2012).  There  are  several  factors  that will be  critical  to  the regeneration of  the green  roof’s  capacity  to  retain  this  level of moisture; notably,  the green roof configuration and  the climate. Such  factors have proven difficult  to capture  in statistics‐based  predictive models.  However, with  these  influences  having  clear  physical  bases, more accurate predictions of a green roof’s hydrological response are to be expected if a physically‐

Page 11: Advocating a physically-based hydrological model for green roofs:

World Green Roof Congress, 19-20 September 2012, Copenhagen Page 11

based model is developed. An increased level of predictive accuracy will be necessary to justify the use of green roofs in providing this additional, sustainable drainage capacity in the UK. 

 

Key Lessons Learned: 

A green roof’s hydrological response is expected to vary as a function of the configuration’s retention and release properties, the climate and the resultant moisture availability. 

AWC is a more significant variable than MWHC when considering the hydrological response of a green roof. 

A physically‐based model is required to capture the influences affecting a green roof’s hydrological response. 

Acknowledgement

The authors would  like to acknowledge the support and  input of several colleagues working as part of the EU MCIAPP‐funded Green Roof Systems project, and in particular Zoë Dunsiger and Joerg Werdin.

References

Berghage,  R.,  Beattie,  D.,  Jarrett,  A.,  O'Connor,  T.  (2007).  Green  roof  run‐off  water  quality.  Proc.    Greening Rooftops for Sustainable Communities. Minneapolis, 29 April – 1 May, 2007. 

Beven, K. (2001). Rainfall‐Runoff Modelling. Chichester: John Wiley & Sons Ltd. 

CIBSE. (2007). CIBSE Knowledge Series KS11 ‐ Green Roofs. Plymouth: CIBSE Publications. 

Fassman,  E.,  Simcock,  R.  (2008)  Development  and  Implementation  of  a  Locally‐Sourced  Extensive  Green  Roof Substrate in New Zealand. World Green Roof Congress. London 

Fassman,  E.,  Simcock,  R.  (2011)  Moisture  Measurements  as  Performance  Criteria  for  Extensive  Living  Roof Substrates. Journal of Environmental Engineering. doi: 10.1061/(ASCE)EE.1943‐7870.0000532 

Kasmin, H., Stovin, V., Hathway, E. (2010). Towards a generic rainfall‐runoff model for green roofs. Water Science & Technology, 62.4, 898‐905. doi: 10.2166/wst.2010.352  

Koehler, M.,  Schmidt, M.  (2008). Benefits  for  Sustainable Water Management  ‐ Green Roof Technology. World Green Roof Congress. London. 

Manning, J. (1987). Applied Principles of Hydrology. Ohio: Merrill Publishing. 

Miller,  C.  (2003). Moisture management  in  green  roofs.  Proc. Greening  Rooftops  for  Sustainable  Communities. Chicago, 29 – 30 May. 

Palla, A., Gnecco, I., Lanza, L.G. (2010) Hydrologic restoration in the urban environment using green roofs. Water 2, 140‐154. 

Poe, S., Stovin, V., Dunsiger, Z. (2011). The Impact of Green Roof Configuration on Hydrological Performance. Proc. International Conference on Urban Drainage. Porto Allegre, 11‐16 Sept. 

Rezaei, F., Jarrett, A.R. (2006). Measure and Predict Evapotranspiration Rate from Green Roof Plant Species, Penn State College of Engineering Research Symposium, Penn State University. 

Rowell, D. (1994). Soil Science: Methods and Applications. Essex: Longman. 

Stovin, V., Vesuviano, G.,  Kasmin, H.  (2012).  The  hydrological performance  of  a  green  roof  test bed  under UK climatic conditions, Journal of Hydrology, Vol. 414‐415, 148‐161.  

van den Honert, T. (1948). Water transport in plants as a catenary process. Discussions of the Faraday Society , 3, 146‐153. 

Voyde,  E.,  Fassman,  E.,  Simcock,  R.  (2010).  Hydrology  of  an  extensive  living  roof  under  sub‐tropical  climate conditions in Auckland, New Zealand. Journal of Hydrology, 394, 384‐395. 

Wang, Y., Grove, S., Anderson, M. (2008). A physical‐chemical model for the static water retention characteristic of unsaturated porous media. Advances in Water Resources , 31, 701‐713.