綠化屋面的水文水質(zhì)特征分析

王江海，張新波，趙新華

（1.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072；2.天津城建大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津300384）

為了解決城市雨洪問題，新的雨水管理模式倡導(dǎo)低沖擊開發(fā)（low impact development，LID），即在源頭處對(duì)暴雨徑流進(jìn)行截留和凈化，降低暴雨徑流對(duì)雨水設(shè)施的沖擊，凈化徑流水質(zhì)。綠化屋面是LID的一種重要的應(yīng)用措施，它是設(shè)在屋頂?shù)囊环N植草系統(tǒng)，由植被層、土壤層、基質(zhì)層、過濾層、排水層等組成，通過植物、土壤和填料對(duì)雨水的吸收、截留和過濾等作用，達(dá)到減少徑流量，凈化徑流水質(zhì)的目的［1］。

國外對(duì)于綠化屋面的研究比較早，水文和水質(zhì)兩方面都有很多的研究成果。水文方面，Berndtsson［1］通過總結(jié)已有的研究資料表明，綠化屋面能夠在一定程度上削減暴雨徑流總量和暴雨徑流峰值，減少洪澇災(zāi)害；Mentens等［2］通過研究歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，緊密型綠化屋面平均每年的徑流削減量可以達(dá)到年降雨總量的65%～85%；Hilten等［3］通過研究發(fā)現(xiàn)，綠化屋面對(duì)于暴雨徑流峰值的削減能夠達(dá)到60%～80%。水質(zhì)方面，國外的一些研究認(rèn)為綠化屋面主要表現(xiàn)為污染物的釋放源，Berndtsson等［4］通過研究日本和瑞典的綠化屋面發(fā)現(xiàn)，綠化屋面的TN，NH4—N濃度都很高，而且會(huì)釋放磷酸鹽；Teemusk等［5］通過研究愛沙尼亞的綠化屋面發(fā)現(xiàn)，綠化屋面COD，TN的濃度比普通屋面要低，但是TP濃度卻高于普通屋面，綠化屋面會(huì)釋放磷酸鹽。

國內(nèi)對(duì)于綠化屋面的研究起步較晚，孫挺等［6］通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，綠化屋面的持蓄量與降雨量總體呈現(xiàn)線性關(guān)系，綠化屋面具有明顯的減滯洪峰的效果；魏艷萍等［7］通過深圳的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，綠化屋面能夠明顯減少暴雨徑流和降低污染物濃度，而且重型綠化屋面明顯優(yōu)于輕型綠化屋面；王書敏等［8］通過構(gòu)建綠化屋面研究發(fā)現(xiàn)，綠化屋面徑流的TN，TP，NH4—N的濃度要高于天然雨水，但比普通的硬化屋面低。

綠化屋面已成為未來城市建設(shè)應(yīng)對(duì)城市氣候熱島效應(yīng)和城市消災(zāi)減洪的主要措施。目前世界上已有的研究較多，但是中國的研究尚不多，因此中國在屋面種植什么樣的綠化植物、采用什么樣的基質(zhì)層和土壤層等各方面都需要進(jìn)一步的研究工作。本研究通過搭建綠化屋面裝置，進(jìn)行人工降雨，在水文方面，重點(diǎn)研究綠化屋面對(duì)雨水的削減率與降雨強(qiáng)度、基質(zhì)層高度的關(guān)系，綠化屋面產(chǎn)流過程中的3個(gè)變量與基質(zhì)層高度的關(guān)系；水質(zhì)方面，重點(diǎn)研究所搭建實(shí)驗(yàn)裝置的出水水質(zhì)總體狀況，同時(shí)分析不同基質(zhì)層高度的水質(zhì)狀況。本研究對(duì)做好綠化屋面每個(gè)階段削減工作有很好的借鑒作用，同時(shí)也為實(shí)際綠化屋面項(xiàng)目的科學(xué)構(gòu)建提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)地點(diǎn)在天津大學(xué)，共搭建4組綠化屋面裝置，裝置從上到下依次為：植被層、土壤層、基質(zhì)層、過濾層、排水層。基質(zhì)層為主要變量，基質(zhì)層材料為珍珠鹽和蛭石的混合物（體積比為2∶1），4組裝置的基質(zhì)層高度分別為5，10，20和30cm，每個(gè)高度設(shè)置一個(gè)平行裝置。植被層、土壤層、過濾層、排水層高度分別為10，7，0.2和3cm。根據(jù)北方干旱少雨的氣候特點(diǎn)，試驗(yàn)植被層選取耐寒耐旱的佛甲草，試驗(yàn)過程中植物的生長狀況良好。

采用人工降雨的方式，雨水水質(zhì)與天津天然雨水水質(zhì)相同，降雨強(qiáng)度劃分為3個(gè)范圍：重現(xiàn)期1～5，5～50和50～100a，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的降雨強(qiáng)度為：241.67，469.44和716.67L／（s·hm2），降雨時(shí)間分別為60，40和20min。

測(cè)定的水質(zhì)指標(biāo)包括：TN，NH4—N，TP，COD。測(cè)定方法均按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第4版）》要求執(zhí)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流削減率分析

徑流削減率用來評(píng)價(jià)綠化屋面對(duì)于暴雨徑流的持蓄能力，計(jì)算公式：

式 中：η——徑 流 削 減 率 （%）；P——降 雨 總 量（mm）；R——徑流總量（mm）。

綠化屋面的徑流削減率符合階段性計(jì)算公式：

當(dāng)t0＜t≤t1時(shí)，采用曲線擬合的方法研究削減率的表達(dá)式。

圖1反映的是t0＜t≤t1時(shí)，綠化屋面的徑流削減率與lnh值的關(guān)系，h是綠化屋面基質(zhì)層的高度（cm）。

圖1 t0＜t≤t1時(shí)綠化屋面徑流削減率與lnh值的關(guān)系

從擬合結(jié)果得出，當(dāng)t0＜t≤t1時(shí)，徑流削減率η與基質(zhì)層高度h符合表達(dá)式：

式中：η——徑流削減率（%）；h——基質(zhì)層高度（cm）；A，B——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)A是直線的斜率，A值越大，lnh值的變化引起的徑流削減率變化越大，A值與降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)間有關(guān)，降雨強(qiáng)度越大，降雨時(shí)間越短，A值越大。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)B代表h＝1cm時(shí)，綠化屋面對(duì)暴雨的徑流削減率，B值與降雨強(qiáng)度和雨前干燥天數(shù)有關(guān)，降雨強(qiáng)度越大，雨前干燥天數(shù)越多，B值越大。

綜上所述，綠化屋面的徑流削減率符合階段性計(jì)算公式：

式中：η——徑流削減率（%）；h——基質(zhì)層高度（cm）；P——降雨總量（mm）；Q——飽和持蓄量（mm）；t——降雨歷時(shí)（min）；t0——開始出水時(shí)間（min）；t1——達(dá)到飽和時(shí)間（min）；A，B——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

2.2 產(chǎn)流過程分析

圖2是綠化屋面產(chǎn)流過程示意圖［9］，綠化屋面產(chǎn)流主要分為兩個(gè)階段：第一階段，綠化屋面無徑流產(chǎn)生，所有的雨水都被持蓄，持蓄的雨水量稱為前期削減量Q1；第二階段，綠化屋面開始產(chǎn)生徑流，但也有一部分雨水被持蓄，持蓄的雨水量稱為后期削減量Q2。Q1，Q2和降雨總量P，徑流總量R滿足關(guān)系式：

式中：P——降雨總量（mm）；R——徑流總量（mm）；Q1——前期 削 減 量 （mm）；Q2——后 期 削 減 量（mm）。下同。

圖2 綠化屋面的產(chǎn)流過程

表1是綠化屋面產(chǎn)流過程各變量與基質(zhì)層高度的相關(guān)性系數(shù)。分析表1中數(shù)據(jù)可知，徑流總量R與基質(zhì)層高度呈現(xiàn)很強(qiáng)的負(fù)線性相關(guān)性（－1＜r＜0，∣r∣＞0.75），即基質(zhì)層高度增大，徑流總量成比例減少，因?yàn)楫?dāng)降雨強(qiáng)度、前期干燥天數(shù)等條件相同時(shí)，增加基質(zhì)層高度會(huì)成比例的增加綠化屋面對(duì)雨水的持蓄量，所以徑流總量成比例減少；前期削減量Q1與基質(zhì)層高度呈現(xiàn)很強(qiáng)的正線性相關(guān)性（0＜r＜1，∣r∣＞0.75），即基質(zhì)層高度增大，前期削減量成比例增加，因?yàn)楫?dāng)降雨強(qiáng)度、前期干燥天數(shù)等條件相同時(shí)，基質(zhì)層越高，綠化屋面在前期可以持蓄的雨水量越多，所以前期削減量成比例增加；后期削減量Q2與基質(zhì)層高度相關(guān)性不強(qiáng)（∣r∣＜0.75），即后期削減量Q2與基質(zhì)層高度無特定的線性關(guān)系，后期削減量主要取決于開始出水時(shí)，綠化屋面的含水率與飽和含水率的差值，差值越大，后期削減量越多。

表1 綠化屋面產(chǎn)流過程中各變量與基質(zhì)層高度的相關(guān)性系數(shù)

2.3 出水水質(zhì)分析

表2是綠化屋面總體水質(zhì)與天然雨水、普通屋面和地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的對(duì)比。其中，普通屋面的水質(zhì)數(shù)據(jù)引用張杏娟等［10］對(duì)天津市平頂瀝青屋面雨水水質(zhì)的研究成果。由于本文研究的綠化屋面位于天津市，而且主要針對(duì)平頂瀝青屋面，因此普通屋面的水質(zhì)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)所測(cè)的綠化屋面水質(zhì)數(shù)據(jù)具有可比性。表3是不同基質(zhì)層高度的綠化屋面水質(zhì)測(cè)定結(jié)果，表中的濃度值，是同一基質(zhì)層高度時(shí)，不同降雨強(qiáng)度的平均值。

表2 綠化屋面的水質(zhì)測(cè)定結(jié)果 mg／L

表3 不同基質(zhì)層高度的綠化屋面水質(zhì)測(cè)定結(jié)果 mg／L

試驗(yàn)期之前，所有綠化屋面裝置放置在塑料棚內(nèi)，裝置內(nèi)幾乎沒有降塵，因此可以忽略降塵附著對(duì)水質(zhì)結(jié)果的影響。基質(zhì)層的填料在裝填之前經(jīng)過清水多次洗滌，因此基質(zhì)層的氮磷含量可以忽略不計(jì)，土壤層堿解氮和有效磷含量的平均值分別為156.5和121.8mg／kg。

試驗(yàn)過程中，未對(duì)綠化屋面的植物進(jìn)行施肥，因此，氮元素進(jìn)入綠化屋面的主要途徑是降雨。綠化屋面出水的總氮濃度為1.70～2.68mg／L，比天然雨水和普通屋面都要低，考慮到土壤層堿解氮含量為156.5mg／kg，說明綠化屋面能夠有效的降低雨水中的總氮濃度，但是出水中的總氮濃度還是稍大于地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值（2mg／L）。基質(zhì)層高度增加，綠化屋面出水的總氮濃度降低，但基質(zhì)層高度由20cm增加到30cm時(shí)，總氮濃度只減少了0.03mg／L，說明，此時(shí)增加基質(zhì)層高度對(duì)于出水的總氮濃度影響效果已變得十分微小。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，綠化屋面的出水中總氮濃度與徑流削減率的相關(guān)系數(shù)r＝－0.93，說明出水中的總氮濃度與徑流削減率有很強(qiáng)的負(fù)線性相關(guān)性，徑流削減率升高，出水中的總氮濃度成比例的降低，綠化屋面對(duì)于徑流的削減和對(duì)于總氮的削減具有很強(qiáng)的同步效應(yīng)。

天然雨水和普通屋面中幾乎不含有氨氮，土壤層中的氨氮含量也很少，但是綠化屋面的出水氨氮濃度卻達(dá)到了0.53～2.04mg／L，說明綠化屋面是一個(gè)氨氮的釋放源，但是出水氨氮濃度基本上可以達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值（2mg／L）。綠化屋面釋放氨氮的原因，一是由于土壤層中的少量氨氮被雨水帶出；二是由于綠化屋面內(nèi)部將有機(jī)氮通過氨化作用轉(zhuǎn)化為氨氮，但由于缺乏厭氧環(huán)境，氨氮不能夠充分的轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。

磷元素進(jìn)入綠化屋面的主要途徑是降雨，但綠化屋面出水中的總磷濃度達(dá)到0.52～4.50mg／L，遠(yuǎn)大于天然雨水中的總磷濃度0.09～0.20mg／L，同時(shí)比普通屋面和地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值（0.4mg／L）都要大很多，說明綠化屋面是一個(gè)嚴(yán)重的磷元素釋放源。在沒有施肥的情況下，綠化屋面卻釋放了大量的磷元素，主要是由于綠化屋面的土壤層中有效磷的含量達(dá)到了121.8mg／kg，降雨過程中，磷元素容易被雨水徑流沖刷帶出。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，降雨強(qiáng)度增大，沖刷作用增強(qiáng)，出水總磷濃度升高，也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。

綠化屋面出水的COD濃度為9.33～28.0mg／L，比天然雨水和普通屋面都要低很多，而且能夠完全達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值（40mg／L），說明，綠化屋面能夠有效的降低雨水的COD值。在總氮、氨氮、總磷、COD的4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)中，綠化屋面對(duì)于COD濃度的降低效果最佳。基質(zhì)層高度增加，綠化屋面出水中的COD濃度會(huì)有明顯的減少，說明，基質(zhì)層在降低COD濃度方面發(fā)揮了很重要的作用。

3 基質(zhì)層高度

（1）水文方面。基質(zhì)層高度為5，10，20和30cm的綠化屋面的徑流削減率分別為15.3%～40%，26.3%～54.5%，27.0～63.0%，32.7%～69.0%，雖然基質(zhì)層高度增加，削減率升高，但由20cm增加到30cm時(shí)，削減率升高值不大，但填料體積卻增加較多。因此，基質(zhì)層高度在20cm左右較好。

（2）水質(zhì)方面。雖然基質(zhì)層高度增加，TN和COD濃度降低，但4組裝置的TN濃度相差很小，COD濃度雖然相差較大，但4組裝置COD濃度都可完全達(dá)到地表水V類標(biāo)準(zhǔn)，因此主要參考TP和NH4—N的濃度。而10cm裝置的TP和NH4—N濃度都最小，因此，基質(zhì)層高度在10cm左右較好。

綜合考慮水文和水質(zhì)兩方面，建議綠化屋面基質(zhì)層高度范圍是：10—20cm。此時(shí)的綠化屋面，水文方面，徑流削減率可達(dá)到約27%～60%，考慮到實(shí)際中綠化屋面的面積要比實(shí)驗(yàn)裝置大很多，密實(shí)性更好，削減率還有很大的提升空間；水質(zhì)方面，TN，NH4—N，COD出水濃度都可達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，TP濃度稍高一些。

4 結(jié)論

（1）綠化屋面的徑流削減率符合一定的階段性計(jì)算公式。

（2）綠化屋面產(chǎn)流過程中，徑流總量與基質(zhì)層高度呈現(xiàn)很強(qiáng)的負(fù)線性相關(guān)性；前期削減量與基質(zhì)層高度呈現(xiàn)很強(qiáng)的正線性相關(guān)性；后期削減量與基質(zhì)層高度無特定的線性關(guān)系。

（3）綠化屋面能夠有效降低雨水中的總氮濃度和COD濃度，但氨氮濃度和總磷濃度有所升高；綠化屋面對(duì)于徑流的削減和對(duì)于總氮的削減具有很強(qiáng)的同步效應(yīng)。

（4）綜合考慮水文和水質(zhì)兩方面，建議綠化屋面基質(zhì)層高度范圍是10—20cm。

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