綠色屋面降雨徑流水質及消減污染負荷研究

張千千，王效科，高 勇，萬五星，歐陽志云

1 中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 石家莊 050061 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 3 河南省環境監測中心, 鄭州 450004; 4.河北師范大學生命科學院, 石家莊 050016

綠色屋面降雨徑流水質及消減污染負荷研究

張千千1,2，王效科2,*，高 勇3，萬五星2,4，歐陽志云2

1 中國地質科學院水文地質環境地質研究所, 石家莊 050061 2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 3 河南省環境監測中心, 鄭州 450004; 4.河北師范大學生命科學院, 石家莊 050016

綠色屋面; 降雨徑流; 徑流水質; 污染負荷

隨著城市化進程加快，不透水地表面積越來越高，不透水下墊面改變了原有的水文循環過程，增加了地表徑流量，對受納水體造成了嚴重影響[1]，進而引起了城市管理者及相關研究人員對管理和控制暴雨徑流的重視。研究者提出了大量的控制措施，如植被過濾帶，人工濕地，滲透系統等。由于上述措施要求使用大面積的土地，在城市區域沒有足夠的空間實施，加之城市區域地價昂貴，嚴重影響了面源污染控制的廣泛開展。城市建筑屋面在城市建設用地中比重較高(約占城市不透水下墊面總面積的40%—50%)，在城市面源污染中發揮著重要的作用。因此，研究者提出將硬化屋面“綠化”的新控制理念。

“綠色”屋面也被稱之為植被屋面和生態屋面，是城市區域中一類特殊的地表覆蓋類型[2]。常見的綠色屋面種類有集約型屋面和粗放型屋面兩種。集約型屋面可以被作為一個花園，它具有較厚的土壤層，可以種植比較大的植物，如喬木和灌木樹種；而粗放型屋面是指土壤層較薄，只能種植草本或者更小的植物[3]。與不透水下墊面相比，綠色屋面具有生態化屬性，很多城市暴雨管理理念將其作為城市面源污染的控制技術之一，如美國的BMPs(Best Management Practices)和英國SUDS(Sustainable Urban Drainage Systems)等[4]。

本研究的主要目的是基于徑流水質和污染負荷2個方面，綜合評價綠色屋面對徑流水質的影響和污染負荷的增減；并且確定綠色屋面徑流水質和降雨特征之間的關系。以期為正確評價綠色屋面對徑流水質的影響提供數據支持，并為綠色屋面的科學構建和城市暴雨徑流管理提供了重要參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

重慶地區地形地貌結構較為復雜。地貌類型可分為中山、低山、丘陵、臺地、平原(壩)五大類。區域屬四川盆地熱帶季風濕潤氣候，氣候溫和，雨量充沛，四季分明。年均降雨量為1085.3 mm，夏季占年降水量40%—50%，歷年平均相對濕度為79%，日照時數1243.8 h。年平均氣溫17.5—18.7 ℃，無霜期296 d。

1.2 綠色屋面和控制(瀝青)屋面設計

綠色屋面和瀝青屋面建于2010年8月，位于重慶市北部新區竹林實驗學校的實驗樓頂部，并排放置。綠色屋面的面積為1 m2(1 m×1 m)，瀝青屋面的面積為2.25 m2(1.5 m×1.5 m)。在屋面的四周安裝40 cm高的PVC板，防止雨水飛濺和流失。屋面的出水口接一個直徑8 cm的PVC管，PVC管連接1 m長的塑料管，塑料管與雨水收集箱相連。

1.3 綠色屋面的結構

綠色屋面的結構主要包括6層(圖1)，從上向下依次為植物層、種植基質層(土壤層)、過濾層、排水層、防水層(瀝青紙)和水泥板。

圖1 實驗屋面及綠色屋面結構

基質層 本層為混合基質層，采用篩選的輕質材料混合而成，減輕屋頂的承重力，各基質的體積比為：泥炭土∶蛭石∶珍珠巖∶鋸末=4∶3∶2∶1，然后將各基質混勻，混合基質層厚度為15 cm。主要功能是承載植物層，為植物層提供生長必須的養分和水。

過濾層 過濾層選用材料為聚酯纖維無紡布，具有較好的過濾、排水、隔離，且材料重量輕、抗拉強度高、滲透性好等，既能透水又能隔絕種植土中的細小顆粒，主要功能是當水流經基質層時，利用針刺土工布良好的透氣性和透水性使水流通過，有效截留土顆粒、細砂和小石料等，防止堵塞排水層。

排水層 排水層選用新型塊狀塑料蓄水板，規格為33.3 cm × 33.3 cm × 2.0 cm，主要作用是迅速排除在降雨和澆灌時多余的水分，有效緩解瞬時壓力，改善基質的通氣狀況，存儲部分水分，具備保溫隔熱、阻根刺(防止植物根系破壞混凝土結構)、質輕、耐高負荷等多種功能。該層鋪設在過濾層下，平時注意及時清理枯枝落葉，防止排水口堵塞。

防水層 在原有水泥屋面的基礎上再鋪設改性瀝青油氈作為附加防水層。

植物層 是屋頂綠化的主要功能層, 生態、經濟、社會等效益都體現在這一層當中。植物選擇佛甲草(SedumlineareThunb)，又名萬年草，為景天科佛甲草屬多年生草本植物。種植株距為4—6 cm，行距為8—10 cm。

1.4 樣品采集與分析

綠色屋面和瀝青屋面均通過 U-PVC 管與采樣容器相連(圖1)，使降雨產流全部收集在容器中。每場降雨之前，采樣容器均用自來水和超純水沖洗干凈，并蓋好蓋子，降雨結束后收集雨水；干濕總沉降采樣：上次降雨采集樣品后，將采樣箱用自來水和超純水沖洗干凈，放于屋面上，當下次降雨停止時，立即收集樣品；濕沉降采樣：在下雨前，將采樣箱放于屋面上，雨停后，收集雨樣。在采樣點附近安裝了JDZ- 1型數字雨量計，收集降雨的資料。研究期間對綠色屋面，瀝青屋面，干濕總沉降和降雨同步采樣12次。降雨事件的降雨特征見表1。

1.5 數據分析

由于本研究所得數據未滿足正態分布，所以，運用非參數的Kruskall-Wallis和Mann-WhitneyU檢驗方法，分析了綠色屋面、瀝青屋面、干濕總沉降和降雨中各污染物濃度和污染負荷的顯著差異性。此外，運用Spearman′s秩相關系數分析了降雨特征對綠色屋面徑流水質的影響。

2 研究結果

2.1 降雨特征描述

表1列出了所監測降雨事件的特征。由表1可知，所監測的12場降雨事件差異較大，其中暴雨2場，大雨4場，中雨3場，小雨3場。12場降雨事件包括了不同降雨強度的降雨，具有較好的代表性，為研究結果的可靠性提供了保證。

表1 監測降雨事件的特點Table 1 The characteristics of investigated rain events

2.2 綠色屋面和瀝青屋面降雨徑流與干濕沉降和降雨的水質特征比較

2.2.1 pH、EC和TSS

(1) pH值的平均濃度表現為：瀝青屋面(7.35)要顯著的高于綠色屋面(6.84)，干濕沉降(5.98)和降雨(5.61)(圖2)。雨水和干濕沉降pH值的濃度低于了國家地表水的標準(6.0—9.0)[15]，但是，在綠色屋面上，pH值的濃度滿足了國家地表水的標準，因此，綠色屋面對降雨徑流中pH值有很好的中和作用；

(2) EC的平均濃度表現為：綠色屋面(224.85 μS/cm)要顯著的高于瀝青屋面(65.47 μS/cm)，干濕沉降(48.63 μS/cm)和降雨(37.59 μS/cm) (圖2)。綠色屋面是EC的源；

(3) TSS的平均濃度表現為：綠色屋面(20.42 mg/L)要顯著的低于瀝青屋面(67.04 mg/L)，并且低于干濕沉降(36.53mg/L)(圖2)，綠色屋面是TSS的匯。

圖2 綠色屋面、瀝青屋面、干濕沉降和降雨采樣中 pH， EC和 TSS的平均濃度

(1)TP的平均濃度表現為：雨水(0.035 mg/L)要顯著低于綠色屋面(0.113 mg/L)，瀝青屋面(0.091 mg/L)和干濕沉降(0.076 mg/L)(圖3)，但是TP的濃度在綠色屋面，瀝青屋面和干濕沉降采樣中無顯著差別，因此，綠色屋面對于TP是非源非匯。

圖3 綠色屋面、瀝青屋面、干濕沉降和降雨采樣中TP和與的平均濃度

2.2.3 COD和BOD5

由圖4所示， COD和BOD5的平均濃度表現為：綠色屋面 (230.63 mg/L 和11.05 mg/L)要顯著高于瀝青屋面(105.24 mg/L和4.88 mg/L)，干濕沉降 (52.63 mg/L和 4.44 mg/L) 和降雨 (42.73 mg/L和2.55 mg/L)。在綠色屋面徑流中有機污染物主要來源于土壤有機物和植物的腐爛,綠色屋面是COD和BOD5的源。

圖4 綠色屋面、瀝青屋面、干濕沉降和降雨采樣中 BOD5 和COD的平均濃度

2.2.4 溶解態重金屬(DPb、DCu和DZn)

由圖5所示，DCu和DZn的平均濃度表現為：在綠色屋面 (13.02 μg/L和52.27 μg/L)，瀝青屋面(4.80 μg/L和8.88 μg/L)，干濕沉降 (18.58 μg/L和28.11 μg/L)以及降雨(4.93 μg/L和28.63 μg/L)無顯著差異，這或許是由于屋面徑流中的DCu和DZn主要來源于干濕沉降。DPb、的平均濃度表現為：綠色屋面 (17.26 μg/L)要顯著高于瀝青屋面(5.15 μg/L)，干濕沉降(5.42 μg/L) 和降雨(6.58 μg/L)。綠色屋面是DPb的源。

圖5 綠色屋面、瀝青屋面、干濕沉降和降雨采樣中DPb、DCu和DZn的平均濃度

2.3 綠色屋面，瀝青屋面，干濕沉降和降雨的污染負荷比較

2.4 降雨特征對綠色屋面徑流水質的影響

該研究通過分析各場次降雨事件中各污染物的濃度與降雨特征的相關關系(表3)，結果表明：pH值與降雨量在0.05顯著水平下呈負相關關系；TP和TSS與降雨間隔在0.05顯著水平下呈正相關關系，BOD5與降雨間隔在0.01顯著水平下呈正相關關系；DCu和DZn與最大雨強在0.05水平下呈負相關。各水質參數與降雨歷時和平均雨強均無顯著相關關系。

表2 綠色屋面、瀝青屋面、干濕沉降和降雨采樣中各水質參數的污染負荷比較/(mg/m2)Table 2 Comparison of the pollution load of water quality parameters for green roof, asphalt roof, rainwater and dry-wet deposition

表3 徑流水質與降雨特征的相關關系分析Table 3 Correlation analysis between runoff quality and characteristics of the rainfall

3 討論

3.1 綠色屋面的源匯特征探討

3.2 影響綠色屋面徑流水質的因素

表4 綠色屋面和瀝青屋面徑流水質污染負荷分析Table 4 Analysis for pollutants load of green roof (GR) and asphalt roof (AR)

降雨強度決定著淋洗、沖刷地表污染物的能量大小。降雨強度對屋面徑流中污染物的種類和數量有顯著的影響，這主要由于某些污染物主要以微粒態形式存在，這些污染物只有在高的降雨強度下才能被沖刷。本研究結果表明：各污染物的平均濃度與平均雨強和最大雨強均呈負相關關系。這與歐陽威等人[21]和張千千等人[22]研究結果相同。

4 結論

(4)統計分析表明：多數污染物與降雨量、降雨歷時和降雨強度呈負相關關系，與降雨間隔呈正相關關系。

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Research on green roof in water quality of rainfall runoff and reduction of pollution load

ZHANG Qianqian1,2, WANG Xiaoke2,*, GAO Yong3, WAN Wuxing2,4, OUYANG Zhiyun2

1InstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology,ChineseAcademyofGeologicalScience,Shijiazhuang050061,China2StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China3HenanProvinceEnvironmentalMonitoringCenter,Zhengzhou450004,China4CollegeofLifeScience,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050016,China

With the rapid urbanization and continued improve to control urban point source pollution in China, the ratio of urban surface runoff accounted for pollution load of receiving water will be raised increasingly and pose a serious threat to urban water body. “Green” roofs, also referred to as vegetated or ecology roofs, are of the important technologies for controlling urban nonpoint source pollution, which has been taken as an important component of technical system in many advanced concepts for the management of urban stormwater runoff. Green roof has several beneficial effects in an urban setting, such as their ability to retain and detain roof stormwater runoff, reduce urban heat islands, improve air quality, provide wildlife habitats, and their esthetic value. However, there is a very important aspect that has often been overlooked in previous studies is the quality of the runoff water from green roofs. Therefore, it is very important to investigate runoff water quality from green roofs for its popularization and application. In the paper, we investigated water quality of storm runoff from green roof, asphalt roof (control roof), dry-wet deposition and rainfall from May to December, 2011, and calculated the pollution load of them, and analyzed the effect of rainfall characteristics on runoff water quality using multivariate statistical analysis. Compared the water quality from green roof, asphalt roof (control roof), dry-wet deposition and rainfall, we found that the green roof was a sink of total suspended solids (TSS), because the average TSS concentration of the green roof (20.42 mg/L) was significantly lower than on the asphalt roof (67.04 mg/L) and was also lower than that of the dry-wet deposition (36.53 mg/L) samples. The green roof can neutralize the pH from 5.61 to 6.84. The green roof is non-source and non-sink for total phosphorus (TP), dissolved copper (DCu) and dissolved zinc (DZn); conversely, the green roof was a source of electrical conductivity (EC), total nitrogen (TN), ammonium nitrogen (NH+4-N), nitrate nitrogen (NO-3-N), chemical oxygen demand (COD), biochemical oxygen demand after 5 days (BOD5) and dissolved lead (DPb), because the average concentration of there parameters of green roof was significantly higher than of the asphalt roof, dry-wet deposition and rainfall. However, considered about the pollution load from green roof, asphalt roof (control roof) and dry-wet deposition, we noticed that the green roof was a sink of NH+4-N, TSS and BOD5, the green roof is non-source and non-sink for TN, DPb, DCu, DZn, TP and COD, conversely, the green roof was a source of NO-3-N. Compared the pollution load between green roof and asphalt roof (control roof), 90.53% of TSS, 49.38% of TP, 41.31% of BOD5, 36.48% of COD, 35.45% of NH+4-N, 28.27% of DZn and 14.20% of DPb could be abated, however, 821.02% of NO-3-N and 275.48% TN could be added; The concentration of the pollutants of green roof runoff were negatively correlated with precipitation, rainfall duration and rainfall intensity, however, there was positive correlation with the antecedent dry weather period. The results can provide a basis for design of the green roof and scientific assessment the effect of the green roof to runoff water quality.

green roof; rainfall runoff; runoff water quality; pollution load

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07307); 國家自然科學基金重點項目(41030744)

2013- 06- 24;

2014- 05- 30

10.5846/stxb201306241762

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangxk@rcees.ac.cn

張千千，王效科，高勇，萬五星，歐陽志云.綠色屋面降雨徑流水質及消減污染負荷研究.生態學報,2015,35(10):3454- 3463.

Zhang Q Q, Wang X K, Gao Y, Wan W X, Ouyang Z Y.Research on green roof in water quality of rainfall runoff and reduction of pollution load.Acta Ecologica Sinica,2015,35(10):3454- 3463.