綠色屋頂與雨水花園控源截污效率分析

羅秀麗，王莉莉，胡良宇

(安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南232001)

1 引言

1977～2016年，我國的城市化率從17.55%增長到57.35%[1]。城市化導致城市上風向和下風向的降水增加約30%，影響鋒面降水過程，使得城區及其邊緣地區的降水歷時延長，增加了城市內澇的風險[2]。總降水量超過150 mm以及降水強度超過40 mm/h的降雨事件頻率明顯增加。同時，城市快速發展產生的熱島效應、凝結核增強作用和微地形阻礙效應，使城市的年降水量增加5%以上，汛期暴雨的次數和暴雨量增加10%以上，產生了城市的雨島效應[3]。雨水徑流攜帶地面累積的污染物進入水體，增加了受納水體污染物負荷，加重了城市水體的黑臭現象。近幾年，每逢雨季，各地城市輪番上演“城市看海”的景象，嚴重影響了城市人民生命財產安全。

綠色屋頂與雨水花園是城市居民小區和廣場采取得重要美化環境的措施，也是城市黑臭水體治理中控源截污的重要技術手段，通過滯、蓄、滲、凈等實現城市良性水文循環。本文對雨水花園、綠色屋頂的截污效率進行分析，旨在為城市化過程中的居民小區和廣場建設優選工程措施提供參考。

2 雨水花園

2.1 雨水花園截流效應分析

雨水花園能夠增加雨水入滲量、削減雨水徑流量、凈化雨水水質，能夠緩解城市水資源短缺和保護城市水環境。雨水花園主要由調蓄層、礫石層、種植土壤、層砂層和蓄水層構成，具有滯、蓄、滲、凈等功能，徑流削減率是反應雨水花園對降雨截流效應的重要指標。削減率(r)可以表示為：

式(1)中：Wout為出流量(溢流量)；Win為入流量。

雨水花園對降雨徑流削減效果良好，削減率高達99.0%。長期運行的雨水花園土壤濕潤，植物生長茂盛，無脊椎動物生長形成的蟲洞和根系都有利于增加并維持雨水花園的入滲功能，延長雨水花園的使用壽命[4]。

2.2 雨水花園減污效應分析

雨水花園對降雨徑流中污染物的去除率(Rc)可表示為：

式(2)中：Cin為入流的雨水徑流污染物的濃度，mg/L；Cout為出流的雨水污染物的濃度，mg/L。

采用雨水徑流的平均濃度(EMC)代表降雨事件過程中污染物濃度的平均濃度，解決雨水徑流污染物濃度變化大的問題。雨水徑流平均濃度(EMC)表示為：

式(3)中：EMC為雨水徑流的平均濃度，mg/L；M為入流的總污染質量，mg；V為總徑流體積，L；t為降雨歷時，min；Ct為入流中隨時間t變化的污染物濃度，mg/L；Qt為隨時間t變化的徑流量，L/min；n為總取樣次數；Qi為第i次取樣時的徑流量，L/min；Ci為第i次取樣時的徑流污染物濃度，mg/L。

雨水花園可以有效去除雨水徑流中的重金屬、總懸浮顆粒物(SS)、油脂類及病原體等污染物，但對N、P等營養物質的去除效果差異較大[5，6]。唐雙成等[7]研究發現雨水花園對TP濃度的去除率均值為6.3%，對TN的濃度去除率均值為－2.7%；郭超等[8]研究發現雨水花園對TP濃度的去除率為31.30%～32.92%，對TN濃度的去除率為66.53%～67.73%；李俊奇等[9]研究發現雨水花園對TP濃度的去除率為－86.3%～76%，對TN濃度的去除率為22.0%～45.4%。雨水花園對污染物的去除率，見表1。

表1 雨水花園對污染物的去除率

3 綠色屋頂

3.1 綠色屋頂截流效應分析

屋面是城市不透水面積的主要組成部分，綠色屋頂具有減少熱島效應、隔熱降溫和節能減排的作用，研究綠色屋頂對減少徑流和污染物有重要意義。綠色屋頂由植被層、種植層、蓄排水層、隔根層、過濾層、保濕層、防滲漏層和原建筑頂等組成[10]。綠色屋頂對雨水徑流的削減效果受屋面坡度、降雨強度、植物因素、基質層厚度和基質層初始濕度的影響[11]。100%綠化的屋頂、50%(遠離流域總出水口)綠化的屋頂、50%(綠化位置靠近流域總出水口)綠化的屋頂、50%(均勻分散于研究區域)綠化的屋頂與無綠化前流域的峰值徑流量相比，降低了5.3%、3.6%、1.8%和3.1%[12]。基質層、排水層為田園土、碳渣的屋頂和基質層、排水層為人工基質、排水板屋頂在小雨時徑流削減率近100%，暴雨時徑流削減率約為小雨時的30%[13]。基質厚度為50 mm的綠色屋頂對重現期為5年的降雨事件，其雨水系統削減率在15.3%～40.0%之間。當降雨強度較小時，綠色屋頂的滯留效果良好，但隨著降雨強度的增大，其滯留效果明顯降低。基質層越厚，綠色屋頂對降雨徑流量削減率越高，不同基質層厚度的雨水徑流削減率見表2。綠色屋頂雨水徑流削減率與基質初始濕度呈負相關關系[11，13]。

表2 不同基質層厚度的雨水徑流削減率

3.2 綠色屋頂減污效應分析

綠色屋頂通過屋頂植被層的截留作用和吸附作用截留雨水，利用種植土層中的微生物來降解污染物，并通過基層土壤中的過濾作用和滲透作用凈化雨水中的污染物。綠色屋頂和普通屋頂的p H值有差異，普通屋頂的p H值通常小于7，而綠色屋頂的p H值大于7，綠色屋頂由于基質層填料含有堿性物質，使雨水的p H值升高，能緩解酸雨問題，減少酸雨對建筑物的腐蝕問題[14]。綠色屋頂能有效降低COD、TSS和濁度，但會成為硝酸鹽(NO－3)和磷酸鹽(PO3－4)的釋放源[11，12]。

4 結論

(1)雨水花園和綠色屋頂均能削減雨水徑流。其削減效果不一，當降雨事件為小雨時，兩者的削減率均能達到近100%。雨水花園對暴雨徑流削減效果良好，削減率達到99.0%，綠色屋頂暴雨時徑流削減率約為小雨時的30%。

(2)雨水花園和綠色屋頂能有效去除雨水中的COD和TSS，但對TP、TN、NO－3、PO3－4的去除效果存在爭議，有學者認為兩者都能去除TP、TN、NO－3、PO3－4，也有學者認為兩者是N、P的釋放源。

(3)雨水花園和綠色屋頂都能有效滯留重金屬(Cu、Zn、Pb)，雨水花園的滯留效果更好。雨水花園能有效去除重金屬污染，但綠色屋頂的結構組成和所采用的建筑材料對重金屬濃度有一定影響。