清潔型基質的屋頂綠化徑流效應

殷金巖 趙秀芳 朱心寧

摘 ?要：選取2種基質構成的4種綠色屋頂（試驗框1、2、3和4）的徑流為研究對象，通過9場連續降雨監測，分析探討了徑流控制率以及徑流水質特點。結果表明，清潔型基質的徑流控制率可以達到42%～68%，常規基質的徑流控制率為30%～58%，并且隨著基質厚度的增加，徑流控制率呈增加趨勢;清潔型基質徑流中TP濃度低于常規基質;清潔型基質徑流中COD、NH3-N和TN濃度低于常規基質徑流中的濃度，但兩者均高于天然降雨中的濃度;清潔型基質徑流的TSS濃度明顯低于硬化屋面和常規基質徑流中的濃度，TSS的消減率平均可達到34.6%。

關鍵詞：綠色屋頂;清潔型基質;徑流;水質

中圖分類號 TU823文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）05-0130-04

Abstract：Four green roofs （box 1，2，3 and 4） based on two substrates were selected for study.By monitoring nine consecutive rains，the control rate and water quality characteristics of four green roofs were analyzed.The results show that the runoff control rate of clean substrate can reach 42% ～68%，the runoff control rate of conventional substrate is 30% ～58%，and the runoff control rate increases with the increase of substrate thicken TSS.The concentration of TP in clean substrate runoff is lower than that of conventional substrate;Concentrations of COD，NH3-N and TN in clean substrate runoff were lower than those in conventional substrate runoff and were higher than those of COD，NH3-N and TN in natural rainfall;The TSS concentration in clean substrate runoff is significantly lower than that in hardened roof and conventional substrate runoff，and the TSS reduction rate can reach 34.6 %.

Key words：Green roof;Clean substrate;Runoff;Water quality

近年來，城市雨水利用作為緩解水資源短缺和洪澇災害問題的一項重要措施正日益受到重視，屋面雨水因收集量較為集中而成為一種可利用資源[1]。屋頂綠化的基質成分直接影響綠色屋頂雨水收集回用的水質，在開發清潔型基質，通過基質層的過濾和吸附作用消減徑流中的污染物方面，目前研究較少[2-4]。筆者基于清潔型基質，研究其綠色屋頂徑流效應，以期為后續工程實踐提供理論支撐，促進城市節能環保與生態文明建設。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況 試驗地點位于廣東省東莞市，東莞市屬亞熱帶氣候區，夏季多南風，夏秋季（7～10月）常有8級以上的臺風侵襲，冬季盛行東風和北風。靠近東江沿岸，受季風影響，四季分明，最高溫度36℃，最低1～3℃，平均氣溫22℃。年日照時間在200d以上，無霜期350d，年降雨量在1800～2000mm。

1.2 降雨特征 徑流監測在2016年降雨集中的7～9月，共監測12場降雨，去除異常監測數據后共統計9場降雨，降雨事件的雨前干旱時間、降雨量、降雨歷時情況如表1所示。

由表1可以看出，降雨事件的雨前干旱時間的變化范圍為6～53h，降雨量的變化范圍為4.1～85.5mm，降雨歷時的變化范圍為2～17h，降雨量、雨前干旱時間和降雨歷時的變化范圍較大，降雨事件具有一定代表性。

1.3 試驗設計 試驗基于簡式的屋頂綠化工藝，結構包括植被層、椰絲層、基質層、過濾層、蓄排水層和防水阻根層，共設置了4個綠色屋頂試驗框，試驗框的結構組成見表2。試驗中綠色屋頂試驗框1和3的尺寸為1m×1.5m×0.3m，試驗框2和4的尺寸為1m×1.5m×0.5m，由PVC材料制成，放置在屋面上，傾角與屋面傾角一致（如圖1）。在試驗框一面基質層底端鉆一排側向溢流口，溢流口下方設置徑流收集槽，收集徑流量。

試驗中使用2種基質類型，一是清潔型基質（ZL201510576711.8），另一種是常規基質。其中，清潔型基質模擬土壤團粒形成過程，采用膨脹珍珠巖作為土壤團粒的無機礦物，利用粘結劑把有機肥粘結在珍珠巖表面，在造粒過程中形成滿足要求的人造團粒結構;常規基質采用珍珠巖、椰糠、有機肥均勻混合而成，是非團粒性結構。

采用采樣桶進行采樣，徑流水質比較穩定，產流開始30min后，每10min采樣1次;1h后，每30min采樣1次。對水樣進行編號，通過水質檢測儀進行檢測，檢測項目包括pH、COD、TSS、NH3-N、TN、TP，水質分析方法如表3所示。同時采集橋頭硬化屋面的屋面徑流以及天然降雨作為對比試驗，對比綠色屋頂徑流水質、硬化屋面徑流水質和天然雨水水質，水質監測方法如表3所示。通過公式計算徑流控制率：徑流控制率=（降雨量?徑流量）/降雨量。

2 結果與分析

2.1 徑流控制 試驗框1（清潔型基質15cm）、試驗框2（清潔型基質10cm）、試驗框3（常規基質15cm）、試驗框4（常規基質10cm）結構不同，徑流控制也有一定差異。由圖2可知，試驗框1、試驗框2、試驗框3和試驗框4在不同的降雨量條件下，隨著降雨量增大，徑流控制率呈降低的趨勢，說明徑流控制率和降雨量存在負相關關系;在相同基質不同厚度的處理條件下，試驗框1的徑流控制率高于試驗框2，試驗框3高于試驗框4，說明基質層厚度與徑流控制率呈正相關的關系;在不同基質同一厚度的處理條件下，試驗框1的徑流控制率高于試驗框3，試驗框2高于試驗框4，說明在相同條件下清潔型基質的徑流控制率高于常規基質。在本試驗條件下，基質層厚度達到15cm時，清潔型基質的徑流控制率可以達到42%～68%，常規基質為30%～58%。

2.2 徑流水質 選取9場降雨中具有代表性的3場作為徑流污染物分析對象，對降雨、硬化屋面、試驗框1、試驗框2、試驗框3和試驗框4的水質進行分析，結果見表4。

由表4可知，在第1場降雨中，NH3-N、COD和TN的濃度以常規基質處理（試驗框3和試驗框4）徑流中最高，其次是清潔型基質處理（試驗框1和試驗框2）和硬化屋面處理，降雨中所含NH3-N的濃度最低;而同一種基質不同厚度處理NH3-N的濃度差異不大;隨著降雨次數的增加，各基質處理徑流中所含NH3-N的濃度呈下降趨勢。

在3場降雨中，清潔型基質處理（試驗框1和試驗框2）徑流中TP的濃度與天然降雨和硬化屋面中TP濃度相近，常規基質處理（試驗框3和試驗框4）徑流中的TP濃度明顯高于清潔型基質處理（試驗框1和試驗框2），說明常規基質中富含的營養物濃度較高，且較容易流失，團粒性的清潔型基質則大大降低了TP的流出量。

對比硬化屋面、清潔型基質和常規基質徑流的TSS指標，清潔型基質處理（試驗框1和試驗框2）明顯低于硬化屋面和常規基質處理（試驗框3和試驗框4），說明團粒性結構的清潔型基質能夠有效降低雨水徑流中懸浮物，相較于硬化屋面，TSS的消減率平均可達到34.6%。

3 結論與討論

（1）Mentens等人研究發現綠色屋頂對降雨具有很強的消減作用[5]。本研究結果也顯示清潔型基質處理的徑流控制率高于常規基質處理，并且隨著基質厚度的增加，徑流控制率增加，清潔型基質的徑流控制率可以達到42%～68%，常規基質的徑流控制率為30%～58%。

（2）屋頂綠化建設中所使用的富含營養物質的土壤（堆肥及人造肥料）和正在施肥的屋頂綠化通常被認為是磷源[6]。本研究中，常規基質徑流中的TP濃度明顯高于天然降雨，說明常規基質中富含的營養物濃度較高，而清潔型基質徑流中TP濃度與天然降雨中TP濃度相近，團粒性的清潔型基質則大大降低了TP的流出量。

（3）魏艷萍等對拓展型屋頂綠化屋面徑流污染物進行了分析，發現對于污染物TN、TSS、COD而言拓展型屋頂綠化大于天然降雨[7]。本研究中清潔型基質徑流中COD、NH3-N和TN的濃度低于常規基質，但均高于天然降雨中的濃度。

（4）對比硬化屋面、清潔型基質和常規基質徑流的TSS指標，清潔型基質明顯低于硬化屋面和常規基質，說明團粒性結構的清潔型基質能夠有效降低雨水徑流中懸浮物，相較于硬化屋面，TSS的消減率平均可達到34.6%。

參考文獻

[1]周賽軍.南方城市蓄水綠化屋頂雨水資源化利用與防熱節能研究[J].給水排水，2008（11）：200-202.

[2]歐嵐，車武，汪慧貞.城市屋面雨水綠地水平流滲透凈化研究[J].城市環境與城市生態，2001（6）：24-27.

[3]肖海文，翟俊，鄧榮森，等.處理生態住宅區雨水徑流的人工濕地運行特性研究[J].中國給水排水，2008（11）：34-38.

[4]馮紹元，侯立柱，丁躍元，等.多層滲濾介質系統去除城市雨水徑流有機污染物[J].環境科學學報，2008（6）：1123-1130.

[5]Mentens，J.，Raes，D.，Hermy，M.Green roofs as a tool for solving the rainwater runoff problem in the urbanized 21st century[J].Landscape Urban Plan，2006 （77）：217–226.

[6]Alar Teemusk，?lo Mander.Rainwater runoff quantity and quality performance from a greenroof：The effects of short-term events[J].Ecological Engineering，2007，30（3）.

[7]魏艷萍，文仕知，譚一凡，等.重型與輕型屋頂綠化對屋面徑流的影響[J].河北林業科技，2011（3）：1-2，8.

（責編：徐世紅）