簡單式綠色屋頂對雨水徑流水質的影響規律研究*

宮永偉 張賢巍, 翟丹丹 王建龍 王文海 師洪洪

(1.北京建筑大學城市雨水系統與水環境教育部重點實驗室，北京 100044；2.北京未來城市設計高精尖創新中心，北京 100044；3.中國水環境集團有限公司，北京 101101)

我國在海綿城市試點建設進程中建設了一批簡單式綠色屋頂(以下簡稱“綠色屋頂”)。綠色屋頂可以削減降雨徑流量和遲滯峰值流量，是一種控制屋面雨水徑流的有效方式[1]，在城市雨洪管理中發揮重要作用。翟丹丹等研究發現，基質厚度為50 mm的綠色屋頂對雨水徑流可以起到一定的滯留作用，對于5年一遇降雨事件，雨水徑流削減率為15.3%～40.0%，延緩產流時間為7～21 min，峰值削減率為18.0%～62.3%[2]。然而，綠色屋頂出流的水質狀況一直飽受爭議。BERNDTSSON[3]認為綠色屋頂對重金屬有較好的去除效果，TEEMUSK等[4]發現綠色屋頂對無機鹽類的去除效果十分可觀，對TN和氨氮的去除效果優于TP和硝態氮；但也有研究認為綠色屋頂是污染物的釋放源。為此，本研究對綠色屋頂裝置和混凝土屋面裝置的降雨徑流水質進行了監測，分析了各裝置出流的污染物濃度和負荷，并研究了不同因素對雨水徑流水質的影響規律。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗場地位于北京建筑大學大興校區雨水實驗室樓頂，當地年均氣溫約12 ℃，年均降雨量626 mm。設計了5個綠色屋頂裝置(編號G1～G5)和1個混凝土屋面裝置(CK)作為對照。實驗裝置設1%的坡度，平面尺寸為50 cm×50 cm，過濾層為250 g/m2的透水土工布，排水層材料為塑料凹凸排水板，底部設有兩個排水口(見圖1)。實驗使用3種種植基質，分別為田園土(來自農田)、超輕量基質(市售專用屋頂綠化基質)、改良土(田園土∶草炭∶松針土∶珍珠巖按1∶1∶1∶1的質量比配制而成)。植被層選用佛甲草、紅葉景天和費菜3種耐寒、耐旱、耐鹽堿、耐瘠的景天科植物；徑流水樣使用自制重力流自動采樣器進行采集。各綠色屋頂裝置的種植基質及植被設計見表1。

圖1 綠色屋頂實驗裝置Fig.1 Green roof experimental device

表1 實驗裝置設計

1.2 降雨監測與模擬實驗

于2015年8月4日至10月12日進行天然降雨監測，對裝置出水取樣并檢測總有機碳(TOC)、TN、氨氮、TP和Zn濃度。由于監測期內天然降雨場次較少且降雨量偏小，綠色屋頂裝置僅在9月4日降雨事件中出流較多，具有代表性，記為事件1。額外采用北京地區重現期分別為3年和5年的2 h設計降雨事件進行了兩場模擬降雨實驗，分別記為事件2、事件3。模擬降雨進水為自來水，降雨前取進水水樣，檢測各項指標本底濃度。3次降雨事件的降雨特征見表2。

表2 各降雨事件的降雨特征

2 結果與討論

2.1 綠色屋頂對屋面雨水徑流濃度的影響

各實驗裝置雨水徑流中的TOC、TN、氨氮、TP和Zn質量濃度見圖2。從平均濃度來看，3次降雨事件中，CK雨水徑流TOC、Zn濃度顯著高于進水濃度，TN、氨氮略高于進水，TP低于進水，說明大氣顆粒沉降會使屋面雨水徑流TOC及Zn含量增加，而對TN、氨氮濃度影響相對較小。G1～G5裝置雨水徑流TOC濃度遠高于進水和CK，說明綠色屋頂存在嚴重有機質溶出現象，可能是種植基質滲漏和植物死亡過程中釋放的污染物質所致[5]。各裝置雨水徑流TN和氨氮在降雨事件1、事件2中濃度高于進水和CK，而降雨事件3中，G1、G3、G4雨水徑流的TN濃度低于CK，G1、G5的氨氮濃度低于CK，這可能與土壤類型、施肥情況和運行年限等因素相關。

綠色屋頂可能存在磷的淋溶，雨水徑流中TP平均濃度顯著高于進水和CK(事件3的G5除外)，結合實驗分析及BERNDTSSON等[6]研究，認為綠色屋頂應為TP的釋放源，其富含大量營養成分是TP的重要來源。天然雨水中磷濃度很低，而基質中富含植物生長所需要的含磷物質，含磷物質主要以溶解態的形式存在，降雨時隨徑流一并排出，導致綠色屋頂雨水徑流TP濃度高于進水和普通混凝土屋面。

CK裝置初期雨水徑流Zn濃度較高，這是由于降雨前屋面上會富集少量Zn，導致徑流初期Zn濃度高，屋面累積的Zn被屋面雨水徑流快速帶走，之后Zn濃度大幅降低，這種重金屬出流情形常見于降雨量大、前期降雨強度高的降雨事件中[7]，VIJAYARAGHAVAN等[8]在研究屋頂雨水徑流中多種金屬離子的濃度時同樣發現降雨初期大部分金屬離子濃度非常高，而后逐漸降低。而5種綠色屋頂初期雨水徑流Zn平均濃度又比CK高3～12倍，說明Zn在土壤基質表面附著能力強于混凝土。

2.2 綠色屋頂對雨水徑流污染負荷的影響

進水及CK裝置雨水徑流各項指標的污染負荷見表3，5種綠色屋頂裝置雨水徑流各項指標的污染負荷及負荷削減率見表4。可以看出，對于TN和氨氮，雖然綠色屋頂雨水徑流中污染物濃度較高，但由于其對雨水徑流量有一定的削減效果(G1～G5在2場模擬降雨下對雨水徑流量的削減率為34.1%～41.9%)，使得TN和氨氮的負荷總體比CK低。綠色屋頂對TN負荷削減效果較好，對其他污染物負荷削減效果不穩定，從負荷削減的角度看，綠色屋頂不是TN、氨氮的釋放源。

注：圖中TR表示進水。圖2 雨水徑流及進水中TOC、TN、氨氮、TP和Zn的質量濃度Fig.2 TOC,TN,ammonia nitrogen,TP,and zinc mass concentration in rainfall runoff and influent

表3 進水與CK的污染物負荷分析

5個綠色屋頂裝置的TOC、TP負荷分別是CK的4.5、2.3倍，因此綠色屋頂表現為TOC和TP的釋放源。雨水與植被層、基質層接觸攜帶大量含碳有機物流出，導致TOC負荷大幅升高，受基質中磷營養物質溶出或者植物枯萎分解的影響，綠色屋頂TP負荷較CK有所升高。TOC負荷顯著大于CK，說明TOC主要源于綠色屋頂。

表4 綠色屋頂污染物負荷及削減率分析

綠色屋頂雨水徑流的Zn平均濃度和負荷均高于進水和CK。由于綠色屋頂本身不會產生Zn，其應該來源于雨水對屋頂表面沉積物的沖刷。SPEAK等[9]發現綠色屋頂雨水徑流中重金屬離子的濃度比普通屋頂高，潛在污染源包括道路沉積物以及部分區域高度污染的表層土受風的影響吹至屋面。

2.3 影響因素分析

對G1～G3雨水徑流中各項污染物濃度進行方差分析，結果顯示不同種植基質對TOC和TN濃度具有非常顯著的影響(P<0.01)，對氨氮濃度有顯著影響(P<0.05)。G2選用的改良土含有大量草炭營養物質，導致TOC濃度和負荷較高。G2雨水徑流中TN濃度顯著高于G1，這可能是因為改良土比田園土的含氮量高，選用改良土的裝置會產生較大濃度的氮素營養物質釋放，造成TN和氨氮濃度較高。

3種種植基質材料中，超輕量基質的水質情況最好，但其具有疏松多孔、抗風性差的缺點，植被易受到干旱脅迫出現植物覆蓋度、存活率低的問題，且超輕量基質容重小質量輕，起風時容易被吹飛，產生顆粒揚塵污染大氣環境。田園土容重大，孔隙率低，水量滯留能力一般，基質內營養物質不多，植物生長狀況一般，在實例工程中，綠色屋頂的運用還需考慮承重問題，因此田園土不宜作為屋頂綠化的首選基質。通過一定比例配制的改良土雨水滯留效果好，比田園土富含更多植物所需營養物質，土壤肥沃，植物長勢較好，但會導致產流污染物濃度較大。本課題組前期研究還發現，改良土在雨水徑流滯留、峰值削減、延峰時間方面有較好的運用效果，所以綠色屋頂基質材料沒有最優選擇，需因地制宜挑選種植基質。

對G2、G4、G5雨水徑流中各項污染物濃度進行方差分析，結果顯示植被類型對綠色屋頂TOC、TN、氨氮、TP及Zn均無顯著影響(P>0.05)，植被類型與綠色屋頂雨水徑流的污染物濃度無明顯相關性。從污染物負荷角度分析，G2、G4、G5污染物負荷同樣無顯著規律性變化，因此植被類型對綠色屋頂雨水徑流凈化能力無明顯影響。

利用方差分析研究重現期對綠色屋頂雨水徑流中TOC、TN、氨氮、TP濃度的影響。結果顯示，降雨重現期對TOC和TN濃度具有非常顯著的影響(P<0.01)，重現期與TOC、TN濃度呈負相關，重現期越大則TOC和TN濃度越小。長歷時低雨強事件中(事件1)，雨水徑流入滲基質層后與土壤基質充分接觸，攜帶大量氮素流出，故產流中TN濃度較高。高重現期短歷時降雨事件下(事件3)，雨水徑流入滲基質后無充足時間與基質接觸即從排水層流出，因而綠色屋頂TN濃度與進水及CK的濃度十分相近。對比3場降雨各裝置產流的TP濃度特征，除G4外，TP濃度與降雨強度負相關，這與GREGOIRE等[10]研究結果類似，而氨氮濃度與降雨特征無顯著性相關。

3 結 論

(1) 從污染物平均濃度的角度看，綠色屋頂降雨徑流TOC、TN、氨氮、TP和Zn的濃度均較高。

(2) 從污染物負荷的角度看，由于綠色屋頂對降雨的截留作用可以削減部分TN和氨氮負荷，具有一定的減污效果，但TOC、TP和Zn負荷仍然增大。

(3) 種植基質對綠色屋頂雨水徑流中TOC、TN和氨氮濃度有顯著影響，對TP和Zn無顯著影響，植被類型對各項指標都無顯著影響，不同降雨特征對雨水徑流污染物濃度影響較大。