新型種植屋面基質對雨水滯蓄與凈化能力的影響研究

王鑫瑜，鄧琦，管冰鏡，薛莉聘，江鵬，朱曙光

（1.安徽省綠色建筑先進技術研究院，安徽 合肥 230601；2.安徽省智慧城市工程技術研究中心，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大學環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；4.中國煙草總公司合肥設計院，安徽 合肥 230061；5.上海新建設建筑設計有限公司，上海 200063）

隨著我國城鎮化的高速發展，海綿城市建設的理念逐步深入人心，城市的防洪排澇與初期雨污問題引起了廣泛關注。在海綿城市建設中，種植屋面可以利用植物層、種植基質層及其附屬結構來緩解城市雨水徑流總量和峰值流量過高、徑流產生時間過短、城市面源污染嚴重等問題，逐漸成為城市雨洪調控的重要技術手段。

在種植屋面對雨水滯蓄、凈化的作用研究中，Van Woert和Villarreal等人的研究發現植物種類并不是決定種植屋面滯蓄雨水能力的主要因素，基質層厚度、土壤含水量、降雨強度等因素對種植屋面的截留蓄滯作用更具明顯影響。Nardini等研究表明基質層厚度越大，種植屋面截留雨水的能力越強。翟丹丹等通過實驗發現排水層材質對滯蓄雨水沒有明顯的影響，基質的種類對雨水徑流滯留效果有更顯著的影響。秦華鵬等研究表明蓄水層的厚度是影響滯蓄雨水的能力的重要因素。

目前，針對傳統種植屋面的設計及作用效能的研究報道較多，而種植屋面通過構造簡化和種植基質革新，進而滿足屋面減荷載、保溫、防水、免維護的功能是其今后的發展趨勢，也是決定種植屋面能否普及應用的關鍵點之一。但是結構層簡化的新型種植屋面能否達到傳統種植屋面同樣的效能，以及適應新型種植屋面的土壤基質減少厚度后能否起到良好的雨水滯蓄與凈化作用尚缺乏實驗研究；更缺少從土壤的理化性質出發，通過設計不同理化環境的土壤基質，構造不同的生態系統，探究新型種植屋面土壤基質對系統生態環境改善作用的影響。為此，本文通過模擬降雨實驗，設計三種不同基質土壤配比方案，構造不同的土壤生態系統，探究在不同降雨強度條件下，土壤理化性質、土壤微生物及植物協同作用對種植屋面滯蓄、凈化雨水能力的影響，結論能夠為優化種植屋面的設計，提高種植屋面的作用效能提供重要依據。

1 實驗設計與方法

1.1 實驗設計

實驗地點選在安徽建筑大學西輔樓樓頂，由四個種植屋面模塊組成，種植屋面模塊如圖1所示，新型種植屋面結構由下向上分別為：儲水層、銅板隔離板、無紡布過濾層、種植土層和植被。新型種植屋面的土壤厚度為200 mm，低于傳統種植屋面的土壤厚度，為探究土壤理化性質對新型種植屋面滯水、蓄水和凈水能力的影響，選取腐殖土、蛭石、活性炭、煤粒、陶粒和田園土，組合得到三種不同的土壤基質，見表1。新型種植屋面的儲水層上方中間位置開設一小孔，用以連接導管排水。綠色屋面植被層采用適宜合肥本地環境、抗旱能力較強的佛甲草。在植物層完成覆蓋后，取土樣烘干，通過掃描電鏡（SEM）表征土壤微觀結構，見圖2，并測量土壤酶活性及土壤有機質含量。

圖1 新型種植屋面結構圖

土壤基質層配比方案 表1

圖2 A,B,C三組種植屋面土壤微觀結構

由表1及圖2可知，A組土壤酶活性較低，土壤有機質含量較高，植物生長較為茂盛，土壤結構緊密，存在孔洞，孔洞較少且孔徑較??；B組土壤酶活性和土壤有機質略低，土壤結構較為緊密孔洞相較土壤A略多且孔洞較大，顆粒較為均勻，密閉空間較少；C組土壤酶活性較高，土壤有機質含量較低，微生物較多，結構松散，孔洞比土壤A和土壤B都多，孔洞孔徑較大且分布較為緊密，且孔隙之間相互連通。

對新型種植屋面模塊進行模擬人工降雨，按照合肥市暴雨強度公式模擬暴雨強度，如公式1：

式中：P—重現期，取 10 a，50 a，100 a；

t—降雨歷時，取 40 min，30 min，20 min。

其中，根據合肥自然降水水質模擬人工降雨，各指標如表2所示。

人工降雨水文水質參數 表2

1.2 實驗測試方法

1.2.1 雨水水量實驗方法

對三組植物進行人工降雨，同時做無植物的空白對照實驗，記錄開始降雨時間、雨水產流量和種植屋面出水口開始穩定出水的時間，待雨水徑流穩定后，每隔5 min測量收集的雨水體積，直至徑流結束。

1.2.2 雨水水質實驗方法

水質實驗中，待自然降雨經種植屋面模塊穩定出水后收集雨水，每5 min同時取3個平行水樣，水樣混合后作為水質實驗的樣品，并于24 h內完成常規水質指標檢測分析。主要檢測項目包括總氮(TN)、化學需氧量(COD)，均采用國標方法進行測定。

2 結果與討論

2.1 滯蓄雨水能力分析

通過模擬合肥的降雨條件，從產流量、產流延遲時間及滯蓄率三個方面，研究土壤組成結構與新型種植屋面雨水滯蓄能力的構效關系。

2.1.1 產流量

各組種植屋面在不同重現期條件下的產流量如圖3所示。從圖中可以看出，相對于對照組D，A、B、C三組在三種不同的降雨重現期條件下均顯示出減弱的產流量，對比A、B、C三組種植屋面，可以發現在三種不同降雨強度條件下，B組產流量均是最高，其對雨水的減流能力最弱，這可能是由于高比表面積活性碳的加入顯著提高了土壤的孔隙率，但微孔之間相互連通，密閉空間較少，且顆粒不均勻系數較低，從而削弱了土壤截留雨水的能力；而A組在50 a和100 a重現期條件下，顯示出較低的產流量，表明A組種植屋面具有較好的雨水減流能力，這一結果與A組土壤結構的電鏡分析也相一致，A組種植屋面的土質較為緊密，封閉孔隙較多，且蛭石的加入有助于豐富土壤中的微量元素，植物生長得更加茂盛，增強了土壤截留雨水的能力；但是在10 a的重現期下A組的產流量稍高于土壤中添加煤粒的種植屋面（C組），這可能是由于C組中煤粒的加入雖然在降低了土壤粘性、疏松了土質，卻一定程度地提高了土壤的孔隙率，賦予土壤一定的蓄水能力，因此，在降雨較小的條件下，C組土壤比A組具有更高的蓄水能力，較低產流量，一旦當降雨量超過土壤所能容納的最大水量，由于鎖水能力較弱，C組則表現出更高的產流量。這一結果也符合仇少鵬等的研究。從圖中還能看出產流量都是隨著降雨強度先增后降，這是由于在暴雨重現期為100 a時降雨總量僅為16.1 L，降雨總量的減少導致了出流量的降低。

圖3 種植屋面在不同重現期的產流量分析

2.1.2 產流延遲時間

針對不同重現期條件下不同土壤的種植屋面產流延遲時間分析如圖4所示。從圖中可以看出A、B、C三組實驗組和D組對照組的產流延遲時間均隨著降雨強度的增加而縮短，這一結果與課題組前期的研究工作相一致。而在相同的降雨強度條件下，與對照組相比，植被的存在提高了土壤對雨水的截留作用，顯著延遲了A、B、C三組種植屋面的產流時間。由于三組實驗組的土壤基質厚度基本一致，因此從圖3可見在相同的降雨強度條件下，A、B、C三組的產流延遲時間差別不大。

圖4 不同土壤的新型種植屋面在不同重現期的產流延遲時間分析

2.1.3 滯蓄徑流率

圖5所示為不同重現期降水條件下不同實驗組種植屋面和對照組的滯蓄徑流率分析。從圖中可以看出，A、B、C三個實驗組相對于沒有植被的對照組，均表現出較好的雨水滯蓄效果。綜合三個實驗組結果，在三種不同的降水強度下，A、C兩組對雨水的滯蓄效果最為顯著；尤其在50 a和100 a的重現期條件下，A組具有突出的雨水滯蓄能力，滯蓄率比B，C兩組分別高了10.67%，5.43%和3.23%，3.29%，這主要是由于A組種植屋面土壤的土質結構較為緊密，能更好地滯蓄雨水，土質越松散，雨水下滲能力越強。B組中的土壤因活性碳的存在，活性碳的高孔隙率和固有孔道結構促進了雨水的下滲，導致B組對雨水的滯蓄效果不佳。同時從圖4中還可以發現C組在暴雨強度較小的時候對雨水有較好的滯蓄效果，這一結果印證了前述產流量的實驗結果，即C組土壤的結構能在小強度降雨條件下發揮良好的蓄水能力，而在遇到較大降雨時表現出大的產流量和較低的滯蓄率。

圖5 不同土壤的新型種植屋面在不同重現期的滯蓄率分析

2.2 凈化雨水能力分析

2.2.1 出水總氮

三組種植屋面實驗組及空白對照組在不同重現期降雨條件下的出水總氮（TN）分析如圖6所示。由圖可知，對于TN含量分別為 2.873、2.873和 4.091 mg/L的初始水質，在三種降雨條件下實驗組和對照組均能達到18%的TN去除率。而當降雨重現期條件相同時，C組種植屋面的總氮去除效果最佳，A和B組總氮去除效果相對較弱，在重現期50 a時，C組的總氮去除率最高可達50%。根據周賽軍等人的研究，種植屋面去除TN主要依靠植物的吸收和微生物脫氮作用。由于C組種植屋面的土壤添加有煤粒，可以促進微生物的繁殖和降低土壤的入滲速率，此外，C組土壤酶活性最高，微生物較為活躍，能較好地將截留雨水中的有機氮轉化為無機氮，再由植物吸收去除，所以C組模塊出水TN含量最低。而A組土壤中的蛭石，可以促進植物生長，降低土壤的入滲速率，所以TN去除效果次之；B組土壤結構較為緊密，對雨水滯留能力不強，基質中的活性碳具有較高的孔隙率，會提高土壤的入滲速率，所以TN去除效果最弱。

圖6 不同土壤的新型種植屋面在不同重現期的TN分析

2.2.2 出水化學需氧量

三組種植屋面實驗組及空白對照組在不同重現期降雨條件下的出水化學需氧量（COD）分析如圖7所示。由圖可知，對于COD含量分別為38.658、40.533和45.361 mg/L的初始水質，在三種暴雨強度下實驗組及空白對照組均能去除一定量的COD，在暴雨強度較小時，A組具有較好的去除效果；隨著暴雨強度的增加，C組對雨水的凈化效果逐漸增加。通過車武等人的研究可知，種植屋面對雨水中的COD的去除主要通過土壤的過濾和微生物的降解。A組土壤基質層由于加入了蛭石，能夠促進植物生長茂盛，降低土壤入滲速率，所以A組在降雨強度較低時出水COD含量最低；C組土壤基質由于加入煤粉，導致土壤微觀結構較為松散，有較多的孔洞，且土壤酶活性較高，含有大量微生物，所以C組在降雨強度較高時出水COD含量低。空白組模塊重現期100a條件下，出水COD高于雨水COD的值，可能是由于暴雨強度過高，土壤有機質過高，加上未種植植物，容易出現水土流失，導致土壤中的有機質隨雨水流出，出現淋失現象。COD的去除效果并不是很理想，分析后發現模擬雨水水質初始污染物濃度較低，經過新型種植屋面的過濾凈化已經滿足國家一級排放標準。

圖7 不同土壤的新型種植屋面在不同重現期的COD分析

3 結論

①通過改進研究種植屋面結構，將傳統11層結構簡化至5層，新型種植屋擁有面質輕、免養護、易實施、安全性高等特點，方便應用與推廣。

②土壤密閉孔隙越多，種植屋面延遲截留雨水的能力越強，土壤顆粒均勻程度降低，導致土壤滲透速度降低，使種植屋面滯蓄雨水的能力增強。土壤微生物越活躍，土壤滲透速度越小，種植屋面凈化能力越強。并且在暴雨強度較低的時候，土壤過濾作用為主導；而在暴雨強度較高的時候，微生物降解作用為主導。

③暴雨強度的增強，降雨量的增加會削弱種植屋面滯蓄、凈化雨水的能力，當降雨超出種植屋面承受能力的極限時，種植屋面對雨水延遲、滯留及凈化的能力會被極大的削弱。