綠色屋頂對雨水徑流截污效果的現狀分析

章楚卓 詹 健 徐 晨

（南昌大學 建筑工程學院）

隨著城市化進程的不斷加快，綠地被大量的建筑和道路所占用，不透水面積增加，降雨時雨水不能及時排出，城市內澇情況加劇，水源污染情況惡化。綠色屋頂在現代化的城市建設中，作為海綿城市建設的重要控制措施[1]，在削減暴雨徑流量、凈化徑流污染、促進雨水資源化利用、城市景觀價值等方面具有良好的效果。我國自20世紀60年代開始研究屋頂花園技術。1983年，北京修建了五星級賓館，在賓館主樓西側低層屋頂上，建起了我國北方第一座露天屋頂花園[2]。我國的綠色屋頂發展起步晚，城市發展不均勻，其技術還不夠先進，迫切需要提高綠色屋頂在城市建設中的應用。

但綠色屋頂的推廣目前面臨的最為突出的問題，一是綠色屋頂的成本較高；二是熱島效應在城市中較為突出，鄉村的綠地面積高于城市，因此鄉村對于綠色屋頂的需求并不高；三是綠色屋頂的施行對于建筑物的荷載要求比較高，在屋面種植植物會增大屋面的荷載，同時對于基質層的荷載要求較高。為推進海綿城市建設，對綠色屋頂對雨水徑流截污效果的研究現狀進行了分析，并提出今后的研究方向。

1 綠色屋頂

綠色屋頂是使用植物對屋頂進行綠化的方法，主要組成部分是植被層、基質層、過濾層、排水層和防水層，如圖1所示[3]。

圖1 綠色屋頂結構示意圖

1.1 植被層

植被層作為綠色屋頂與外界環境關鍵的直接接觸面，它可以容納各種類型的植被。植被層在綠色屋頂中起到吸收、過濾、攔截部分污染物的作用，而不同類型的植被對雨水徑流污染物具有不同的吸附效果，所以在選擇植被的時候不僅要考慮植被的景觀價值及存活率，也要考慮植被的吸附性能。

1.2 基質層

基質層作為植被層的下層結構，它應能滿足植被生長的有機條件，要能夠為植物提供養分和水分。基質層在綠色屋頂中起到削減暴雨徑流和凈化污染的作用，在選擇基質的時候不僅要考慮屋面荷載情況，也要考慮適合植被生長及削減暴雨徑流和污染物濃度效果好的有機基質和無機基質等材料。

1.3 過濾層

過濾層起到防止基質層中的顆粒物隨著雨水徑流被沖走的作用[4]，且可以過濾和沉淀雨水徑流中的部分污染物。

1.4 排水層

排水層起到當多余的雨水無法滯蓄時，能避免屋面荷載過高而對建筑物的結構有損害的作用。

1.5 防水層

防水層主要用于防止雨水滲入屋頂而損壞建筑屋頂。

2 綠色屋頂對雨水徑流截污效果

綠色屋頂對雨水徑流污染物的去除主要是通過植被層和基質層的截留、過濾、吸附和生物降解等作用實現的[5]。

2.1 植被層對雨水徑流截污效果

在目前關于綠色屋頂植被層的研究中，章孫遜等[6]研究了植被對綠色屋頂雨水徑流量和水質的影響，研究發現，以馬齒莧為植被的綠色屋頂削減率（58.2%）＞以佛甲草為植被的綠色屋頂削減率（47.7%）＞以高羊茅為植被的綠色屋頂削減率（36.3%）＞無植被屋頂削減率（對照組，33.0%）。葛德等[7]提出在不同降雨條件下，植被類型會影響綠色屋頂的徑流調控，中雨時，不同植被的屋頂削減率變化不大；大雨時，太陽花表現出最大削減率為69.9%，而佛甲草削減率為52%，無植被屋頂削減率為44%；在暴雨時，太陽花削減率為54.2%，三者間削減率差距減小。

2.2 基質層對雨水徑流截污效果

在目前關于綠色屋頂基質層的研究中，研究學者通過對基質層的厚度、基質的選擇、基質的配比、基質的改良等來控制綠色屋頂對雨水徑流污染物的淋失效果。

⑴基質層的厚度

王曉晨等[8]研究了5、10、20、30㎝厚度的基質層對屋面徑流雨水水質的影響，研究表明，厚度為5㎝的基質層結構后期的TN濃度高于原水濃度，反而造成了污染；厚度為10㎝的基質層結構對TN具有一定的去除效果，但不穩定；厚度為20㎝和30㎝的基質層對TN的去除效果顯著且較穩定。Zhang等[9]研究了基質層厚度為10㎝和5㎝的綠色屋頂對營養物質的去除效果，結果表明，兩種綠色屋頂出水中TP濃度差距不大。

⑵基質的選擇

李娟等[10]的研究表明，麥飯石具有較強的吸附性，可以吸附水中的氮磷污染物，作為基質處于水環境中時能離子化，從而吸附水中的重金屬離子或者細菌。而蛭石作為綠色屋頂基質層的常用基質，聶發輝等[11]提出了蛭石對去除水中的氨氮有較好的效果。盧浩等[12]提出珍珠巖因含有一定量的Al2O3，能起到化學除磷的作用。鄭美芳等[13]以田園土和人工基質作為基質層材料，構建了2個不同類型的綠色屋頂，并以混凝土屋頂為對照組，研究了綠色屋頂對屋面徑流水量、水質的影響，結果表明，以人工基質為基質層的綠色屋頂的TP總負荷比混凝土屋頂提高了11.4%、TN總負荷比混凝土屋頂降低了15.8%，而以田園土為基質層的綠色屋頂的TP總負荷比混凝土屋頂低了18.9%、TN總負荷比混凝土屋頂降低了52.7%；2種綠色屋頂的CODCr總負荷均低于混凝土屋頂；且經綠色屋頂后的雨水徑流的pH值比混凝土屋頂的高，說明綠色屋頂具有提高pH值的能力，且能夠減少酸雨污染，在城市污染防治中起到很好的效果。沈慶然等[14]用厭氧穩定污泥作為綠色屋頂的基質層進行研究，表明厭氧穩定污泥會造成TN和TP的大量淋失，截污效果不明顯；而當加入稻殼炭作為基質層的成分時，對NO3--N的淋失有一定的效果。

⑶基質的配比

桑敏等[15]選取田園土、泥炭土、蛭石、珍珠巖等常用基質，以40%田園土＋30%泥炭土＋30%蛭石、40%田園土＋30%泥炭土＋30%珍珠巖等不同的配比形成6種裝置，并以傳統不透水屋面作為對照組，研究了常用基質對粗放型綠色屋頂雨水滯蓄和出流水質特征的影響，結果表明采用不同配比的輕質材料作為基質層可以在一定程度上控制TN的流失，除了只有田園土作為基質層的試驗裝置外，其余裝置的TP淋失量均高于傳統屋面。羅婷等[16]選取田園土、草炭土、輕質陶粒、生物炭等基質材料，以49%田園土＋30%草炭土＋10%輕質陶粒＋4%水泥＋2%綠化添加劑＋5%醋槽、41%田園土＋30%草炭土＋10%輕質陶粒＋8%生物炭＋4%水泥＋2%綠化添加劑＋5%醋槽等不同配比形成6種裝置，研究了粗放型綠色屋頂基質層對降雨出流水質的影響，結果表明各裝置對雨水中的TN、NH4+-N、NO3--N和SS均具有不同程度的控制作用。張賢巍等[17]選用超輕量基質和由田園土、草炭土、松針按3:4:3（質量比）配制的改良土作為基質層，設計了3種裝置（裝置1和裝置2的基質層都為改良土，裝置3的基質層為超輕量基質）研究了簡單式綠色屋頂對雨水徑流營養鹽的調控效果，結果表明3裝置對NH4+-N、NO3--N、TP的 平 均 削 減 率 分 別 為30.50%、35.14%、39.94%，且在降雨量大、降雨強度高、持續時間短、綠色屋頂滯蓄能力較差的情況下，3種裝置對氮磷營養鹽總量仍有30%～40%的削減率。

⑷基質的改良

彭航宇等[18]采用污水廠穩定污泥作為綠色屋頂基質的營養成分，添加生物炭作為基質的改良成分，研究了粗放式綠色屋頂水質控制效果，結果表明添加生物炭后TN和NO3--N濃度顯著降低。殷金巖等[19]把有機肥粘在土壤無機礦物質的表面，構成人造團粒，以此作為清潔型基質，并以常用基質作為對照組，研究了清潔型基質的屋頂綠化徑流效應，結果表明清潔型基質控制徑流的效果好于常用基質。Xu等[20]研究了2個用高嶺土作為粘合劑改進的人造顆粒結構基質層對降雨徑流的凈化效果，結果表明這種基質層對徑流中的NO3-和PO43-有一定的抑制作用，但該基質層并不比工業基質有顯著的保留效果。

3 結論與展望

綠色屋頂對雨水中的氮、磷、重金屬及COD等污染物有較好的去除效果，從而改變屋頂的雨水徑流水質。針對綠色屋頂對雨水徑流截污效果的研究現狀，要選擇合適的屋面植被和基質層材料等來改善綠色屋頂的凈化機制。

⑴不同植被類型對雨水徑流削減和截污效果不同，且在不同的降雨條件下，削減率也大不相同。植被靠蒸散發耗水來維持雨水的吸附能力，進而提高綠色屋頂的削減能力，所以植被的蒸散量是綠色屋頂徑流削減效益的關鍵因素。

⑵考慮到建筑屋頂的荷載，可以選擇合適的基質層厚度來提高截污效果；不同基質層材料和基質層材料的不同配比對雨水徑流中的污染物去除效果不同，同時對常用基質進行改良可以顯著提高其截污效果，如在基質層中加入海藻、生物炭等保水性較好的材料來增強普通基質對雨水徑流截污效果。

⑶明確綠色屋頂去除污染物的機理，深入研究綠色屋頂對雨水徑流污染物的凈化機理，要從多方面去探討，如吸附效果方面、植被的吸收方面及基質層中微生物的作用效果方面。

⑷國家要加強對綠色屋頂的推廣，不僅要在政策方面完善，更要應用到實踐中。要結合我國對于雨污水的治理現狀，發展更加合適的綠色屋頂技術。