李 田，陳昱霖，顧俊青

（1.同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092；2.上海綠世綠化工程有限公司，上海200010）

近年來，綠色屋面（green roof）技術(shù)在國內(nèi)外受到廣泛關(guān)注[1－2].除了景觀意義和建筑節(jié)能作用，綠色屋面在城市雨水管理領(lǐng)域的應(yīng)用效果成為近期研究的熱點[3－4].對于人口密度高，土地資源緊缺的國內(nèi)大中城市，綠色屋面技術(shù)能夠利用不透水下墊面實現(xiàn)對降雨徑流的源頭控制，這對于推進(jìn)城市雨水綜合管理有著積極的意義[5－6].

綠色屋面可按照的綠化形式分為粗放型（extensive）和密集型（intensive）.粗放型綠色屋面不需要灌溉，養(yǎng)護成本低，便于大面積推廣，適合應(yīng)用于城市雨水管理.根據(jù)粗放型綠色屋面希望免維護，可建于現(xiàn)有屋面的特點，其栽培介質(zhì)需要滿足堆密度小、排水性能好、持水能力強，能夠為植物生長提供基本營養(yǎng)的要求[7－8].目前常用介質(zhì)材料主要以輕質(zhì)無機材料為主，其中添加有機物質(zhì)維持介質(zhì)的土壤結(jié)構(gòu)，為植物提供營養(yǎng)[9].現(xiàn)有的粗放型綠色屋面應(yīng)用研究主要關(guān)注其水文控制效果，有關(guān)介質(zhì)組成對設(shè)施出流水質(zhì)的影響研究較少.已有的研究結(jié)果認(rèn)為，綠色屋面介質(zhì)層的營養(yǎng)物質(zhì)易隨出水流出造成污染[10].Morgan等[11]在美國的研究發(fā)現(xiàn)綠色屋面設(shè)施有明顯的N，P淋失現(xiàn)象.Molineux等[12]發(fā)現(xiàn)利用廢磚等回收材料作為介質(zhì)的綠色屋面存在金屬污染風(fēng)險.現(xiàn)有的有關(guān)綠色屋面出流水質(zhì)的研究，多以不同供應(yīng)商提供的商業(yè)介質(zhì)為實驗材料，通常不提供介質(zhì)組成、配比的具體信息，研究結(jié)果的普遍意義受到影響[13－15].

為了考察介質(zhì)層組成對粗放型綠色屋面出流水質(zhì)的影響，本文參考國內(nèi)外綠色屋面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置不同介質(zhì)層組成的實驗設(shè)施，考察出流水質(zhì)的影響因素；結(jié)合植物生長狀況和出水污染物質(zhì)量負(fù)荷，評價不同介質(zhì)組成的粗放型綠色屋面設(shè)施的徑流水質(zhì)控制效果，以期為粗放型綠色屋面的應(yīng)用提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 模擬綠色屋面設(shè)施及對照屋面設(shè)計

模擬綠色屋面設(shè)施設(shè)置于同濟大學(xué)校園內(nèi)某建筑屋頂，包括5個1 m×2 m的PVC盤和配套的角鋼支架，PVC盤深0.3 m，傾斜坡度約3°.在模擬設(shè)施的低端，介質(zhì)層下方設(shè)有出水口，出水口連接塑料管收集出水，得到設(shè)施出流樣品.對照屋面選擇模擬設(shè)施所在建筑的一塊平頂瀝青屋面（asphalt roofing），面積約為200 m2，有獨立的水落管.

1.2 模擬綠色屋面結(jié)構(gòu)

模擬設(shè)施的結(jié)構(gòu)由上至下為：植被層、介質(zhì)層、過濾層、排／蓄水層、PVC底板.種植層采用景天科垂盆草（sedumsarmentosumbunge）.基質(zhì)層參考德國FFL（Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau）屋頂綠化指南對介質(zhì)選擇的要求[16]，并結(jié)合長三角地區(qū)的綠化種植習(xí)慣與材料供應(yīng)情況，設(shè)置了不同介質(zhì)組成與深度的4種對照（表1）.過濾層使用50 g·m－2的透水土工布，防止介質(zhì)層顆粒物隨出水流失.排水層使用厚度約為3 cm的塑料蓄水板.表1中介質(zhì)層使用的介質(zhì)材料由上海綠世綠化工程公司提供.相關(guān)介質(zhì)中有機質(zhì)材料的部分理化性質(zhì)如表2所示.

表1 模擬設(shè)施的介質(zhì)組成及主要參數(shù)Tab.1 Com ponent of pilot－scale green roof substrates

表2 含有機物介質(zhì)材料的部分理化性質(zhì)Tab.2 Physic－chemical properties of the applied substrates

屋頂綠化復(fù)合介質(zhì)在國內(nèi)屋頂綠化建設(shè)中廣泛使用，介質(zhì)中田園土的N，P含量符合《屋頂綠化規(guī)范》（DB11／T 281—2005）的要求（有效P質(zhì)量比≥15 mg·kg－1，堿解 N質(zhì)量比≥120 mg·kg－1）.在C2設(shè)施中加入給水廠污泥以減少介質(zhì)層P的淋失[17].無機復(fù)合介質(zhì)使用了火山巖和陶粒（輕質(zhì)材料），具有堆密度小，蓄水能力好的特點，加入泥炭土以維持土壤結(jié)構(gòu).廢棄物利用介質(zhì)使用了碎磚和分級砂作為主要成分，意在減少成本，使用泥炭土作為有機物質(zhì).Ref為空白對照，用以平行監(jiān)測實驗場地干濕沉降的污染負(fù)荷.

1.3 樣品采集與分析

使用5 L的塑料量杯作為設(shè)施出流采樣容器，利用不銹鋼盆作為雨水收集容器.每場降雨之前采樣容器用蒸餾水洗凈并晾干，降雨結(jié)束后收集樣品.設(shè)施出水水樣在24 h內(nèi)完成檢測，若有特殊情況不能及時檢測，樣品儲存于4℃冰箱內(nèi)，儲存時間不超過48 h.在設(shè)施所在屋面安裝翻斗式雨量計（SL3－1A）采集降雨數(shù)據(jù)，記錄頻率為1次·min－1.同時在設(shè)施出水口安裝翻斗式雨量計，經(jīng)過面積換算，獲得每次降雨各設(shè)施的出流流量.中試設(shè)施于2013年10月建成，經(jīng)過自來水淋洗，設(shè)施出水污染物濃度基本穩(wěn)定后采用無養(yǎng)護模式運行[18]，不施加肥料，不進(jìn)行人工灌溉.實驗期間（2014年3月至8月），共發(fā)生雨量大于0.5 mm的降雨事件44場，其中20次綠色屋面設(shè)施發(fā)生出流.對出流事件的設(shè)施出流、瀝青屋面徑流、降雨以及對照設(shè)施徑流同步采樣.按照實際降雨情況，等時間間隔進(jìn)行采樣，將樣品等體積混合后獲得每次出流過程的混合樣.所有綠色屋面設(shè)施沒有發(fā)生表面漫溢現(xiàn)象.

水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)包括金屬離子，TSS，COD，TP，PO4－－P，TN，NH4＋－N，COD 采 用 比 色 法 測 定（HACH DRP2010）；金屬離子采用電感耦合等離子質(zhì)譜法測定（Agilent 7700），測定元素包括Zn，F(xiàn)e，Mn，Cu，Ni，Cr，Cd，Pb（檢測限見表3）；其余指標(biāo)的分析按照《水和廢水監(jiān)測分析方》（第4版）的要求進(jìn)行.出流中有機質(zhì)的組成特征采用三維熒光光譜儀分析（Hitachi F4500）[19].

表3 金屬元素指標(biāo)檢測限Tab.3 Limits of detection of monitored metals（mg·L－1）

植物樣品的采集是在各模擬屋面上隨機選取3個點，割取100 cm2面積內(nèi)植物的地上部分，分別稱重后取平均值（鮮重），計算地上部生長量，kg·m－2.

利用Tukey法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，考察不同設(shè)施出水水質(zhì)差異的顯著性.

2 結(jié)果及討論

2.1 監(jiān)測降雨事件

20次產(chǎn)生溢流的降雨事件中包括中雨（10.0～24.9 mm）10場，大雨（25.0～49.9 mm）6場，暴雨（≥50.0 mm）4場（表4）.一般情況下，模擬綠色屋面設(shè)施在小雨（＜10.0 mm）場景下不產(chǎn)生出流.20次產(chǎn)生出流的降雨事件包括了不同強度的降雨，水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果具有代表性.

2.2 監(jiān)測對象的N，P及COD濃度

20場發(fā)生出流的監(jiān)測降雨事件不同類型水樣的部分檢測指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果以四分位圖表示（圖1）.瀝青屋面（A.R）徑流的TN顯著高于各綠色屋面設(shè)施出水及空白對照組，C1出水與降雨（R）中NH4＋－N的平均質(zhì)量濃度（1.66，1.13 mg·L－1）顯著高于其他設(shè)施出流.C1出水中TP平均質(zhì)量濃度（1.03 mg·L－1）最高，顯著高于其他介質(zhì)設(shè)施和瀝青屋面；I1和B1設(shè)施中出流TP的平均質(zhì)量濃度與降雨、空白對照組接近，低于瀝青屋面徑流.所有設(shè)施出水中COD平均質(zhì)量濃度高于對照組，其中C1設(shè)施顯著高于I1和B1.經(jīng)過初期淋洗，設(shè)施出水COD已經(jīng)趨于穩(wěn)定，但是由于隨著環(huán)境溫度上升，落干期內(nèi)介質(zhì)層內(nèi)發(fā)生生物反應(yīng)，導(dǎo)致有機物質(zhì)緩釋[20]，造成出流中COD含量升高.通過三維熒光分析，確定出流中有機物主要為天然有機物腐殖酸.環(huán)境溫度、落干期、前次降雨量、當(dāng)次降雨量都會影響設(shè)施出流中COD 濃度[21－22].

表4 產(chǎn)流降雨事件的降雨特征Tab.4 Characteristics of investigated rain events

2.3 金屬物質(zhì)及TSS質(zhì)量濃度

列入監(jiān)測指標(biāo)的Zn，F(xiàn)e，Mn，Cu，Ni，Cr，Cd，Pb 8種金屬元素中，各綠色屋面設(shè)施出流中僅檢測到Zn，F(xiàn)e，Mn，Pb.圖2表明，各實驗設(shè)施出流中TSS和金屬元素平均質(zhì)量濃度顯著低于瀝青屋面.不同類型水樣中金屬元素質(zhì)量濃度和TSS質(zhì)量濃度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性[23].綠色屋面設(shè)施不存在表面漫溢，出水經(jīng)過介質(zhì)層以及土工布過濾有效減少了TSS質(zhì)量濃度.瀝青屋面存在干沉降累積，而且存在自身老化破損，經(jīng)過雨水沖刷后，產(chǎn)生大量TSS進(jìn)入屋面徑流，導(dǎo)致了金屬元素質(zhì)量濃度較高[24].

2.4 植物生長狀況與出流水質(zhì)的關(guān)系

實驗期間所有設(shè)施未進(jìn)行人工灌溉.至2014年8月，3種介質(zhì)的設(shè)施的植被覆蓋率均達(dá)到90%以上.所有設(shè)施中，垂盆草均直立，無匍匐枝，高度不超過20 cm.4月至7月內(nèi)每月測定一次植物地上生長量（鮮重），平均值見表5.分析C1，I1，B1設(shè)施植物地上部生物量和設(shè)施出流營養(yǎng)物質(zhì)平均質(zhì)量濃度，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)正相關(guān)性.C1設(shè)施介質(zhì)中有機質(zhì)含量較高，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，保證了種植層的景觀效果，但是設(shè)施出流中TP平均質(zhì)量濃度接近1 mg·L－1，而且NH4＋－N平均質(zhì)量濃度也高于雨水.I1和B1設(shè)施出流水質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)濃度較低，除了不易降解的COD外，其他檢測的水質(zhì)指標(biāo)均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)，使用相應(yīng)填料的綠色屋面不會引起受納水體的面源污染.但是I1，B1設(shè)施的植物長勢較差，介質(zhì)層在第一年尚夠支持植物正常生長，植物色澤基本正常.

圖1 各設(shè)施類型的N，P及COD質(zhì)量濃度Fig.1 Statistical concentrations of N，P and COD of evaluated water samples

圖2 各設(shè)施類型出流中金屬物質(zhì)及TSS質(zhì)量濃度Fig.2 Statistical concentrations of metals and TSS of evaluated samples

C2設(shè)施在C1介質(zhì)中添加了給水廠污泥，有效降低了屋頂綠化介質(zhì)的P淋失.添加給水廠污泥對出水TP削減超過40%，PO4－－P削減接近60%.對比植被生長狀況，未發(fā)現(xiàn)顯著差異.給水廠污泥對P淋失的控制能力在生物滯留技術(shù)中已經(jīng)應(yīng)用[25]，而在綠色屋面介質(zhì)中添加給水廠污泥同樣能夠有效減少出流中P含量，且不影響植物的正常生長.

表5 設(shè)施植被地上部生物量與出流水質(zhì)比較Tab.5 Com parison of aboveground biomass and effluent quality of different facilities

2.5 徑流污染負(fù)荷控制效果

綠色屋面設(shè)施的污染負(fù)荷控制效果，需結(jié)合水質(zhì)、水量控制效果綜合評價.對每場發(fā)生出流的降雨，根據(jù)實測設(shè)施出流量（瀝青屋面和對照設(shè)施的雨量徑流系數(shù)，參照GB50400—2006取0.9））與對應(yīng)降雨事件污染物的平均質(zhì)量濃度得到次降雨負(fù)荷，經(jīng)求和得到各監(jiān)測對象在研究期間污染物的質(zhì)量負(fù)荷（表6）.綠色屋面設(shè)施具有滯留、削減水量的作用，在研究期間，C2，I1，B1設(shè)施對降水量的平均削減率分別為65.4%，68.8%，65.4%.C1和 C2設(shè)施水量削減率接近，C2設(shè)施采用強化除P改良填料，水質(zhì)優(yōu)于C1，故下文僅討論C2設(shè)施的徑流負(fù)荷控制效果.對比空白設(shè)施，C2，I1，B1設(shè)施對 NH4＋－N，TN，TP，TSS，COD負(fù)荷均有很好的削減作用，就NH4＋－N而言甚至減少了雨水本身的負(fù)荷.相比瀝青屋面，綠色屋面設(shè)施對營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量負(fù)荷的削減效果更佳（NH4＋－N除外）.從質(zhì)量負(fù)荷的角度出發(fā)，本文使用的3類粗放型綠色屋面設(shè)施均不是營養(yǎng)物質(zhì)的污染源.

表6 綠色屋面、瀝青屋面、降雨及對照設(shè)施主要污染物質(zhì)質(zhì)量負(fù)荷Tab.6 Pollution loads of green roofs，asphalt roofing，rain water and the reference

3 結(jié)論

（1）使用屋頂綠化復(fù)合介質(zhì)的綠色屋面設(shè)施出流中，TP，NH4＋－N和COD的質(zhì)量濃度高于對照屋面，平均質(zhì)量濃度分別為0.95，1.66，115 mg·L－1；使用無機復(fù)合介質(zhì)的設(shè)施出流水質(zhì)良好，除COD外其他檢測指標(biāo)均符合地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)；使用廢棄物利用介質(zhì)的設(shè)施出流水質(zhì)良好，無明顯金屬污染風(fēng)險.

（2）以瀝青屋面和對照屋面徑流污染物的質(zhì)量負(fù)荷為比較的基準(zhǔn)，各綠色屋面設(shè)施都不是TN，TP，TSS，COD的污染源，各設(shè)施出水 NH4＋－N 負(fù)荷甚至比降雨直接帶來的負(fù)荷還要低.

（3）在著意控制出流污染負(fù)荷的介質(zhì)組成設(shè)計條件下，各實驗設(shè)施的植被保持存活并可維持較高的覆蓋度.使用不同介質(zhì)的設(shè)施植被層生長狀況與設(shè)施出流營養(yǎng)物質(zhì)濃度呈正相關(guān)性，使用屋頂綠化復(fù)合介質(zhì)的設(shè)施出流中營養(yǎng)物質(zhì)含量較高.介質(zhì)中添加給水廠污泥能夠有效抑制P的淋失現(xiàn)象，且不影響植物正常生長.

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