黃啟華, 徐曉軍, 段正洋, 岳秀林, 龔詢木, 楊 成

(1.昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 云南 昆明 650500; 2.昆明市計(jì)劃供水節(jié)約用水辦公室, 云南 昆明 650500)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市不透水下墊面面積呈上升趨勢(shì)，作為城市的“第五立面”，屋面在整個(gè)城市硬質(zhì)表面中所占的比例高達(dá)30%[1]。對(duì)降雨具有吸收和緩沖作用的城市綠地系統(tǒng)面積下降，給城市現(xiàn)有排水系統(tǒng)造成的壓力已經(jīng)超出其所能承受范圍，導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率和強(qiáng)度加劇[2]。因此，作為一種新興的綠化補(bǔ)償手段，屋頂綠化成為提高有限的城市空間綠地率的最有效手段，同時(shí)也成為減緩和改善雨水徑流的輔助方法之一[3]。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在不同的降雨強(qiáng)度、種植層厚度及屋面坡度等條件下，屋頂綠化對(duì)雨水的滯蓄率可以達(dá)到20%～100%[4]，洪峰徑流量可消減44.2%[5]，屋面產(chǎn)流時(shí)間延遲可達(dá)90 min[6]。屋頂綠化通過(guò)基質(zhì)的吸附作用、基質(zhì)空隙的阻攔和蓄積作用、植被吸收和蒸騰作用等方式對(duì)雨水進(jìn)行遲滯和蓄積。同時(shí)屋面初期雨水徑流污染最為嚴(yán)重，水質(zhì)渾濁，主要污染物為COD和SS，而總氮、總磷、重金屬和無(wú)機(jī)鹽等污染物濃度較低[7]。如果不對(duì)這部分雨水進(jìn)行處理，而是直接排放到路面。則加重了路面雨水徑流的污染，造成雨水后期處理困難，不利于雨水回收和利用。但仍缺乏相關(guān)就輕型屋頂灌木綠化其荷載、吸蓄水能力及對(duì)雨水凈化效果的研究。若城市建設(shè)可以就地吸收、滯蓄、滲透、凈化、調(diào)節(jié)雨水，那么城市在發(fā)展過(guò)程中就可以從容應(yīng)對(duì)環(huán)境變化和自然災(zāi)害[8]。本文針對(duì)建筑物屋頂綠化，設(shè)計(jì)灌木式屋頂綠化(下文簡(jiǎn)稱“屋頂綠化”)，分析研究其屋面承載力及對(duì)屋面初期雨水徑流污染物的凈化作用，以期為城市建設(shè)及屋頂綠化設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)及相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 屋頂綠化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

屋頂綠化基本結(jié)構(gòu)包括：植被層、種植基質(zhì)層、隔離過(guò)濾層、排水層、根阻層、防水層、結(jié)構(gòu)層[9]，本文以種植基質(zhì)層和蓄排水層為重點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)探討在雨水利用中的相關(guān)作用。

(1) 種植基質(zhì)層。設(shè)計(jì)必須考慮屋頂?shù)暮奢d承受能力、植物根系生長(zhǎng)要求，同時(shí)也能過(guò)濾、吸附雨水徑流中污染物。本研究根據(jù)選擇的植物種類、建設(shè)成本及種植基質(zhì)的保水、保肥、保溫、透氣性能的原則，采用的種植基質(zhì)為紅壤土與蛭石、珍珠巖、腐殖土復(fù)配而成，其中紅壤土：蛭石：珍珠巖：腐殖土=5∶1∶1∶3[10]，屋頂綠化的種植基質(zhì)層厚度為35 cm。

(2) 蓄排水層。其作用是將降雨及澆灌時(shí)多余的水分排走，同時(shí)儲(chǔ)存植物生長(zhǎng)所需的水分，但不能存水過(guò)度，避免荷載過(guò)重[11]。本研究中采用陶粒鋪設(shè)構(gòu)成屋頂綠化的蓄排水層，確定屋頂綠化的蓄排水層厚度為15 cm，蓄水層厚度為5 cm。

1.2 水樣

研究水樣為昆明大學(xué)城環(huán)工樓水泥屋面雨水。采用收集到的屋面雨水為模擬的降雨徑流雨水，其重要污染物水質(zhì)指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1 屋面初期雨水徑流污染物濃度 mg/L

1.3 試驗(yàn)裝置與方法

為便于觀察，試驗(yàn)裝置采用長(zhǎng)方形玻璃槽，周圍用黑色遮陽(yáng)板封閉隔離陽(yáng)光。屋頂綠化裝置尺寸為高×寬×長(zhǎng)60 cm×60 cm×100 cm，從下到上依次為陶粒蓄排水層(15 cm，90 dm3)、隔離過(guò)濾層、種植基質(zhì)層(35 cm，210 dm3)和灌木植物層(金葉假連翹)。蓄排水層、種植基質(zhì)層底部設(shè)取樣出水口，以研究屋頂綠化對(duì)雨水的凈化效果。

先用塑料桶儲(chǔ)存收集到的屋面雨水，后采用蓬頭連接潛水泵抽取塑料桶中儲(chǔ)存的屋面雨水模擬降雨，淋灑屋頂灌木，試驗(yàn)中通過(guò)控制蓬頭噴灑水量大小來(lái)調(diào)節(jié)處理的初期雨水量，從而調(diào)節(jié)雨水停留時(shí)間。在蓄排水口產(chǎn)生雨水徑流后開(kāi)始取樣，前5個(gè)樣時(shí)間間隔為2 min，接著每5 min取樣，共取2個(gè)，最后每10 min取樣，共取2個(gè)，合計(jì)取9個(gè)樣。

1.4 分析方法

參照回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行選擇分析，確定檢測(cè)分析懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)4項(xiàng)指標(biāo)，各項(xiàng)雨水水質(zhì)指標(biāo)的分析方法見(jiàn)表2。

表2 雨水水質(zhì)指標(biāo)分析檢測(cè)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 屋頂綠化蓄水能力

屋頂綠化的蓄水量由種植基質(zhì)層蓄水量與蓄排水層蓄水量2部分組成，分別對(duì)這2部分進(jìn)行蓄水試驗(yàn)研究。

2.1.1 種植基質(zhì)蓄水能力研究 測(cè)量屋頂綠化各種植基質(zhì)和按比例復(fù)配好的輕型人工土壤吸水飽和后的質(zhì)量，通過(guò)與吸水前的質(zhì)量相比較，得出各種植基質(zhì)和輕型人工土壤的蓄水量。

以培養(yǎng)皿作為種植基質(zhì)蓄水能力研究的試驗(yàn)容器，設(shè)立3組平行樣，分別稱量3組培養(yǎng)皿的質(zhì)量，并對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)，記錄數(shù)據(jù)。稱量50 cm3基質(zhì)置于對(duì)應(yīng)的培養(yǎng)皿中，用電子天平稱量各自的質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)作為基質(zhì)吸水前的質(zhì)量。稱量完后，分別用水浸沒(méi)，24 h后用吸水紙吸干培養(yǎng)皿中多余的水分，用電子天平稱量，記錄數(shù)據(jù)作為基質(zhì)吸水飽和的質(zhì)量，吸水前后2次質(zhì)量之差則為基質(zhì)的飽和蓄水量。幾種種植基質(zhì)的蓄水量詳見(jiàn)表3。

表3 種植基質(zhì)平均質(zhì)量或單位質(zhì)量蓄水量

根據(jù)表3可得，種植基質(zhì)的單位體積蓄水量為：蛭石>腐殖土>紅壤土>輕型人工土壤>珍珠巖；但幾種基質(zhì)的單位質(zhì)量蓄水量為：珍珠巖>腐殖土>蛭石>輕型人工土壤>紅壤土。

2.1.2 蓄排水層蓄水能力研究 陶粒排水層蓄水量：陶粒粒徑較大，采用燒杯測(cè)量陶粒的蓄水能力。試驗(yàn)前，分別在2個(gè)燒杯中填充80，120 ml陶粒，稱重記錄數(shù)據(jù)。用水淹沒(méi)陶粒，24 h后，倒出燒杯中多余水分后稱重，記錄數(shù)據(jù)，則前后2次質(zhì)量之差為排水層陶粒本身的蓄水量。

測(cè)量陶粒蓄水層蓄水量時(shí)，前期操作同上。在用水淹沒(méi)陶粒24 h后，先壓制陶粒，吸出上層多余水分后稱重，記錄數(shù)據(jù)，為蓄水層(陶粒蓄水量+空隙儲(chǔ)水量)吸水飽和后的質(zhì)量。前后2次質(zhì)量之差為蓄水層的蓄水量(表4)。

表4屋頂綠化蓄排水層蓄水能力平均值

g/ml

2.2 屋頂綠化荷載

昆明市沒(méi)有關(guān)于屋頂綠化建設(shè)的相關(guān)規(guī)范及要求，本研究借鑒北京市《屋頂綠化規(guī)范》[12](下文簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中屋頂綠化建設(shè)的相關(guān)要求。本研究選取的灌木為金葉假連翹，常年維持在1.0～1.5 m，根據(jù)《規(guī)范》中表4，屋頂灌木綠化植物的平均荷載取為45 kg/m2。

由表3可知輕型人工土壤的平均質(zhì)量為0.54 g/ml，吸水飽和后平均質(zhì)量為1.19 g/ml。由表4可知陶粒的平均質(zhì)量為0.18 g/ml，飽和吸水量為0.1 g/ml；蓄水層飽和吸水量為0.61 g/ml。屋頂綠化的種植面積為0.6 m2。

(1) 種植基質(zhì)干、濕重荷載：

種植基質(zhì)質(zhì)量：210 L×0.54 g/ml=113.4 kg

種植基質(zhì)濕重質(zhì)量：210 L×1.19 g/ml=249.9 kg

種植基質(zhì)層荷載：113.4 kg/0.6 m2=189 kg/m2

種植基質(zhì)層濕重荷載：249.9 kg/0.6 m2=416.5 kg/m2

(2) 蓄排水層干、濕重荷載：

蓄排水層陶粒質(zhì)量：90 L×0.18 g/ml=16.2 kg

蓄排水層荷載：16.2 kg/0.6 m2=27 kg/m2

蓄排水層蓄水飽和后質(zhì)量：0.1 g/ml×60 L+0.61 g/ml×30 L+16.2 kg=40.5 kg

蓄排水層蓄水飽和后荷載：40.5 kg/0.6 m2=67.5 kg/m2

(3) 屋頂綠化干、濕重荷載：

屋頂綠化的荷載為：(45+189+27)kg/m2=261 kg/m2

屋頂綠化吸水飽和后的荷載為：(45+416.5+67.5)kg/m2=529 kg/m2

《屋面及樓面永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值》中對(duì)“種植屋面”最大荷載的限定值為10.05 kN/m2(1 025.50 kg/m2)，本研究中的屋頂綠化吸水飽和后的荷載滿足建筑物的屋面荷載。

(4) 本研究中屋頂綠化種植基質(zhì)的濕容重為：

1 m3×0.54 g/cm+1 m3×0.65 g/cm=1 190 kg/m3

《規(guī)范》要求屋頂綠化的種植基質(zhì)濕容重不應(yīng)超過(guò)1 300 kg/m3，則本研究中選取的種植基質(zhì)配比具有較好的吸蓄水能力且吸水飽和的同時(shí)容重也符合《規(guī)范》要求。

2.3 對(duì)屋面雨水的凈化作用研究

項(xiàng)目初期雨水收集利用時(shí)，初期雨水的收集與棄流是最難解決的問(wèn)題。一般可以在去除初期雨水中的粗粒雜質(zhì)后利用綠地進(jìn)行凈化，以簡(jiǎn)化工藝和減少投資。但屋頂綠化對(duì)初期雨水的凈化作用研究還較少見(jiàn)。因此本文考察其對(duì)屋面初期雨水的凈化作用，主要考察SS，COD，TN和TP等污染指標(biāo)值。

試驗(yàn)時(shí)，屋頂綠化結(jié)構(gòu)已經(jīng)生長(zhǎng)半年，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，采集的雨水經(jīng)過(guò)屋頂綠化產(chǎn)生徑流，從蓄排水口排出，雨水中各污染物的去除效果詳見(jiàn)圖1。

圖1 屋頂綠化對(duì)雨水徑流中污染物的去除效果

根據(jù)圖1可知，3場(chǎng)降雨中，各污染物濃度均逐漸降低，隨著降雨歷時(shí)的增加，3場(chǎng)收集的屋面雨水經(jīng)過(guò)屋頂綠化產(chǎn)生的徑流中各污染物均呈現(xiàn)迅速下降再逐漸趨于平緩的趨勢(shì)；3次降雨的水質(zhì)初始濃度不同，經(jīng)屋頂綠化凈化后，最終對(duì)各污染物的削減量范圍大體一致，對(duì)SS，COD，TN和TP的削減量分別在60.1%～71.3%，50.0%～61.8%，49.2%～53.2%和55.6%～67.7%之間。屋面初期雨水處理前污染物濃度超過(guò)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002)》1級(jí)；處理后最低出水濃度分別為25.33，29，1.24，0.20 mg/L，水質(zhì)指標(biāo)基本達(dá)到或低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。可見(jiàn)，本試驗(yàn)的屋頂綠化對(duì)屋面徑流雨水中典型污染物都有較好的去除效果。另外，屋頂綠化在凈化空氣、美化環(huán)境、提高建筑物的綜合利用效益等方面也都具有重要的作用。

2.4 凈化成因簡(jiǎn)要分析

(1) SS凈化成因分析。屋頂綠化的種植基質(zhì)為人工輕型土壤，土質(zhì)比較疏松。屋頂綠化植物為幼苗栽植，行間距比較大，表面沒(méi)有植物覆蓋，因此初期屋面雨水澆灌屋頂綠化時(shí)沖刷土壤，容易帶走土壤顆粒物使雨水中SS增加。試驗(yàn)后期，植物生長(zhǎng)良好，其根系比較發(fā)達(dá)，根毛表面存在交換性H+，可以直接吸收雨水中的交換性離子。另外土壤膠體一般帶有負(fù)電，可以吸附水中陽(yáng)離子，同時(shí)與水中離子進(jìn)行交換，將水中顆粒物固定于土壤膠體表面。同時(shí)，土壤膠體的比表面積和比表面能比較大，吸附能力較強(qiáng)，可以很好的吸附固定雨水中顆粒物。雨水中SS在根系與土壤中膠體共同截流作用下被有效去除，達(dá)到凈化的目的。

(2) COD凈化成因分析。屋頂綠化對(duì)雨水中COD的去除靠植物、土壤的過(guò)濾、攔截和吸附作用以及微生物的降解作用完成。有機(jī)物通過(guò)與屋頂綠化基質(zhì)層、植物根系、莖部碰撞被過(guò)濾沉淀。沉淀的可降解性有機(jī)物在屋頂綠化結(jié)構(gòu)中分解為溶解性有機(jī)物，附著在植物根系和莖部進(jìn)行生物降解[13]。雨水中COD的降解包括分為好氧、厭氧降解2個(gè)階段，但是屋頂綠化的土層厚度最多為35 cm，孔隙比較大，同時(shí)下層由陶粒支撐，透氣性能比較好，因此經(jīng)過(guò)屋頂綠化雨水徑流中的COD的降解主要為好氧降解。好氧降解可以快速的將有機(jī)物氧化成簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，釋放生物新陳代謝的能量，把一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物體所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，合成新的細(xì)胞物質(zhì)，于是微生物逐漸生長(zhǎng)繁殖，產(chǎn)生更多的生物體，從而有效的去除雨水中的COD。

(3) TN凈化成因分析。雨水中TN的去除主要是通過(guò)土壤和植物根系的吸附、過(guò)濾，含氮有機(jī)物自身的沉淀和氨的揮發(fā)作用以及植物的吸收和微生物的降解[14]。在土壤處理雨水時(shí)，N的脫除機(jī)理主要靠微生物脫氮。微生物脫氮包括氨化細(xì)菌的氨化作用、硝化細(xì)菌的硝化作用和反硝化細(xì)菌的反硝化作用。

(4) TP凈化成因分析。土壤的吸附、過(guò)濾和磷酸鹽的沉淀以及植物的吸收可以去除雨水中的總磷。土壤的pH值、土壤中含有的金屬陽(yáng)離子數(shù)量會(huì)影響土壤對(duì)磷的吸附能力，土壤中陽(yáng)離子量越多，則其對(duì)磷吸附能力越強(qiáng)[14]。蛭石、珍珠巖中氧化鎂(MgO)、氧化鉀(K2O)、氧化鈉(Na2O)與水反應(yīng)會(huì)生成氫氧化物，在水中電離出陽(yáng)離子促進(jìn)屋頂綠化的固磷能力[5]。陳亞?wèn)|等[16]的研究表明土壤中鐵、鋁氧化物的增加會(huì)使土壤固磷能力增強(qiáng)，同時(shí)釋放磷的能力降低，而屋頂綠化的種植基質(zhì)中含有氧化鋁(Al2O3)、氧化鐵(Fe2O3)，會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)種植基質(zhì)對(duì)雨水中磷的去除效果。

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)于屋頂綠化種植基質(zhì)，采用吸保水性較好的蛭石、珍珠巖與普通紅壤土、腐殖土復(fù)配，能有效吸儲(chǔ)雨水；同時(shí)屋頂綠化下部的蓄排水層能有效地調(diào)蓄雨水。種植基質(zhì)和陶粒蓄排水層(吸水量+蓄水量)的理論總蓄水量為1.37 m3/m2，其中陶粒蓄排水層蓄水量為0.61 m3。

(2) 屋頂灌木綠化的干、濕重荷載分別為261，529 kg/m2，滿足《屋面及樓面永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值》中“種植屋面”的最大荷載10.05 kN/m2的要求。屋頂綠化種植基質(zhì)的濕容重為1 190 kg/m3，種植基質(zhì)的配比在保證較好的吸蓄水性能的同時(shí)滿足《規(guī)范》中對(duì)種植基質(zhì)濕容重不應(yīng)超過(guò)1 300 kg/m3的規(guī)定。

(3) 本研究的屋頂綠化，對(duì)雨水中污染物SS，COD，TN和TP均有較好的凈化效果，對(duì)各污染物的削減量分別在60.1%～71.3%，50.0%～61.8%，49.2%～53.2%和55.6%～67.7%之間，出水水質(zhì)指標(biāo)基本達(dá)到或低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

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