管冰鏡，連瑛秀，左明明，丁晨風(fēng)，王志偉，翟蘇皖，朱曙光，3

(1.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥 230601；2.城邑(北京)建筑設(shè)計院有限公司，北京100055；3.安徽省綠色建筑先進技術(shù)研究院，合肥 230601)

0 引言

當今城市化進程中面臨著水資源短缺、水質(zhì)污染、城市內(nèi)澇等挑戰(zhàn)，建設(shè)海綿城市是一條優(yōu)選的技術(shù)路徑[1]。在海綿城市建設(shè)過程中，種植屋面(即綠色屋頂)是一種有效的建造手段[2]。由于城市建設(shè)用地價格昂貴，通過在不透水屋面實施種植屋面，可以緩解用地緊張，降低城市綠化成本[6]。歐美、日本、韓國等國在20世紀先后進行了綠色屋頂?shù)难芯?、實踐，其中德國已有14%的建筑進行了屋頂綠化[3-4]。我國于20世紀60年代在工廠車間、辦公樓等建筑物的平屋頂上率先實踐，開始種植屋面系統(tǒng)探索[5]。通過各國實踐研究，在屋面上栽種綠植，能達到蓄滯雨水[7-8]、凈化水質(zhì)[9]的效果，改善城市生態(tài)環(huán)境、減小城市水資源壓力[10-11]。景天科植物佛甲草耐旱性好、生命力強、覆蓋率高、供氧量大，是種植屋面植物的良好選擇[12]。

傳統(tǒng)種植屋面結(jié)構(gòu)由下至上一般由11層組成，主要有保護層、排(蓄)水層、過濾層、植被層等[13-14]，具體見圖1。這種傳統(tǒng)種植屋面施工工序繁瑣，材料繁多，特別是破損后維修難度較大[15]。本文擬構(gòu)建1種7層的新型種植屋面，即屋面板、防水涂料層、阻根防水層、排水板、土工布過濾層、種植土層和植被層，以期實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單化、施工難度降低、運維方便的目標[16]，并探究不同基質(zhì)層厚度、降雨強度下種植屋面的蓄水及水質(zhì)凈化能力。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與設(shè)備

本文采用自然降雨和模擬降雨兩類降水情況，對傳統(tǒng)和新型種植屋面進行實驗，模擬實驗裝置如圖2所示。新型種植屋面基質(zhì)主要由種植營養(yǎng)土、草炭土、蛭石和當?shù)靥飯@土按7：1：1：1的比例配制而成。種植植物為佛甲草。實驗過程中使用的藥劑包括酒石酸鉀鈉、納氏試劑、過硫化鉀、氫氧化鈉、濃鹽酸、硝酸鉀、濃硫酸、硫酸銀、重鉻酸鉀、鄰苯二甲酸氫鉀和氯化銨等，均為分析純級。

圖1 傳統(tǒng)種植屋面的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 模擬種植屋面裝置圖

1.2 實驗過程

1.2.1 新型種植屋面模塊構(gòu)建

種植屋面實驗共設(shè)置了6組，編號1-5為新型種植屋面模塊，編號6為傳統(tǒng)種植屋面模塊。其中1-5號種植基質(zhì)厚度分別為50 mm，100 mm，150 mm，200 mm，250 mm，6號種植基質(zhì)厚度為100 mm。新型種植屋面構(gòu)造圖如圖3所示。

圖3 新型種植屋面的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 雨水設(shè)計

雨量實驗采用合肥市的暴雨強度公式進行設(shè)定，公式如式(1)：

式中：

P：重現(xiàn)期，取 10 a，20 a，50 a，100 a；

t：降雨歷時，取 20～40 min。

1.2.3 實驗過程

水量實驗中，待雨水徑流穩(wěn)定后，每隔5測量收集的雨水體積，直至徑流結(jié)束。水質(zhì)實驗中，待自然降雨經(jīng)種植屋面模塊穩(wěn)定出水后收集雨水，每5 min同時取3個平行水樣，水樣后混合作為水質(zhì)實驗的樣品，并于24 h內(nèi)完成常規(guī)水質(zhì)指標檢測。

1.3 分析方法

本研究將每次水量實驗中所有收集到的徑流水量相加作為相應(yīng)種植屋面模塊的產(chǎn)流量。

產(chǎn)流延遲時間和滯蓄徑流率按照公式進行計算，公式如式(2)、式(3)：

水質(zhì)指標包括總氮、氨氮、化學(xué)需氧量和pH等。其中，采用重鉻酸鉀法測定水樣溶解性化學(xué)需氧量(Sollutedchemical oxigen demand，SCOD)濃度；采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測總氮濃度；采用水楊酸分光光度法測氨氮濃度；采用玻璃電極法測pH。

實驗數(shù)據(jù)為手動計數(shù)，因?qū)嶒灨鞑糠种貜?fù)次數(shù)不等，故均采用多次實驗平均后的數(shù)值進行比較，按對照組和各數(shù)據(jù)類別進行分類，并作圖和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 種植屋面的雨水徑流控制分析

通過不同強度模擬降雨，從產(chǎn)流量、產(chǎn)流延遲時間以及雨水滯蓄率等三方面來分析新型種植屋面的滯蓄水性能。

2.1.1 產(chǎn)流量

以基質(zhì)層厚度100 mm的傳統(tǒng)和新型種植屋面為例，對比分析其在不同降雨強度下的產(chǎn)流量，如圖4所示。新型種植屋面的產(chǎn)流量平均比傳統(tǒng)低1.8%，減少產(chǎn)流的能力優(yōu)于傳統(tǒng)。

圖4 100 mm基質(zhì)層兩種種植屋面的產(chǎn)流量分析

對于新型種植屋面，針對不同重現(xiàn)期、不同厚度種植屋面的產(chǎn)流量分析，如圖5所示。在同一暴雨強度下，新型種植屋面模塊產(chǎn)流量隨著基質(zhì)層厚度的增加而減小。以100 a為例，厚度50 mm、150 mm、200 mm、250 mm比厚度100 mm的產(chǎn)流量分別低-2.7%、4.8%、6.6%、10.0%。可見，厚度250 mm的新型種植屋面減少產(chǎn)流效果最好，平均比厚度100 mm的低8.6%。

圖5 新型種植屋面在不同厚度和重現(xiàn)期的產(chǎn)流量分析

2.1.2 產(chǎn)流延遲時間

以基質(zhì)層厚度100 mm的傳統(tǒng)和新型種植屋面為例，對比分析其在不同降雨強度下的產(chǎn)流延遲時間，如圖6所示。新型種植屋面的產(chǎn)流延遲時間平均比傳統(tǒng)高14.1%，延遲產(chǎn)流的能力優(yōu)于傳統(tǒng)。

圖6 100 mm基質(zhì)層兩種種植屋面的產(chǎn)流延遲時間分析

對于新型種植屋面，針對不同重現(xiàn)期、不同厚度種植屋面的產(chǎn)流延遲時間分析，如圖7所示。在同一暴雨強度下，新型種植屋面模塊產(chǎn)流延遲時間隨著基質(zhì)層厚度的增加而增大。以100 a為例，厚度 50 mm、150 mm、200 mm、250 mm 比厚度100 mm的產(chǎn)流延遲時間分別高-14.9%、11.5%、22.5%、34.8%?？梢?，厚度250 mm的新型種植屋面延遲產(chǎn)流的效果最好，平均比厚度100 mm的高34.4%。

圖7 新型種植屋面在不同厚度和重現(xiàn)期的產(chǎn)流延遲時間分析

2.1.3 滯蓄徑流率

以基質(zhì)層厚度100 mm的傳統(tǒng)和新型種植屋面為例，對比分析其在不同降雨強度下的滯蓄徑流率，如圖8所示。新型種植屋面的滯蓄徑流率平均比傳統(tǒng)高1.0%，滯蓄雨水的能力優(yōu)于傳統(tǒng)。

對于新型種植屋面，針對不同重現(xiàn)期、不同厚度種植屋面的滯蓄徑流率分析，如圖9所示。在同一暴雨強度下，新型種植屋面模塊滯蓄徑流率隨著基質(zhì)層厚度的增加而增大。以100 a為例，厚度 50 mm、150 mm、200 mm、250 mm 比厚度100 mm的滯蓄徑流率分別高-18.3%、18.9%、24.1%、31.9%。可見，厚度250 mm的新型種植屋面滯蓄雨水的效果最好，平均比厚度100 mm的滯蓄徑流率高23.7%。

圖8 100 mm基質(zhì)層兩種種植屋面的滯蓄徑流率分析

圖9 新型種植屋面在不同厚度和重現(xiàn)期的滯蓄徑流率分析

綜上，在同一暴雨強度下，新型種植屋面比傳統(tǒng)控制雨水徑流的能力強，厚度為250 mm時新型控制雨水徑流的效果最好。

本文還采用了4次自然降雨(4次自然降雨的降雨強度相似，屬于中等降雨)探究新型種植屋面對雨水水質(zhì)的控制能力，如圖10-圖17所示。

2.2 種植屋面TN分析

以基質(zhì)層厚度100 mm的傳統(tǒng)和新型種植屋面為例，對比分析其在不同降雨強度下的TN濃度，如圖10所示。新型種植屋面的TN濃度平均比傳統(tǒng)低16.8%，去除總氮的能力優(yōu)于傳統(tǒng)。

對于新型種植屋面，針對不同重現(xiàn)期、不同厚度種植屋面的總氮濃度分析，如圖11所示。在同一場降雨中，新型種植屋面模塊TN濃度隨著基質(zhì)層厚度的增加而先減小后變大。以第2次自然降雨為例，厚度 50 mm、150 mm、200 mm、250 mm 比厚度 100 mm的 TN濃度分別低-9.5%、9.8%、41.8%、25.8%?？梢?，厚度200 mm的新型種植屋面去除TN的效果最好，平均比厚度100 mm的TN濃度低23.1%。

圖10 100 mm基質(zhì)層兩種種植屋面的TN分析

圖11 新型種植屋面在不同厚度和重現(xiàn)期的總氮分析

2.3 種植屋面NH3-N分析

以基質(zhì)層厚度100 mm的傳統(tǒng)和新型種植屋面為例，對比分析其在不同降雨強度下的NH3-N，如圖12所示。新型種植屋面的NH3-N平均比傳統(tǒng)高2.0%，兩者去除氨氮能力相似。

圖12 100 mm基質(zhì)層兩種種植屋面的氨氮分析

對于新型種植屋面，針對不同重現(xiàn)期、不同厚度種植屋面的氨氮濃度分析，如圖13所示。在同一場降雨中，新型種植屋面模塊NH3-N濃度隨著基質(zhì)層厚度的增加而先減小后增大。以第2次自然降雨為例，厚度 50 mm、150 mm、200 mm、250 mm 比厚度100 mm的NH3-N濃度分別低-14.9%、58.8%、73.7%、43.8%。可見，厚度200mm的新型種植屋面去除氨氮的效果最好，平均比厚度100 mm的NH3-N濃度低55.7%。

圖13 新型種植屋面在不同厚度和重現(xiàn)期的氨氮分析

2.4 種植屋面COD分析

以基質(zhì)層厚度100 mm的傳統(tǒng)和新型種植屋面為例，對比分析其在不同降雨強度下的COD，如圖14所示。新型種植屋面的COD平均比傳統(tǒng)低9.7%，去除COD的能力優(yōu)于傳統(tǒng)。

圖14 100 mm基質(zhì)層兩種種植屋面的COD分析

對于新型種植屋面，針對不同重現(xiàn)期、不同厚度種植屋面的COD濃度分析，如圖15所示。在同一場降雨中，新型種植屋面模塊COD濃度隨著基質(zhì)層厚度的增加而先減小后變大。以第2次自然降雨為例，厚度 50 mm、150 mm、200 mm、250 mm 比厚度100 mm的NH3-N濃度分別低-11.9%、7.6%、17.3%、5.4%?？梢姡穸?00 mm的新型種植屋面去除COD的效果最好，平均比厚度100 mm的COD濃度低21.1%。

圖15 新型種植屋面在不同厚度和重現(xiàn)期的COD分析

2.5 種植屋面pH分析

以基質(zhì)層厚度100 mm的傳統(tǒng)和新型種植屋面為例，對比分析其在不同降雨強度下的pH，如圖16所示。新型種植屋面的pH平均值為6.78，傳統(tǒng)種植屋面的pH平均值為6.72，故新型平衡酸堿度的能力優(yōu)于傳統(tǒng)。

圖16 100 mm基質(zhì)層兩種種植屋面的pH分析

對于新型種植屋面，針對不同重現(xiàn)期、不同厚度種植屋面的pH分析，如圖17所示。在同一場降雨中，新型種植屋面模塊pH隨著基質(zhì)層厚度的增加而先增大后減小。以第2次自然降雨為例，厚度 50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm 的pH 值分別為 6.57、6.66、6.81、6.72、6.61。可見，厚度150 mm的新種植屋面pH值最接近7，酸性中和的效果最好，平均比厚度100 mm的pH高0.14。

綜上，在同一降雨條件下，新型種植屋面控制雨水水質(zhì)的能力優(yōu)于傳統(tǒng)；厚度200 mm的新型種植屋面去除TN、NH3-N及COD的效果最好；厚度150 mm的新型種植屋面中和雨水酸度的效果最好。

圖17 新型種植屋面在不同厚度和重現(xiàn)期的pH分析

3 結(jié)論

(1)相較于傳統(tǒng)種植物屋面11層結(jié)構(gòu)，新型種植屋面縮減為7層，降低了建造成本，結(jié)構(gòu)簡單、荷載小、滯蓄和凈化雨水能力強，在施工、運維、投資等方面均具有優(yōu)勢，有一定創(chuàng)新性和實用性。

(2)在同一降雨條件下，厚度100 mm的新型種植屋面產(chǎn)流量、產(chǎn)流延遲時間和滯蓄徑流率分別比厚度100 mm的傳統(tǒng)低1.8%、高14.1%、高1.0%；厚度250 mm的新型種植屋面產(chǎn)流量、產(chǎn)流延遲時間和滯蓄徑流率分別比100 mm的新型低8.6%、高34.4%、高23.7%?？梢姾穸?50 mm的新型種植屋面控制雨水徑流的效果最好。

(3)在同一降雨條件下，厚度100 mm新型種植屋面TN、NH3-N、COD和pH分別比厚度100 mm的傳統(tǒng)低 16.8%、高 2.0%、低 9.7%、高 0.06；厚度200 mm的新型種植屋面TN、NH3-N和COD分別比100 mm的新型低23.1%、低55.7%、低21.1%，厚度150 mm的新型pH比100 mm的新型高0.14。可見新型種植屋面控制雨水水質(zhì)的能力優(yōu)于傳統(tǒng)種植屋面。