屋頂草坪在蓄水減排、凈化屋面徑流污染中的應(yīng)用研究

黃思詩(shī)2 凌敏2 邱丘1 陳凌云1

1.廣州市城市排水監(jiān)測(cè)站 廣東廣州 510000；

2.廣州市市政集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 廣東廣州 510260

摘要：本文以屋頂草坪產(chǎn)品——“綠地貼”為研究對(duì)象，測(cè)定不同試驗(yàn)條件下綠地貼對(duì)于屋面徑流的產(chǎn)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、徑流峰值等指標(biāo)的影響，以及對(duì)屋面徑流中COD、TN、TP、氨氮、BOD、SS等常規(guī)污染物以及Cd、Pb和Cu三種重金屬元素的凈化效果，以分析其在蓄水減排與凈化屋面徑流污染方面的效果。

關(guān)鍵詞：屋頂草坪；綠地貼；蓄水減排；凈化污染

屋頂綠化通常泛指高出地面以上，周邊不與自然土層相連接的各類建筑物、構(gòu)筑物等的頂部以及天臺(tái)、露臺(tái)上的綠化。屋頂綠化作為一種特殊的綠化形式，可以軟化建筑“第五立面”的硬質(zhì)表面，綠化屋頂種植層能有效地蓄積與利用雨水，在應(yīng)對(duì)城市水資源緊張和雨洪泛濫等問(wèn)題方面起到不可忽視的作用。近年來(lái)，屋頂綠化在蓄水減排和凈化屋面徑流方面的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。

1.“綠地貼”產(chǎn)品簡(jiǎn)介

“綠地貼”產(chǎn)品設(shè)計(jì)根據(jù)“創(chuàng)可貼”原理研制而成，是對(duì)現(xiàn)有屋頂綠化的創(chuàng)新性變革。華南地區(qū)的“綠地貼”產(chǎn)品采用本地區(qū)特有的錦竹草作為主要綠化植物品種，摒棄了傳統(tǒng)“野生雜草”的觀念，讓野生草種在屋頂自然生長(zhǎng)、自我維持和交替，從而做到基本不需要人工干預(yù)和管理，無(wú)需澆水、施肥、灑藥，使屋頂有限度回歸自然，并且能在一定程度上補(bǔ)償修復(fù)城市建筑物體對(duì)自然生態(tài)的破壞。此外，“綠地貼”特有的防塞排水裝置具備緩沖結(jié)構(gòu)，在有效防止水流中的雜物堵塞屋頂下水道入口的同時(shí)，能夠克服水流的沖擊力，減緩徑流，防止城市內(nèi)澇。目前“綠地貼”已通過(guò)專家認(rèn)證及鑒定，獲得4項(xiàng)授權(quán)專利，在廣東、江西、廣西、浙江等多地成功推廣，應(yīng)用面積達(dá)5萬(wàn)多平米。

2.試驗(yàn)場(chǎng)地概況

本研究的試驗(yàn)場(chǎng)地主要包括兩類，一是“綠地貼”產(chǎn)品在廣州各區(qū)已建好并實(shí)踐多年的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)地（詳見(jiàn)表2-1）；二是為解決自然降雨局限性而建立的屋頂草坪模擬平臺(tái)，該平臺(tái)位于廣州市龍洞蘭花文化園內(nèi)，主要包含人工模擬降雨裝置，模擬屋頂裝置兩個(gè)部分。該裝置可控制性好、操作靈活簡(jiǎn)便，能夠在盡可能小的破壞試驗(yàn)場(chǎng)地的前提下，較為真實(shí)地重現(xiàn)廣州市屋頂草坪減排調(diào)蓄的過(guò)程，滿足模擬試驗(yàn)需求。

表2-1 “綠地貼”研究基地資料

序號(hào) 名稱 地點(diǎn) 建成時(shí)間 面積

1 祈福新邨基地 番禺區(qū) 2008年 400㎡

2 羊城創(chuàng)意園基地 天河區(qū) 2010年 470㎡

3 海珠實(shí)驗(yàn)小學(xué)基地 海珠區(qū) 2014年 1500㎡

4 蘭花文化園基地 天河區(qū) 2015年 150㎡

蓄水減排分析是利用建于蘭花文化園基地的模擬降雨裝置在不同的基質(zhì)厚度條件下通過(guò)調(diào)整降雨強(qiáng)度，獲得徑流產(chǎn)生時(shí)間、徑流持續(xù)時(shí)間、徑流峰值和峰值產(chǎn)生時(shí)間等一系列數(shù)據(jù)，采用表格記錄的方式進(jìn)行整理和圖表分析。

水質(zhì)分析指標(biāo)包括COD、TN、TP、氨氮、BOD、SS等六種常規(guī)污染物指標(biāo)以及Cd、Cu、Pb三種重金屬指標(biāo)，參照《城市污水水質(zhì)檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CJ/T 51-2004）進(jìn)行測(cè)定。采用Excel和SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。

3. 綠地貼對(duì)于屋面徑流的蓄水減排效果研究

本研究在屋頂草坪模擬平臺(tái)開(kāi)展試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)模擬降雨裝置形成125、400、和800 ml/h 三種不同的降雨強(qiáng)度來(lái)模擬小、中、大三種不同類型的雨水，同時(shí)設(shè)置了對(duì)照組（不鋪綠地貼）以及三個(gè)實(shí)驗(yàn)組（分別鋪有基質(zhì)厚度為2、3、4cm的綠地貼產(chǎn)品），測(cè)定不同實(shí)驗(yàn)條件下屋面徑流的產(chǎn)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、徑流峰值等指標(biāo)，用以分析不同降雨強(qiáng)度下綠地貼產(chǎn)品的蓄水減排效果，具體結(jié)果如表3-1所示。

從表中數(shù)據(jù)可以看出不同處理?xiàng)l件下屋面徑流的特征值存在明顯差異。在降雨歷時(shí)和綠地貼的厚度保持不變的情況下，鋪有綠地貼產(chǎn)品的屋面隨著降雨強(qiáng)度越大，屋面徑流的產(chǎn)生時(shí)間有提早的趨勢(shì)，而徑流峰值產(chǎn)生時(shí)間越晚，且徑流持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，同時(shí)徑流峰值也越大。

表3-1 不同基質(zhì)厚度與不同降雨強(qiáng)度下雨水徑流特征值測(cè)定

降雨強(qiáng)度

（ml/h） 基質(zhì)厚度（cm） 降雨歷時(shí)

（min） 徑流產(chǎn)生時(shí)間

（min） 徑流持續(xù)時(shí)間*

（min） 徑流峰值（m3/h） 峰值產(chǎn)生時(shí)間（min）

125 對(duì)照組 30 2：15 8：10 0.077 4：50

2 5：25 25：30 0.064 8：00

3 11：30 38：20 0.057 22：30

4 18：15 51：20 0.048 30：05

400 對(duì)照組 30 2：00 10：20 0.089 6：30

2 4：00 30：15 0.075 9：55

3 9：25 42：40 0.062 19：50

4 14：50 59：10 0.059 28：45

800 對(duì)照組 30 1：35 11：50 0.112 8：25

2 3：40 36：35 0.083 11：40

3 9：05 46：50 0.073 17：25

4 12：10 63：50 0.103 27：00

通過(guò)滲流曲線圖（圖3-2、3-3、3-4）可看出，在同一降雨強(qiáng)度下，與對(duì)照組對(duì)比，鋪有綠地貼產(chǎn)品的屋面徑流產(chǎn)生時(shí)間越晚，徑流持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，徑流峰值產(chǎn)生時(shí)間越晚，同時(shí)徑流峰值也越小。對(duì)比不同基質(zhì)厚度的綠地貼產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，綠地貼的基質(zhì)越厚，屋面徑流的產(chǎn)生時(shí)間越晚，徑流持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，徑流峰值產(chǎn)生時(shí)間越晚，同時(shí)徑流峰值也越小。

圖3-2不同厚度基質(zhì)的草坪在降雨強(qiáng)度125ml/h下的滲流特征曲線

圖3-3不同厚度基質(zhì)的草坪在降雨強(qiáng)度400ml/h下的滲流特征曲線

圖3-4不同厚度基質(zhì)的草坪在降雨強(qiáng)度800ml/h下的滲流特征曲線

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出在降雨過(guò)程中，普通屋面的徑流強(qiáng)度隨降雨強(qiáng)度變化而急增急減，產(chǎn)生大量的屋面徑流，在雨季極易造成排水不暢和洪澇災(zāi)害；“綠地貼”則起到了推遲徑流洪峰的到來(lái)、降低屋面徑流峰值的作用，且“綠地貼”基質(zhì)厚度越大，作用效果越明顯。可見(jiàn)“綠地貼”在蓄水減排方面發(fā)揮著良好的作用，有利于增強(qiáng)城市的防洪排澇。

4. 對(duì)屋頂草坪凈化屋面徑流效果的研究

本研究選取了表3-1中的綠地貼基地開(kāi)展試驗(yàn)，在2次自然降雨過(guò)程中分別采集天然雨水、普通屋面徑流和通過(guò)不同厚度綠地貼產(chǎn)品過(guò)濾后的水樣進(jìn)行檢測(cè)，用于分析綠地貼對(duì)屋面徑流中COD、TN、TP、氨氮、BOD、SS等常規(guī)污染物以及Cd、Pb和Cu三種重金屬元素的凈化效果，結(jié)果如圖4-1至4-6所示。

圖4-1 各厚度基質(zhì)在試驗(yàn)中自然雨水和屋面徑流中COD的EMC分布

圖4-2 各厚度基質(zhì)在試驗(yàn)中自然雨水和屋面徑流中TN的EMC分布

圖4-3 各厚度基質(zhì)在試驗(yàn)中自然雨水和屋面徑流中TP的EMC分布

圖4-4 各厚度基質(zhì)在試驗(yàn)中自然雨水和屋面徑流中氨氮的EMC分布

圖4-5 各厚度基質(zhì)在試驗(yàn)中自然雨水和屋面徑流中BOD的EMC分布

圖4-6 各厚度基質(zhì)在試驗(yàn)中自然雨水和屋面徑流中SS的EMC分布

上述結(jié)果表明，常規(guī)污染物的污染程度從嚴(yán)重到輕微的排序依次為：對(duì)照組>實(shí)驗(yàn)組>自然雨水。鋪有“綠地貼”的實(shí)驗(yàn)組屋面徑流中COD、TN、TP、氨氮、BOD、SS濃度遠(yuǎn)低于“對(duì)照組”的屋面徑流；與天然降雨水質(zhì)相比，鋪有“綠地貼”的實(shí)驗(yàn)組屋面徑流中除TP濃度稍高于天然降雨水質(zhì)，其余污染物濃度都基本等于天然降雨中的污染物濃度，其中TN、氨氮、BOD等物質(zhì)的濃度還低于天然降雨。并且，在2cm厚度的“綠地貼”試驗(yàn)結(jié)果中尤為明顯。由此可見(jiàn)，“綠地貼”對(duì)屋面徑流中COD、TN、氨氮、BOD、SS等常規(guī)污染物有良好的去除效果。

由于Cd、Pb和Cu這三種重金屬在各類雨水徑流中的相對(duì)濃度都較高，且瞬時(shí)水樣中的含量均高于檢測(cè)限值，因此，本研究選擇對(duì)這三類重金屬的平均EMC進(jìn)行分析。檢測(cè)結(jié)果顯示，金屬Cd元素含量均為<0.030，Cd離子含量均為<0.01，Pb離子含量均為<0.007，表明了自然雨水、“實(shí)驗(yàn)組”屋面徑流、“對(duì)照組”屋面徑流中Cd、Pb和Cu這三種重金屬的含量均低于檢測(cè)限，基本可忽略不計(jì)，表明所選場(chǎng)地的屋面徑流的重金屬污染并不嚴(yán)重。

4.3結(jié)論與建議

本研究表明“綠地貼”對(duì)屋面徑流的滯蓄效果良好，并且基質(zhì)越厚，蓄水減排效果越好。但值得注意的是，雖然土壤厚度的增加可提高雨水滯留量，但是隨著基質(zhì)厚度越大，“綠地貼”對(duì)屋頂承重能力的要求也越高。通過(guò)考察廣州地區(qū)普遍的屋頂承重能力，我們發(fā)現(xiàn)基質(zhì)厚度為2-3厘米的“綠地貼”產(chǎn)品較為適合廣州地區(qū)使用。此規(guī)格的“綠地貼”的詳細(xì)參數(shù)為：0.3*0.5米篩盤(pán)，基質(zhì)厚度2-3厘米，草坪重量30-50公斤/平方平，覆蓋率90%以上，草坪高度5-15厘米。尤其在安裝防塞排水裝置后，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)滯蓄雨水的目的，有利于草坪式屋頂綠化建設(shè)的發(fā)展。

屋頂污染物質(zhì)來(lái)源于大氣濕沉降物和屋頂材料分解產(chǎn)物。本研究中自然雨水中的污染物，特別是重金屬的污染程度并不高，但未鋪“綠地貼”的屋面由于大氣沉降以及屋面材料的析出等原因其表面徑流的污染物濃度顯著提高，而鋪有綠地貼的屋面，其徑流中的污染物濃度明顯降低，可見(jiàn)“綠地貼”對(duì)屋面徑流中COD、TN、氨氮、BOD、SS等常規(guī)污染物有良好的去除效果。

綜上所述，一方面“綠地貼”可以通過(guò)基質(zhì)吸收和特有的防塞排水裝置蓄積雨水，緩解徑流高峰，從而達(dá)到蓄水減排的效果；另一方面“綠地貼”能夠起到過(guò)濾和凈化屋面徑流的作用，對(duì)防治城市水體污染具有重要意義。

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