南昌種植屋面對(duì)城市雨水徑流凈化作用研究*

李 鵬，林憲德，胡 松，王 凱

（1.臺(tái)灣成功大學(xué) 建筑系，臺(tái)灣 臺(tái)南 701；2.江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院，南昌 330000）

南昌種植屋面對(duì)城市雨水徑流凈化作用研究*

李 鵬1，林憲德1，胡 松2，王 凱2

（1.臺(tái)灣成功大學(xué) 建筑系，臺(tái)灣 臺(tái)南 701；2.江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院，南昌 330000）

城鎮(zhèn)化進(jìn)程加劇了城市內(nèi)澇和大氣污染，最大限度實(shí)現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、滲透和凈化十分重要。南昌市區(qū)接納雨水的城市表面有綠地、水面、城市道路廣場(chǎng)和建筑屋頂，其中建筑屋頂在城區(qū)中又占有較高比重，因此成為雨水污染的重要源頭。而種植屋面對(duì)雨水可以起到一定凈化作用，截留部分污染物，改善流經(jīng)屋面的雨水水質(zhì)，以減少對(duì)環(huán)境的壓力。根據(jù)江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院綠色節(jié)能中心2014年度在南昌市區(qū)對(duì)普通屋面和種植屋面進(jìn)行為期一年的屋面雨水采樣和測(cè)試，得出的pH值、DO、TSS、CODcr、TN、TP指標(biāo)6組數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)種植屋面對(duì)調(diào)節(jié)pH值、增加DO含量、降低TSS與CODcr有明顯作用，對(duì)TN、TP也起到了調(diào)節(jié)器的作用，讓其處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的變化區(qū)間。

南昌；種植屋面；雨水測(cè)試

0 引言

隨著城市的不斷發(fā)展，城市密度不斷增大，城區(qū)范圍內(nèi)的風(fēng)速明顯降低，導(dǎo)致污染物聚集在城市中，不易擴(kuò)散，這些污染物，最終都會(huì)飄落到城市各種表面上，隨著降雨排放到自然界中。在城市中，主要的雨水接收面包括綠地、城市街道和廣場(chǎng)、水面和城市建筑屋面。這其中，綠地和生態(tài)水面對(duì)自然降雨會(huì)有一定的凈化作用，但城市街道、廣場(chǎng)和占比很大的城市建筑屋面，則成了污染物的積蓄地。特別是城市建筑屋面，因日常缺少打掃和清潔，而且又處于城市高空，會(huì)更加容易積累日常落塵，這些落塵與雨水一起，構(gòu)成了城市降雨的主要污染來源。

在南昌市，城市綠化覆蓋率較高，這些綠地對(duì)雨水污染有很好的吸收和凈化作用。但同時(shí)，因城市快速的發(fā)展，城市屋頂面積占比越來越大，如，南昌市建成區(qū)范圍內(nèi)，扣除水域面積后，建筑密度>50%的高密度建筑區(qū)占24.11%；建筑密度在25%～50%的中密度建筑區(qū)占34.84%。就南昌市建成區(qū)而言，城區(qū)高、中密度建筑區(qū)所占比例達(dá)42.3%，扣除水域之后可達(dá)58.95%[2]。由此可以推斷出，城市屋面在承接落塵和雨水過程中所起到的重要作用。如果這部分雨水不加處理直接排放，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的壓力。

本研究重點(diǎn)在于種植屋面對(duì)城市雨水徑流凈化作用。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)置了兩塊屋面作為采樣屋面，來進(jìn)行種植屋面凈化實(shí)驗(yàn)，一塊是種植屋面，另一塊是普通無綠化的屋面，作為研究對(duì)照屋面。通過對(duì)流經(jīng)兩塊屋面的雨水進(jìn)行采樣和水質(zhì)分析，來判斷種植屋面的凈化作用。

國(guó)內(nèi)這方面的研究已經(jīng)有了一些成果，如周賽軍（2010）[3]經(jīng)過研究得出蓄水種植屋面對(duì)雨水徑流污染物有很好的去除效果，錢玲（2013）[4]通過對(duì)多種土層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，得出凈化效果較好的種植基質(zhì)層構(gòu)成。在南昌，因冬季低溫的緣故，無法采用蓄水屋面，因此本研究采用屋頂直接種植綠化，承接落塵，過濾雨水。這種大面積屋面實(shí)地研究實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)還比較少，本研究填補(bǔ)了這塊空白。

1 實(shí)驗(yàn)屋面構(gòu)造

種植屋面（B屋面），采用屋面結(jié)構(gòu)板+防水層+種植層構(gòu)造，面積約600 m2（見圖1）。

普通平屋面（A屋面），采用屋面結(jié)構(gòu)板+輕質(zhì)料混凝土+水泥砂漿構(gòu)造，面積約240 m2（見圖2）。

兩塊實(shí)驗(yàn)屋面距離約34 m，自然落塵和接收雨水條件相當(dāng)，可以用來互相參照與對(duì)比，實(shí)驗(yàn)期間均為自然降雨測(cè)試。

圖1 種植屋面構(gòu)造示意圖

圖2 平屋面構(gòu)造示意圖

2 采樣點(diǎn)設(shè)置與采樣方法

兩塊屋面的雨水采樣點(diǎn)如圖3。

種植屋面對(duì)雨水會(huì)有一定的蓄流作用[5]，因此下雨后，普通屋面先出現(xiàn)雨水徑流，種植屋面的雨水經(jīng)過土層吸收達(dá)到飽和狀態(tài)后，才有徑流出現(xiàn)的可能。

另外，根據(jù)已有研究，初期雨水污染物質(zhì)含量較高，當(dāng)降雨量超過1～2 mm以后，雨水徑流中的污染物含量明顯降低[6]。

圖3 采樣示意圖

穩(wěn)定徑流雨水與點(diǎn)滴狀雨水夾雜的污染物有明顯區(qū)別，點(diǎn)滴狀雨水主要由水滴表面張力而粘帶雜塵，污染物含量分布不均，而穩(wěn)定雨水徑流中則對(duì)屋面落塵有連續(xù)的沖刷效應(yīng)，污染物含量相對(duì)均勻，采樣具有代表性。

這些因素都對(duì)采樣方法產(chǎn)生影響。

根據(jù)上述原因，經(jīng)綜合多因素考量，在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定的采樣原則為：

1）采樣時(shí)，雨量要足夠大，讓種植屋面亦能產(chǎn)生穩(wěn)定的徑流，并提取到足夠的水樣，這種狀況下兩個(gè)屋面同時(shí)采集到的水樣才具可比性。

2）雨水在兩個(gè)屋面的采樣點(diǎn)要形成穩(wěn)定的徑流后才開始取水樣，點(diǎn)滴狀落水不作為采樣來源。

3）以初期雨水采樣為主，形成穩(wěn)定徑流后，每隔20 min取一次水樣，每次降雨取5次水樣，之后的降雨水樣因污染物含量大大降低，對(duì)環(huán)境不構(gòu)成危害，因此不再提取。

達(dá)到以上條件的降雨可遇而不可求，因此采樣工作陸續(xù)進(jìn)行了7個(gè)多月，最終有5次采樣滿足條件。采樣時(shí)間與雨勢(shì)狀況詳見表1。

表1 采樣時(shí)間與雨勢(shì)狀況

3 水樣檢測(cè)指標(biāo)與檢驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)一共獲取5組數(shù)據(jù)，每組均包含10個(gè)水樣，其中5個(gè)水樣是種植屋面水樣，另5個(gè)是對(duì)照普通屋面水樣。每個(gè)數(shù)據(jù)組取樣完畢后，即刻送去南昌大學(xué)環(huán)化學(xué)院檢驗(yàn)，主要的檢測(cè)指標(biāo)和檢驗(yàn)方法見表2。

表2 水樣檢測(cè)指標(biāo)與檢驗(yàn)方法

選擇這6個(gè)指標(biāo)的主要依據(jù)是：

1）借鑒已有對(duì)南昌初期降雨污染物成分的研究，如王業(yè)雷等（2008）對(duì)南昌市區(qū)初期雨水污染狀況進(jìn)行了研究[7]。

2）根據(jù)《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ 343-2010）、《城市污水再生利用，城市雜用水水質(zhì)》（GBT 18920-2002）標(biāo)準(zhǔn)中，城市雨水最有可能含有的典型污染物而定。

4 檢測(cè)數(shù)據(jù)與分析

在2014年4月至11月期間，一共有5次降雨符合采樣要求，采集到5組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)對(duì)種植屋面和對(duì)照屋面各采集5次水樣，按時(shí)間先后順序列表于表3～7中。

在表3~7原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)每組數(shù)據(jù)取平均值得到表8的數(shù)據(jù)。由表8可以看到，在6個(gè)指標(biāo)中，種植屋面對(duì)調(diào)節(jié)pH值、增加DO值、降低TSS與CODcr有明顯作用，對(duì)TN、TP也起到了調(diào)節(jié)器的作用，讓其處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的變化區(qū)間。

5次降雨中采集到的樣本pH平均值顯示無論對(duì)照普通屋面雨水徑流的pH值是呈弱酸性還是弱堿性，種植屋面雨水徑流都呈現(xiàn)弱堿性，說明種植屋面對(duì)雨水pH值具有一定調(diào)節(jié)性（見圖4之pH值示意圖）。

表3 數(shù)據(jù)組1水樣檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表4 數(shù)據(jù)組2水樣檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

對(duì)于DO值而言，5組數(shù)據(jù)的平均值中，種植屋面的數(shù)值都略高于對(duì)照普通屋面的數(shù)值，說明雨水流經(jīng)種植屋面的土層時(shí)，表面積增大，吸收了空氣中的氧氣，進(jìn)而提高了DO值（見圖4之DO值示意圖）。

表5 數(shù)據(jù)組3水樣檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表6 數(shù)據(jù)組4水樣檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表7 數(shù)據(jù)組5水樣檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表8 各組水樣檢測(cè)數(shù)據(jù)平均值

除第二組樣本，疑似雨勢(shì)過急將部分土壤沖到種植屋面徑流中，和第三組樣本設(shè)備故障未取得有效數(shù)據(jù)外，其他組數(shù)據(jù)都顯示種植屋面對(duì)TSS有明顯吸納過濾作用（見圖4之TSS值示意圖）?？紤]到第二組樣本的意外，未來可對(duì)種植屋面的構(gòu)造做進(jìn)一步改善，以增強(qiáng)其耐大雨沖刷的性能。

5組數(shù)據(jù)的平均值均顯示種植屋面的CODcr值均低于普通屋面，說明種植屋面對(duì)CODcr有良好的去除與凈化作用（見圖4之CODcr值示意圖）。

在TN與TP含量上，5組數(shù)據(jù)均顯示種植屋面對(duì)TN與TP有調(diào)節(jié)作用，由表8可以看出，5組數(shù)據(jù)中TN與TP的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比，種植屋面均遠(yuǎn)小于對(duì)照普通屋面。由此可以推斷出種植屋面因土壤內(nèi)植物和微生物的生態(tài)活動(dòng)，會(huì)把TN與TP控制在一定的范圍內(nèi)，從而對(duì)雨水的TN與TP起到調(diào)節(jié)作用（見圖4之TN、TP值示意圖）。

這5組取樣數(shù)據(jù)中，流經(jīng)種植屋面的雨水徑流的水質(zhì)均滿足《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ 343-2010）、《城市污水再生利用，城市雜用水水質(zhì)》（GBT 18920-2002）可以直接排放或作為雜水再利用。

圖4 各組水樣檢測(cè)數(shù)據(jù)平均值對(duì)比示意圖

5 實(shí)驗(yàn)存在的問題和后續(xù)研究

經(jīng)過對(duì)已獲取數(shù)據(jù)的分析和實(shí)驗(yàn)方法適用性的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)本研究中還存在一些問題，主要包括：

1）因取樣周期長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月，城市大氣飄塵成分季節(jié)差異較大，工作日與周末也有差異，因此初期雨水中的成分并非十分穩(wěn)定，不同場(chǎng)雨下，采樣測(cè)試差異度較大。因此，采樣的科學(xué)性和代表性還需要進(jìn)一步改善。

2）其次，降雨間隔周期不同，對(duì)于小雨，無法在種植屋面處形成有效徑流，因而無法采集樣品，但卻在普通屋面處形成了沖刷效應(yīng)，將落塵沖洗干凈。這會(huì)影響下一次大雨來臨時(shí)兩處屋面的對(duì)比性條件。

3）本次研究采樣是間隔20 min才采一次樣品，在大雨的時(shí)候，20 min以后采集的樣品，已經(jīng)超過初期降雨的棄流量。因此，雨水水質(zhì)已經(jīng)變好，此時(shí)反而經(jīng)由種植屋面的雨水，把土壤里的部分物質(zhì)溶解出來，導(dǎo)致部分指標(biāo)會(huì)高于普通屋面。

4）本實(shí)驗(yàn)中，兩處屋面面積設(shè)置過大，因此無法采集一個(gè)降雨過程中的全部雨水徑流做水質(zhì)對(duì)比檢測(cè)，只能分時(shí)段，少量采樣，這樣就無法對(duì)屋面落塵和雨水中的污染物總量進(jìn)行精確對(duì)比，只能通過少量采樣數(shù)據(jù)來推估，代表性略顯不足。

5）種植屋面抗短時(shí)大雨的沖擊性能還略欠，導(dǎo)致雨水徑流大時(shí)會(huì)有土壤物質(zhì)被沖出，導(dǎo)致TSS數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。

后續(xù)研究中，可以針對(duì)上述問題進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，如可以把屋面分割成更小的單位，每次降雨時(shí)，搜集全部的徑流，對(duì)污染物總量做分析；改善種植屋面土層，降低土層物質(zhì)隨雨水徑流析出的可能；對(duì)小雨天氣，只有普通屋面產(chǎn)生徑流的狀況下，也應(yīng)采集水樣，進(jìn)行檢測(cè)，將數(shù)據(jù)與下一次大雨時(shí)的水樣數(shù)據(jù)整合分析，才能更準(zhǔn)確地對(duì)比出種植屋面和普通屋面的差異。

6 結(jié)語

南昌市城區(qū)屋面面積占土地面積的比重很高，屋面初期雨水徑流因其沖刷效應(yīng)往往含有較多污染物，在各種環(huán)保法規(guī)中，對(duì)屋面雨水處理還是盲點(diǎn)。本研究則針對(duì)種植屋面對(duì)雨水的凈化作用進(jìn)行了長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示種植屋面對(duì)調(diào)節(jié)pH值、增加DO含量、降低TSS與CODcr有明顯作用，對(duì)TN、TP也起到了調(diào)節(jié)穩(wěn)定作用，經(jīng)種植屋面凈化過的雨水徑流水質(zhì)均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以直接排放或作為雜水使用。實(shí)驗(yàn)中還有部分不足，期待后續(xù)研究進(jìn)一步完善。本研究結(jié)果可作為相關(guān)科研機(jī)構(gòu)后續(xù)研究使用和有關(guān)部門制定政策的參考依據(jù)。

[1]吳丁丁，辛洪芹.南昌市城市森林與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展研究[J].防護(hù)林科技，2009（05）.

[2]林子瑜，唐清連，徐金山.南昌市2010年規(guī)劃中心城區(qū)建筑密度遙感研究[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，25（01）：06.

[3]周賽軍，任伯幟，鄧仁健.蓄水綠化屋面對(duì)雨水徑流中污染物的去除效果[J].中國(guó)給水排水，2010，26（05）：04.

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TU765

A

1673-1093（2015）08-0085-06

李鵬（1975），男，廣東珠海人，在讀博士，研究方向：綠建筑技術(shù)。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.08.023

2015-03-27；

2015-04-09

江西省重大科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（2012年度）課題《綠色建筑設(shè)計(jì)與綠色生態(tài)屋面研究》（20124ABG06101）