綠色屋頂削減城市降雨徑流污染的研究進展

許浩浩，呂偉婭

(南京工業(yè)大學，江蘇南京211816)

隨著城市化快速發(fā)展，城市不透水下墊面面積不斷增加，這導致了一系列問題，如城市內(nèi)澇、城市非點源污染及地下水補給減少等。屋頂作為城市不透水下墊面的重要組成部分，其面積占城市不透水下墊面總面積的40%～50%[1]。研究表明[2]，水泥屋頂產(chǎn)流中TN、NH3-N、TP、COD濃度分別達到了15～31、7～11、0.4～1.5、183～454 mg/L，均高于地表水Ⅴ類標準。Sarah等[3]研究指出，薄膜、焦油、黏合劑等傳統(tǒng)屋頂材料均是污染物的潛在釋放源，其中金屬材料屋面降雨徑流中的Zn、Cu可由最初的1 000、150 ug/L分別上升到2 500、16 000 ug/L。Zhang等[4]研究顯示，營養(yǎng)物質(zhì)、TSS、COD和重金屬是屋頂降雨徑流的主要污染物，若這些污染物直接排入城市水環(huán)境中，不但會破壞敏感的水生態(tài)系統(tǒng)，而且還會威脅人類健康。因此，探索滿足生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟等多重效益的城市雨洪管控技術已成為城市化進程中必須解決的問題。

作為現(xiàn)代城市暴雨最佳管理措施之一，綠色屋頂在削減暴雨徑流量、改善徑流水質(zhì)、促進雨水資源化利用、緩解城市熱島效應及景觀價值等方面具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。綠色屋頂在德國、美國及其他發(fā)達國家已經(jīng)成為控制城市屋頂降雨徑流污染的最佳成本效益的技術措施[5]，其設計與應用已經(jīng)相對成熟。目前，中國對綠色屋頂?shù)难芯可刑幱谄鸩诫A段，主要集中在綠色屋頂?shù)膹搅髁靠刂?、?jié)能效應和景觀性等方面的研究[6]，對于削減降雨徑流污染方面研究相對較少，有待進一步的研究以充分發(fā)揮綠色屋頂對降雨徑流水量和水質(zhì)的綜合控制效果。

1 綠色屋頂削減降雨徑流污染

1.1 污染物的削減效果

表1 綠色屋頂凈化效果 單位：%

1.2 影響因素

Corey等[15]研究發(fā)現(xiàn)，與其他季節(jié)相比，綠色屋頂在溫暖的夏季出水中TP、TN和TOC的濃度明顯增加。沈柳倩[16]研究表明，與普通瀝青屋頂相比，綠色屋頂徑流中的NH3-N、TN和TP濃度較高，尤其是初期的TP濃度，且污染物濃度隨著降雨歷時和屋頂運行時間的增加而減少。Wang等[17]研究顯示，當屋頂占城區(qū)總面積的25%、降雨持續(xù)時間15 min、降雨強度為14.8 mm/h時，TSS、TP和TN的去除效果較好，隨屋頂綠化率的增加，TSS和TP濃度削減率有所提高，而TN濃度削減率則逐漸降低，還發(fā)現(xiàn)靠近流域總出水口進行屋面綠化，更有利于削減徑流污染，當綠化率為50%時，就TSS峰值濃度的降低幅度而言，靠近流域總出水口進行綠化是遠離流域總出水口進行綠化的3.5倍。龍劍波等[2]研究表明，淺層綠色屋頂降雨徑流水質(zhì)優(yōu)于深層綠色屋頂，前期干旱天數(shù)、氣溫與接骨草屋頂徑流中的氨氮濃度呈顯著負相關關系。

綠色屋頂對徑流中大部分污染物有良好的的去除效果，但去除效果受植物類型、基質(zhì)種類、降雨強度、運行時間、坡度等因素影響，其中基質(zhì)和植物對系統(tǒng)的凈化效果起關鍵作用，因此通過篩選和優(yōu)化綠色屋頂?shù)幕|(zhì)及植物，可以大幅度提升系統(tǒng)的水量調(diào)控與水質(zhì)凈化能力。

2 優(yōu)化綠色屋頂凈化效果

2.1 填料改良

表2 優(yōu)化綠色屋頂凈化效果 單位：%

2.2 優(yōu)化填料組合及配比

2.3 其他改進措施

試驗表明[27]，基質(zhì)層厚度與污染物去除率存在正相關的關系，基質(zhì)層增加50 mm時，系統(tǒng)對TN和COD的去除率提高15%。劉爽等[29]研究表明，給水廠剩余污泥基質(zhì)的適宜厚度為5 cm，消化污泥基質(zhì)的適宜厚度為10 cm。研究顯示[30]，根莖發(fā)達的植物不僅可以增加基質(zhì)的持水能力，還可以提高系統(tǒng)對污染物的凈化作用，且組合的植物比單種植物對污染物負荷的削減能力更強。Eline等[31]發(fā)現(xiàn)植物對截留和凈化雨水徑流能力由大到小依次為草本植物、草坪、禾本科植物、景天科植物，因此選擇草本植物或草坪可以改善對污染物的削減效果。

不同基質(zhì)及植物對污染物的去除效果有所不同，可能是由于基質(zhì)的理化性質(zhì)、運行條件及設計工況的不同導致。選擇比表面積大、通透性好、孔隙率大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基質(zhì)材料會顯著提升系統(tǒng)的凈化能力，同時優(yōu)化不同基質(zhì)間的組合配比會進一步提升對多種污染物的去除效果，在此基礎上，合理配置植物，增加基質(zhì)厚度會進一步增加系統(tǒng)對污染物的去除率。

3 綠色屋頂凈化機理

綠色屋頂通過土壤和基質(zhì)的過濾、吸附截留，植物的吸收及微生物的降解等作用可以去除屋頂雨水徑流中的大部分污染物。Wang等[7]認為在降雨期間，由于硝態(tài)氮在土壤中具有很強的流動性，此時累積在介質(zhì)中的硝態(tài)氮便會從介質(zhì)中釋放出來，而綠色屋頂難以為微生物提供反硝化的條件，硝酸鹽的去除主要依靠植物有限的吸收作用，導致系統(tǒng)對硝酸鹽的去除率較低。研究表明[32]，氨氮是水溶性陽離子，易被帶負電的有機物和黏土通過吸附或離子交換固定，從而去除率較高。周賽軍等[33]發(fā)現(xiàn)綠色屋頂對TN的去除率基本保持在50%～70%，認為其去除主要依靠植物吸收、吸附和微生物脫氮作用，其中有機氮先被截留或沉淀后在微生物作用下轉(zhuǎn)化為氨氮；綠色屋頂中磷的主要以懸浮態(tài)、溶解態(tài)和膠體3種形式存在，去除機理包括：土壤對磷的物理截留、吸附及化學沉淀，植物、微生物、土壤構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)的生物作用除磷，其中土壤對磷的去除占主導地位。試驗顯示[7]，綠色屋頂徑流中溶解性磷酸鹽的濃度低于總磷濃度，磷酸根占總磷的44%，總磷的去除主要依靠綠色屋頂系統(tǒng)的物理截留和植物的吸收作用共同完成。有研究表明[17]，遠離流域總出水口進行綠化對TP峰值濃度的降低幅度低于靠近流域總出水口進行綠化，當靠近流域出水口綠化時，遠離流域出水口的不透水屋面產(chǎn)生的降雨徑流在向流域總出水口傳輸過程中所攜帶的磷不斷沉淀和稀釋。龍劍波等[2]認為溶解性無機氮和溶解性磷更容易被綠色屋頂基質(zhì)層中的微生物吸收利用，綠色屋頂降雨徑流總氮的60%～80%為硝態(tài)氮。

沈柳倩[16]發(fā)現(xiàn)屋面徑流中的 TSS含量隨降雨歷時的延長而逐漸下降，綠色屋頂對TSS的去除主要是介質(zhì)材料和土壤的過濾、截留及吸附。陸蕓[34]認為利用植物根系吸收和基質(zhì)層中微生物的作用可以大幅度削減徑流污染中的TSS。Wang等[17]指出靠近流域總出水口的方式進行屋頂綠化，更有利于污染負荷的消減，尤其是TSS，當靠近流域總出水口綠化時，遠離流域總出水口的不透水屋面產(chǎn)生的降雨徑流在向流域總出水口傳輸過程中所攜帶的懸浮顆粒物不斷沉淀。周賽軍等[33]發(fā)現(xiàn)綠色屋頂對TSS有明顯的去除作用，去除率基本在80%～90%，認為雨水中的懸浮物和膠體物質(zhì)流經(jīng)種植土層和基質(zhì)層時通過沉淀、截留、吸附作用得以去除，同時系統(tǒng)內(nèi)微生物的生命活動也會去除部分有機膠體和懸浮物。

研究顯示[16]，綠色屋頂對COD的去除主要依靠土壤及介質(zhì)的過濾、吸附、截留及植物吸收等，綠色屋頂徑流中的COD含量與普通屋頂徑流接近或者要低，是因為原先儲存在綠色屋頂基質(zhì)中的有機物隨時間逐漸流失或被植物所吸收。有研究顯示[34]，當水中污染物濃度為160 mg/L時，COD的去除率在50%以上，主要是土壤的滲透作用過濾降雨徑流中的酸。王曉晨等[27]研究表明，綠化屋面對COD 的去除主要依靠植物和填料的過濾、截留和吸附作用，生物作用對屋面雨水徑流中COD的去除效果很小。Shen等[28]認為之所以粗放型綠色屋頂對PAHs的去除率較高，是因為顆粒態(tài)PAHs被基質(zhì)材料過濾并攔截在系統(tǒng)中。閆立健[35]認為雙層基質(zhì)綠色屋頂對徑流中大多數(shù)的重金屬有較好的去除效果，顆粒態(tài)重金屬被附著在懸浮物上，經(jīng)過濾、沉淀被滯留在土壤及介質(zhì)內(nèi)，溶解態(tài)重金屬則可直接被植物吸收或介質(zhì)吸附。研究發(fā)現(xiàn)[36-37]，雨水的pH低于綠化屋頂?shù)奈菝鎻搅鳎捎谕寥阑蚧|(zhì)材料中的 Cd、Pb 和Zn等重金屬的溶解度與 pH 值的大小成反比，因而這一作用有利于綠化屋頂滯留重金屬。

4 結(jié)論與展望

近年來，基于綠色屋頂在控制城市降雨徑流量和徑流水質(zhì)的的良好效果，已成為發(fā)達國家最有效和應用最廣泛的低影響開發(fā)技術之一。研究顯示，設計合理的綠色屋頂可以有效去除營養(yǎng)物質(zhì)、TSS、重金屬及COD等污染物，改善屋頂降雨徑流水質(zhì)。然而，目前中國對于綠色屋頂削減降雨徑流污染效果方面的研究還比較缺乏，其設計與應用尚不夠成熟，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。①綠色屋頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究不全面：由于不同地域的氣候條件、降雨特征以及經(jīng)濟發(fā)展水平有所差異，在建造綠色屋頂時缺乏對植物配置、基質(zhì)層厚度、坡度及基質(zhì)材料等因素的綜合考慮，未形成一套適用于本地的綠色屋頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化體系及設計規(guī)范標準，同時操作上的技術上缺少相應的屋頂綠化技術規(guī)范。②綠色屋頂水量水質(zhì)調(diào)控規(guī)律研究不足：目前的大部分研究是在實驗室及小試條件下完成，理論研究成果尚未得到實際工程的驗證，其次綠色屋頂對水量和水質(zhì)調(diào)控效果受季節(jié)、氣候、地理位置、降雨特征、系統(tǒng)組成及運行周期等因素的影響，不同因素對其效果的發(fā)揮的規(guī)律性尚不是完全清楚，如植物的配置種類、種植方式以及后期灌溉行為等均會對綠色屋頂功能性產(chǎn)生影響。③綠色屋頂運營管理研究尚不到位：綠色屋頂后期的運行及維護管理至關重要，如是否需要施肥、灌溉以及具體量值還不是很清楚，對植物、基質(zhì)及土壤的養(yǎng)護管理的技術標準尚未建立[38]。

綜上所述，如何優(yōu)化綠色屋頂?shù)脑O計、選擇合適的基質(zhì)材料和植物等以改善其去除污染物的能力是今后研究的重點之一。這主要從以下兩個方面著手：①深入研究綠色屋頂對降雨徑流污染物的凈化機理，從基質(zhì)吸附、微生物作用及植物吸收等多角度研究，明確綠色屋頂去除各種污染物的效果及機制，建立基質(zhì)類型、水力負荷、降雨強度、植被條件、運行時間等與凈化效果的水質(zhì)機理模型；②針對氮、磷等污染物去除效果較差問題提出改進措施，如開發(fā)吸附能力強、性能穩(wěn)定的新型基質(zhì)材料或添加劑，優(yōu)化基質(zhì)材料的組合配比，選擇合適的基質(zhì)層厚度及植物種類等，以期最大化提升綠色屋頂?shù)膬艋Ч?；③加強實際工程應用和運營管理研究，定期清理并更換被沉積物堵塞的表層基質(zhì)材料，幾場暴雨過后要檢查土壤、基質(zhì)層以及植被的受損情況及時更換受侵蝕的基質(zhì)材料和植被，檢查溢流口情況及有無雜草并采取相應措施。