綠色屋頂對雨水徑流截污效果的現(xiàn)狀分析

章楚卓 詹 健 徐 晨

（南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院）

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，綠地被大量的建筑和道路所占用，不透水面積增加，降雨時雨水不能及時排出，城市內(nèi)澇情況加劇，水源污染情況惡化。綠色屋頂在現(xiàn)代化的城市建設(shè)中，作為海綿城市建設(shè)的重要控制措施[1]，在削減暴雨徑流量、凈化徑流污染、促進(jìn)雨水資源化利用、城市景觀價值等方面具有良好的效果。我國自20世紀(jì)60年代開始研究屋頂花園技術(shù)。1983年，北京修建了五星級賓館，在賓館主樓西側(cè)低層屋頂上，建起了我國北方第一座露天屋頂花園[2]。我國的綠色屋頂發(fā)展起步晚，城市發(fā)展不均勻，其技術(shù)還不夠先進(jìn)，迫切需要提高綠色屋頂在城市建設(shè)中的應(yīng)用。

但綠色屋頂?shù)耐茝V目前面臨的最為突出的問題，一是綠色屋頂?shù)某杀据^高；二是熱島效應(yīng)在城市中較為突出，鄉(xiāng)村的綠地面積高于城市，因此鄉(xiāng)村對于綠色屋頂?shù)男枨蟛⒉桓?；三是綠色屋頂?shù)氖┬袑τ诮ㄖ锏暮奢d要求比較高，在屋面種植植物會增大屋面的荷載，同時對于基質(zhì)層的荷載要求較高。為推進(jìn)海綿城市建設(shè)，對綠色屋頂對雨水徑流截污效果的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并提出今后的研究方向。

1 綠色屋頂

綠色屋頂是使用植物對屋頂進(jìn)行綠化的方法，主要組成部分是植被層、基質(zhì)層、過濾層、排水層和防水層，如圖1所示[3]。

圖1 綠色屋頂結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 植被層

植被層作為綠色屋頂與外界環(huán)境關(guān)鍵的直接接觸面，它可以容納各種類型的植被。植被層在綠色屋頂中起到吸收、過濾、攔截部分污染物的作用，而不同類型的植被對雨水徑流污染物具有不同的吸附效果，所以在選擇植被的時候不僅要考慮植被的景觀價值及存活率，也要考慮植被的吸附性能。

1.2 基質(zhì)層

基質(zhì)層作為植被層的下層結(jié)構(gòu)，它應(yīng)能滿足植被生長的有機(jī)條件，要能夠?yàn)橹参锾峁B(yǎng)分和水分?；|(zhì)層在綠色屋頂中起到削減暴雨徑流和凈化污染的作用，在選擇基質(zhì)的時候不僅要考慮屋面荷載情況，也要考慮適合植被生長及削減暴雨徑流和污染物濃度效果好的有機(jī)基質(zhì)和無機(jī)基質(zhì)等材料。

1.3 過濾層

過濾層起到防止基質(zhì)層中的顆粒物隨著雨水徑流被沖走的作用[4]，且可以過濾和沉淀雨水徑流中的部分污染物。

1.4 排水層

排水層起到當(dāng)多余的雨水無法滯蓄時，能避免屋面荷載過高而對建筑物的結(jié)構(gòu)有損害的作用。

1.5 防水層

防水層主要用于防止雨水滲入屋頂而損壞建筑屋頂。

2 綠色屋頂對雨水徑流截污效果

綠色屋頂對雨水徑流污染物的去除主要是通過植被層和基質(zhì)層的截留、過濾、吸附和生物降解等作用實(shí)現(xiàn)的[5]。

2.1 植被層對雨水徑流截污效果

在目前關(guān)于綠色屋頂植被層的研究中，章孫遜等[6]研究了植被對綠色屋頂雨水徑流量和水質(zhì)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，以馬齒莧為植被的綠色屋頂削減率（58.2%）＞以佛甲草為植被的綠色屋頂削減率（47.7%）＞以高羊茅為植被的綠色屋頂削減率（36.3%）＞無植被屋頂削減率（對照組，33.0%）。葛德等[7]提出在不同降雨條件下，植被類型會影響綠色屋頂?shù)膹搅髡{(diào)控，中雨時，不同植被的屋頂削減率變化不大；大雨時，太陽花表現(xiàn)出最大削減率為69.9%，而佛甲草削減率為52%，無植被屋頂削減率為44%；在暴雨時，太陽花削減率為54.2%，三者間削減率差距減小。

2.2 基質(zhì)層對雨水徑流截污效果

在目前關(guān)于綠色屋頂基質(zhì)層的研究中，研究學(xué)者通過對基質(zhì)層的厚度、基質(zhì)的選擇、基質(zhì)的配比、基質(zhì)的改良等來控制綠色屋頂對雨水徑流污染物的淋失效果。

⑴基質(zhì)層的厚度

王曉晨等[8]研究了5、10、20、30㎝厚度的基質(zhì)層對屋面徑流雨水水質(zhì)的影響，研究表明，厚度為5㎝的基質(zhì)層結(jié)構(gòu)后期的TN濃度高于原水濃度，反而造成了污染；厚度為10㎝的基質(zhì)層結(jié)構(gòu)對TN具有一定的去除效果，但不穩(wěn)定；厚度為20㎝和30㎝的基質(zhì)層對TN的去除效果顯著且較穩(wěn)定。Zhang等[9]研究了基質(zhì)層厚度為10㎝和5㎝的綠色屋頂對營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果，結(jié)果表明，兩種綠色屋頂出水中TP濃度差距不大。

⑵基質(zhì)的選擇

李娟等[10]的研究表明，麥飯石具有較強(qiáng)的吸附性，可以吸附水中的氮磷污染物，作為基質(zhì)處于水環(huán)境中時能離子化，從而吸附水中的重金屬離子或者細(xì)菌。而蛭石作為綠色屋頂基質(zhì)層的常用基質(zhì)，聶發(fā)輝等[11]提出了蛭石對去除水中的氨氮有較好的效果。盧浩等[12]提出珍珠巖因含有一定量的Al2O3，能起到化學(xué)除磷的作用。鄭美芳等[13]以田園土和人工基質(zhì)作為基質(zhì)層材料，構(gòu)建了2個不同類型的綠色屋頂，并以混凝土屋頂為對照組，研究了綠色屋頂對屋面徑流水量、水質(zhì)的影響，結(jié)果表明，以人工基質(zhì)為基質(zhì)層的綠色屋頂?shù)腡P總負(fù)荷比混凝土屋頂提高了11.4%、TN總負(fù)荷比混凝土屋頂降低了15.8%，而以田園土為基質(zhì)層的綠色屋頂?shù)腡P總負(fù)荷比混凝土屋頂?shù)土?8.9%、TN總負(fù)荷比混凝土屋頂降低了52.7%；2種綠色屋頂?shù)腃ODCr總負(fù)荷均低于混凝土屋頂；且經(jīng)綠色屋頂后的雨水徑流的pH值比混凝土屋頂?shù)母?，說明綠色屋頂具有提高pH值的能力，且能夠減少酸雨污染，在城市污染防治中起到很好的效果。沈慶然等[14]用厭氧穩(wěn)定污泥作為綠色屋頂?shù)幕|(zhì)層進(jìn)行研究，表明厭氧穩(wěn)定污泥會造成TN和TP的大量淋失，截污效果不明顯；而當(dāng)加入稻殼炭作為基質(zhì)層的成分時，對NO3--N的淋失有一定的效果。

⑶基質(zhì)的配比

桑敏等[15]選取田園土、泥炭土、蛭石、珍珠巖等常用基質(zhì)，以40%田園土＋30%泥炭土＋30%蛭石、40%田園土＋30%泥炭土＋30%珍珠巖等不同的配比形成6種裝置，并以傳統(tǒng)不透水屋面作為對照組，研究了常用基質(zhì)對粗放型綠色屋頂雨水滯蓄和出流水質(zhì)特征的影響，結(jié)果表明采用不同配比的輕質(zhì)材料作為基質(zhì)層可以在一定程度上控制TN的流失，除了只有田園土作為基質(zhì)層的試驗(yàn)裝置外，其余裝置的TP淋失量均高于傳統(tǒng)屋面。羅婷等[16]選取田園土、草炭土、輕質(zhì)陶粒、生物炭等基質(zhì)材料，以49%田園土＋30%草炭土＋10%輕質(zhì)陶粒＋4%水泥＋2%綠化添加劑＋5%醋槽、41%田園土＋30%草炭土＋10%輕質(zhì)陶粒＋8%生物炭＋4%水泥＋2%綠化添加劑＋5%醋槽等不同配比形成6種裝置，研究了粗放型綠色屋頂基質(zhì)層對降雨出流水質(zhì)的影響，結(jié)果表明各裝置對雨水中的TN、NH4+-N、NO3--N和SS均具有不同程度的控制作用。張賢巍等[17]選用超輕量基質(zhì)和由田園土、草炭土、松針按3:4:3（質(zhì)量比）配制的改良土作為基質(zhì)層，設(shè)計了3種裝置（裝置1和裝置2的基質(zhì)層都為改良土，裝置3的基質(zhì)層為超輕量基質(zhì)）研究了簡單式綠色屋頂對雨水徑流營養(yǎng)鹽的調(diào)控效果，結(jié)果表明3裝置對NH4+-N、NO3--N、TP的 平 均 削 減 率 分 別 為30.50%、35.14%、39.94%，且在降雨量大、降雨強(qiáng)度高、持續(xù)時間短、綠色屋頂滯蓄能力較差的情況下，3種裝置對氮磷營養(yǎng)鹽總量仍有30%～40%的削減率。

⑷基質(zhì)的改良

彭航宇等[18]采用污水廠穩(wěn)定污泥作為綠色屋頂基質(zhì)的營養(yǎng)成分，添加生物炭作為基質(zhì)的改良成分，研究了粗放式綠色屋頂水質(zhì)控制效果，結(jié)果表明添加生物炭后TN和NO3--N濃度顯著降低。殷金巖等[19]把有機(jī)肥粘在土壤無機(jī)礦物質(zhì)的表面，構(gòu)成人造團(tuán)粒，以此作為清潔型基質(zhì)，并以常用基質(zhì)作為對照組，研究了清潔型基質(zhì)的屋頂綠化徑流效應(yīng)，結(jié)果表明清潔型基質(zhì)控制徑流的效果好于常用基質(zhì)。Xu等[20]研究了2個用高嶺土作為粘合劑改進(jìn)的人造顆粒結(jié)構(gòu)基質(zhì)層對降雨徑流的凈化效果，結(jié)果表明這種基質(zhì)層對徑流中的NO3-和PO43-有一定的抑制作用，但該基質(zhì)層并不比工業(yè)基質(zhì)有顯著的保留效果。

3 結(jié)論與展望

綠色屋頂對雨水中的氮、磷、重金屬及COD等污染物有較好的去除效果，從而改變屋頂?shù)挠晁畯搅魉|(zhì)。針對綠色屋頂對雨水徑流截污效果的研究現(xiàn)狀，要選擇合適的屋面植被和基質(zhì)層材料等來改善綠色屋頂?shù)膬艋瘷C(jī)制。

⑴不同植被類型對雨水徑流削減和截污效果不同，且在不同的降雨條件下，削減率也大不相同。植被靠蒸散發(fā)耗水來維持雨水的吸附能力，進(jìn)而提高綠色屋頂?shù)南鳒p能力，所以植被的蒸散量是綠色屋頂徑流削減效益的關(guān)鍵因素。

⑵考慮到建筑屋頂?shù)暮奢d，可以選擇合適的基質(zhì)層厚度來提高截污效果；不同基質(zhì)層材料和基質(zhì)層材料的不同配比對雨水徑流中的污染物去除效果不同，同時對常用基質(zhì)進(jìn)行改良可以顯著提高其截污效果，如在基質(zhì)層中加入海藻、生物炭等保水性較好的材料來增強(qiáng)普通基質(zhì)對雨水徑流截污效果。

⑶明確綠色屋頂去除污染物的機(jī)理，深入研究綠色屋頂對雨水徑流污染物的凈化機(jī)理，要從多方面去探討，如吸附效果方面、植被的吸收方面及基質(zhì)層中微生物的作用效果方面。

⑷國家要加強(qiáng)對綠色屋頂?shù)耐茝V，不僅要在政策方面完善，更要應(yīng)用到實(shí)踐中。要結(jié)合我國對于雨污水的治理現(xiàn)狀，發(fā)展更加合適的綠色屋頂技術(shù)。