李 田，陈昱霖，顾俊青

（1.同济大学 环境科学与工程学院，上海200092；2.上海绿世绿化工程有限公司，上海200010）

近年来，绿色屋面（green roof）技术在国内外受到广泛关注[1－2].除了景观意义和建筑节能作用，绿色屋面在城市雨水管理领域的应用效果成为近期研究的热点[3－4].对于人口密度高，土地资源紧缺的国内大中城市，绿色屋面技术能够利用不透水下垫面实现对降雨径流的源头控制，这对于推进城市雨水综合管理有着积极的意义[5－6].

绿色屋面可按照的绿化形式分为粗放型（extensive）和密集型（intensive）.粗放型绿色屋面不需要灌溉，养护成本低，便于大面积推广，适合应用于城市雨水管理.根据粗放型绿色屋面希望免维护，可建于现有屋面的特点，其栽培介质需要满足堆密度小、排水性能好、持水能力强，能够为植物生长提供基本营养的要求[7－8].目前常用介质材料主要以轻质无机材料为主，其中添加有机物质维持介质的土壤结构，为植物提供营养[9].现有的粗放型绿色屋面应用研究主要关注其水文控制效果，有关介质组成对设施出流水质的影响研究较少.已有的研究结果认为，绿色屋面介质层的营养物质易随出水流出造成污染[10].Morgan等[11]在美国的研究发现绿色屋面设施有明显的N，P淋失现象.Molineux等[12]发现利用废砖等回收材料作为介质的绿色屋面存在金属污染风险.现有的有关绿色屋面出流水质的研究，多以不同供应商提供的商业介质为实验材料，通常不提供介质组成、配比的具体信息，研究结果的普遍意义受到影响[13－15].

为了考察介质层组成对粗放型绿色屋面出流水质的影响，本文参考国内外绿色屋面设计标准，设置不同介质层组成的实验设施，考察出流水质的影响因素；结合植物生长状况和出水污染物质量负荷，评价不同介质组成的粗放型绿色屋面设施的径流水质控制效果，以期为粗放型绿色屋面的应用提供依据.

1 材料与方法

1.1 模拟绿色屋面设施及对照屋面设计

模拟绿色屋面设施设置于同济大学校园内某建筑屋顶，包括5个1 m×2 m的PVC盘和配套的角钢支架，PVC盘深0.3 m，倾斜坡度约3°.在模拟设施的低端，介质层下方设有出水口，出水口连接塑料管收集出水，得到设施出流样品.对照屋面选择模拟设施所在建筑的一块平顶沥青屋面（asphalt roofing），面积约为200 m2，有独立的水落管.

1.2 模拟绿色屋面结构

模拟设施的结构由上至下为：植被层、介质层、过滤层、排／蓄水层、PVC底板.种植层采用景天科垂盆草（sedumsarmentosumbunge）.基质层参考德国FFL（Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau）屋顶绿化指南对介质选择的要求[16]，并结合长三角地区的绿化种植习惯与材料供应情况，设置了不同介质组成与深度的4种对照（表1）.过滤层使用50 g·m－2的透水土工布，防止介质层颗粒物随出水流失.排水层使用厚度约为3 cm的塑料蓄水板.表1中介质层使用的介质材料由上海绿世绿化工程公司提供.相关介质中有机质材料的部分理化性质如表2所示.

表1 模拟设施的介质组成及主要参数Tab.1 Com ponent of pilot－scale green roof substrates

表2 含有机物介质材料的部分理化性质Tab.2 Physic－chemical properties of the applied substrates

屋顶绿化复合介质在国内屋顶绿化建设中广泛使用，介质中田园土的N，P含量符合《屋顶绿化规范》（DB11／T 281—2005）的要求（有效P质量比≥15 mg·kg－1，碱解 N质量比≥120 mg·kg－1）.在C2设施中加入给水厂污泥以减少介质层P的淋失[17].无机复合介质使用了火山岩和陶粒（轻质材料），具有堆密度小，蓄水能力好的特点，加入泥炭土以维持土壤结构.废弃物利用介质使用了碎砖和分级砂作为主要成分，意在减少成本，使用泥炭土作为有机物质.Ref为空白对照，用以平行监测实验场地干湿沉降的污染负荷.

1.3 样品采集与分析

使用5 L的塑料量杯作为设施出流采样容器，利用不锈钢盆作为雨水收集容器.每场降雨之前采样容器用蒸馏水洗净并晾干，降雨结束后收集样品.设施出水水样在24 h内完成检测，若有特殊情况不能及时检测，样品储存于4℃冰箱内，储存时间不超过48 h.在设施所在屋面安装翻斗式雨量计（SL3－1A）采集降雨数据，记录频率为1次·min－1.同时在设施出水口安装翻斗式雨量计，经过面积换算，获得每次降雨各设施的出流流量.中试设施于2013年10月建成，经过自来水淋洗，设施出水污染物浓度基本稳定后采用无养护模式运行[18]，不施加肥料，不进行人工灌溉.实验期间（2014年3月至8月），共发生雨量大于0.5 mm的降雨事件44场，其中20次绿色屋面设施发生出流.对出流事件的设施出流、沥青屋面径流、降雨以及对照设施径流同步采样.按照实际降雨情况，等时间间隔进行采样，将样品等体积混合后获得每次出流过程的混合样.所有绿色屋面设施没有发生表面漫溢现象.

水质监测指标包括金属离子，TSS，COD，TP，PO4－－P，TN，NH4＋－N，COD 采 用 比 色 法 测 定（HACH DRP2010）；金属离子采用电感耦合等离子质谱法测定（Agilent 7700），测定元素包括Zn，Fe，Mn，Cu，Ni，Cr，Cd，Pb（检测限见表3）；其余指标的分析按照《水和废水监测分析方》（第4版）的要求进行.出流中有机质的组成特征采用三维荧光光谱仪分析（Hitachi F4500）[19].

表3 金属元素指标检测限Tab.3 Limits of detection of monitored metals（mg·L－1）

植物样品的采集是在各模拟屋面上随机选取3个点，割取100 cm2面积内植物的地上部分，分别称重后取平均值（鲜重），计算地上部生长量，kg·m－2.

利用Tukey法进行数据分析，考察不同设施出水水质差异的显著性.

2 结果及讨论

2.1 监测降雨事件

20次产生溢流的降雨事件中包括中雨（10.0～24.9 mm）10场，大雨（25.0～49.9 mm）6场，暴雨（≥50.0 mm）4场（表4）.一般情况下，模拟绿色屋面设施在小雨（＜10.0 mm）场景下不产生出流.20次产生出流的降雨事件包括了不同强度的降雨，水质监测结果具有代表性.

2.2 监测对象的N，P及COD浓度

20场发生出流的监测降雨事件不同类型水样的部分检测指标统计结果以四分位图表示（图1）.沥青屋面（A.R）径流的TN显著高于各绿色屋面设施出水及空白对照组，C1出水与降雨（R）中NH4＋－N的平均质量浓度（1.66，1.13 mg·L－1）显著高于其他设施出流.C1出水中TP平均质量浓度（1.03 mg·L－1）最高，显著高于其他介质设施和沥青屋面；I1和B1设施中出流TP的平均质量浓度与降雨、空白对照组接近，低于沥青屋面径流.所有设施出水中COD平均质量浓度高于对照组，其中C1设施显著高于I1和B1.经过初期淋洗，设施出水COD已经趋于稳定，但是由于随着环境温度上升，落干期内介质层内发生生物反应，导致有机物质缓释[20]，造成出流中COD含量升高.通过三维荧光分析，确定出流中有机物主要为天然有机物腐殖酸.环境温度、落干期、前次降雨量、当次降雨量都会影响设施出流中COD 浓度[21－22].

表4 产流降雨事件的降雨特征Tab.4 Characteristics of investigated rain events

2.3 金属物质及TSS质量浓度

列入监测指标的Zn，Fe，Mn，Cu，Ni，Cr，Cd，Pb 8种金属元素中，各绿色屋面设施出流中仅检测到Zn，Fe，Mn，Pb.图2表明，各实验设施出流中TSS和金属元素平均质量浓度显著低于沥青屋面.不同类型水样中金属元素质量浓度和TSS质量浓度呈现一定的正相关性[23].绿色屋面设施不存在表面漫溢，出水经过介质层以及土工布过滤有效减少了TSS质量浓度.沥青屋面存在干沉降累积，而且存在自身老化破损，经过雨水冲刷后，产生大量TSS进入屋面径流，导致了金属元素质量浓度较高[24].

2.4 植物生长状况与出流水质的关系

实验期间所有设施未进行人工灌溉.至2014年8月，3种介质的设施的植被覆盖率均达到90%以上.所有设施中，垂盆草均直立，无匍匐枝，高度不超过20 cm.4月至7月内每月测定一次植物地上生长量（鲜重），平均值见表5.分析C1，I1，B1设施植物地上部生物量和设施出流营养物质平均质量浓度，发现两者呈现正相关性.C1设施介质中有机质含量较高，营养物质丰富，保证了种植层的景观效果，但是设施出流中TP平均质量浓度接近1 mg·L－1，而且NH4＋－N平均质量浓度也高于雨水.I1和B1设施出流水质营养物质浓度较低，除了不易降解的COD外，其他检测的水质指标均符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类水体标准，使用相应填料的绿色屋面不会引起受纳水体的面源污染.但是I1，B1设施的植物长势较差，介质层在第一年尚够支持植物正常生长，植物色泽基本正常.

图1 各设施类型的N，P及COD质量浓度Fig.1 Statistical concentrations of N，P and COD of evaluated water samples

图2 各设施类型出流中金属物质及TSS质量浓度Fig.2 Statistical concentrations of metals and TSS of evaluated samples

C2设施在C1介质中添加了给水厂污泥，有效降低了屋顶绿化介质的P淋失.添加给水厂污泥对出水TP削减超过40%，PO4－－P削减接近60%.对比植被生长状况，未发现显著差异.给水厂污泥对P淋失的控制能力在生物滞留技术中已经应用[25]，而在绿色屋面介质中添加给水厂污泥同样能够有效减少出流中P含量，且不影响植物的正常生长.

表5 设施植被地上部生物量与出流水质比较Tab.5 Com parison of aboveground biomass and effluent quality of different facilities

2.5 径流污染负荷控制效果

绿色屋面设施的污染负荷控制效果，需结合水质、水量控制效果综合评价.对每场发生出流的降雨，根据实测设施出流量（沥青屋面和对照设施的雨量径流系数，参照GB50400—2006取0.9））与对应降雨事件污染物的平均质量浓度得到次降雨负荷，经求和得到各监测对象在研究期间污染物的质量负荷（表6）.绿色屋面设施具有滞留、削减水量的作用，在研究期间，C2，I1，B1设施对降水量的平均削减率分别为65.4%，68.8%，65.4%.C1和 C2设施水量削减率接近，C2设施采用强化除P改良填料，水质优于C1，故下文仅讨论C2设施的径流负荷控制效果.对比空白设施，C2，I1，B1设施对 NH4＋－N，TN，TP，TSS，COD负荷均有很好的削减作用，就NH4＋－N而言甚至减少了雨水本身的负荷.相比沥青屋面，绿色屋面设施对营养物质质量负荷的削减效果更佳（NH4＋－N除外）.从质量负荷的角度出发，本文使用的3类粗放型绿色屋面设施均不是营养物质的污染源.

表6 绿色屋面、沥青屋面、降雨及对照设施主要污染物质质量负荷Tab.6 Pollution loads of green roofs，asphalt roofing，rain water and the reference

3 结论

（1）使用屋顶绿化复合介质的绿色屋面设施出流中，TP，NH4＋－N和COD的质量浓度高于对照屋面，平均质量浓度分别为0.95，1.66，115 mg·L－1；使用无机复合介质的设施出流水质良好，除COD外其他检测指标均符合地表水Ⅳ类水标准；使用废弃物利用介质的设施出流水质良好，无明显金属污染风险.

（2）以沥青屋面和对照屋面径流污染物的质量负荷为比较的基准，各绿色屋面设施都不是TN，TP，TSS，COD的污染源，各设施出水 NH4＋－N 负荷甚至比降雨直接带来的负荷还要低.

（3）在着意控制出流污染负荷的介质组成设计条件下，各实验设施的植被保持存活并可维持较高的覆盖度.使用不同介质的设施植被层生长状况与设施出流营养物质浓度呈正相关性，使用屋顶绿化复合介质的设施出流中营养物质含量较高.介质中添加给水厂污泥能够有效抑制P的淋失现象，且不影响植物正常生长.

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