宮永偉 張賢巍, 翟丹丹 王建龍 王文海 師洪洪

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044；3.中國(guó)水環(huán)境集團(tuán)有限公司，北京 101101)

我國(guó)在海綿城市試點(diǎn)建設(shè)進(jìn)程中建設(shè)了一批簡(jiǎn)單式綠色屋頂(以下簡(jiǎn)稱“綠色屋頂”)。綠色屋頂可以削減降雨徑流量和遲滯峰值流量，是一種控制屋面雨水徑流的有效方式[1]，在城市雨洪管理中發(fā)揮重要作用。翟丹丹等研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)厚度為50 mm的綠色屋頂對(duì)雨水徑流可以起到一定的滯留作用，對(duì)于5年一遇降雨事件，雨水徑流削減率為15.3%～40.0%，延緩產(chǎn)流時(shí)間為7～21 min，峰值削減率為18.0%～62.3%[2]。然而，綠色屋頂出流的水質(zhì)狀況一直飽受爭(zhēng)議。BERNDTSSON[3]認(rèn)為綠色屋頂對(duì)重金屬有較好的去除效果，TEEMUSK等[4]發(fā)現(xiàn)綠色屋頂對(duì)無(wú)機(jī)鹽類的去除效果十分可觀，對(duì)TN和氨氮的去除效果優(yōu)于TP和硝態(tài)氮；但也有研究認(rèn)為綠色屋頂是污染物的釋放源。為此，本研究對(duì)綠色屋頂裝置和混凝土屋面裝置的降雨徑流水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了各裝置出流的污染物濃度和負(fù)荷，并研究了不同因素對(duì)雨水徑流水質(zhì)的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于北京建筑大學(xué)大興校區(qū)雨水實(shí)驗(yàn)室樓頂，當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁丶s12 ℃，年均降雨量626 mm。設(shè)計(jì)了5個(gè)綠色屋頂裝置(編號(hào)G1～G5)和1個(gè)混凝土屋面裝置(CK)作為對(duì)照。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)1%的坡度，平面尺寸為50 cm×50 cm，過(guò)濾層為250 g/m2的透水土工布，排水層材料為塑料凹凸排水板，底部設(shè)有兩個(gè)排水口(見(jiàn)圖1)。實(shí)驗(yàn)使用3種種植基質(zhì)，分別為田園土(來(lái)自農(nóng)田)、超輕量基質(zhì)(市售專用屋頂綠化基質(zhì))、改良土(田園土∶草炭∶松針土∶珍珠巖按1∶1∶1∶1的質(zhì)量比配制而成)。植被層選用佛甲草、紅葉景天和費(fèi)菜3種耐寒、耐旱、耐鹽堿、耐瘠的景天科植物；徑流水樣使用自制重力流自動(dòng)采樣器進(jìn)行采集。各綠色屋頂裝置的種植基質(zhì)及植被設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

圖1 綠色屋頂實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Green roof experimental device

表1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.2 降雨監(jiān)測(cè)與模擬實(shí)驗(yàn)

于2015年8月4日至10月12日進(jìn)行天然降雨監(jiān)測(cè)，對(duì)裝置出水取樣并檢測(cè)總有機(jī)碳(TOC)、TN、氨氮、TP和Zn濃度。由于監(jiān)測(cè)期內(nèi)天然降雨場(chǎng)次較少且降雨量偏小，綠色屋頂裝置僅在9月4日降雨事件中出流較多，具有代表性，記為事件1。額外采用北京地區(qū)重現(xiàn)期分別為3年和5年的2 h設(shè)計(jì)降雨事件進(jìn)行了兩場(chǎng)模擬降雨實(shí)驗(yàn)，分別記為事件2、事件3。模擬降雨進(jìn)水為自來(lái)水，降雨前取進(jìn)水水樣，檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)本底濃度。3次降雨事件的降雨特征見(jiàn)表2。

表2 各降雨事件的降雨特征

2 結(jié)果與討論

2.1 綠色屋頂對(duì)屋面雨水徑流濃度的影響

各實(shí)驗(yàn)裝置雨水徑流中的TOC、TN、氨氮、TP和Zn質(zhì)量濃度見(jiàn)圖2。從平均濃度來(lái)看，3次降雨事件中，CK雨水徑流TOC、Zn濃度顯著高于進(jìn)水濃度，TN、氨氮略高于進(jìn)水，TP低于進(jìn)水，說(shuō)明大氣顆粒沉降會(huì)使屋面雨水徑流TOC及Zn含量增加，而對(duì)TN、氨氮濃度影響相對(duì)較小。G1～G5裝置雨水徑流TOC濃度遠(yuǎn)高于進(jìn)水和CK，說(shuō)明綠色屋頂存在嚴(yán)重有機(jī)質(zhì)溶出現(xiàn)象，可能是種植基質(zhì)滲漏和植物死亡過(guò)程中釋放的污染物質(zhì)所致[5]。各裝置雨水徑流TN和氨氮在降雨事件1、事件2中濃度高于進(jìn)水和CK，而降雨事件3中，G1、G3、G4雨水徑流的TN濃度低于CK，G1、G5的氨氮濃度低于CK，這可能與土壤類型、施肥情況和運(yùn)行年限等因素相關(guān)。

綠色屋頂可能存在磷的淋溶，雨水徑流中TP平均濃度顯著高于進(jìn)水和CK(事件3的G5除外)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析及BERNDTSSON等[6]研究，認(rèn)為綠色屋頂應(yīng)為TP的釋放源，其富含大量營(yíng)養(yǎng)成分是TP的重要來(lái)源。天然雨水中磷濃度很低，而基質(zhì)中富含植物生長(zhǎng)所需要的含磷物質(zhì)，含磷物質(zhì)主要以溶解態(tài)的形式存在，降雨時(shí)隨徑流一并排出，導(dǎo)致綠色屋頂雨水徑流TP濃度高于進(jìn)水和普通混凝土屋面。

CK裝置初期雨水徑流Zn濃度較高，這是由于降雨前屋面上會(huì)富集少量Zn，導(dǎo)致徑流初期Zn濃度高，屋面累積的Zn被屋面雨水徑流快速帶走，之后Zn濃度大幅降低，這種重金屬出流情形常見(jiàn)于降雨量大、前期降雨強(qiáng)度高的降雨事件中[7]，VIJAYARAGHAVAN等[8]在研究屋頂雨水徑流中多種金屬離子的濃度時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)降雨初期大部分金屬離子濃度非常高，而后逐漸降低。而5種綠色屋頂初期雨水徑流Zn平均濃度又比CK高3～12倍，說(shuō)明Zn在土壤基質(zhì)表面附著能力強(qiáng)于混凝土。

2.2 綠色屋頂對(duì)雨水徑流污染負(fù)荷的影響

進(jìn)水及CK裝置雨水徑流各項(xiàng)指標(biāo)的污染負(fù)荷見(jiàn)表3，5種綠色屋頂裝置雨水徑流各項(xiàng)指標(biāo)的污染負(fù)荷及負(fù)荷削減率見(jiàn)表4。可以看出，對(duì)于TN和氨氮，雖然綠色屋頂雨水徑流中污染物濃度較高，但由于其對(duì)雨水徑流量有一定的削減效果(G1～G5在2場(chǎng)模擬降雨下對(duì)雨水徑流量的削減率為34.1%～41.9%)，使得TN和氨氮的負(fù)荷總體比CK低。綠色屋頂對(duì)TN負(fù)荷削減效果較好，對(duì)其他污染物負(fù)荷削減效果不穩(wěn)定，從負(fù)荷削減的角度看，綠色屋頂不是TN、氨氮的釋放源。

注：圖中TR表示進(jìn)水。圖2 雨水徑流及進(jìn)水中TOC、TN、氨氮、TP和Zn的質(zhì)量濃度Fig.2 TOC,TN,ammonia nitrogen,TP,and zinc mass concentration in rainfall runoff and influent

表3 進(jìn)水與CK的污染物負(fù)荷分析

5個(gè)綠色屋頂裝置的TOC、TP負(fù)荷分別是CK的4.5、2.3倍，因此綠色屋頂表現(xiàn)為TOC和TP的釋放源。雨水與植被層、基質(zhì)層接觸攜帶大量含碳有機(jī)物流出，導(dǎo)致TOC負(fù)荷大幅升高，受基質(zhì)中磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶出或者植物枯萎分解的影響，綠色屋頂TP負(fù)荷較CK有所升高。TOC負(fù)荷顯著大于CK，說(shuō)明TOC主要源于綠色屋頂。

表4 綠色屋頂污染物負(fù)荷及削減率分析

綠色屋頂雨水徑流的Zn平均濃度和負(fù)荷均高于進(jìn)水和CK。由于綠色屋頂本身不會(huì)產(chǎn)生Zn，其應(yīng)該來(lái)源于雨水對(duì)屋頂表面沉積物的沖刷。SPEAK等[9]發(fā)現(xiàn)綠色屋頂雨水徑流中重金屬離子的濃度比普通屋頂高，潛在污染源包括道路沉積物以及部分區(qū)域高度污染的表層土受風(fēng)的影響吹至屋面。

2.3 影響因素分析

對(duì)G1～G3雨水徑流中各項(xiàng)污染物濃度進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示不同種植基質(zhì)對(duì)TOC和TN濃度具有非常顯著的影響(P<0.01)，對(duì)氨氮濃度有顯著影響(P<0.05)。G2選用的改良土含有大量草炭營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致TOC濃度和負(fù)荷較高。G2雨水徑流中TN濃度顯著高于G1，這可能是因?yàn)楦牧纪帘忍飯@土的含氮量高，選用改良土的裝置會(huì)產(chǎn)生較大濃度的氮素營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放，造成TN和氨氮濃度較高。

3種種植基質(zhì)材料中，超輕量基質(zhì)的水質(zhì)情況最好，但其具有疏松多孔、抗風(fēng)性差的缺點(diǎn)，植被易受到干旱脅迫出現(xiàn)植物覆蓋度、存活率低的問(wèn)題，且超輕量基質(zhì)容重小質(zhì)量輕，起風(fēng)時(shí)容易被吹飛，產(chǎn)生顆粒揚(yáng)塵污染大氣環(huán)境。田園土容重大，孔隙率低，水量滯留能力一般，基質(zhì)內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不多，植物生長(zhǎng)狀況一般，在實(shí)例工程中，綠色屋頂?shù)倪\(yùn)用還需考慮承重問(wèn)題，因此田園土不宜作為屋頂綠化的首選基質(zhì)。通過(guò)一定比例配制的改良土雨水滯留效果好，比田園土富含更多植物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，土壤肥沃，植物長(zhǎng)勢(shì)較好，但會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)流污染物濃度較大。本課題組前期研究還發(fā)現(xiàn)，改良土在雨水徑流滯留、峰值削減、延峰時(shí)間方面有較好的運(yùn)用效果，所以綠色屋頂基質(zhì)材料沒(méi)有最優(yōu)選擇，需因地制宜挑選種植基質(zhì)。

對(duì)G2、G4、G5雨水徑流中各項(xiàng)污染物濃度進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示植被類型對(duì)綠色屋頂TOC、TN、氨氮、TP及Zn均無(wú)顯著影響(P>0.05)，植被類型與綠色屋頂雨水徑流的污染物濃度無(wú)明顯相關(guān)性。從污染物負(fù)荷角度分析，G2、G4、G5污染物負(fù)荷同樣無(wú)顯著規(guī)律性變化，因此植被類型對(duì)綠色屋頂雨水徑流凈化能力無(wú)明顯影響。

利用方差分析研究重現(xiàn)期對(duì)綠色屋頂雨水徑流中TOC、TN、氨氮、TP濃度的影響。結(jié)果顯示，降雨重現(xiàn)期對(duì)TOC和TN濃度具有非常顯著的影響(P<0.01)，重現(xiàn)期與TOC、TN濃度呈負(fù)相關(guān)，重現(xiàn)期越大則TOC和TN濃度越小。長(zhǎng)歷時(shí)低雨強(qiáng)事件中(事件1)，雨水徑流入滲基質(zhì)層后與土壤基質(zhì)充分接觸，攜帶大量氮素流出，故產(chǎn)流中TN濃度較高。高重現(xiàn)期短歷時(shí)降雨事件下(事件3)，雨水徑流入滲基質(zhì)后無(wú)充足時(shí)間與基質(zhì)接觸即從排水層流出，因而綠色屋頂TN濃度與進(jìn)水及CK的濃度十分相近。對(duì)比3場(chǎng)降雨各裝置產(chǎn)流的TP濃度特征，除G4外，TP濃度與降雨強(qiáng)度負(fù)相關(guān)，這與GREGOIRE等[10]研究結(jié)果類似，而氨氮濃度與降雨特征無(wú)顯著性相關(guān)。

3 結(jié) 論

(1) 從污染物平均濃度的角度看，綠色屋頂降雨徑流TOC、TN、氨氮、TP和Zn的濃度均較高。

(2) 從污染物負(fù)荷的角度看，由于綠色屋頂對(duì)降雨的截留作用可以削減部分TN和氨氮負(fù)荷，具有一定的減污效果，但TOC、TP和Zn負(fù)荷仍然增大。

(3) 種植基質(zhì)對(duì)綠色屋頂雨水徑流中TOC、TN和氨氮濃度有顯著影響，對(duì)TP和Zn無(wú)顯著影響，植被類型對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)都無(wú)顯著影響，不同降雨特征對(duì)雨水徑流污染物濃度影響較大。