綠色屋頂技術控制城市面源污染應用研究進展

王書敏，于 慧，張 彬，邵 磊

(1.重慶文理學院，重慶 永川 402168;2.西華大學能源與環境學院，四川 成都 610039;3.北京利德曼生化股份有限公司，北京 100176)

隨著城市化進程的快速推進，區域不透水下墊面面積迅速增加，對流域的健康水循環帶來了巨大沖擊.國內現階段的城市暴雨管理仍沿用傳統模式，要求將城市暴雨徑流快速收集和快速排放，這種單純的硬性管理措施，給城市雨洪管理帶來了巨大沖擊.一方面，暴雨引發的城市內澇日益頻發;另一方面，以城市暴雨徑流為載體的城市面源污染已成為城市水體污染的主要來源之一［1］.降低城市不透水下墊面面積比例，尋求與暴雨徑流源頭消減技術相結合的新型生態排水系統常被作為解決城市雨洪問題的重要途徑，很多城市暴雨管理的新理念應運而生，如英國的SUDS(Sustainable Urban Drainage Systems)、美國的BMPs(Best Management Practices)和LID(Low Impact Development)、澳大利亞的WSUD(Water Sensitive Urban Design)等.這些暴雨管理理念的核心是通過構建系列調峰控污的生態化措施，以達到減少暴雨徑流和污染負荷產生量的目的.常用的暴雨徑流調控措施有生物滯留塘、人工濕地、河岸緩沖帶、生物溝渠、綠色屋頂等.然而，城市區域地價昂貴，占地面積較大的技術往往由于緊張的土地資源得不到充分應用，與此相比，綠色屋頂技術不需要占用專門的土地資源，大量閑置的城市不透水屋面(約占城市不透水下墊面總面積的40%～50%)使得綠色屋頂技術成為城市暴雨管理的優勢技術之一［2］.

在國外，綠色屋頂的構建已有很長時間.在20世紀60年代，建筑師柯布西耶和賴特(Le Corbusier and Frank Lloyd Wright)開始倡導現代綠色屋頂建筑，但還僅作為一個建筑行業概念，隨著城市綠地的不斷減少，城市環境質量日益衰退，綠色屋頂在城市景觀中的作用得到重新認識和評價.20世紀80年代，綠色屋頂在德國等北歐國家得到迅速發展，20世紀末，加拿大、美國等北美國家也開始發展該項技術，并建立了綠色屋頂組織結構以制定綠色屋頂構建的相關標準，如德國的FLL(Landscape Research，Development and Construction Society)、北美的 GRHC(Green Roofs for Healthier Cities)、美國的LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)等.在國內，屋頂綠化技術越來越被重視，很多大中城市正積極推廣綠色屋頂的構建，如北京、上海、天津等.然而，屋頂綠化的目的往往出于節能價值［3］、景觀價值［4］等，現行的屋頂綠化規范也未涉及綠色屋頂的調峰控污效能，這就使得綠色屋頂暴雨徑流可能成為水體污染的來源之一.因此，了解綠色屋頂的暴雨徑流的水文水質特性，對于科學全面地評價綠色屋頂的構建技術及環境效應有重要意義.本文就此做論述，以期為綠色屋頂技術的更好發展提供參考.

2 綠色屋頂暴雨產流

2.1 綠色屋頂對暴雨徑流的消減

綠色屋頂對徑流的消減主要是通過對降雨的吸附作用持留和滯留雨水，延緩徑流產生時間，消減了洪峰流量和總徑流產生量［5］.一般來說，土壤層厚度、降雨量、降雨強度、綠色屋頂坡度、氣溫、前期干旱條件等都會對綠色屋頂的徑流截留能力產生影響，加之各地的具體環境背景差異，不同環境背景下的研究結果很難進行相互比較.如表1所示，Berndtsson(2010)［6］和 Alfredo(2010)［7］等分別對不同研究條件下綠色屋頂對暴雨徑流的截留效果做了初步總結.

表1 綠色屋頂對降雨徑流的消減率［6-7］

筆者在綠色屋頂暴雨徑流的實測中發現，在構建基質相同的條件下(均為100mm排水層+100mm過濾層+100mm土層)，可能是由于植物蒸騰作用差異的緣故，種植接骨草的屋頂對暴雨徑流的消減效果(62%～80%)好于種植麥冬的綠色屋頂(40%～49%).相對于前期干旱期來說，氣溫對暴雨徑流消減率的影響更為顯著，氣溫越高，降雨間隔時間越長，構建介質含水率越低，徑流消減率越高.

一般來說，土壤層越厚，徑流截留量越大.Vanwoert等(2005)［9］發現在坡度為 2°的情況下，對于中強度降雨(2～6mm)，介質厚度2.5 cm的屋頂可截留82.9%的降雨量，比介質厚度4.0 cm的屋頂對降雨的截留率(85.5%)小2.6個百分點;同時，相同介質厚度條件下，坡度越大，徑流消減率越小［9］.Monterusso 等(2004)［14］探討了降雨強度對綠色屋頂暴雨截留效果的影響.對于小強度降雨(2.1mm)，綠色屋頂可消減85.7%的降雨量，對于高強度降雨(12.1mm)，綠色屋頂對降雨消減量顯著降低.綠色屋頂基質層在降雨過程中將被完全飽和，因此，基質層越厚，飽和容量越大，對降雨的截留效果也越好;在基質層厚度不變的前提下，降雨強度越小，基質層達到飽和狀態所耗雨水占降雨總量的比重越大，相應的暴雨截留效果也越好.

坡度對綠色屋頂涵養水源能力的影響還存有爭議.一些研究表明，坡度越大，徑流消減率越低［9，14-15］，而有研究認為，坡度和徑流消減率沒有相關關系［16-17］.綠色屋頂截留降雨的效能是各種影響因素綜合作用的結果，每次降雨的發生本身帶有一定的隨機性，一些主要影響因素對綠色屋頂產流的影響程度可能會影響坡度對降雨截留量的映射效果，這也許是造成研究結果不一致的原因之一.因此，深入探討各個影響因子對綠色屋頂系統降雨量的影響及影響程度，對其影響顯著性進行量化表征很有必要.

2.2 綠色屋頂產流評估與模擬

對于中密度、低密度住宅區以及商業區等，屋頂面積是不透水下墊面的重要組成部分，綠色屋頂對降雨的持留和滯留作用顯著影響了區域的徑流產生規律，暴雨管理設施的構建規模也相應的受到影響，因此，很多學者嘗試量化綠色屋頂構建帶來的水文消減程度，用數學手段定量評估、模擬、預測綠色屋頂大規模應用產生的水文響應成為城市水文管理的重要依據.現行的綠色屋頂產流模擬預測主要包括小規模屋面產流模擬和大規模流域化綠色屋頂的水文消減效果評估兩部分.

對于小規模綠色屋頂產流規律的研究大多限于實驗室基礎研究.Palla 等(2009)［18］用WSMS-2D模型模擬了綠色屋頂系統內的飽和水流變化，模型預測的含水量和垂直側面不同深度的觀測值匹配良好.Hilten 等(2008)［19］用HYDRUS-1D模型評估了綠色屋頂的產流情況，模擬結果表明，HYDRUS-1D模型可精確預測小強度降雨的產流情況，但對高強度降雨的模擬結果偏高.Alfredo 等(2010)［7］用 SWMM 模型模擬綠色屋頂產流，把徑流曲線數用存儲節點代替后取得了更好的預測效果.Villarreal和Bengtsson(2005)［17］研究了綠色屋頂單場降雨的水文響應，并用線性模型估算單元水位線，得到的單元水位線可以精確預測任何場次降雨的峰值流量.實驗結果也說明天氣條件是影響水文響應的重要因素.干旱初始條件下，降雨可以被持留和滯留，初始條件濕潤時，降雨僅僅被滯留，屋頂坡度對徑流峰值和暴雨體積沒有影響.

對于綠色屋頂區域化應用效果的評估主要有工程推算和模型模擬兩種方式.Mentens等(2006)［13］估算了布魯塞爾10%的屋頂綠化后(構建介質深度100mm)的水量消減量可達到2.7%.Alfredo等(2010)［7］總結了綠色屋頂構建規模對合流制管道雨天溢流的影響，如表2所示.

表2 綠色屋頂對合流制管道雨天溢流影響評估［7］

She N.和 Pang J.(2008)［20］開發了一個定量動力學集成模型以模擬大尺度綠色屋頂的水文過程，與監測頻率為5min的實測流量數據相比，該模型較好地預測了綠色屋頂系統對洪峰和總徑流的影響效果.Carter和 Jackson(2007)［21］用SWMM模型研究了不同空間尺度的城市流域構建綠色屋頂后的水文影響，模擬結果表明綠色屋頂的廣泛應用可顯著降低徑流峰值產率，尤其是針對小降雨事件.然而，關于不同地域特點下綠色屋頂規模化應用后水文影響的研究仍然薄弱.

3 綠色屋頂徑流水質

綠色屋頂常被假設為降低城市屋面產污負荷的有效手段，其徑流水質往往被忽略.筆者初步總結了不同學者對于綠色屋頂徑流水質的研究結果，如表3所示.

由表2可知，所列舉的監測數據中各個綠色屋頂暴雨徑流的水質差異很大.一般來說，綠色屋頂都具有較好的中和能力，偏酸性(pH＜7.0)的雨水滲過綠色屋頂后其pH都得到了一定程度的提高，且介質層越厚，pH提高效果越明顯，這對于減輕自然水體酸化、減緩建筑物侵蝕以及鈍化有毒物質有重要意義.

一些學者認為，如果雨水水質優于綠色屋頂出水，則綠色屋頂為污染物釋放源［24］.在5個案例中，總磷和硝酸鹽發生出水(綠色屋頂徑流)濃度大于進水(降雨)濃度的幾率較高，均有3個案例出現了污染物質泄漏的現象.硝酸鹽屬于溶解性污染物，其來源主要有雨水中含有的硝酸鹽、土壤介質中硝酸鹽的淋溶析出以及綠色屋頂系統內的硝化作用，由于綠色屋頂系統中不具備傳統的反硝化脫氮要求的反應條件，硝酸鹽的去除主要依靠植物吸收，這可能是硝酸鹽控制效果不穩定的原因之一.總磷的去除主要依靠植物吸收和綠色屋頂系統的物理截留.有研究顯示綠色屋頂徑流中的總磷大多數為磷酸鹽［25］，而也有學者發現溶解性磷酸鹽比總磷濃度小得多［22］，這可能與土壤淋溶作用和綠色屋頂過濾系統的運行情況有關.系統對總氮和氨氮的控制效果好于硝酸根和總磷.在筆者的實驗中，氨氮去除轉化效率達到了90%以上，盡管總氮也有較好的控制效果，但其平均去除幅度小于氨氮.綠色屋頂徑流水質是多種因素綜合作用的結果，如天然降雨雨水水質、構建材料的理化性質、植物吸收和微生物轉化等，深入解析各種影響因子對徑流水質的影響程度，探索各個影響因子之間的交互作用，通過精細測試分解各類污染物的組分構成，進而探討污染物控制機理還需要進一步嘗試.

表3 綠色屋頂徑流水質

4 綠色屋頂構建方法探討

常用的綠色屋頂構建結構如圖1所示.

圖1 綠色屋頂構建結構

植物選型、生長介質選擇是構建綠色屋頂的重點.一般說來，回填材料應該選擇當地質輕、污染物吸附持留能力強、有一定的透水性能，同時能夠持留降雨、提供植物生長需求的營養物質的土壤，但目前國內還沒有具體的標準出臺.由于天然土壤具有質量大、易壓實的特點，不宜直接作為綠色屋頂構建用土，砂壤土可以以10%～20%的比例用在綠色屋頂介質中.一般情況下，綠色屋頂植物生長介質中有機和無機顆粒要占到土壤混合組分的50%以上，同時要求低碳氮比.粒徑分布和土壤密度是評價植物生長介質的重要指標，根據粒徑分布信息可以估計滲透性、持水能力等，植物生長介質必須具有能同時持留雨水并容易排掉過多雨水的能力，而土壤密度可以用來評價植物生長介質的水滲透能力、排水能力等［26］.除常見的土壤混合物可作為綠色屋頂構建材料外，固體廢棄物也可重復利用在綠色屋頂的構建中.Molineux 等(2009)［27］用碎磚塊和 3種不同廢棄物制作的小球分別作為綠色屋頂的構建材料(3種材料分別為:污泥和黏土、廢棄報紙灰以及采石場石灰巖碎屑)，并用樹皮腐殖質作為有機質來源，研究結果表明選用循環廢棄物作為綠色屋頂工程材料的替代品可以達到德國景觀設計開發研究學會的標準.

植物在綠色屋頂系統中起重要作用，沒有植被覆蓋的土壤層往往成為污染物的釋放源［28］.種植植物一般選擇當地耐旱、耐冷、耐高溫、根刺能力弱、控污能力強的植物.管理粗放、莖葉肥厚的景天屬植物是經常選擇的植物類型.FLL設計導則推薦粗放型屋頂種植自我維持能力強的低矮植物，如景天屬類植物和耐旱耐凍的植物，半密集屋頂代表性植物有野花、長期生長的草本植物和灌木，密集屋頂可選擇植物范圍較廣，可類似于城市公園或住宅區花園的植物選種.Dvorak和Volder(2010)［29］總結了適合北美地區的植物選型，景天屬、仙人掌屬、紅景天屬、馬齒莧屬、蘆薈等是應用較多的植物，而國內這方面的工作還相對較少.

此外，介質層厚度、排水系統等也是綠色屋頂構建過程中必須考慮的問題.根據介質層厚度，綠色屋頂可分為集約型屋頂和粗放型屋頂.集約型屋頂生長層介質厚度較大，可選擇的植物范圍較廣，但樓板承重要求高，維護管理費用高;粗放型屋頂則剛好相反.

5 展望

1)綠色屋頂在城市景觀系統中具有多種作用，其構建目的不應僅局限于景觀價值、節能價值等，而忽略其在城市面源污染調控中的巨大潛力，綠色屋頂系統的構建需要進一步優化，以同時滿足多種目標.

2)綠色屋頂對暴雨徑流的消減效果影響因素眾多，需要明確各影響因子對綠色屋頂消減徑流效果的影響程度，構建映射模型，嘗試較精確的預測綠色屋頂構建方式與暴雨徑流消減效果的對應關系.綠色屋頂的大尺度應用對流域的產匯流規律有重要影響，如何開發或應用好現有成熟模型，以準確評估綠色屋頂普及后的水文響應，對于城市雨洪管理意義重大.

3)綠色屋頂徑流水質是往往被忽視的部分，構建介質的理化性質和管理方式(是否施肥)是影響綠色屋頂徑流水質的關鍵，應當根據當地常見土壤的土質特性確定構建介質的恰當搭配方式.綠色屋頂凈化機理還需要深入研究，如植物吸收、微生物作用以及土壤吸附等對污染物去除的貢獻率、系統長期運行的效能演變規律、基質層營養物質結構組成的演變規律等都值得進一步探索.

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