綠化屋面的水文水質特征分析

王江海，張新波，趙新華

（1.天津大學 環境科學與工程學院，天津300072；2.天津城建大學 環境與市政工程學院，天津300384）

為了解決城市雨洪問題，新的雨水管理模式倡導低沖擊開發（low impact development，LID），即在源頭處對暴雨徑流進行截留和凈化，降低暴雨徑流對雨水設施的沖擊，凈化徑流水質。綠化屋面是LID的一種重要的應用措施，它是設在屋頂的一種植草系統，由植被層、土壤層、基質層、過濾層、排水層等組成，通過植物、土壤和填料對雨水的吸收、截留和過濾等作用，達到減少徑流量，凈化徑流水質的目的［1］。

國外對于綠化屋面的研究比較早，水文和水質兩方面都有很多的研究成果。水文方面，Berndtsson［1］通過總結已有的研究資料表明，綠化屋面能夠在一定程度上削減暴雨徑流總量和暴雨徑流峰值，減少洪澇災害；Mentens等［2］通過研究歷史數據發現，緊密型綠化屋面平均每年的徑流削減量可以達到年降雨總量的65%～85%；Hilten等［3］通過研究發現，綠化屋面對于暴雨徑流峰值的削減能夠達到60%～80%。水質方面，國外的一些研究認為綠化屋面主要表現為污染物的釋放源，Berndtsson等［4］通過研究日本和瑞典的綠化屋面發現，綠化屋面的TN，NH4—N濃度都很高，而且會釋放磷酸鹽；Teemusk等［5］通過研究愛沙尼亞的綠化屋面發現，綠化屋面COD，TN的濃度比普通屋面要低，但是TP濃度卻高于普通屋面，綠化屋面會釋放磷酸鹽。

國內對于綠化屋面的研究起步較晚，孫挺等［6］通過實驗研究發現，綠化屋面的持蓄量與降雨量總體呈現線性關系，綠化屋面具有明顯的減滯洪峰的效果；魏艷萍等［7］通過深圳的實測數據發現，綠化屋面能夠明顯減少暴雨徑流和降低污染物濃度，而且重型綠化屋面明顯優于輕型綠化屋面；王書敏等［8］通過構建綠化屋面研究發現，綠化屋面徑流的TN，TP，NH4—N的濃度要高于天然雨水，但比普通的硬化屋面低。

綠化屋面已成為未來城市建設應對城市氣候熱島效應和城市消災減洪的主要措施。目前世界上已有的研究較多，但是中國的研究尚不多，因此中國在屋面種植什么樣的綠化植物、采用什么樣的基質層和土壤層等各方面都需要進一步的研究工作。本研究通過搭建綠化屋面裝置，進行人工降雨，在水文方面，重點研究綠化屋面對雨水的削減率與降雨強度、基質層高度的關系，綠化屋面產流過程中的3個變量與基質層高度的關系；水質方面，重點研究所搭建實驗裝置的出水水質總體狀況，同時分析不同基質層高度的水質狀況。本研究對做好綠化屋面每個階段削減工作有很好的借鑒作用，同時也為實際綠化屋面項目的科學構建提供依據。

1 試驗方案

本試驗地點在天津大學，共搭建4組綠化屋面裝置，裝置從上到下依次為：植被層、土壤層、基質層、過濾層、排水層。基質層為主要變量，基質層材料為珍珠鹽和蛭石的混合物（體積比為2∶1），4組裝置的基質層高度分別為5，10，20和30cm，每個高度設置一個平行裝置。植被層、土壤層、過濾層、排水層高度分別為10，7，0.2和3cm。根據北方干旱少雨的氣候特點，試驗植被層選取耐寒耐旱的佛甲草，試驗過程中植物的生長狀況良好。

采用人工降雨的方式，雨水水質與天津天然雨水水質相同，降雨強度劃分為3個范圍：重現期1～5，5～50和50～100a，試驗設計的降雨強度為：241.67，469.44和716.67L／（s·hm2），降雨時間分別為60，40和20min。

測定的水質指標包括：TN，NH4—N，TP，COD。測定方法均按照《水和廢水監測分析方法（第4版）》要求執行。

2 結果與分析

2.1 徑流削減率分析

徑流削減率用來評價綠化屋面對于暴雨徑流的持蓄能力，計算公式：

式 中：η——徑 流 削 減 率 （%）；P——降 雨 總 量（mm）；R——徑流總量（mm）。

綠化屋面的徑流削減率符合階段性計算公式：

當t0＜t≤t1時，采用曲線擬合的方法研究削減率的表達式。

圖1反映的是t0＜t≤t1時，綠化屋面的徑流削減率與lnh值的關系，h是綠化屋面基質層的高度（cm）。

圖1 t0＜t≤t1時綠化屋面徑流削減率與lnh值的關系

從擬合結果得出，當t0＜t≤t1時，徑流削減率η與基質層高度h符合表達式：

式中：η——徑流削減率（%）；h——基質層高度（cm）；A，B——經驗系數。

經驗系數A是直線的斜率，A值越大，lnh值的變化引起的徑流削減率變化越大，A值與降雨強度和降雨時間有關，降雨強度越大，降雨時間越短，A值越大。經驗系數B代表h＝1cm時，綠化屋面對暴雨的徑流削減率，B值與降雨強度和雨前干燥天數有關，降雨強度越大，雨前干燥天數越多，B值越大。

綜上所述，綠化屋面的徑流削減率符合階段性計算公式：

式中：η——徑流削減率（%）；h——基質層高度（cm）；P——降雨總量（mm）；Q——飽和持蓄量（mm）；t——降雨歷時（min）；t0——開始出水時間（min）；t1——達到飽和時間（min）；A，B——經驗系數。

2.2 產流過程分析

圖2是綠化屋面產流過程示意圖［9］，綠化屋面產流主要分為兩個階段：第一階段，綠化屋面無徑流產生，所有的雨水都被持蓄，持蓄的雨水量稱為前期削減量Q1；第二階段，綠化屋面開始產生徑流，但也有一部分雨水被持蓄，持蓄的雨水量稱為后期削減量Q2。Q1，Q2和降雨總量P，徑流總量R滿足關系式：

式中：P——降雨總量（mm）；R——徑流總量（mm）；Q1——前期 削 減 量 （mm）；Q2——后 期 削 減 量（mm）。下同。

圖2 綠化屋面的產流過程

表1是綠化屋面產流過程各變量與基質層高度的相關性系數。分析表1中數據可知，徑流總量R與基質層高度呈現很強的負線性相關性（－1＜r＜0，∣r∣＞0.75），即基質層高度增大，徑流總量成比例減少，因為當降雨強度、前期干燥天數等條件相同時，增加基質層高度會成比例的增加綠化屋面對雨水的持蓄量，所以徑流總量成比例減少；前期削減量Q1與基質層高度呈現很強的正線性相關性（0＜r＜1，∣r∣＞0.75），即基質層高度增大，前期削減量成比例增加，因為當降雨強度、前期干燥天數等條件相同時，基質層越高，綠化屋面在前期可以持蓄的雨水量越多，所以前期削減量成比例增加；后期削減量Q2與基質層高度相關性不強（∣r∣＜0.75），即后期削減量Q2與基質層高度無特定的線性關系，后期削減量主要取決于開始出水時，綠化屋面的含水率與飽和含水率的差值，差值越大，后期削減量越多。

表1 綠化屋面產流過程中各變量與基質層高度的相關性系數

2.3 出水水質分析

表2是綠化屋面總體水質與天然雨水、普通屋面和地表水Ⅴ類標準水質的對比。其中，普通屋面的水質數據引用張杏娟等［10］對天津市平頂瀝青屋面雨水水質的研究成果。由于本文研究的綠化屋面位于天津市，而且主要針對平頂瀝青屋面，因此普通屋面的水質數據與實驗所測的綠化屋面水質數據具有可比性。表3是不同基質層高度的綠化屋面水質測定結果，表中的濃度值，是同一基質層高度時，不同降雨強度的平均值。

表2 綠化屋面的水質測定結果 mg／L

表3 不同基質層高度的綠化屋面水質測定結果 mg／L

試驗期之前，所有綠化屋面裝置放置在塑料棚內，裝置內幾乎沒有降塵，因此可以忽略降塵附著對水質結果的影響。基質層的填料在裝填之前經過清水多次洗滌，因此基質層的氮磷含量可以忽略不計，土壤層堿解氮和有效磷含量的平均值分別為156.5和121.8mg／kg。

試驗過程中，未對綠化屋面的植物進行施肥，因此，氮元素進入綠化屋面的主要途徑是降雨。綠化屋面出水的總氮濃度為1.70～2.68mg／L，比天然雨水和普通屋面都要低，考慮到土壤層堿解氮含量為156.5mg／kg，說明綠化屋面能夠有效的降低雨水中的總氮濃度，但是出水中的總氮濃度還是稍大于地表水Ⅴ類標準的標準值（2mg／L）。基質層高度增加，綠化屋面出水的總氮濃度降低，但基質層高度由20cm增加到30cm時，總氮濃度只減少了0.03mg／L，說明，此時增加基質層高度對于出水的總氮濃度影響效果已變得十分微小。此外，研究還發現，綠化屋面的出水中總氮濃度與徑流削減率的相關系數r＝－0.93，說明出水中的總氮濃度與徑流削減率有很強的負線性相關性，徑流削減率升高，出水中的總氮濃度成比例的降低，綠化屋面對于徑流的削減和對于總氮的削減具有很強的同步效應。

天然雨水和普通屋面中幾乎不含有氨氮，土壤層中的氨氮含量也很少，但是綠化屋面的出水氨氮濃度卻達到了0.53～2.04mg／L，說明綠化屋面是一個氨氮的釋放源，但是出水氨氮濃度基本上可以達到地表水Ⅴ類標準的標準值（2mg／L）。綠化屋面釋放氨氮的原因，一是由于土壤層中的少量氨氮被雨水帶出；二是由于綠化屋面內部將有機氮通過氨化作用轉化為氨氮，但由于缺乏厭氧環境，氨氮不能夠充分的轉化為硝態氮。

磷元素進入綠化屋面的主要途徑是降雨，但綠化屋面出水中的總磷濃度達到0.52～4.50mg／L，遠大于天然雨水中的總磷濃度0.09～0.20mg／L，同時比普通屋面和地表水Ⅴ類標準的標準值（0.4mg／L）都要大很多，說明綠化屋面是一個嚴重的磷元素釋放源。在沒有施肥的情況下，綠化屋面卻釋放了大量的磷元素，主要是由于綠化屋面的土壤層中有效磷的含量達到了121.8mg／kg，降雨過程中，磷元素容易被雨水徑流沖刷帶出。實驗數據顯示，降雨強度增大，沖刷作用增強，出水總磷濃度升高，也驗證了這一觀點。

綠化屋面出水的COD濃度為9.33～28.0mg／L，比天然雨水和普通屋面都要低很多，而且能夠完全達到地表水Ⅴ類標準的標準值（40mg／L），說明，綠化屋面能夠有效的降低雨水的COD值。在總氮、氨氮、總磷、COD的4個水質指標中，綠化屋面對于COD濃度的降低效果最佳。基質層高度增加，綠化屋面出水中的COD濃度會有明顯的減少，說明，基質層在降低COD濃度方面發揮了很重要的作用。

3 基質層高度

（1）水文方面。基質層高度為5，10，20和30cm的綠化屋面的徑流削減率分別為15.3%～40%，26.3%～54.5%，27.0～63.0%，32.7%～69.0%，雖然基質層高度增加，削減率升高，但由20cm增加到30cm時，削減率升高值不大，但填料體積卻增加較多。因此，基質層高度在20cm左右較好。

（2）水質方面。雖然基質層高度增加，TN和COD濃度降低，但4組裝置的TN濃度相差很小，COD濃度雖然相差較大，但4組裝置COD濃度都可完全達到地表水V類標準，因此主要參考TP和NH4—N的濃度。而10cm裝置的TP和NH4—N濃度都最小，因此，基質層高度在10cm左右較好。

綜合考慮水文和水質兩方面，建議綠化屋面基質層高度范圍是：10—20cm。此時的綠化屋面，水文方面，徑流削減率可達到約27%～60%，考慮到實際中綠化屋面的面積要比實驗裝置大很多，密實性更好，削減率還有很大的提升空間；水質方面，TN，NH4—N，COD出水濃度都可達到地表水Ⅴ類標準，TP濃度稍高一些。

4 結論

（1）綠化屋面的徑流削減率符合一定的階段性計算公式。

（2）綠化屋面產流過程中，徑流總量與基質層高度呈現很強的負線性相關性；前期削減量與基質層高度呈現很強的正線性相關性；后期削減量與基質層高度無特定的線性關系。

（3）綠化屋面能夠有效降低雨水中的總氮濃度和COD濃度，但氨氮濃度和總磷濃度有所升高；綠化屋面對于徑流的削減和對于總氮的削減具有很強的同步效應。

（4）綜合考慮水文和水質兩方面，建議綠化屋面基質層高度范圍是10—20cm。

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