基質類型及厚度對綠色屋頂徑流量和水質影響

章孫遜， 張守紅,2?

(1.北京林業大學水土保持學院，100083, 北京；2.北京市水土保持工程技術研究中心, 100083, 北京)

快速城市化加劇了城市水環境問題[1]，雨水花園、綠墻、綠色屋頂等生態措施是緩解城市環境問題的有效途徑[2]。屋頂約占城市不透水面的40%～50%[3]，實施屋頂綠化無需額外用地，但可增加綠地面積，具有城市徑流調控[4-5]、美化環境、改善空氣質量和降低城市熱島效應[6]等多重效益。

根據基質厚度和維護方式差異，綠色屋頂分為粗放型和密集型2類[7]。粗放型綠色屋頂基質較薄，維護管理成本較低[8]，較密集型綠色屋頂有更好的推廣應用前景。植被和基質篩選和配置是綠色屋頂設計的關鍵要素[9]。綠色屋頂的水文性能[5,10]及其對徑流水質影響[11]是當前研究熱點，但關于綠色屋頂是徑流污染物的源或匯的問題尚未有統一結論[12]。綠色屋頂的基質類型和厚度是影響植被生長、徑流水量和水質的重要因素[13- 14]；因此，研究不同生長基質條件(材料和厚度)綠色屋頂的徑流水質，篩選能夠保證植物生長、減少營養元素和污染物淋出的新型綠色屋頂生長基質[1]，是安全推廣綠色屋頂、避免造成水體污染的前提。

近年來，研究者對綠色屋頂基質材料比選和改進開展了大量研究。例如，劉爽等[15]研究指出在綠色屋頂基質中添加給水廠污泥對徑流水質有改善作用，而添加消化污泥會帶來磷污染。Monteiro等[16]研究表明在基質中添加碎蛋殼有利于降低綠色屋頂徑流中磷酸鹽濃度，但卻提高了硝氮濃度。Kuoppam?ki等[1]發現使用生物炭作為綠色屋頂基質改良劑，可有效降低徑流中氮和磷的浸出。此外，基質材料來源、配比和基質厚度不同，實驗結果也存在差異[1,16- 17]。Rowe[6]指出考慮經濟可行性，綠色屋頂的基質應就地取材，而現有的綠色屋頂大多使用發達地區的商用基質[2]，并無公開配比信息[18]，限制了綠色屋頂在發展中區域的推廣應用。此外，當前我國有關北方地區自然降雨條件下的實驗監測研究較為匱乏[19- 20]，綠色屋頂基質選配缺少實驗支撐。

筆者于北京市搭建6個實驗綠色屋頂裝置(圖1)，使用北京當地田園土和2種自制基質(改良土和輕質基)，并設置2種基質厚度(15和10 cm)(表1)。在2017年雨季，進行降雨和綠色屋頂徑流水量和水質監測，定量分析基質的類型和厚度對綠色屋頂徑流量和污染負荷的影響，以期對綠色屋頂基質選配和厚度設置提供科學支撐，為海綿城市建設提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

在北京市海淀區北京林業大學林業樓樓頂搭建6個1 m×1 m綠色屋頂實驗裝置(圖1)。其中，植被層種植佛甲草(Sedumlineare)，裝置分組見表1，其他配置詳見已刊論文[12]。

圖1 綠色屋頂實驗設施結構示意Fig.1 Structure of the green roofs

表1 綠色屋頂結構特征

每個綠色屋頂裝置配有1個自記式雨量計和1個250 L HDPE集水桶(圖1)，分別用于記錄綠色屋頂徑流過程和收集徑流。采用小型氣象站(HOBO U30)監測氣象數據，使用放置在實驗裝置附近的不銹鋼盆收集雨水。

1.2 數據采集、檢測與分析

降雨間隔>6 h的降雨視作2場降雨[21]，對監測期間4場6個綠色屋頂均產流的降雨進行雨水和徑流采樣，共采集水樣28份。

值得肯定的是昆明市建設了“少數民族服務聯系平臺”“少數民族業務信息服務平臺”“少數民族創業促就業服務平臺”“少數民族糾紛調處和法律援助平臺”“清真食品管理平臺”“民族社團培育平臺”等六位一體的社會化管理服務平臺，及時傾聽民意、為民解困。

2017年雨季，從各綠色屋頂中隨機選10個點測量株高，分別計算平均株高。雨季結束后，分別從每個綠色屋頂中隨機布置3塊20 cm×20 cm樣方，收割樣方內所有植被的地上部分，采用浸泡法[22]測植物最大截留量，然后，將植物置于65 ℃的烘箱內烘干至恒質量，稱量得綠色屋頂地上部分生物量[23]。

采用SPSS 25單因素方差分析判斷不同基質類型綠色屋頂間徑流水質是否存在顯著差異；使用獨立樣本t檢驗對比基質厚度為15 cm和10 cm的綠色屋頂徑流水質差異的顯著性。

綠色屋頂平均徑流削減率Dr

(1)

式中：n為取樣降雨總數；i為降雨場次；S為綠色屋頂面積，m2；Vi為第i場降雨綠色屋頂徑流量，L；Pi為第i場降雨量，mm。

綠色屋頂污染負荷削減率Dc可由下式計算：

(2)

式中：cpi和cri分別為第i場降雨雨水和綠色屋頂徑流污染物質量濃度，當污染物指標為營養元素時，cpi和cri的單位為mg/L，當污染物指標為重金屬時單位為μg/L。

2 結果與分析

2.1 植物生長特征

2017年4—5月進行佛甲草移植，除移植初期進行適量灌溉(綠色屋頂不產流)和人工除草，監測期間未施用肥料和農藥，且無灌溉。各綠色屋頂佛甲草覆蓋度在雨季前均達100%。除Q10外，其他綠色屋頂佛甲草的平均株高相近，但地上生物量存在較大差別(表2)。G15和G10中佛甲草的最大雨水截留量最高(0.83 mm)，T15、T10和Q15中佛甲草的最大雨水截留量相近，在0.71～0.75 mm之間，而Q10中佛甲草的雨水截留量最低，為0.50 mm。

表2 綠色屋頂植物佛甲草生長特征Tab.2 Characteristics of plant Sedum lineare on green roof

2.2 綠色屋頂產流特征

采樣的4場降雨中包括1場中雨、2場大雨和1場暴雨。除7月7日降雨外，其他3場降雨相同基質的15 cm綠色屋頂產流量均小于基質厚度為10 cm的綠色屋頂，輕質基綠色屋頂產流量最大，田園土綠色屋頂最少(表3)。

實驗綠色屋頂的平均徑流削減率在41.5%～67.8%間(圖2)，田園土綠色屋頂的平均徑流削減率略高于改良土，二者均顯著高于輕質基。基質厚度為15 cm的綠色屋頂的平均徑流削減率均高于10 cm基質厚度，G15、T15和Q15綠色屋頂的平均徑流削減率分別較G10、T10和Q10高7.3%、12.3%和5.0%。

表3 降雨及產流特征Tab.3 Characteristics of selected rainfall events and runoff

2.3 綠色屋頂徑流中營養元素質量濃度特征

圖中標有相同大寫字母(A, B, C)表示不同基質間無顯著差異(P>0.05)，標有相同的小寫字母(a, b)表示不同厚度間無顯著差異(P>0.05)，圖3，圖4相同。The same capital letters refer to no significant difference among different substrate type (P>0.05), the same lowercase letters refer to no significant difference between different substrate depth. The same in Fig.3 and Fig.4. 圖2 綠色屋頂徑流削減率Fig.2 Runoff reduction rates of green roofs

2.4 綠色屋頂徑流中可溶性重金屬質量濃度特征

2.4.1 可溶性鎘 2種基質厚度的田園土和輕質基綠色屋頂徑流中DCd的平均質量濃度無顯著差異且均略低于雨水(圖4a)，然而，10 cm厚度改良土綠色屋頂徑流中DCd質量濃度顯著高于15 cm厚度，且2個改良土綠色屋頂徑流中DCd質量濃度顯著高于輕質基。如表5，綠色屋頂均是DCd的匯，田園土綠色屋頂的DCd總污染負荷削減率最高，依次高于改良土和輕質基。15 cm基質厚度綠色屋頂對DCd的總污染負荷削減率均高于10 cm基質厚度。

2.4.2 可溶性鉻 3種基質類型的綠色屋頂徑流中DCr的平均質量濃度均高于雨水(0.86 μg/L)(圖4b)，田園土綠色屋頂徑流中DCr的平均質量濃度明顯高于其他2種基質。除改良土綠色屋頂外，其他2種基質類型15 cm厚度綠色屋頂徑流中DCr平均質量濃度均高于10 cm厚度。G15綠色屋頂的DCr總污染負荷削減率為18.6%，是DCr的匯(表5)。其他5個綠色屋頂徑流產生的DCr總污染負荷均高于雨水(161.9 μg/m2)，是DCr的來源。

2.4.3 可溶性銅 雨水中未檢出DCu，田園土綠色屋頂徑流DCu平均質量濃度顯著高于其他2種基質(圖4c)。G15和Q15綠色屋頂徑流中DCu平均質量濃度分別高于G10和Q10，但T10綠色屋頂徑流中DCu平均質量濃度明顯高于T15。綠色屋頂均是DCu的源(表5)，田園土綠色屋頂徑流中DCu的總污染負荷最高，輕質基綠色屋頂徑流中DCu的總污染負荷最低。基質厚度為10 cm的田園土、改良土和輕質基綠色屋頂產生的污染負荷分別為2 842.3、788.0和410.8 μg/m2，均高于基質厚度為15 cm的同基質綠色屋頂。

圖3 各綠色屋頂徑流中營養元素質量濃度Fig.3 Nutrient concentrations of runoff from different green roofs

表4 不同基質類型和厚度綠色屋頂徑流和雨水營養元素污染負荷

DCd、DCr、DCu和DNi分別代表溶解態的鎘、鉻、銅、鎳。DCd, DCr, DCu, DNi refers to dissolved Cd, Cr, Cu, and Ni. 圖4 各綠色屋頂徑流中重金屬質量濃度Fig.4 Concentrations of soluble metals from different green roofs

表5 不同基質類型和厚度綠色屋頂徑流和雨水重金屬污染負荷

2.4.4 可溶性鎳 雨水中DNi的平均質量濃度為1.20 μg/L (圖4d)，綠色屋頂徑流中DNi的平均質量濃度均高于雨水。田園土綠色屋頂徑流中DNi的平均質量濃度高于其他2種基質，但差異不顯著。10 cm基質厚度的田園土和輕質基綠色屋頂徑流中DNi平均質量濃度高于15 cm厚度，而改良土綠色屋頂卻相反。雨水的DNi總污染負荷為257.7 μg/m2(表5)，綠色屋頂徑流的DNi總污染負荷均高于雨水，是DNi的源。基質厚度為10 cm的綠色屋頂徑流中DNi的總污染負荷均高于基質厚度為15 cm的綠色屋頂。T10產生的DNi污染負荷最高，較雨水增加114.9%。

3 討論

3.1 基質類型和厚度對綠色屋頂徑流削減率的影響

15 cm基質厚度田園土、改良土和輕質基綠色屋頂的平均徑流削減率分別為67.3%、60.3%和46.6%，均高于為10 cm厚度同基質綠色屋頂(分別為55.6%、53.0%和41.5%)。綠色屋頂雨水滯留能力主要受基質層儲水能力影響[24]，15 cm厚度基質擁有更多儲水空間，因此，15 cm基質厚度綠色屋頂平均徑流削減率明顯較高。當雨前干期較短，氣象條件不利于綠色屋頂蒸散發時，則會影響基質儲水能力的恢復[25]，這可能是7月7日的降雨中G15和Q15綠色屋頂產流量均略高于G10和Q10的原因之一。另一方面，改良土綠色屋頂的飽和導水率與輕質基相近(表6)，但孔隙度和田間持水量均明顯高于后者，儲水能力更強[10,21]，所以改良土綠色屋頂的徑流削減率顯著高于輕質基綠色屋頂。田園土的飽和導水率不足其他2種基質的1/3，且在使用過程中容易板結[9]，降雨強度較大時田園土綠色屋頂表面會產生積水(圖5)，這可能是造成田園土綠色屋頂徑流削減率高于另外2種基質的主要原因。

3.2 基質類型和厚度對綠色屋頂徑流水質的影響

綠色屋頂徑流水質同時受基質的類型和厚度、植被類型與生長情況、實驗區周邊環境、管理措施、氣象因素等[13,26- 28]影響。本研究的6個綠色屋頂，除基質類型和厚度差異外，所有控制條件均相同，因此，基質差異和因基質差異造成的植物生長差異是影響徑流水質的主要因素。

表6 綠色屋頂基質特性Tab.6 Properties of substrates on the green roof

圖5 田園土表面積水實拍圖Fig.5 Real shot of hydrops on local planting soil surface

6個綠色屋頂徑流中DCd的平均質量濃度均與雨水相近，但因綠色屋頂具有徑流削減功能[7]，6個綠色屋頂均是DCd的匯，且DCd的污染負荷削減能力同徑流削減率規律相同。受基質成分[14]、大氣沉降[6]、植被作用[12,32]和建設材料[2]等因素的影響，綠色屋頂也可能為重金屬污染的源。實驗的綠色屋頂徑流中DCr、DCu、DNi的平均質量濃度都明顯高于雨水，其中，田園土綠色屋頂徑流的DCu的平均質量濃度顯著高于另外2組綠色屋頂，化肥和農藥的殘留可能是造成此現象的根本原因。總體對比金屬元素的污染負荷，除輕質基綠色屋頂徑流中的DCr外，所有基質厚度為15 cm的綠色屋頂徑流中重金屬的污染負荷低于10 cm的綠色屋頂，綠色屋頂的徑流削減能力對徑流中重金屬污染負荷有重要影響。

3.3 建議與展望

基質厚度的差異會同時影響綠色屋頂產流量和徑流污染物濃度，進而影響總污染負荷。因此，應根據植物生長、徑流調控、建筑承載能力和經濟可行性等實際需求合理設計基質厚度。

4 結論

1)實驗綠色屋頂平均徑流削減率在41.5%～67.8%間，均有較好的徑流調控功能，田園土和改良土綠色屋頂的徑流削減率顯著高于輕質基綠色屋頂(P<0.05)。基質厚度為15 cm的綠色屋頂平均徑流削減率較基質厚度為10 cm的對照組高5.0%～12.3%。

3)實驗綠色屋頂均是DCd的匯，均是DCr(15 cm厚度改良土綠色屋頂除外)、DCu和DNi的源。

4)田園土密度大、易板結且含徑流污染物濃度相對較高，不適用于綠色屋頂。此外，基質厚度對綠色屋頂徑流水質的影響會因基質類型不同而存在差異。因此，在綠色屋頂建設時，應綜合考慮屋頂荷載、植被、徑流調控、徑流水質等因素選擇適合的基質類型和厚度。