綠色屋頂常用改良土基質初期污染物淋失特性實驗研究*

杜 超 宋瑞平 陳國芬 馬文瀅 郭 帥#

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市不透水區域面積占比越來越高，城市水環境污染和內澇問題日趨嚴重。因此，近些年基于低影響開發(LID)的雨洪管理理念與技術得到日益廣泛的重視與推廣。而綠色屋頂設施，作為眾多LID技術中的一種，因不占用城市用地資源[1]，且具備雨水徑流量削減、徑流峰期延滯、節約能源、減少空氣和噪音污染等諸多效益，得到大量的研究與應用[2-4]。

鐘興等[5]通過構建綠色屋頂小試裝置，探究了不同基質對綠色屋頂出流水質的影響，結果表明粗放式綠色屋頂裝置能夠在一定程度上滯留氮，但表現為磷的釋放源。沈柳倩[6]通過比較綠色屋頂和普通瀝青屋頂的出流水質特征，發現綠色屋頂出流的氮、磷污染物濃度高于普通瀝青屋頂。KARCZMARCZYK等[7]采用綠色屋頂基質室內萃取實驗和室外模型長期監測相結合的方式研究了幾種常用基質的磷排放特性，發現新建的綠色屋頂基質中含有大量磷，存在引起淡水生態系統富營養化的風險，建議綠色屋頂應采取減磷措施。WANG等[8]在模擬降雨條件下，比較了由上層有機營養層和下層無機吸附層(活性炭、珍珠巖和蛭石混合)構成的雙基質層綠色屋頂與傳統單層綠色屋頂的出流水質特征，結果表明雙基質層綠色屋頂可以匯集有機物、重金屬和氮污染物，在較強降雨下具有磷釋放風險。鐘登杰等[9]在總結前人的研究后認為，綠色屋頂基質材料是影響初期雨水出流水質的關鍵因素，選擇能滿足植物生長需求，同時又能控制營養物輸出的基質是解決以上問題的途徑之一。

綜上可知，綠色屋頂基質構成對其出流水質有著至關重要的影響，綠色屋頂對于雨水中各類污染物表現為匯還是源可能取決于基質層的特性，但目前尚未形成明確結論。為此，本研究以綠色屋頂基質類型為主要研究變量，利用《種植屋面工程技術規程》(JGJ 155—2013)中推薦的7種常用改良土作為基質構建9套綠色屋頂模型裝置，通過定量分析各綠色屋頂出流的總氮(TN)、硝態氮、亞硝態氮、氨氮、總磷(TP)、COD以及濁度的淋失特性曲線，得到綠色屋頂出流特性的關鍵影響因素，研究成果可為綠色屋頂構造基質的選擇提供參考，以降低綠色屋頂成為城市地區非點源污染的潛在可能[10]。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置與材料

構建9套綠色屋頂模型裝置，裝置編號及構造參數見表1。9套裝置中，GR1～GR7用于對比分析不同基質結構對綠色屋頂污染物淋失特性的影響，GR4、GR4-125、GR4-150用于研究基質厚度對污染物淋失特性的影響。裝置箱體尺寸為1.00 m×1.00 m×0.15 m，排水坡度設為4%，較低一端中間位置開有22.0 mm的排水孔和32.3 mm的溢流孔，分別用于收集滲濾液和表面徑流。將綠色屋頂模型裝置置于圓形鋼材擔架上，以便于后期開展人工降雨實驗。根據JGJ 155—2013要求，裝置由下至上依次為排水層、過濾層、基質層、植被層。排水層由980 g/m2聚氯乙烯雙面凹凸型蓄排水板構成，凹凸高度2.8 cm，抗壓強度500 kg/m2；過濾層采用130 g/m2聚酯無紡布，防止基質顆粒隨水流出裝置，鋪設兩層；基質層選用綠色屋頂常用改良土，鋪設厚度根據實驗要求設定；植被層選用生存能力較強的佛甲草，種植間距為5～6 cm。

表1 綠色屋頂模型裝置編號及構造參數

綠色屋頂模型裝置于2019年構建完成并開展實驗，2020年7月完成實驗。實驗期間日均氣溫在0～30 ℃，總體呈先降低再升高的趨勢；月均相對濕度為70.5%～92.8%，波動較大，最低值發生在2020年4月，最高值發生在2020年7月。

1.2 人工降雨與監測

本研究采用室外自然降雨和室內人工降雨相結合的方式開展實驗，當室外發生降雨時收集雨水樣品以及各裝置的出流水樣，進行水質分析；若一周內未降雨，則采用自來水為人工雨水進行室內人工降雨實驗，室內人工降雨裝置見圖1。室內人工降雨按照合肥市一年一遇、持續時間30 min模式設計降雨強度，根據合肥市暴雨強度公式，計算得到降雨強度為0.9 mm/min。裝置出流全程收集，由電子天平實時稱量，降雨實驗結束后取各裝置出流進行水質分析。

1—儲水器；2—噴頭；3—綠色屋頂模擬裝置；4—電子天平；5—降雨裝置骨架

1.3 水質分析

將實驗收集的水樣儲存于4 ℃的冰箱內，并及時進行水質分析[11]。TN采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測定；硝態氮采用紫外分光光度法測定；亞硝態氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測定；TP采用過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法測定；COD采用快速密閉催化消解法測定；濁度采用便攜式濁度計測定。

2 實驗結果與討論

實驗分3個階段進行，第1階段(2019年12月至2020年1月)為裝置構建的初期階段，共開展6次降雨實驗與出流水質分析；第2階段(2020年2月至2020年6月)為植被自然生長階段，期間不進行降雨與出流水質分析；第3階段(2020年7月)為后期階段，進行2次自然降雨實驗與出流分析。實驗期間人工降雨用水和收集的自然雨水水質指標以及各降雨事件特性見表2。

表2 降雨事件特性及降雨污染物質量濃度

2.1 基質結構對出流TN的影響

各裝置8次降雨出流的TN及累計淋出量變化見圖2。由圖2(a)可見，不同裝置出流的TN淋失特性存在顯著差異。GR2、GR3、GR6、GR7出流的TN濃度較高，且總體呈現出較明顯的下降特性，而GR1、GR4、GR5出流的TN濃度一直處于較低水平，隨著實驗的進行并未出現較大的波動。TN累計淋出量可以表征不同基質結構對TN淋失的影響，由圖2(b)可見，GR2、GR6的TN淋失問題相對嚴重，而GR1的TN累計淋出量最低。對各裝置出流硝態氮、亞硝態氮及氨氮濃度進行分析，發現各裝置出流亞硝態氮含量都較低，變化范圍較小，其中GR1、GR4和GR5初期出流硝態氮、亞硝態氮濃度均低于雨水中的濃度，表現出了一定的削減效果，可能是植物和基質對硝態氮和亞硝態氮產生了滯留效應[12]。同時，在出流TN濃度較高的GR2、GR3、GR6中觀測到了較高濃度的氨氮淋失。

圖2 各裝置出流的TN質量濃度及累計淋出量變化

對GR1～GR7構建初期階段出流的污染物平均濃度進行統計，結果見表3。可以看出，GR1出流的TN平均質量濃度最低，僅為0.58 mg/L。GR1的基質構成為等體積比的田園土和浮石，未添加額外的營養物質，表明本研究使用的田園土不會帶來較嚴重的氮淋失。GR2出流的TN平均質量濃度最高，達到了17.16 mg/L，遠超《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅴ類標準(2.0 mg/L)。GR2的基質構成為田園土、草炭、松針土，同樣具有草炭和松針土的GR3出流TN含量也較高。因此，推測GR2、GR3出流的高濃度TN可歸因于基質中添加的草炭和松針土。結合GR2、GR3出流硝態氮、亞硝態氮和氨氮的濃度可知，出流TN中含有一定有機氮，這可能與草炭中所含大量腐殖質有關。GR6出流的TN濃度也較高，由于其基質構成為腐葉土、蛭石、沙土，應是基質中添加的腐葉土導致。

2.2 基質結構對出流TP的影響

各裝置8次降雨出流的TP及累計淋出量變化見圖3。由圖3(a)可見，各裝置出流TP濃度變化與TN表現出一定的相似性，GR2、GR3、GR6出流的TP濃度處于較高水平，且總體呈現下降趨勢，而GR1、GR4、GR5出流的TP濃度一直處于較低水平，且較為穩定。此外，可觀察到基質構成相似的GR2、GR3出流TP濃度一直保持相似的水平，對比具有相似改良土組分的GR7，可推知GR2、GR3的TP淋失是由于改良土中添加的松針土所致。在實驗后期階段，2次降雨事件中所有裝置的出流TP濃度都達到了較低水平，且部分裝置出流的TP濃度低于檢出限。可見，綠色屋頂設施在運行一段時間后，不再存在嚴重的磷淋失問題。由圖3(b)可見，GR6的TP淋失問題相對嚴重，而GR1、GR4、GR5的TP累計淋出量最低。由表3可見，初期階段GR6出流的TP平均質量濃度最高(2.98 mg/L)，遠高于GB 3838—2002的Ⅴ類標準(0.4 ，存在磷淋失問題。GR1、GR4、GR5出流的TP平均質量濃度為0.06～0.16 mg/L，滿足GB 3838—2002中Ⅲ類標準(0.2 mg/L)，不存在較高的磷淋失風險。GR4、GR5、GR6基質構成中均包括蛭石，而GR6出流的TP濃度高于GR4、GR5，可見是基質中添加的腐葉土導致較高濃度的磷淋失。

表3 GR1～GR7構建初期階段出流污染物的平均質量濃度

圖3 各裝置出流的TP質量濃度及累計淋出量變化

2.3 基質結構對出流COD的影響

各裝置8次降雨出流的COD及累計淋出量變化見圖4。由圖4(a)可見，初期階段的6次降雨事件中，GR2、GR3、GR6出流的COD濃度一直處于較高水平并緩慢下降，GR4、GR5出流的COD濃度呈現先上升后下降的趨勢，但GR7出流的COD濃度沒有觀察到明顯的下降趨勢。GR7的基質組成為田園土、草炭、蛭石和肥料，基質中使用的肥料為顆粒狀生物有機肥，隨著時間的推移會緩慢溶解、釋放，從而導致出流的COD濃度總體保持增加趨勢。實驗過程中觀察到GR7構建初期植物的生長情況較差，但在植被自然生長階段植物生長情況有所逆轉，這可能與降雨過程使基質中各種物質淋失，肥料比例發生變化有關。由圖4(b)可見，GR6、GR2、GR3的COD淋失問題相對嚴重，而GR1、GR4、GR5的COD累計淋出量最低。

圖4 各裝置出流的COD質量濃度及累計淋出量變化

由裝置構建初期階段出流的COD平均濃度可知(見表3)，GR2、GR3、GR6存在較嚴重的COD淋失問題，3個裝置的出流水體顏色呈黃色或茶色，BECK等[13]在研究中也觀察到相似現象，推測出流的有機物主要以腐殖酸的形式存在。因此，在應用此類改良土作為綠色屋頂的基質時，應當根據改良土的成分特性，適當減少草炭、松針土和腐葉土的添加比例。GR3出流的COD明顯低于GR2，表明珍珠巖可在一定程度上降低有機污染物的淋失；GR1由于沒有添加額外的營養物質，所以出流的COD濃度很低，達到了GB 3838—2002中Ⅲ類標準(20 mg/L)，但在實驗植被自然生長階段觀察到裝置內植物生長情況較差。

2.4 基質結構對出流濁度的影響

各裝置8次降雨出流的濁度變化見圖5。初期階段各裝置出流濁度總體均呈波動下降的趨勢，到后期階段，各裝置出流濁度均達到較低水平，濁度出流特征與CHEN等[14]觀察到的現象一致。結合表3數據，初期階段GR2、GR3出流的平均濁度分別為120.92、137.13 NTU，GR2、GR3基質構成較相似，GR3出流濁度略高于GR2，可能與GR3基質中添加珍珠巖有關。珍珠巖可以提高土壤的透氣性及滲透性能，使雨水滲透速度更快，從而攜帶更多的土壤顆粒。

圖5 各裝置出流濁度

2.5 基質厚度影響分析

為考察基質厚度對綠色屋頂污染物淋出特性的影響，比較GR4、GR4-125、GR4-150構建初期階段的出流TN、TP、COD及濁度，結果見表4。

由表4可見，隨著裝置基質厚度增加，出流TN淋失越多，說明基質厚度是影響綠色屋頂出流氮淋失的重要因素，這與WANG等[15]得到的結論相同。GR4、GR4-125、GR4-150出流TP含量變化不大，具有較厚基質層的GR4-125、GR4-150出流TP濃度略低于GR4，盧浩等[16]也觀測到相似的實驗現象，這可能與水中磷的存在形式有關。磷易被顆粒物吸附，基質中淋出的TP主要以顆粒態的形式存在[17]，王彪等[18]的研究結果也證實了該結論。GR4出流的濁度最高，因此也造成較多的磷淋失。隨著基質厚度的增加，GR4、GR4-125、GR4-150出流COD濃度呈增加趨勢，而出流濁度則呈下降趨勢。總體看來，基質厚度對TN和COD的淋失影響較大，對TP的淋失影響較小。

表4 GR4、GR4-125、GR4-150構建初期階段的出流污染物濃度

3 結論與建議

以7種常用改良土為基質構建綠色屋頂模型裝置，并對各裝置構建初期生物污染物淋出特征進行分析，結果表明：GR1的基質構成為田園土和浮石，未添加額外的營養物質，因此出流的TN、TP、COD、濁度水平均很低，沒有污染物淋失風險，但植被自然生長階段植物生長情況較差，建議未來應用時需要根據實際情況額外添加適當比例的營養物質；GR6構建初期出流TN、TP、COD質量濃度分別達到了13.61、2.98、684.87 mg/L，會導致較高濃度的氮、磷和有機物淋失，在綠色屋頂基質選擇時應當謹慎使用；GR2、GR3出流的TN、TP、COD淋失濃度也較高，未來應用時可適當縮減草炭和松針土的比例；GR7中添加了生物有機肥，因此出流COD濃度有上升的趨勢，為平衡植物生長與出流水質，后續綠色屋頂模型構建實驗需探究較為合適的肥料添加比例；GR4、GR5出流的氮、磷污染物濃度較低，表現出硝態氮和亞硝態氮的滯留效應，且裝置內植物生長情況一直較優良，在與其他基質類型的綜合比較之下，推薦綠色屋頂建造時優先選擇此兩種改良土基質。基質厚度對TN和COD的淋失影響較大，對TP的淋失影響較小。