许浩浩;吕伟娅
【摘 要】综述了国内外对绿屋顶控制城市降雨径流的研究,论述了净化径流污染的研究进展,指出了目前研究中存在的不足,并对该技术今后的研究与实践提出了展望,对于国内业界深入了解国内外屋顶绿化具有一定意义.
【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2018(039)011
【总页数】5页(P134-138)
【关键词】绿屋顶;降雨径流总量;径流污染;净化效果
【作 者】许浩浩;吕伟娅
【作者单位】南京工业大学,江苏 南京 211816;南京工业大学,江苏 南京 211816
【正文语种】中 文
【中图分类】X522
随着中国城市化快速发展，城市不透水下垫面面积比例不断增加，导致原有的自然水文循环机制受到破坏，由此引发了城市地表径流污染、洪涝灾害和水资源短缺等问题[1]。研究表明[2]，开发前的自然生态系统可以截留渗透并吸收80%的降雨，而城市化改变了原有的下垫面条件，导致地表渗透性能大幅度下降，此时仅能截留20%的降雨，80%的雨水形成地表径流，从而引发城市内涝灾害。屋顶作为城市区域不透水下垫面的重要组成部分，其面积占城市不透水下垫面总面积的比例高达40%～50%[3]。大量研究表明，屋顶径流中携带大量的污染物，如营养物质、TSS、COD及重金属等。Long等[4]指出，屋顶坡度、屋顶空间位置、屋顶材料及大气沉降等对屋顶降雨径流水质会产生重要影响，使得屋顶降雨径流水质呈现复杂性和波动性，甚至劣于城市道路径流水质。为了解决城市降雨径流带来的负面效应，发达国家相继开发出了多种城市雨洪利用与管理的技术措施，如美国的低影响开发设计及暴雨最佳管理措施、英国的可持续城市雨水系统和澳大利亚的水敏感性城市设计。
作为现代城市暴雨管理最佳管理措施之一，绿屋顶不仅能削减暴雨径流量和洪峰、净化径
流污染，还具有缓解城市热岛效应和美化生态环境等功能。绿屋顶在欧美等发达国家已经成为控制城市屋顶降雨径流的最经济有效的措施。目前，中国对绿屋顶的研究还尚不够成熟，仅仅在北京、上海和广州等经济发达城市进行试点建设，其研究范围大都集中在节能效应和景观性能方面，对于绿屋顶滞蓄降雨径流和净化径流污染方面的研究较少[5]。因此研究绿屋顶对降雨径流的调控作用对缓解城市内涝、改善水环境质量和促进雨水资源化具有重要意义。
1 绿屋顶的分类及技术特点
绿屋顶也称屋顶绿化、屋顶花园和种植屋面等，是指利用植物在屋顶进行的一种绿化形式[6]，其结构包括植被层、土壤基质层、过滤层、排水层和防水层，通常还设置出流控制装置[7]。绿屋顶根据基质厚度可分为密集型绿屋顶和拓展型绿屋顶[5]，根据景观复杂程度又可分为花园式、草坪式和组合式[8]。一般认为，绿屋顶的结构组成、设计参数及相应功能自上而下依次为：①植被层，选择抗旱耐涝、易存活和吸附性强的植物，注重植物的种植密度、多样化组合及景观效益，吸收、过滤和拦截部分污染物；②土壤基质层，采用孔隙度大、结构稳定、比表面积大和吸附能力强的天然或人工基质材料[7]，系统削减暴雨径流和净
化径流污染的主要承担者；③过滤层，采用级配碎砂石或聚酯纤维类的无纺布构成网状或织物滤层，起过滤、沉淀部分污染物的功能[9]；④排水层，砾石或卵石，厚度100 mm[7]；⑤防水层，防止因渗水而损坏屋顶。
王晓晨2 绿屋顶滞蓄降雨径流
大量研究显示[5]，绿屋顶对降雨径流量有良好的削减效果，但是由于基质类型、厚度、降雨强度、运行时间、气候条件及坡度等不同，导致其截留效果范围呈现波动性。Virginia等[10]通过研究发现，绿屋顶的截流效果为46.7%。郑美芳等[9]研究表明，绿屋顶总截流率可达65%，且截流率随降雨强度的增大而减小。当降雨强度小于10 mm时，截流率近100%，当大暴雨时，截流率约为小雨时的30%。Sara等[11]试验发现，绿屋顶的截流能力变化范围为6.4%～100%，年平均截流能力为51.9%。Zhang等[12]研究显示，绿屋顶的截流能力变化范围为35.5%～100%，平均截流能力为77.2%，对于小型降雨(<10.0 mm)截留率近94%，对于中等降雨(10.0～24.9 mm)截留率为72%，大型降雨(25.0～49.9 mm)截留率为67%，对大暴雨(>50 mm)截留率为39%。绿屋顶能削减68%的城市降雨径流，年截留雨量可达758.7 mm。Lee等[13]试验表明，与混凝土屋顶的径流系数相比(0.9)，绿屋顶的径流
系数仅为0.44～0.52。拓展型绿屋顶对降雨强度小于20 mm/h的降雨有显著的削减效果，且随降雨强度的增加，削减效果反而降低。Wang等[15]研究表明，当屋顶占城市区域总面积的比例为25%、降雨持续时间15 min、降雨强度14.8 mm/h，区域内屋顶全部绿化时，降雨径流总量降低了31%，峰值降低了5.3%。Liang等[15]试验发现，绿屋顶可以延迟径流峰值形成的时间为3～13 min，对降雨径流的削减率达到了52.86%～71%。Ju等[16]研究表明，土壤基质厚度为200 mm和150 mm的绿屋顶对径流的削减率分别为42.8%～60.8%、13.8%～34.4%，降雨强度与峰值延迟时间呈负相关关系，且前期干旱天数越长，系统的截留能力越好。De等[17]研究发现，绿屋顶能够延迟产流5.7 h，延迟径流峰值2 h。Ma Lgorzata等[18]试验表明，绿屋顶从基质厚度的6 cm开始储存降雨径流，在旱期，降雨20 min后，系统对径流的截留率从68%逐渐上升到100%。Schroll等[19]研究表明，旱季绿屋顶能够截留65%的降雨径流，而雨季仅截留26%的降雨径流。
Speak等[20]研究发现，普通屋顶对降雨径流的削减率为33.6%，而绿屋顶对降雨径流的削减率高达65.7%，且绿屋顶基质有机物含量越高，尤其是小粒径有机颗粒物的含量越高，水量削减效果越明显。Grace等[21]实验表明，未种植植物的基质层对降雨径流的截留效果为40%，而种植植物的基质层的截留效果为60%。Zheng等[22]研究表明，单一植物的绿屋
顶比混合草本植物的绿屋顶有更好的截流能力，认为混合植物增加了水流流动性，导致底物含量降低，从而减少了锁水能力。Nagase等[23]实验显示，植物类型对绿屋顶截流能力有显著影响，植物越高、冠幅越大以及根茎越茂密，截留效果越好，截流能力由强到弱依次为：草坪、禾本科植物和景天科植物；且植物的多样性对绿屋顶截流能力的影响较弱。Chen等[5]研究表明，绿屋顶的截流能力随着坡度的增大而降低，坡度为2%的绿屋顶的截流效果为85.6%，而坡度为25%的绿屋顶的截流效果为76.4%。Wang等[24]研究表明，采用活性碳、珍珠岩和蛭石混合的双层绿屋顶比单层屋顶具有更好的降雨削减能力，双层绿屋顶的截流能力为65.9%，而单层绿屋顶为52.5%。Simon等[25]试验显示，运行5年后，绿屋顶的持水能力比初建时高12%，峰值削减率仍达45%，年持水能力变化最大幅度为27%，且绿屋顶夏季的截流效果优于冬季，但普通屋顶的持水能力随运行时间延长而逐渐降低。Abigail等[26]研究显示，介质颗粒内的孔隙度及空间分布是影响绿屋顶保持截流效果的重要因素，冬季的持水能力低于春夏季。还发现降雨前基质越干燥其截流效果越好。Cao等[27]研究发现，在向绿屋顶基质中添加40%的生物炭时，基质的持水能力显著增加。Claire等[28]试验表明，以硅酸盐为保水剂添加在基质中可以显著提升保水能力，且硅酸盐的效果优于水凝胶。
从上述研究可以发现，绿屋顶对径流的削减能力随降雨强度的增大而减小，在旱季的截流能力优于雨季。相比普通屋顶，绿屋顶可以更有效地削减暴雨径流总量及峰值，但是其截流效果范围变化较大。因此，选择合适的基质材料及优化组合配比、添加保水剂、设计较小坡度、增大基质层厚度及配置根茎茂密的单一植物等措施可以显著提高绿屋顶对水量的控制效果。
3 绿屋顶净化降雨径流
Wang等[3]研究表明，与对照屋顶相比，绿屋顶产流中硝酸根和磷酸根浓度相对较高，而总氮、总磷和氨氮浓度相对较低；除了氨氮，绿屋顶径流中总氮、硝酸根和总磷浓度均高于降雨雨水浓度；夏季径流污染物浓度比春秋季低，随着运行时间增加，总氮和硝酸根浓度降低，而总磷和磷酸盐浓度则呈现波动性。郑美芳等[9]试验显示，与普通混凝土屋顶相比，绿屋顶对TN和COD总负荷的削减率降低了47.2%和48.1%，而TP升高了11.4%，绿屋顶成为了P的释放源。Grace等[21]研究显示，绿屋顶对总氮、总磷和有机碳的去除率分别高达83.3%、66.6%、90%，污染物浓度随绿屋顶运行时间的延长而逐渐下降。Bruce等[29]研究显示，绿屋顶对径流中氨氮、总氮、凯氏氮、Zn和Pb的去除效果良好，但对总磷、磷
酸盐和Cu去除率不理想，出水浓度反而升高。Duan等[8]研究草坪屋顶、模块屋顶、基质屋顶和沥青屋顶对污染物的削减效果，结果表明，除了和TN，草坪屋顶、模块屋顶和基质屋顶的径流中和TP浓度均比沥青层顶低，污染物输出负荷中，除TN和外，其余污染物都有所削减，其中模块屋顶和草坪屋顶对NH3-N、TP、TDP和的削减率分别达到了75.35%、65.16%、83.02%和94.77%。
郑美芳等[9]研究绿屋顶A(基质层、排水层依次为田园土、碳渣)和绿屋顶B(人工基质、排水板)对降雨径流的净化效果。结果显示，绿屋顶A径流中TN、TP和COD浓度均值依次为2.07、0.08、23.8 mg/L，绿屋顶B径流中TN、TP和COD浓度均值依次为12.3、0.135、34.5 mg/L，绿屋顶A的净化效果明显优于绿屋顶B。Long等[4]试验显示，绿屋顶降雨径流总氮的60%～80%为硝态氮，且浅层绿屋顶降雨径流中COD、TN、TP、NH3-N和浓度分别是深层绿屋顶的0.25～0.26、0.3～0.5、0.07～0.09、0.3～0.6、0.05～0.06倍；前期干旱天数、气温与接骨草屋顶径流中的氨氮浓度呈显著负相关关系。Wang等[14]试验表明，当屋顶占城区总面积的25%、降雨持续时间15 min、降雨强度14.8 mm/h时，绿屋顶对TSS、TP、TN的削减率分别为40.0%、31.6%、29.8%，峰值浓度削减率分别为21.0%、16.0%、-12.2%；TP和TSS浓度削减率随屋顶绿化率的增加而增加，而TN浓度削减率则降
低；靠近流域总出水口进行屋面绿化，更有利于削减径流污染。
为了改善绿屋顶净化效果，许多研究人员从基质类型及配比组合、基质厚度和植物种类等方面进行优化改进。沈庆然等[30]研究显示，厌氧稳定污泥会造成TP和TN的大量淋失，给水厂污泥能够有效控制TP淋失且不影响植物对P的吸收，水厂污泥减少TP淋出质量占总质量的68.66%，稻壳炭有助于控制淋出，因此给水厂污泥和稻壳炭可以作为优化净化效果的改性基质材料，而厌氧稳定污泥则不适宜。Beck等[31]试验显示，在基质中添加适量的生物炭，可以显著提高系统对污染物的净化能力。Wang等[24]研究结果显示，用无机营养物质、膨胀珍珠岩和蛭石混合制作基质层可以显著增加系统对径流中磷酸盐、总磷、氨氮、硝酸盐氮、有机物及重金属的去除效果。沈庆然等[32]试验发现，粗放型绿屋顶对多环芳烃的平均削减率高达71.76%，绿屋顶去除机制主要依靠基质材料的截留及吸附作用，且增加基质层厚度，能显著增加设施对PAHs的去除效果。王晓晨等[33]研究表明，基质层厚度与污染物去除率存在正相关关系，当基质层增加50 mm时，系统对TN和COD的去除率提高15%。Emilsson等[34]试验显示，选择根茎发达的植物且合理配置植物种类有利于改善绿屋顶的净化效果。
大量研究表明，绿屋顶对TSS、COD和重金属等污染物有良好的净化效果，但对氮磷的处理效果不稳定，处理率较低。基质类型、植物种类、降雨强度和运行时间对净化效果有一定的影响。其中基质类型对其净化效果的影响最大。选择有机质含量低的(尤其是氮磷)基质材料并优化组合配比、增加基质层厚度、延长系统运行时间和配置吸附能力强的植物等可以显著增加系统对氮磷等污染物的去除能力。
4 结论与展望
作为现代城市暴雨最佳管理措施之一，绿屋顶因在控制降雨径流总量和净化径流污染方面的良好效果，已被美国等发达国家广泛应用。目前，中国对于绿屋顶的研究还处在起步阶段，缺乏绿屋顶滞蓄降雨径流的定量关系及水质净化效果方面的研究，其设计与应用还不够成熟。结合国外相关研究，对中国绿屋顶的发展提出以下几点建议。
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