2017, Vol. 37
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2. 河北省农业区划办公室, 石家庄 050000;
3. 内蒙古第八地质矿产勘查开发院, 乌海 016000
2. Agriculture Regional Planning Office of Hebei Province, Shijiazhuang 050000;
3. Inner Mongolia Eighth Geological Mineral Exploration Institute, Wuhai 016000
随着我国城市化进程的加快，城市面积和规模不断扩大，城市中不透水下垫面 (路面、屋面、广场等) 所占比例迅速增高，进而改变了城市原有的水文循环、气候发生变化、城市热岛效应 (Gill et al., 2007).此外，增加了城市发生洪涝灾害的风险以及恶化受纳水体的水质 (Beecham et al., 2015).近年来，城市管理者及相关科研人员对该问题非常重视.
绿色屋面即植被屋面或生态屋面，是指在各类建筑物、构筑物和城墙的顶部种植植物，是生态城市建设的重要措施之一 (王晓晨等, 2015).近年来，绿色屋面技术已经在德国、美国、新加坡、瑞典等发达国家得到了应用和推广.而我国在绿色屋面的建设方面起步较晚，目前正处于探索阶段.近年来，在一些大中城市如北京、重庆、上海等正积极推广绿色屋面的构建 (郑美芳等, 2013；段丙政等，2013；Zhang et al., 2014).
国外大量研究报道已经表明，绿色屋面具有多重环境效益，如：绿色屋面能够滞留部分暴雨径流和延缓径流的峰值时间、降低城市内涝的风险 (Mentens et al., 2006；Lee et al., 2013)、减少城市热岛现象 (Fang, 2008; Teemusk et al., 2007)、改善空气质量 (Currie et al., 2008；Yang et al., 2008)、增加生物多样性 (Gedge et al., 2005)、以及美学价值等.但关于绿色屋面暴雨径流水质的研究存在争议，究其原因，主要是研究者所选取的绿色屋面基质组分、各地的环境条件以及绿色屋面的日常管理存在差异.
本研究主要针对绿色屋面基质对径流水质及水量的影响开展的，首先筛选了国内外常用的3种绿色屋面基质，基于模拟降雨实验，分析了3种屋面基质的径流滞留能力，探讨了3种屋面径流中污染物的析出规律及径流水质的差别，筛选出较为适宜的绿色屋面基质类型，以期为绿色屋面的科学构建和城市暴雨径流管理提供科学依据.
2 材料与方法 (Materials and methods) 2.1 基质组分选择本研究通过查阅国内外相关文献并参考《北京市屋顶绿化规范》(2005)，筛选了3种常用的绿色屋面基质组分，基质①是泥炭土、蛭石、珍珠岩和锯末，体积比为4:3:2:1(屋面绿化常用商业基质)；基质②是火山岩、泥炭土、锯末，体积比为6:3:1(火山岩基质)；基质③是田园土 (我国北方地区常用的田园土)(田园土基质).基质组分的理化性质见表 1.
| 表 1 基质组分的部分理化性质 Table 1 Several physico-chemical properties of the substrates |
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为了方便开展实验，本研究自制了模块式绿色屋面.模块绿色屋面放于整理箱中，整理箱规格是50 cm×33 cm×40 cm，材质为聚丙烯，模块式绿色屋面的结构由上至下依次为：基质层、过滤层、排水层和底板 (整理箱底面).基质层厚度为10 cm；过滤层选用聚酯纤维无纺布，规格为100 g·m-2；排水层选用新型块状塑料蓄水板，规格为33.3 cm×33.3 cm×2.0 cm.在整理箱的底面设有出水口.根据3种不同基质组分，制作了3个模块式绿色屋面，每种基质屋面3个重复.
2.3 模拟降雨实验设计通过自主研发的模拟降雨实验装置，分别设置不同降雨强度的模拟降雨事件，模拟降雨量分别为50、60、70和80 mm.当模拟降雨产流时即开始采样，采样间隔为5~10 min (根据产流量而定)，直至模拟降雨实验结束，采样同时测定径流量，并记录径流过程特征，筛选出对径流水质最好且滞留径流效果最佳的基质组分类型.实验用水为自来水，4次模拟降雨实验的水质情况见表 2，模拟降雨特征见表 3.
| 表 2 实验水水质情况表 Table 2 Water quality of experiment water |
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| 表 3 模拟降雨事件的降雨特征 Table 3 Rainfall characteristics for the simulated rainfall events |
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径流监测指标包括pH、EC、TSS、COD、TN、TP.pH分析使用美国Hach公司生产的HQ40D便携式多参数水质分析仪；其余水质指标均按照国家环保总局《水和废水监测分析方法》(2002) 进行测定.
3 结果与分析 (Results and analysis) 3.1 径流滞留特征通过分析4种不同强度的模拟降雨事件发现 (表 4)：商业基质的滞留率最高，达到51.1%，火山岩基质和田园土基质的滞留率分别为33.6%和30.4%.经统计分析发现，商业基质的滞留率要显著高于火山岩基质和田园土基质的滞留率，火山岩基质的径流滞留率与田园土基质无显著差异.
| 表 4 3种基质组分的径流滞留率比较1) Table 4 Comparison of runoff retention ratio for three kind substrate components |
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由于6月20日的模拟降雨实验 (50 mm降雨)，3种基质屋面仅采集到2~3个样品，因此，分析屋面径流污染物析出特征时，未分析该次模拟降雨事件.
① pH和EC的径流析出特征
由图 1a可见，随着模拟降雨实验次数的增加，3种基质屋面径流pH呈逐渐降低趋势.其中，商业基质经过2次模拟实验后，径流中pH稳定在6.5~7.2之间，是植物生长最有利的pH的范围.然而，火山岩基质和田园土基质经过2次模拟实验后，径流中pH分别稳定在7.7~8.0和8.3~8.5之间，且有上升的趋势，可见，火山岩基质和田园土基质中含有碱性物质较多，导致经过2次强降雨冲刷后，径流pH仍然很高，对植物的生长有一定影响.此外，实验用水的pH在7.5~8.0之间，4次模拟降雨实验中，商业基质径流pH均低于该范围，均值为6.99，可见，商业基质可以很好的中和模拟降雨的pH.而火山岩基质和田园土基质径流pH的均值为8.01和8.58，均未能有效的中和模拟降雨的pH.
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| 图 1 pH (a) 和EC (b) 随屋面径流历时的变化曲线图 (注：图中田园土基质EC的浓度值缩小10倍) Fig. 1 Pollutographs for the pH (a) and EC (b) with the roof runoff time |
由图 1b可以看出，随着模拟降雨实验次数的增加，3种基质屋面径流EC呈逐渐降低趋势.其中，商业基质和火山岩基质4次模拟降雨实验的EC均值为957和975 μS·cm-1，但是，田园土基质4次模拟降雨实验的EC均值高达3974 μS·cm-1，高于商业基质和火山岩基质4倍，可见，田园土基质含有大量的盐分和离子等，对径流水质造成严重影响.
② TN和TP的径流析出特征
由图 2a可见，随着模拟降雨历时的增加，径流中TN的浓度呈现出逐渐降低的趋势.但是，随着降雨强度的增加，商业基质径流中TN的浓度逐渐增加，且径流中TN的析出率较高，均值为17.47 mg·L-1，超出了地表水质量标准的Ⅴ类 (2.0 mg·L-1).火山岩基质在后3次模拟降雨事件中，径流TN的浓度较为稳定，未呈现出随降雨强度和降雨历时增加径流中TN浓度也相应增大的现象，径流中，TN的浓度虽已超出地表水质量标准的Ⅴ类，但是，显著低于商业基质径流中TN的浓度.值得注意的是，在第1次模拟降雨事件里，由于屋面刚刚组建，基质中所含营养成分较高，导致径流中TN的析出率高达30.09 mg·L-1.田园土基质在4次模拟降雨事件中，径流TN的浓度都要大于商业基质和火山岩基质，均值高达36.96 mg·L-1，并且随着降雨强度和降雨历时的增加，径流中TN的浓度波动较小 (33~38 mg·L-1).
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| 图 2 TN (a) 和TP (b) 随屋面径流历时的变化曲线图 (注：图中田园土基质TP的浓度值缩小10倍) Fig. 2 Pollutographs for the TN (a) and TP (b) with the roof runoff time |
由图 2b可知，随着模拟降雨实验次数的增加，3种基质径流中TP的浓度呈现逐渐降低的趋势，可见，屋面基质中所含的TP逐渐被滤出.其中，田园土基质径流中TP的浓度要显著高于商业基质和火山岩基质，4次模拟降雨实验的均值高达2.64 mg·L-1，超出了地表水质量标准的Ⅴ类 (0.4 mg·L-1)，而商业基质和火山岩基质径流中TP的浓度均值为0.10和0.09 mg·L-1.
③ COD和TSS的径流析出特征
由图 3可见，总体上看，3种基质径流中COD和TSS的浓度变化趋势不明显，但也呈现出一定变化.其中，商业基质径流中COD的值随着降雨强度的增加而呈现出逐渐升高的趋势，且浓度波动相对较小，而径流中TSS的浓度呈现出随着降雨实验次数的增加逐渐降低的趋势.火山岩基质径流中COD和TSS的浓度波动较大，随着降雨历时的延长，呈现出逐渐降低的趋势，但是，火山岩基质径流中COD的值要高于商业基质.田园土基质径流中COD和TSS的浓度波动较小，随着降雨历时的延长，呈现出逐渐降低的趋势.
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| 图 3 COD (a) 和TSS (b) 随屋面径流历时的变化曲线图 (注：图中田园土基质COD、TSS的浓度值缩小10倍) Fig. 3 Pollutographs for the COD (a) and TSS (b) with the roof runoff time |
通过分析4种不同强度的模拟降雨事件发现 (表 5)：田园土基质屋面径流EC、TN、COD、TP和TSS的浓度均值高达3973.54、36.96、503.67、2.64和92.02 mg·L-1，显著高于商业基质和火山岩基质，商业基质径流中pH显著低于火山岩基质和田园土基质；商业基质径流中EC、TN、TP、COD和TSS的浓度与火山岩基质无明显差异，且pH和TP均值未超出国家地表水环境质量Ⅴ类标准.但是，商业基质和火山岩基质径流中TN和COD均超出国家地表水环境质量Ⅴ类标准，其中，商业基质径流中TN的浓度均值大于火山岩基质，而火山岩基质的COD均值高于商业基质.
| 表 5 3种屋面基质的径流水质参数比较1) Table 5 Comparison of runoff water quality for three roof substrate |
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通过比较3种基质的径流水质TN、COD、TP和TSS的污染负荷 (表 6)：发现田园土基质径流水质参数TN、COD、TP和TSS的污染负荷高达1.680、23.13、0.120和4.100 g·m-2，要显著高于商业基质和火山岩基质径流水质的污染负荷.但是，商业基质和火山岩基质径流各水质参数的污染负荷无显著差异.
| 表 6 3种屋面基质的径流水质参数污染负荷比较1) Table 6 Comparison of the pollution load of runoff water quality for three roof substrate |
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绿色屋面调控暴雨径流水文过程主要表现在消减暴雨径流流量 (Lamera et al., 2014; Nawaz et al., 2015)，延缓径流产生时间和消减洪峰流量 (Hathaway et al., 2008)，改变污染物的析出规律等方面.本研究发现：3种不同组分基质的径流滞留率分别为商业基质为51.1%，火山岩基质为33.6%，田园土基质为30.4%，研究结果要低于先前的研究.Voyde等 (2010)研究发现，绿色屋面可以减少年径流量的66%.Zhang等 (2015)针对我国南方城市-重庆开展了绿色屋面截留减污能力的研究发现：绿色屋面的平均滞留径流的能力达到77.2%.Beecham等 (2015)在澳大利亚的奥德莱德研究发现，绿色屋面的滞留径流能力在51%~96%之间.造成上述差异的原因主要是由于本研究模拟降雨的降雨量和降雨强度较大有关.Carter和Rasmussen研究发现，随着降雨量的加大，绿色屋面的滞留能力逐渐减少 (Carter et al., 2006)，但是，他们监测的降雨事件涵盖了不同级别的降雨，即从小雨事件 (10 mm以下) 至暴雨事件 (50 mm以上).而本研究仅模拟了暴雨级别的降雨事件 (由于小雨事件不产流或产流很少)，因此，本研究所选用的3种基质的径流滞留率要低于先前的研究结果.
此外，基质层厚度和种植植物对绿色屋面的径流滞留率有显著影响.Zhang等 (2015)研究发现：基质层厚度是影响绿色屋面滞留径流能力的重要因素，基质层越厚，绿色屋面的吸水能力越强.德国屋面绿化导则指出，绿色屋面滞留径流能力的变化主要由基质层厚度不同引起 (Landschaftsbau, 2008).本研究所设计的绿色屋面基质层厚度为10 cm，而Zhang等 (2015)设计的绿色屋面的厚度为15 cm，这或许也是造成本研究绿色屋面滞留径流能力低于以往研究的原因.绿色屋面植物本身可以吸收一些水分且植物的蒸腾作用也可蒸发部分水分，因此，植物可以提高绿色屋面的滞留能力.Harper等 (2015)在美国密苏里州做了对比试验，研究发现：植物对绿色屋面减少径流量有显著的影响，其中未种植植物的绿色屋面可以减少40%屋面径流，而种植植物的绿色屋面可以减少60%屋面径流.本研究主要考察绿色屋面基质对降雨径流滞留的影响，因此，本研究设计的绿色屋面未种植植物，这也是造成上述差异的重要原因.
4.2 绿色屋面不同基质组分对降雨径流水质的影响绿色屋面在影响屋面径流水量的同时，也对径流水质和污染物的析出过程造成了严重的影响.近年来，针对绿色屋面对暴雨径流水质的影响成为了研究热点问题 (Beecham et al., 2015; Vijayaraghavan et al., 2014; Hashemi et al., 2015; Lee et al., 2015)，但是，研究结果差异很大.本研究发现：商业基质屋面可以很好的中和模拟降雨的pH.这个结果与先前研究结果一致 (Aitkenhead Peterson et al., 2011; Chen et al., 2013)，这个作用非常重要，可降低受纳水体遭受酸雨危害的风险.但是，3种不同基质的绿色屋面都释放了大量的TN和COD进入径流，是一个潜在的污染源.先前研究在绿色屋面对径流水质的源汇作用方面一直存在争议，如Vijayaraghavan等 (2012)和张千千等 (2015)研究发现：绿色屋面释放了大量的N、P等营养物质和TOC进入径流，被作为一个潜在的污染源；Seidl等 (2013)研究发现相反的结论，他们认为绿色屋面减少径流中N的浓度，是营养物质的汇；Zhang等 (2015)针对绿色屋面径流污染物的源汇特征作了更为详细的研究，发现：基于径流水质，绿色屋面增加了径流中TN、NH4+-N、NO3--N的浓度，是它们的污染源；但是，基于污染负荷分析，绿色屋面增加了径流中NO3--N的污染负荷，但是，减少了径流中NH4+-N的负荷，是它的汇.Zhang等 (2014)也发现绿色屋面径流中TOC浓度和COD显著高于控制屋面.
造成上述争议的原因主要是研究者所选择绿色屋面基质组分、绿色屋面的组建、径流的监测时间、以及各地的空气质量存在差异的缘故 (Alsup et al., 2010).本研究发现商业基质和火山岩基质径流中TP的浓度仅为0.10 mg·L-1和0.09 mg·L-1，而田园土基质径流中TP的浓度高达2.64 mg·L-1，超出国家地表水环境质量Ⅴ类标准，这也证实了不同基质组分对径流水质有显著的影响.一些学者为了保证屋面植物的正常生长，所选屋面基质含有有机物的比例较高 (大于20%)，有些学者考虑到屋面基质对径流水质的影响，所组建的基质有机物含量低 (10%~20%).对此，德国的FLL制定了更为严格的标准，限制屋面基质中有机物所占的比例要小于10%(Landschaftsbau, 2008).本研究设计的3种绿色屋面基质有机质含量分别为：商业基质为35%，火山岩基质为23%，田园土基质为24%，这可能是造成3种屋面径流中的大量析出TN和COD的主要原因.因此，在绿色屋面技术的推广应用中应严格设计屋面基质的有机物含量，使其即满足植物生长的需要，又不对径流水质造成太大的影响.
4.3 绿色屋面基质筛选绿色屋面之所以可以调控暴雨径流的水文过程，净化或污染径流水质，是由于绿色屋面基质层的存在，因此，开展绿色屋面基质筛选的研究工作尤为重要.屋面基质筛选主要考察2项指标：基质的径流滞留能力和对水质的影响.本研究选择了国内外常用的3种绿色屋面基质，通过综合分析上述2项指标发现：商业基质的径流滞留率要显著高于火山岩基质和田园土基质；田园土基质各水质指标的浓度均显著高于商业基质和火山岩基质，商业基质能够有效的中和模拟降雨的pH，径流中EC、TN、TP、COD和TSS的浓度与火山岩基质无显著差异.商业基质和火山岩基质径流中TN浓度和COD均超出国家地表水环境质量Ⅴ类标准.基于上述结果的综合考虑，认为商业基质是我国北方地区较为适宜的绿色屋面基质类型.但是，商业基质中有机物的体积比需要降低，以免对水环境造成影响.
5 结论 (Conclusions)1) 通过模拟50~80 mm的降雨事件发现，商业基质的滞留率最高，达到51.1%，火山岩基质和田园土基质的滞留率分别为33.6%和30.4%；基于污染物的析出规律分析，3种基质屋面径流中各水质参数呈现出随降雨历时的延长，浓度呈逐渐降低的趋势.
2) 基于径流水质分析，田园土基质屋面径流各水质指标的浓度均值都要高于商业基质屋面和火山岩基质屋面；商业基质屋面能够有效的中和模拟降雨的pH，径流中EC、TN、TP、COD和TSS的浓度与火山岩基质屋面无明显差异，商业基质屋面和火山岩基质屋面径流中TN和COD均超出国家地表水环境质量Ⅴ类标准.
3) 基于径流滞留率和水质综合分析，认为商业基质是我国北方地区较为适宜的绿色屋面基质组分.但是，该基质组分中有机物的体积比需要降低，以免对水环境造成影响.
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