灌木式屋頂綠化設計及對屋面初期雨水的凈化

黃啟華, 徐曉軍, 段正洋, 岳秀林, 龔詢木, 楊 成

(1.昆明理工大學 環(huán)境科學與工程學院, 云南 昆明 650500; 2.昆明市計劃供水節(jié)約用水辦公室, 云南 昆明 650500)

隨著城市化進程的加快，城市不透水下墊面面積呈上升趨勢，作為城市的“第五立面”，屋面在整個城市硬質(zhì)表面中所占的比例高達30%[1]。對降雨具有吸收和緩沖作用的城市綠地系統(tǒng)面積下降，給城市現(xiàn)有排水系統(tǒng)造成的壓力已經(jīng)超出其所能承受范圍，導致城市洪澇災害的發(fā)生頻率和強度加劇[2]。因此，作為一種新興的綠化補償手段，屋頂綠化成為提高有限的城市空間綠地率的最有效手段，同時也成為減緩和改善雨水徑流的輔助方法之一[3]。許多學者研究發(fā)現(xiàn)，在不同的降雨強度、種植層厚度及屋面坡度等條件下，屋頂綠化對雨水的滯蓄率可以達到20%～100%[4]，洪峰徑流量可消減44.2%[5]，屋面產(chǎn)流時間延遲可達90 min[6]。屋頂綠化通過基質(zhì)的吸附作用、基質(zhì)空隙的阻攔和蓄積作用、植被吸收和蒸騰作用等方式對雨水進行遲滯和蓄積。同時屋面初期雨水徑流污染最為嚴重，水質(zhì)渾濁，主要污染物為COD和SS，而總氮、總磷、重金屬和無機鹽等污染物濃度較低[7]。如果不對這部分雨水進行處理，而是直接排放到路面。則加重了路面雨水徑流的污染，造成雨水后期處理困難，不利于雨水回收和利用。但仍缺乏相關就輕型屋頂灌木綠化其荷載、吸蓄水能力及對雨水凈化效果的研究。若城市建設可以就地吸收、滯蓄、滲透、凈化、調(diào)節(jié)雨水，那么城市在發(fā)展過程中就可以從容應對環(huán)境變化和自然災害[8]。本文針對建筑物屋頂綠化，設計灌木式屋頂綠化(下文簡稱“屋頂綠化”)，分析研究其屋面承載力及對屋面初期雨水徑流污染物的凈化作用，以期為城市建設及屋頂綠化設計提供一定的理論指導及相關參數(shù)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 屋頂綠化結(jié)構(gòu)設計

屋頂綠化基本結(jié)構(gòu)包括：植被層、種植基質(zhì)層、隔離過濾層、排水層、根阻層、防水層、結(jié)構(gòu)層[9]，本文以種植基質(zhì)層和蓄排水層為重點進行結(jié)構(gòu)設計，同時探討在雨水利用中的相關作用。

(1) 種植基質(zhì)層。設計必須考慮屋頂?shù)暮奢d承受能力、植物根系生長要求，同時也能過濾、吸附雨水徑流中污染物。本研究根據(jù)選擇的植物種類、建設成本及種植基質(zhì)的保水、保肥、保溫、透氣性能的原則，采用的種植基質(zhì)為紅壤土與蛭石、珍珠巖、腐殖土復配而成，其中紅壤土：蛭石：珍珠巖：腐殖土=5∶1∶1∶3[10]，屋頂綠化的種植基質(zhì)層厚度為35 cm。

(2) 蓄排水層。其作用是將降雨及澆灌時多余的水分排走，同時儲存植物生長所需的水分，但不能存水過度，避免荷載過重[11]。本研究中采用陶粒鋪設構(gòu)成屋頂綠化的蓄排水層，確定屋頂綠化的蓄排水層厚度為15 cm，蓄水層厚度為5 cm。

1.2 水樣

研究水樣為昆明大學城環(huán)工樓水泥屋面雨水。采用收集到的屋面雨水為模擬的降雨徑流雨水，其重要污染物水質(zhì)指標詳見表1。

表1 屋面初期雨水徑流污染物濃度 mg/L

1.3 試驗裝置與方法

為便于觀察，試驗裝置采用長方形玻璃槽，周圍用黑色遮陽板封閉隔離陽光。屋頂綠化裝置尺寸為高×寬×長60 cm×60 cm×100 cm，從下到上依次為陶粒蓄排水層(15 cm，90 dm3)、隔離過濾層、種植基質(zhì)層(35 cm，210 dm3)和灌木植物層(金葉假連翹)。蓄排水層、種植基質(zhì)層底部設取樣出水口，以研究屋頂綠化對雨水的凈化效果。

先用塑料桶儲存收集到的屋面雨水，后采用蓬頭連接潛水泵抽取塑料桶中儲存的屋面雨水模擬降雨，淋灑屋頂灌木，試驗中通過控制蓬頭噴灑水量大小來調(diào)節(jié)處理的初期雨水量，從而調(diào)節(jié)雨水停留時間。在蓄排水口產(chǎn)生雨水徑流后開始取樣，前5個樣時間間隔為2 min，接著每5 min取樣，共取2個，最后每10 min取樣，共取2個，合計取9個樣。

1.4 分析方法

參照回用水水質(zhì)標準的相關水質(zhì)指標進行選擇分析，確定檢測分析懸浮物(SS)、化學需氧量(COD)、總氮(TN)和總磷(TP)4項指標，各項雨水水質(zhì)指標的分析方法見表2。

表2 雨水水質(zhì)指標分析檢測方法

2 結(jié)果與討論

2.1 屋頂綠化蓄水能力

屋頂綠化的蓄水量由種植基質(zhì)層蓄水量與蓄排水層蓄水量2部分組成，分別對這2部分進行蓄水試驗研究。

2.1.1 種植基質(zhì)蓄水能力研究 測量屋頂綠化各種植基質(zhì)和按比例復配好的輕型人工土壤吸水飽和后的質(zhì)量，通過與吸水前的質(zhì)量相比較，得出各種植基質(zhì)和輕型人工土壤的蓄水量。

以培養(yǎng)皿作為種植基質(zhì)蓄水能力研究的試驗容器，設立3組平行樣，分別稱量3組培養(yǎng)皿的質(zhì)量，并對應標號，記錄數(shù)據(jù)。稱量50 cm3基質(zhì)置于對應的培養(yǎng)皿中，用電子天平稱量各自的質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)作為基質(zhì)吸水前的質(zhì)量。稱量完后，分別用水浸沒，24 h后用吸水紙吸干培養(yǎng)皿中多余的水分，用電子天平稱量，記錄數(shù)據(jù)作為基質(zhì)吸水飽和的質(zhì)量，吸水前后2次質(zhì)量之差則為基質(zhì)的飽和蓄水量。幾種種植基質(zhì)的蓄水量詳見表3。

表3 種植基質(zhì)平均質(zhì)量或單位質(zhì)量蓄水量

根據(jù)表3可得，種植基質(zhì)的單位體積蓄水量為：蛭石>腐殖土>紅壤土>輕型人工土壤>珍珠巖；但幾種基質(zhì)的單位質(zhì)量蓄水量為：珍珠巖>腐殖土>蛭石>輕型人工土壤>紅壤土。

2.1.2 蓄排水層蓄水能力研究 陶粒排水層蓄水量：陶粒粒徑較大，采用燒杯測量陶粒的蓄水能力。試驗前，分別在2個燒杯中填充80，120 ml陶粒，稱重記錄數(shù)據(jù)。用水淹沒陶粒，24 h后，倒出燒杯中多余水分后稱重，記錄數(shù)據(jù)，則前后2次質(zhì)量之差為排水層陶粒本身的蓄水量。

測量陶粒蓄水層蓄水量時，前期操作同上。在用水淹沒陶粒24 h后，先壓制陶粒，吸出上層多余水分后稱重，記錄數(shù)據(jù)，為蓄水層(陶粒蓄水量+空隙儲水量)吸水飽和后的質(zhì)量。前后2次質(zhì)量之差為蓄水層的蓄水量(表4)。

表4屋頂綠化蓄排水層蓄水能力平均值

g/ml

2.2 屋頂綠化荷載

昆明市沒有關于屋頂綠化建設的相關規(guī)范及要求，本研究借鑒北京市《屋頂綠化規(guī)范》[12](下文簡稱《規(guī)范》)中屋頂綠化建設的相關要求。本研究選取的灌木為金葉假連翹，常年維持在1.0～1.5 m，根據(jù)《規(guī)范》中表4，屋頂灌木綠化植物的平均荷載取為45 kg/m2。

由表3可知輕型人工土壤的平均質(zhì)量為0.54 g/ml，吸水飽和后平均質(zhì)量為1.19 g/ml。由表4可知陶粒的平均質(zhì)量為0.18 g/ml，飽和吸水量為0.1 g/ml；蓄水層飽和吸水量為0.61 g/ml。屋頂綠化的種植面積為0.6 m2。

(1) 種植基質(zhì)干、濕重荷載：

種植基質(zhì)質(zhì)量：210 L×0.54 g/ml=113.4 kg

種植基質(zhì)濕重質(zhì)量：210 L×1.19 g/ml=249.9 kg

種植基質(zhì)層荷載：113.4 kg/0.6 m2=189 kg/m2

種植基質(zhì)層濕重荷載：249.9 kg/0.6 m2=416.5 kg/m2

(2) 蓄排水層干、濕重荷載：

蓄排水層陶粒質(zhì)量：90 L×0.18 g/ml=16.2 kg

蓄排水層荷載：16.2 kg/0.6 m2=27 kg/m2

蓄排水層蓄水飽和后質(zhì)量：0.1 g/ml×60 L+0.61 g/ml×30 L+16.2 kg=40.5 kg

蓄排水層蓄水飽和后荷載：40.5 kg/0.6 m2=67.5 kg/m2

(3) 屋頂綠化干、濕重荷載：

屋頂綠化的荷載為：(45+189+27)kg/m2=261 kg/m2

屋頂綠化吸水飽和后的荷載為：(45+416.5+67.5)kg/m2=529 kg/m2

《屋面及樓面永久荷載標準值》中對“種植屋面”最大荷載的限定值為10.05 kN/m2(1 025.50 kg/m2)，本研究中的屋頂綠化吸水飽和后的荷載滿足建筑物的屋面荷載。

(4) 本研究中屋頂綠化種植基質(zhì)的濕容重為：

1 m3×0.54 g/cm+1 m3×0.65 g/cm=1 190 kg/m3

《規(guī)范》要求屋頂綠化的種植基質(zhì)濕容重不應超過1 300 kg/m3，則本研究中選取的種植基質(zhì)配比具有較好的吸蓄水能力且吸水飽和的同時容重也符合《規(guī)范》要求。

2.3 對屋面雨水的凈化作用研究

項目初期雨水收集利用時，初期雨水的收集與棄流是最難解決的問題。一般可以在去除初期雨水中的粗粒雜質(zhì)后利用綠地進行凈化，以簡化工藝和減少投資。但屋頂綠化對初期雨水的凈化作用研究還較少見。因此本文考察其對屋面初期雨水的凈化作用，主要考察SS，COD，TN和TP等污染指標值。

試驗時，屋頂綠化結(jié)構(gòu)已經(jīng)生長半年，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，采集的雨水經(jīng)過屋頂綠化產(chǎn)生徑流，從蓄排水口排出，雨水中各污染物的去除效果詳見圖1。

圖1 屋頂綠化對雨水徑流中污染物的去除效果

根據(jù)圖1可知，3場降雨中，各污染物濃度均逐漸降低，隨著降雨歷時的增加，3場收集的屋面雨水經(jīng)過屋頂綠化產(chǎn)生的徑流中各污染物均呈現(xiàn)迅速下降再逐漸趨于平緩的趨勢；3次降雨的水質(zhì)初始濃度不同，經(jīng)屋頂綠化凈化后，最終對各污染物的削減量范圍大體一致，對SS，COD，TN和TP的削減量分別在60.1%～71.3%，50.0%～61.8%，49.2%～53.2%和55.6%～67.7%之間。屋面初期雨水處理前污染物濃度超過《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB 18918-2002)》1級；處理后最低出水濃度分別為25.33，29，1.24，0.20 mg/L，水質(zhì)指標基本達到或低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)中Ⅳ類水標準。可見，本試驗的屋頂綠化對屋面徑流雨水中典型污染物都有較好的去除效果。另外，屋頂綠化在凈化空氣、美化環(huán)境、提高建筑物的綜合利用效益等方面也都具有重要的作用。

2.4 凈化成因簡要分析

(1) SS凈化成因分析。屋頂綠化的種植基質(zhì)為人工輕型土壤，土質(zhì)比較疏松。屋頂綠化植物為幼苗栽植，行間距比較大，表面沒有植物覆蓋，因此初期屋面雨水澆灌屋頂綠化時沖刷土壤，容易帶走土壤顆粒物使雨水中SS增加。試驗后期，植物生長良好，其根系比較發(fā)達，根毛表面存在交換性H+，可以直接吸收雨水中的交換性離子。另外土壤膠體一般帶有負電，可以吸附水中陽離子，同時與水中離子進行交換，將水中顆粒物固定于土壤膠體表面。同時，土壤膠體的比表面積和比表面能比較大，吸附能力較強，可以很好的吸附固定雨水中顆粒物。雨水中SS在根系與土壤中膠體共同截流作用下被有效去除，達到凈化的目的。

(2) COD凈化成因分析。屋頂綠化對雨水中COD的去除靠植物、土壤的過濾、攔截和吸附作用以及微生物的降解作用完成。有機物通過與屋頂綠化基質(zhì)層、植物根系、莖部碰撞被過濾沉淀。沉淀的可降解性有機物在屋頂綠化結(jié)構(gòu)中分解為溶解性有機物，附著在植物根系和莖部進行生物降解[13]。雨水中COD的降解包括分為好氧、厭氧降解2個階段，但是屋頂綠化的土層厚度最多為35 cm，孔隙比較大，同時下層由陶粒支撐，透氣性能比較好，因此經(jīng)過屋頂綠化雨水徑流中的COD的降解主要為好氧降解。好氧降解可以快速的將有機物氧化成簡單的無機物，釋放生物新陳代謝的能量，把一部分有機物轉(zhuǎn)化為生物體所需的營養(yǎng)物質(zhì)，合成新的細胞物質(zhì)，于是微生物逐漸生長繁殖，產(chǎn)生更多的生物體，從而有效的去除雨水中的COD。

(3) TN凈化成因分析。雨水中TN的去除主要是通過土壤和植物根系的吸附、過濾，含氮有機物自身的沉淀和氨的揮發(fā)作用以及植物的吸收和微生物的降解[14]。在土壤處理雨水時，N的脫除機理主要靠微生物脫氮。微生物脫氮包括氨化細菌的氨化作用、硝化細菌的硝化作用和反硝化細菌的反硝化作用。

(4) TP凈化成因分析。土壤的吸附、過濾和磷酸鹽的沉淀以及植物的吸收可以去除雨水中的總磷。土壤的pH值、土壤中含有的金屬陽離子數(shù)量會影響土壤對磷的吸附能力，土壤中陽離子量越多，則其對磷吸附能力越強[14]。蛭石、珍珠巖中氧化鎂(MgO)、氧化鉀(K2O)、氧化鈉(Na2O)與水反應會生成氫氧化物，在水中電離出陽離子促進屋頂綠化的固磷能力[5]。陳亞東等[16]的研究表明土壤中鐵、鋁氧化物的增加會使土壤固磷能力增強，同時釋放磷的能力降低，而屋頂綠化的種植基質(zhì)中含有氧化鋁(Al2O3)、氧化鐵(Fe2O3)，會進一步增強種植基質(zhì)對雨水中磷的去除效果。

3 結(jié) 論

(1) 對于屋頂綠化種植基質(zhì)，采用吸保水性較好的蛭石、珍珠巖與普通紅壤土、腐殖土復配，能有效吸儲雨水；同時屋頂綠化下部的蓄排水層能有效地調(diào)蓄雨水。種植基質(zhì)和陶粒蓄排水層(吸水量+蓄水量)的理論總蓄水量為1.37 m3/m2，其中陶粒蓄排水層蓄水量為0.61 m3。

(2) 屋頂灌木綠化的干、濕重荷載分別為261，529 kg/m2，滿足《屋面及樓面永久荷載標準值》中“種植屋面”的最大荷載10.05 kN/m2的要求。屋頂綠化種植基質(zhì)的濕容重為1 190 kg/m3，種植基質(zhì)的配比在保證較好的吸蓄水性能的同時滿足《規(guī)范》中對種植基質(zhì)濕容重不應超過1 300 kg/m3的規(guī)定。

(3) 本研究的屋頂綠化，對雨水中污染物SS，COD，TN和TP均有較好的凈化效果，對各污染物的削減量分別在60.1%～71.3%，50.0%～61.8%，49.2%～53.2%和55.6%～67.7%之間，出水水質(zhì)指標基本達到或低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)中Ⅳ類水標準。

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