绿色屋顶技术控制城市面源污染应用研究进展

王书敏，于 慧，张 彬，邵 磊

(1.重庆文理学院，重庆 永川 402168;2.西华大学能源与环境学院，四川 成都 610039;3.北京利德曼生化股份有限公司，北京 100176)

随着城市化进程的快速推进，区域不透水下垫面面积迅速增加，对流域的健康水循环带来了巨大冲击.国内现阶段的城市暴雨管理仍沿用传统模式，要求将城市暴雨径流快速收集和快速排放，这种单纯的硬性管理措施，给城市雨洪管理带来了巨大冲击.一方面，暴雨引发的城市内涝日益频发;另一方面，以城市暴雨径流为载体的城市面源污染已成为城市水体污染的主要来源之一［1］.降低城市不透水下垫面面积比例，寻求与暴雨径流源头消减技术相结合的新型生态排水系统常被作为解决城市雨洪问题的重要途径，很多城市暴雨管理的新理念应运而生，如英国的SUDS(Sustainable Urban Drainage Systems)、美国的BMPs(Best Management Practices)和LID(Low Impact Development)、澳大利亚的WSUD(Water Sensitive Urban Design)等.这些暴雨管理理念的核心是通过构建系列调峰控污的生态化措施，以达到减少暴雨径流和污染负荷产生量的目的.常用的暴雨径流调控措施有生物滞留塘、人工湿地、河岸缓冲带、生物沟渠、绿色屋顶等.然而，城市区域地价昂贵，占地面积较大的技术往往由于紧张的土地资源得不到充分应用，与此相比，绿色屋顶技术不需要占用专门的土地资源，大量闲置的城市不透水屋面(约占城市不透水下垫面总面积的40%～50%)使得绿色屋顶技术成为城市暴雨管理的优势技术之一［2］.

在国外，绿色屋顶的构建已有很长时间.在20世纪60年代，建筑师柯布西耶和赖特(Le Corbusier and Frank Lloyd Wright)开始倡导现代绿色屋顶建筑，但还仅作为一个建筑行业概念，随着城市绿地的不断减少，城市环境质量日益衰退，绿色屋顶在城市景观中的作用得到重新认识和评价.20世纪80年代，绿色屋顶在德国等北欧国家得到迅速发展，20世纪末，加拿大、美国等北美国家也开始发展该项技术，并建立了绿色屋顶组织结构以制定绿色屋顶构建的相关标准，如德国的FLL(Landscape Research，Development and Construction Society)、北美的 GRHC(Green Roofs for Healthier Cities)、美国的LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)等.在国内，屋顶绿化技术越来越被重视，很多大中城市正积极推广绿色屋顶的构建，如北京、上海、天津等.然而，屋顶绿化的目的往往出于节能价值［3］、景观价值［4］等，现行的屋顶绿化规范也未涉及绿色屋顶的调峰控污效能，这就使得绿色屋顶暴雨径流可能成为水体污染的来源之一.因此，了解绿色屋顶的暴雨径流的水文水质特性，对于科学全面地评价绿色屋顶的构建技术及环境效应有重要意义.本文就此做论述，以期为绿色屋顶技术的更好发展提供参考.

2 绿色屋顶暴雨产流

2.1 绿色屋顶对暴雨径流的消减

绿色屋顶对径流的消减主要是通过对降雨的吸附作用持留和滞留雨水，延缓径流产生时间，消减了洪峰流量和总径流产生量［5］.一般来说，土壤层厚度、降雨量、降雨强度、绿色屋顶坡度、气温、前期干旱条件等都会对绿色屋顶的径流截留能力产生影响，加之各地的具体环境背景差异，不同环境背景下的研究结果很难进行相互比较.如表1所示，Berndtsson(2010)［6］和 Alfredo(2010)［7］等分别对不同研究条件下绿色屋顶对暴雨径流的截留效果做了初步总结.

表1 绿色屋顶对降雨径流的消减率［6-7］

笔者在绿色屋顶暴雨径流的实测中发现，在构建基质相同的条件下(均为100mm排水层+100mm过滤层+100mm土层)，可能是由于植物蒸腾作用差异的缘故，种植接骨草的屋顶对暴雨径流的消减效果(62%～80%)好于种植麦冬的绿色屋顶(40%～49%).相对于前期干旱期来说，气温对暴雨径流消减率的影响更为显著，气温越高，降雨间隔时间越长，构建介质含水率越低，径流消减率越高.

一般来说，土壤层越厚，径流截留量越大.Vanwoert等(2005)［9］发现在坡度为 2°的情况下，对于中强度降雨(2～6mm)，介质厚度2.5 cm的屋顶可截留82.9%的降雨量，比介质厚度4.0 cm的屋顶对降雨的截留率(85.5%)小2.6个百分点;同时，相同介质厚度条件下，坡度越大，径流消减率越小［9］.Monterusso 等(2004)［14］探讨了降雨强度对绿色屋顶暴雨截留效果的影响.对于小强度降雨(2.1mm)，绿色屋顶可消减85.7%的降雨量，对于高强度降雨(12.1mm)，绿色屋顶对降雨消减量显著降低.绿色屋顶基质层在降雨过程中将被完全饱和，因此，基质层越厚，饱和容量越大，对降雨的截留效果也越好;在基质层厚度不变的前提下，降雨强度越小，基质层达到饱和状态所耗雨水占降雨总量的比重越大，相应的暴雨截留效果也越好.

坡度对绿色屋顶涵养水源能力的影响还存有争议.一些研究表明，坡度越大，径流消减率越低［9，14-15］，而有研究认为，坡度和径流消减率没有相关关系［16-17］.绿色屋顶截留降雨的效能是各种影响因素综合作用的结果，每次降雨的发生本身带有一定的随机性，一些主要影响因素对绿色屋顶产流的影响程度可能会影响坡度对降雨截留量的映射效果，这也许是造成研究结果不一致的原因之一.因此，深入探讨各个影响因子对绿色屋顶系统降雨量的影响及影响程度，对其影响显著性进行量化表征很有必要.

2.2 绿色屋顶产流评估与模拟

对于中密度、低密度住宅区以及商业区等，屋顶面积是不透水下垫面的重要组成部分，绿色屋顶对降雨的持留和滞留作用显著影响了区域的径流产生规律，暴雨管理设施的构建规模也相应的受到影响，因此，很多学者尝试量化绿色屋顶构建带来的水文消减程度，用数学手段定量评估、模拟、预测绿色屋顶大规模应用产生的水文响应成为城市水文管理的重要依据.现行的绿色屋顶产流模拟预测主要包括小规模屋面产流模拟和大规模流域化绿色屋顶的水文消减效果评估两部分.

对于小规模绿色屋顶产流规律的研究大多限于实验室基础研究.Palla 等(2009)［18］用WSMS-2D模型模拟了绿色屋顶系统内的饱和水流变化，模型预测的含水量和垂直侧面不同深度的观测值匹配良好.Hilten 等(2008)［19］用HYDRUS-1D模型评估了绿色屋顶的产流情况，模拟结果表明，HYDRUS-1D模型可精确预测小强度降雨的产流情况，但对高强度降雨的模拟结果偏高.Alfredo 等(2010)［7］用 SWMM 模型模拟绿色屋顶产流，把径流曲线数用存储节点代替后取得了更好的预测效果.Villarreal和Bengtsson(2005)［17］研究了绿色屋顶单场降雨的水文响应，并用线性模型估算单元水位线，得到的单元水位线可以精确预测任何场次降雨的峰值流量.实验结果也说明天气条件是影响水文响应的重要因素.干旱初始条件下，降雨可以被持留和滞留，初始条件湿润时，降雨仅仅被滞留，屋顶坡度对径流峰值和暴雨体积没有影响.

对于绿色屋顶区域化应用效果的评估主要有工程推算和模型模拟两种方式.Mentens等(2006)［13］估算了布鲁塞尔10%的屋顶绿化后(构建介质深度100mm)的水量消减量可达到2.7%.Alfredo等(2010)［7］总结了绿色屋顶构建规模对合流制管道雨天溢流的影响，如表2所示.

表2 绿色屋顶对合流制管道雨天溢流影响评估［7］

She N.和 Pang J.(2008)［20］开发了一个定量动力学集成模型以模拟大尺度绿色屋顶的水文过程，与监测频率为5min的实测流量数据相比，该模型较好地预测了绿色屋顶系统对洪峰和总径流的影响效果.Carter和 Jackson(2007)［21］用SWMM模型研究了不同空间尺度的城市流域构建绿色屋顶后的水文影响，模拟结果表明绿色屋顶的广泛应用可显著降低径流峰值产率，尤其是针对小降雨事件.然而，关于不同地域特点下绿色屋顶规模化应用后水文影响的研究仍然薄弱.

3 绿色屋顶径流水质

绿色屋顶常被假设为降低城市屋面产污负荷的有效手段，其径流水质往往被忽略.笔者初步总结了不同学者对于绿色屋顶径流水质的研究结果，如表3所示.

由表2可知，所列举的监测数据中各个绿色屋顶暴雨径流的水质差异很大.一般来说，绿色屋顶都具有较好的中和能力，偏酸性(pH＜7.0)的雨水渗过绿色屋顶后其pH都得到了一定程度的提高，且介质层越厚，pH提高效果越明显，这对于减轻自然水体酸化、减缓建筑物侵蚀以及钝化有毒物质有重要意义.

一些学者认为，如果雨水水质优于绿色屋顶出水，则绿色屋顶为污染物释放源［24］.在5个案例中，总磷和硝酸盐发生出水(绿色屋顶径流)浓度大于进水(降雨)浓度的几率较高，均有3个案例出现了污染物质泄漏的现象.硝酸盐属于溶解性污染物，其来源主要有雨水中含有的硝酸盐、土壤介质中硝酸盐的淋溶析出以及绿色屋顶系统内的硝化作用，由于绿色屋顶系统中不具备传统的反硝化脱氮要求的反应条件，硝酸盐的去除主要依靠植物吸收，这可能是硝酸盐控制效果不稳定的原因之一.总磷的去除主要依靠植物吸收和绿色屋顶系统的物理截留.有研究显示绿色屋顶径流中的总磷大多数为磷酸盐［25］，而也有学者发现溶解性磷酸盐比总磷浓度小得多［22］，这可能与土壤淋溶作用和绿色屋顶过滤系统的运行情况有关.系统对总氮和氨氮的控制效果好于硝酸根和总磷.在笔者的实验中，氨氮去除转化效率达到了90%以上，尽管总氮也有较好的控制效果，但其平均去除幅度小于氨氮.绿色屋顶径流水质是多种因素综合作用的结果，如天然降雨雨水水质、构建材料的理化性质、植物吸收和微生物转化等，深入解析各种影响因子对径流水质的影响程度，探索各个影响因子之间的交互作用，通过精细测试分解各类污染物的组分构成，进而探讨污染物控制机理还需要进一步尝试.

表3 绿色屋顶径流水质

4 绿色屋顶构建方法探讨

常用的绿色屋顶构建结构如图1所示.

图1 绿色屋顶构建结构

植物选型、生长介质选择是构建绿色屋顶的重点.一般说来，回填材料应该选择当地质轻、污染物吸附持留能力强、有一定的透水性能，同时能够持留降雨、提供植物生长需求的营养物质的土壤，但目前国内还没有具体的标准出台.由于天然土壤具有质量大、易压实的特点，不宜直接作为绿色屋顶构建用土，砂壤土可以以10%～20%的比例用在绿色屋顶介质中.一般情况下，绿色屋顶植物生长介质中有机和无机颗粒要占到土壤混合组分的50%以上，同时要求低碳氮比.粒径分布和土壤密度是评价植物生长介质的重要指标，根据粒径分布信息可以估计渗透性、持水能力等，植物生长介质必须具有能同时持留雨水并容易排掉过多雨水的能力，而土壤密度可以用来评价植物生长介质的水渗透能力、排水能力等［26］.除常见的土壤混合物可作为绿色屋顶构建材料外，固体废弃物也可重复利用在绿色屋顶的构建中.Molineux 等(2009)［27］用碎砖块和 3种不同废弃物制作的小球分别作为绿色屋顶的构建材料(3种材料分别为:污泥和黏土、废弃报纸灰以及采石场石灰岩碎屑)，并用树皮腐殖质作为有机质来源，研究结果表明选用循环废弃物作为绿色屋顶工程材料的替代品可以达到德国景观设计开发研究学会的标准.

植物在绿色屋顶系统中起重要作用，没有植被覆盖的土壤层往往成为污染物的释放源［28］.种植植物一般选择当地耐旱、耐冷、耐高温、根刺能力弱、控污能力强的植物.管理粗放、茎叶肥厚的景天属植物是经常选择的植物类型.FLL设计导则推荐粗放型屋顶种植自我维持能力强的低矮植物，如景天属类植物和耐旱耐冻的植物，半密集屋顶代表性植物有野花、长期生长的草本植物和灌木，密集屋顶可选择植物范围较广，可类似于城市公园或住宅区花园的植物选种.Dvorak和Volder(2010)［29］总结了适合北美地区的植物选型，景天属、仙人掌属、红景天属、马齿苋属、芦荟等是应用较多的植物，而国内这方面的工作还相对较少.

此外，介质层厚度、排水系统等也是绿色屋顶构建过程中必须考虑的问题.根据介质层厚度，绿色屋顶可分为集约型屋顶和粗放型屋顶.集约型屋顶生长层介质厚度较大，可选择的植物范围较广，但楼板承重要求高，维护管理费用高;粗放型屋顶则刚好相反.

5 展望

1)绿色屋顶在城市景观系统中具有多种作用，其构建目的不应仅局限于景观价值、节能价值等，而忽略其在城市面源污染调控中的巨大潜力，绿色屋顶系统的构建需要进一步优化，以同时满足多种目标.

2)绿色屋顶对暴雨径流的消减效果影响因素众多，需要明确各影响因子对绿色屋顶消减径流效果的影响程度，构建映射模型，尝试较精确的预测绿色屋顶构建方式与暴雨径流消减效果的对应关系.绿色屋顶的大尺度应用对流域的产汇流规律有重要影响，如何开发或应用好现有成熟模型，以准确评估绿色屋顶普及后的水文响应，对于城市雨洪管理意义重大.

3)绿色屋顶径流水质是往往被忽视的部分，构建介质的理化性质和管理方式(是否施肥)是影响绿色屋顶径流水质的关键，应当根据当地常见土壤的土质特性确定构建介质的恰当搭配方式.绿色屋顶净化机理还需要深入研究，如植物吸收、微生物作用以及土壤吸附等对污染物去除的贡献率、系统长期运行的效能演变规律、基质层营养物质结构组成的演变规律等都值得进一步探索.

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