屋顶草坪在蓄水减排、净化屋面径流污染中的应用研究

黄思诗2 凌敏2 邱丘1 陈凌云1

1.广州市城市排水监测站 广东广州 510000；

2.广州市市政集团设计院有限公司 广东广州 510260

摘要：本文以屋顶草坪产品——“绿地贴”为研究对象，测定不同试验条件下绿地贴对于屋面径流的产生时间、持续时间、径流峰值等指标的影响，以及对屋面径流中COD、TN、TP、氨氮、BOD、SS等常规污染物以及Cd、Pb和Cu三种重金属元素的净化效果，以分析其在蓄水减排与净化屋面径流污染方面的效果。

关键词：屋顶草坪；绿地贴；蓄水减排；净化污染

屋顶绿化通常泛指高出地面以上，周边不与自然土层相连接的各类建筑物、构筑物等的顶部以及天台、露台上的绿化。屋顶绿化作为一种特殊的绿化形式，可以软化建筑“第五立面”的硬质表面，绿化屋顶种植层能有效地蓄积与利用雨水，在应对城市水资源紧张和雨洪泛滥等问题方面起到不可忽视的作用。近年来，屋顶绿化在蓄水减排和净化屋面径流方面的应用受到了广泛关注。

1.“绿地贴”产品简介

“绿地贴”产品设计根据“创可贴”原理研制而成，是对现有屋顶绿化的创新性变革。华南地区的“绿地贴”产品采用本地区特有的锦竹草作为主要绿化植物品种，摒弃了传统“野生杂草”的观念，让野生草种在屋顶自然生长、自我维持和交替，从而做到基本不需要人工干预和管理，无需浇水、施肥、洒药，使屋顶有限度回归自然，并且能在一定程度上补偿修复城市建筑物体对自然生态的破坏。此外，“绿地贴”特有的防塞排水装置具备缓冲结构，在有效防止水流中的杂物堵塞屋顶下水道入口的同时，能够克服水流的冲击力，减缓径流，防止城市内涝。目前“绿地贴”已通过专家认证及鉴定，获得4项授权专利，在广东、江西、广西、浙江等多地成功推广，应用面积达5万多平米。

2.试验场地概况

本研究的试验场地主要包括两类，一是“绿地贴”产品在广州各区已建好并实践多年的实际应用场地（详见表2-1）；二是为解决自然降雨局限性而建立的屋顶草坪模拟平台，该平臺位于广州市龙洞兰花文化园内，主要包含人工模拟降雨装置，模拟屋顶装置两个部分。该装置可控制性好、操作灵活简便，能够在尽可能小的破坏试验场地的前提下，较为真实地重现广州市屋顶草坪减排调蓄的过程，满足模拟试验需求。

表2-1 “绿地贴”研究基地资料

序号 名称 地点 建成时间 面积

1 祈福新邨基地 番禺区 2008年 400㎡

2 羊城创意园基地 天河区 2010年 470㎡

3 海珠实验小学基地 海珠区 2014年 1500㎡

4 兰花文化园基地 天河区 2015年 150㎡

蓄水减排分析是利用建于兰花文化园基地的模拟降雨装置在不同的基质厚度条件下通过调整降雨强度，获得径流产生时间、径流持续时间、径流峰值和峰值产生时间等一系列数据，采用表格记录的方式进行整理和图表分析。

水质分析指标包括COD、TN、TP、氨氮、BOD、SS等六种常规污染物指标以及Cd、Cu、Pb三种重金属指标，参照《城市污水水质检验方法标准》（CJ/T 51-2004）进行测定。采用Excel和SPSS进行数据处理及统计分析。

3. 绿地贴对于屋面径流的蓄水减排效果研究

本研究在屋顶草坪模拟平台开展试验，通过调节模拟降雨装置形成125、400、和800 ml/h 三种不同的降雨强度来模拟小、中、大三种不同类型的雨水，同时设置了对照组（不铺绿地贴）以及三个实验组（分别铺有基质厚度为2、3、4cm的绿地贴产品），测定不同实验条件下屋面径流的产生时间、持续时间、径流峰值等指标，用以分析不同降雨强度下绿地贴产品的蓄水减排效果，具体结果如表3-1所示。

从表中数据可以看出不同处理条件下屋面径流的特征值存在明显差异。在降雨历时和绿地贴的厚度保持不变的情况下，铺有绿地贴产品的屋面随着降雨强度越大，屋面径流的产生时间有提早的趋势，而径流峰值产生时间越晚，且径流持续时间增长，同时径流峰值也越大。

表3-1 不同基质厚度与不同降雨强度下雨水径流特征值测定

降雨强度

（ml/h） 基质厚度（cm） 降雨历时

（min） 径流产生时间

（min） 径流持续时间*

（min） 径流峰值（m3/h） 峰值产生时间（min）

125 对照组 30 2：15 8：10 0.077 4：50

2 5：25 25：30 0.064 8：00

3 11：30 38：20 0.057 22：30

4 18：15 51：20 0.048 30：05

400 对照组 30 2：00 10：20 0.089 6：30

2 4：00 30：15 0.075 9：55

3 9：25 42：40 0.062 19：50

4 14：50 59：10 0.059 28：45

800 对照组 30 1：35 11：50 0.112 8：25

2 3：40 36：35 0.083 11：40

3 9：05 46：50 0.073 17：25

4 12：10 63：50 0.103 27：00

通过渗流曲线图（图3-2、3-3、3-4）可看出，在同一降雨强度下，与对照组对比，铺有绿地贴产品的屋面径流产生时间越晚，径流持续时间越长，径流峰值产生时间越晚，同时径流峰值也越小。对比不同基质厚度的绿地贴产品数据发现，绿地贴的基质越厚，屋面径流的产生时间越晚，径流持续时间越长，径流峰值产生时间越晚，同时径流峰值也越小。

图3-2不同厚度基质的草坪在降雨强度125ml/h下的渗流特征曲线

图3-3不同厚度基质的草坪在降雨强度400ml/h下的渗流特征曲线

图3-4不同厚度基质的草坪在降雨强度800ml/h下的渗流特征曲线

通过上述试验数据可以看出在降雨过程中，普通屋面的径流强度随降雨强度变化而急增急减，产生大量的屋面径流，在雨季极易造成排水不畅和洪涝灾害；“绿地贴”则起到了推迟径流洪峰的到来、降低屋面径流峰值的作用，且“绿地贴”基质厚度越大，作用效果越明显。可见“绿地贴”在蓄水减排方面发挥着良好的作用，有利于增强城市的防洪排涝。

4. 对屋顶草坪净化屋面径流效果的研究

本研究选取了表3-1中的绿地贴基地开展试验，在2次自然降雨过程中分别采集天然雨水、普通屋面径流和通过不同厚度绿地贴产品过滤后的水样进行检测，用于分析绿地贴对屋面径流中COD、TN、TP、氨氮、BOD、SS等常规污染物以及Cd、Pb和Cu三种重金属元素的净化效果，结果如图4-1至4-6所示。

图4-1 各厚度基质在试验中自然雨水和屋面径流中COD的EMC分布

图4-2 各厚度基质在试验中自然雨水和屋面径流中TN的EMC分布

图4-3 各厚度基质在试验中自然雨水和屋面径流中TP的EMC分布

图4-4 各厚度基质在试验中自然雨水和屋面径流中氨氮的EMC分布

图4-5 各厚度基质在试验中自然雨水和屋面径流中BOD的EMC分布

图4-6 各厚度基质在试验中自然雨水和屋面径流中SS的EMC分布

上述结果表明，常规污染物的污染程度从严重到轻微的排序依次为：对照组>实验组>自然雨水。铺有“绿地贴”的实验组屋面径流中COD、TN、TP、氨氮、BOD、SS浓度远低于“对照组”的屋面径流；与天然降雨水质相比，铺有“绿地贴”的实验组屋面径流中除TP浓度稍高于天然降雨水质，其余污染物浓度都基本等于天然降雨中的污染物浓度，其中TN、氨氮、BOD等物质的浓度还低于天然降雨。并且，在2cm厚度的“绿地贴”试验结果中尤为明显。由此可见，“绿地贴”对屋面径流中COD、TN、氨氮、BOD、SS等常规污染物有良好的去除效果。

由于Cd、Pb和Cu这三种重金属在各类雨水径流中的相对浓度都较高，且瞬时水样中的含量均高于检测限值，因此，本研究选择对这三类重金属的平均EMC进行分析。检测结果显示，金属Cd元素含量均为<0.030，Cd离子含量均为<0.01，Pb离子含量均为<0.007，表明了自然雨水、“实验组”屋面径流、“对照组”屋面径流中Cd、Pb和Cu这三种重金属的含量均低于检测限，基本可忽略不计，表明所选场地的屋面径流的重金属污染并不严重。

4.3结论与建议

本研究表明“绿地贴”对屋面径流的滞蓄效果良好，并且基质越厚，蓄水减排效果越好。但值得注意的是，虽然土壤厚度的增加可提高雨水滞留量，但是随着基质厚度越大，“绿地贴”对屋顶承重能力的要求也越高。通过考察广州地区普遍的屋顶承重能力，我们发现基质厚度为2-3厘米的“绿地贴”产品较为适合广州地区使用。此规格的“绿地贴”的详细参数为：0.3*0.5米筛盘，基质厚度2-3厘米，草坪重量30-50公斤/平方平，覆盖率90%以上，草坪高度5-15厘米。尤其在安装防塞排水装置后，能够在一定程度上实现滞蓄雨水的目的，有利于草坪式屋顶绿化建设的发展。

屋顶污染物质来源于大气湿沉降物和屋顶材料分解产物。本研究中自然雨水中的污染物，特别是重金属的污染程度并不高，但未铺“绿地贴”的屋面由于大气沉降以及屋面材料的析出等原因其表面径流的污染物浓度显著提高，而铺有绿地贴的屋面，其径流中的污染物浓度明显降低，可见“绿地贴”对屋面径流中COD、TN、氨氮、BOD、SS等常规污染物有良好的去除效果。

综上所述，一方面“绿地贴”可以通过基质吸收和特有的防塞排水装置蓄积雨水，缓解径流高峰，从而达到蓄水减排的效果；另一方面“绿地贴”能够起到过滤和净化屋面径流的作用，对防治城市水体污染具有重要意义。

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