南昌种植屋面对城市雨水径流净化作用研究*

李 鹏，林宪德，胡 松，王 凯

（1.台湾成功大学 建筑系，台湾 台南 701；2.江西省建筑设计研究总院，南昌 330000）

南昌种植屋面对城市雨水径流净化作用研究*

李 鹏1，林宪德1，胡 松2，王 凯2

（1.台湾成功大学 建筑系，台湾 台南 701；2.江西省建筑设计研究总院，南昌 330000）

城镇化进程加剧了城市内涝和大气污染，最大限度实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化十分重要。南昌市区接纳雨水的城市表面有绿地、水面、城市道路广场和建筑屋顶，其中建筑屋顶在城区中又占有较高比重，因此成为雨水污染的重要源头。而种植屋面对雨水可以起到一定净化作用，截留部分污染物，改善流经屋面的雨水水质，以减少对环境的压力。根据江西省建筑设计研究总院绿色节能中心2014年度在南昌市区对普通屋面和种植屋面进行为期一年的屋面雨水采样和测试，得出的pH值、DO、TSS、CODcr、TN、TP指标6组数据，根据数据分析发现种植屋面对调节pH值、增加DO含量、降低TSS与CODcr有明显作用，对TN、TP也起到了调节器的作用，让其处于一个相对稳定的变化区间。

南昌；种植屋面；雨水测试

0 引言

随着城市的不断发展，城市密度不断增大，城区范围内的风速明显降低，导致污染物聚集在城市中，不易扩散，这些污染物，最终都会飘落到城市各种表面上，随着降雨排放到自然界中。在城市中，主要的雨水接收面包括绿地、城市街道和广场、水面和城市建筑屋面。这其中，绿地和生态水面对自然降雨会有一定的净化作用，但城市街道、广场和占比很大的城市建筑屋面，则成了污染物的积蓄地。特别是城市建筑屋面，因日常缺少打扫和清洁，而且又处于城市高空，会更加容易积累日常落尘，这些落尘与雨水一起，构成了城市降雨的主要污染来源。

在南昌市，城市绿化覆盖率较高，这些绿地对雨水污染有很好的吸收和净化作用。但同时，因城市快速的发展，城市屋顶面积占比越来越大，如，南昌市建成区范围内，扣除水域面积后，建筑密度>50%的高密度建筑区占24.11%；建筑密度在25%～50%的中密度建筑区占34.84%。就南昌市建成区而言，城区高、中密度建筑区所占比例达42.3%，扣除水域之后可达58.95%[2]。由此可以推断出，城市屋面在承接落尘和雨水过程中所起到的重要作用。如果这部分雨水不加处理直接排放，将会对环境造成一定的压力。

本研究重点在于种植屋面对城市雨水径流净化作用。研究团队设置了两块屋面作为采样屋面，来进行种植屋面净化实验，一块是种植屋面，另一块是普通无绿化的屋面，作为研究对照屋面。通过对流经两块屋面的雨水进行采样和水质分析，来判断种植屋面的净化作用。

国内这方面的研究已经有了一些成果，如周赛军（2010）[3]经过研究得出蓄水种植屋面对雨水径流污染物有很好的去除效果，钱玲（2013）[4]通过对多种土层进行实验室模拟实验，得出净化效果较好的种植基质层构成。在南昌，因冬季低温的缘故，无法采用蓄水屋面，因此本研究采用屋顶直接种植绿化，承接落尘，过滤雨水。这种大面积屋面实地研究实验，国内还比较少，本研究填补了这块空白。

1 实验屋面构造

种植屋面（B屋面），采用屋面结构板+防水层+种植层构造，面积约600 m2（见图1）。

普通平屋面（A屋面），采用屋面结构板+轻质料混凝土+水泥砂浆构造，面积约240 m2（见图2）。

两块实验屋面距离约34 m，自然落尘和接收雨水条件相当，可以用来互相参照与对比，实验期间均为自然降雨测试。

图1 种植屋面构造示意图

图2 平屋面构造示意图

2 采样点设置与采样方法

两块屋面的雨水采样点如图3。

种植屋面对雨水会有一定的蓄流作用[5]，因此下雨后，普通屋面先出现雨水径流，种植屋面的雨水经过土层吸收达到饱和状态后，才有径流出现的可能。

另外，根据已有研究，初期雨水污染物质含量较高，当降雨量超过1～2 mm以后，雨水径流中的污染物含量明显降低[6]。

图3 采样示意图

稳定径流雨水与点滴状雨水夹杂的污染物有明显区别，点滴状雨水主要由水滴表面张力而粘带杂尘，污染物含量分布不均，而稳定雨水径流中则对屋面落尘有连续的冲刷效应，污染物含量相对均匀，采样具有代表性。

这些因素都对采样方法产生影响。

根据上述原因，经综合多因素考量，在本实验中，设定的采样原则为：

1）采样时，雨量要足够大，让种植屋面亦能产生稳定的径流，并提取到足够的水样，这种状况下两个屋面同时采集到的水样才具可比性。

2）雨水在两个屋面的采样点要形成稳定的径流后才开始取水样，点滴状落水不作为采样来源。

3）以初期雨水采样为主，形成稳定径流后，每隔20 min取一次水样，每次降雨取5次水样，之后的降雨水样因污染物含量大大降低，对环境不构成危害，因此不再提取。

达到以上条件的降雨可遇而不可求，因此采样工作陆续进行了7个多月，最终有5次采样满足条件。采样时间与雨势状况详见表1。

表1 采样时间与雨势状况

3 水样检测指标与检验方法

本实验一共获取5组数据，每组均包含10个水样，其中5个水样是种植屋面水样，另5个是对照普通屋面水样。每个数据组取样完毕后，即刻送去南昌大学环化学院检验，主要的检测指标和检验方法见表2。

表2 水样检测指标与检验方法

选择这6个指标的主要依据是：

1）借鉴已有对南昌初期降雨污染物成分的研究，如王业雷等（2008）对南昌市区初期雨水污染状况进行了研究[7]。

2）根据《污水排入城镇下水道水质标准》（CJ 343-2010）、《城市污水再生利用，城市杂用水水质》（GBT 18920-2002）标准中，城市雨水最有可能含有的典型污染物而定。

4 检测数据与分析

在2014年4月至11月期间，一共有5次降雨符合采样要求，采集到5组数据，每组数据对种植屋面和对照屋面各采集5次水样，按时间先后顺序列表于表3～7中。

在表3~7原始数据的基础上，对每组数据取平均值得到表8的数据。由表8可以看到，在6个指标中，种植屋面对调节pH值、增加DO值、降低TSS与CODcr有明显作用，对TN、TP也起到了调节器的作用，让其处于一个相对稳定的变化区间。

5次降雨中采集到的样本pH平均值显示无论对照普通屋面雨水径流的pH值是呈弱酸性还是弱碱性，种植屋面雨水径流都呈现弱碱性，说明种植屋面对雨水pH值具有一定调节性（见图4之pH值示意图）。

表3 数据组1水样检测数据统计表

表4 数据组2水样检测数据统计表

对于DO值而言，5组数据的平均值中，种植屋面的数值都略高于对照普通屋面的数值，说明雨水流经种植屋面的土层时，表面积增大，吸收了空气中的氧气，进而提高了DO值（见图4之DO值示意图）。

表5 数据组3水样检测数据统计表

表6 数据组4水样检测数据统计表

表7 数据组5水样检测数据统计表

表8 各组水样检测数据平均值

除第二组样本，疑似雨势过急将部分土壤冲到种植屋面径流中，和第三组样本设备故障未取得有效数据外，其他组数据都显示种植屋面对TSS有明显吸纳过滤作用（见图4之TSS值示意图）。考虑到第二组样本的意外，未来可对种植屋面的构造做进一步改善，以增强其耐大雨冲刷的性能。

5组数据的平均值均显示种植屋面的CODcr值均低于普通屋面，说明种植屋面对CODcr有良好的去除与净化作用（见图4之CODcr值示意图）。

在TN与TP含量上，5组数据均显示种植屋面对TN与TP有调节作用，由表8可以看出，5组数据中TN与TP的标准差对比，种植屋面均远小于对照普通屋面。由此可以推断出种植屋面因土壤内植物和微生物的生态活动，会把TN与TP控制在一定的范围内，从而对雨水的TN与TP起到调节作用（见图4之TN、TP值示意图）。

这5组取样数据中，流经种植屋面的雨水径流的水质均满足《污水排入城镇下水道水质标准》（CJ 343-2010）、《城市污水再生利用，城市杂用水水质》（GBT 18920-2002）可以直接排放或作为杂水再利用。

图4 各组水样检测数据平均值对比示意图

5 实验存在的问题和后续研究

经过对已获取数据的分析和实验方法适用性的验证，发现本研究中还存在一些问题，主要包括：

1）因取样周期长达7个月，城市大气飘尘成分季节差异较大，工作日与周末也有差异，因此初期雨水中的成分并非十分稳定，不同场雨下，采样测试差异度较大。因此，采样的科学性和代表性还需要进一步改善。

2）其次，降雨间隔周期不同，对于小雨，无法在种植屋面处形成有效径流，因而无法采集样品，但却在普通屋面处形成了冲刷效应，将落尘冲洗干净。这会影响下一次大雨来临时两处屋面的对比性条件。

3）本次研究采样是间隔20 min才采一次样品，在大雨的时候，20 min以后采集的样品，已经超过初期降雨的弃流量。因此，雨水水质已经变好，此时反而经由种植屋面的雨水，把土壤里的部分物质溶解出来，导致部分指标会高于普通屋面。

4）本实验中，两处屋面面积设置过大，因此无法采集一个降雨过程中的全部雨水径流做水质对比检测，只能分时段，少量采样，这样就无法对屋面落尘和雨水中的污染物总量进行精确对比，只能通过少量采样数据来推估，代表性略显不足。

5）种植屋面抗短时大雨的冲击性能还略欠，导致雨水径流大时会有土壤物质被冲出，导致TSS数据产生偏差。

后续研究中，可以针对上述问题进行进一步改进，如可以把屋面分割成更小的单位，每次降雨时，搜集全部的径流，对污染物总量做分析；改善种植屋面土层，降低土层物质随雨水径流析出的可能；对小雨天气，只有普通屋面产生径流的状况下，也应采集水样，进行检测，将数据与下一次大雨时的水样数据整合分析，才能更准确地对比出种植屋面和普通屋面的差异。

6 结语

南昌市城区屋面面积占土地面积的比重很高，屋面初期雨水径流因其冲刷效应往往含有较多污染物，在各种环保法规中，对屋面雨水处理还是盲点。本研究则针对种植屋面对雨水的净化作用进行了长期实验，结果显示种植屋面对调节pH值、增加DO含量、降低TSS与CODcr有明显作用，对TN、TP也起到了调节稳定作用，经种植屋面净化过的雨水径流水质均达到相关标准要求，可以直接排放或作为杂水使用。实验中还有部分不足，期待后续研究进一步完善。本研究结果可作为相关科研机构后续研究使用和有关部门制定政策的参考依据。

[1]吴丁丁，辛洪芹.南昌市城市森林与生态环境可持续发展研究[J].防护林科技，2009（05）.

[2]林子瑜，唐清连，徐金山.南昌市2010年规划中心城区建筑密度遥感研究[J].华东地质学院学报，2002，25（01）：06.

[3]周赛军，任伯帜，邓仁健.蓄水绿化屋面对雨水径流中污染物的去除效果[J].中国给水排水，2010，26（05）：04.

[4]钱玲.屋顶花园种植基质层对雨水净化效果的影响[J].南通纺织职业技术学院学报，2013，13（03）：05.

[5]李京澄.绿屋顶之降雨截水能力分析[M].新竹：台湾交通大学，2010.

[6]张凡，董志龙，王宝山.建筑屋顶雨水径流初期冲刷效应研究[J].环境污染与防治，2011，33（06）.

[7]王业雷，董瑞斌，肖维林，查红平.南昌市区初期雨水污染研究与防治对策[J].江西科学，2008，26（01）：05.

TU765

A

1673-1093（2015）08-0085-06

李鹏（1975），男，广东珠海人，在读博士，研究方向：绿建筑技术。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.08.023

2015-03-27；

2015-04-09

江西省重大科技专项计划项目（2012年度）课题《绿色建筑设计与绿色生态屋面研究》（20124ABG06101）