灌木式屋顶绿化设计及对屋面初期雨水的净化

黄启华, 徐晓军, 段正洋, 岳秀林, 龚询木, 杨 成

(1.昆明理工大学 环境科学与工程学院, 云南 昆明 650500; 2.昆明市计划供水节约用水办公室, 云南 昆明 650500)

随着城市化进程的加快，城市不透水下垫面面积呈上升趋势，作为城市的“第五立面”，屋面在整个城市硬质表面中所占的比例高达30%[1]。对降雨具有吸收和缓冲作用的城市绿地系统面积下降，给城市现有排水系统造成的压力已经超出其所能承受范围，导致城市洪涝灾害的发生频率和强度加剧[2]。因此，作为一种新兴的绿化补偿手段，屋顶绿化成为提高有限的城市空间绿地率的最有效手段，同时也成为减缓和改善雨水径流的辅助方法之一[3]。许多学者研究发现，在不同的降雨强度、种植层厚度及屋面坡度等条件下，屋顶绿化对雨水的滞蓄率可以达到20%～100%[4]，洪峰径流量可消减44.2%[5]，屋面产流时间延迟可达90 min[6]。屋顶绿化通过基质的吸附作用、基质空隙的阻拦和蓄积作用、植被吸收和蒸腾作用等方式对雨水进行迟滞和蓄积。同时屋面初期雨水径流污染最为严重，水质浑浊，主要污染物为COD和SS，而总氮、总磷、重金属和无机盐等污染物浓度较低[7]。如果不对这部分雨水进行处理，而是直接排放到路面。则加重了路面雨水径流的污染，造成雨水后期处理困难，不利于雨水回收和利用。但仍缺乏相关就轻型屋顶灌木绿化其荷载、吸蓄水能力及对雨水净化效果的研究。若城市建设可以就地吸收、滞蓄、渗透、净化、调节雨水，那么城市在发展过程中就可以从容应对环境变化和自然灾害[8]。本文针对建筑物屋顶绿化，设计灌木式屋顶绿化(下文简称“屋顶绿化”)，分析研究其屋面承载力及对屋面初期雨水径流污染物的净化作用，以期为城市建设及屋顶绿化设计提供一定的理论指导及相关参数数据。

1 材料与方法

1.1 屋顶绿化结构设计

屋顶绿化基本结构包括：植被层、种植基质层、隔离过滤层、排水层、根阻层、防水层、结构层[9]，本文以种植基质层和蓄排水层为重点进行结构设计，同时探讨在雨水利用中的相关作用。

(1) 种植基质层。设计必须考虑屋顶的荷载承受能力、植物根系生长要求，同时也能过滤、吸附雨水径流中污染物。本研究根据选择的植物种类、建设成本及种植基质的保水、保肥、保温、透气性能的原则，采用的种植基质为红壤土与蛭石、珍珠岩、腐殖土复配而成，其中红壤土：蛭石：珍珠岩：腐殖土=5∶1∶1∶3[10]，屋顶绿化的种植基质层厚度为35 cm。

(2) 蓄排水层。其作用是将降雨及浇灌时多余的水分排走，同时储存植物生长所需的水分，但不能存水过度，避免荷载过重[11]。本研究中采用陶粒铺设构成屋顶绿化的蓄排水层，确定屋顶绿化的蓄排水层厚度为15 cm，蓄水层厚度为5 cm。

1.2 水样

研究水样为昆明大学城环工楼水泥屋面雨水。采用收集到的屋面雨水为模拟的降雨径流雨水，其重要污染物水质指标详见表1。

表1 屋面初期雨水径流污染物浓度 mg/L

1.3 试验装置与方法

为便于观察，试验装置采用长方形玻璃槽，周围用黑色遮阳板封闭隔离阳光。屋顶绿化装置尺寸为高×宽×长60 cm×60 cm×100 cm，从下到上依次为陶粒蓄排水层(15 cm，90 dm3)、隔离过滤层、种植基质层(35 cm，210 dm3)和灌木植物层(金叶假连翘)。蓄排水层、种植基质层底部设取样出水口，以研究屋顶绿化对雨水的净化效果。

先用塑料桶储存收集到的屋面雨水，后采用蓬头连接潜水泵抽取塑料桶中储存的屋面雨水模拟降雨，淋洒屋顶灌木，试验中通过控制蓬头喷洒水量大小来调节处理的初期雨水量，从而调节雨水停留时间。在蓄排水口产生雨水径流后开始取样，前5个样时间间隔为2 min，接着每5 min取样，共取2个，最后每10 min取样，共取2个，合计取9个样。

1.4 分析方法

参照回用水水质标准的相关水质指标进行选择分析，确定检测分析悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)4项指标，各项雨水水质指标的分析方法见表2。

表2 雨水水质指标分析检测方法

2 结果与讨论

2.1 屋顶绿化蓄水能力

屋顶绿化的蓄水量由种植基质层蓄水量与蓄排水层蓄水量2部分组成，分别对这2部分进行蓄水试验研究。

2.1.1 种植基质蓄水能力研究 测量屋顶绿化各种植基质和按比例复配好的轻型人工土壤吸水饱和后的质量，通过与吸水前的质量相比较，得出各种植基质和轻型人工土壤的蓄水量。

以培养皿作为种植基质蓄水能力研究的试验容器，设立3组平行样，分别称量3组培养皿的质量，并对应标号，记录数据。称量50 cm3基质置于对应的培养皿中，用电子天平称量各自的质量，记录数据作为基质吸水前的质量。称量完后，分别用水浸没，24 h后用吸水纸吸干培养皿中多余的水分，用电子天平称量，记录数据作为基质吸水饱和的质量，吸水前后2次质量之差则为基质的饱和蓄水量。几种种植基质的蓄水量详见表3。

表3 种植基质平均质量或单位质量蓄水量

根据表3可得，种植基质的单位体积蓄水量为：蛭石>腐殖土>红壤土>轻型人工土壤>珍珠岩；但几种基质的单位质量蓄水量为：珍珠岩>腐殖土>蛭石>轻型人工土壤>红壤土。

2.1.2 蓄排水层蓄水能力研究 陶粒排水层蓄水量：陶粒粒径较大，采用烧杯测量陶粒的蓄水能力。试验前，分别在2个烧杯中填充80，120 ml陶粒，称重记录数据。用水淹没陶粒，24 h后，倒出烧杯中多余水分后称重，记录数据，则前后2次质量之差为排水层陶粒本身的蓄水量。

测量陶粒蓄水层蓄水量时，前期操作同上。在用水淹没陶粒24 h后，先压制陶粒，吸出上层多余水分后称重，记录数据，为蓄水层(陶粒蓄水量+空隙储水量)吸水饱和后的质量。前后2次质量之差为蓄水层的蓄水量(表4)。

表4屋顶绿化蓄排水层蓄水能力平均值

g/ml

2.2 屋顶绿化荷载

昆明市没有关于屋顶绿化建设的相关规范及要求，本研究借鉴北京市《屋顶绿化规范》[12](下文简称《规范》)中屋顶绿化建设的相关要求。本研究选取的灌木为金叶假连翘，常年维持在1.0～1.5 m，根据《规范》中表4，屋顶灌木绿化植物的平均荷载取为45 kg/m2。

由表3可知轻型人工土壤的平均质量为0.54 g/ml，吸水饱和后平均质量为1.19 g/ml。由表4可知陶粒的平均质量为0.18 g/ml，饱和吸水量为0.1 g/ml；蓄水层饱和吸水量为0.61 g/ml。屋顶绿化的种植面积为0.6 m2。

(1) 种植基质干、湿重荷载：

种植基质质量：210 L×0.54 g/ml=113.4 kg

种植基质湿重质量：210 L×1.19 g/ml=249.9 kg

种植基质层荷载：113.4 kg/0.6 m2=189 kg/m2

种植基质层湿重荷载：249.9 kg/0.6 m2=416.5 kg/m2

(2) 蓄排水层干、湿重荷载：

蓄排水层陶粒质量：90 L×0.18 g/ml=16.2 kg

蓄排水层荷载：16.2 kg/0.6 m2=27 kg/m2

蓄排水层蓄水饱和后质量：0.1 g/ml×60 L+0.61 g/ml×30 L+16.2 kg=40.5 kg

蓄排水层蓄水饱和后荷载：40.5 kg/0.6 m2=67.5 kg/m2

(3) 屋顶绿化干、湿重荷载：

屋顶绿化的荷载为：(45+189+27)kg/m2=261 kg/m2

屋顶绿化吸水饱和后的荷载为：(45+416.5+67.5)kg/m2=529 kg/m2

《屋面及楼面永久荷载标准值》中对“种植屋面”最大荷载的限定值为10.05 kN/m2(1 025.50 kg/m2)，本研究中的屋顶绿化吸水饱和后的荷载满足建筑物的屋面荷载。

(4) 本研究中屋顶绿化种植基质的湿容重为：

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

《规范》要求屋顶绿化的种植基质湿容重不应超过1 300 kg/m3，则本研究中选取的种植基质配比具有较好的吸蓄水能力且吸水饱和的同时容重也符合《规范》要求。

2.3 对屋面雨水的净化作用研究

项目初期雨水收集利用时，初期雨水的收集与弃流是最难解决的问题。一般可以在去除初期雨水中的粗粒杂质后利用绿地进行净化，以简化工艺和减少投资。但屋顶绿化对初期雨水的净化作用研究还较少见。因此本文考察其对屋面初期雨水的净化作用，主要考察SS，COD，TN和TP等污染指标值。

试验时，屋顶绿化结构已经生长半年，结构比较稳定，采集的雨水经过屋顶绿化产生径流，从蓄排水口排出，雨水中各污染物的去除效果详见图1。

图1 屋顶绿化对雨水径流中污染物的去除效果

根据图1可知，3场降雨中，各污染物浓度均逐渐降低，随着降雨历时的增加，3场收集的屋面雨水经过屋顶绿化产生的径流中各污染物均呈现迅速下降再逐渐趋于平缓的趋势；3次降雨的水质初始浓度不同，经屋顶绿化净化后，最终对各污染物的削减量范围大体一致，对SS，COD，TN和TP的削减量分别在60.1%～71.3%，50.0%～61.8%，49.2%～53.2%和55.6%～67.7%之间。屋面初期雨水处理前污染物浓度超过《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》1级；处理后最低出水浓度分别为25.33，29，1.24，0.20 mg/L，水质指标基本达到或低于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅳ类水标准。可见，本试验的屋顶绿化对屋面径流雨水中典型污染物都有较好的去除效果。另外，屋顶绿化在净化空气、美化环境、提高建筑物的综合利用效益等方面也都具有重要的作用。

2.4 净化成因简要分析

(1) SS净化成因分析。屋顶绿化的种植基质为人工轻型土壤，土质比较疏松。屋顶绿化植物为幼苗栽植，行间距比较大，表面没有植物覆盖，因此初期屋面雨水浇灌屋顶绿化时冲刷土壤，容易带走土壤颗粒物使雨水中SS增加。试验后期，植物生长良好，其根系比较发达，根毛表面存在交换性H+，可以直接吸收雨水中的交换性离子。另外土壤胶体一般带有负电，可以吸附水中阳离子，同时与水中离子进行交换，将水中颗粒物固定于土壤胶体表面。同时，土壤胶体的比表面积和比表面能比较大，吸附能力较强，可以很好的吸附固定雨水中颗粒物。雨水中SS在根系与土壤中胶体共同截流作用下被有效去除，达到净化的目的。

(2) COD净化成因分析。屋顶绿化对雨水中COD的去除靠植物、土壤的过滤、拦截和吸附作用以及微生物的降解作用完成。有机物通过与屋顶绿化基质层、植物根系、茎部碰撞被过滤沉淀。沉淀的可降解性有机物在屋顶绿化结构中分解为溶解性有机物，附着在植物根系和茎部进行生物降解[13]。雨水中COD的降解包括分为好氧、厌氧降解2个阶段，但是屋顶绿化的土层厚度最多为35 cm，孔隙比较大，同时下层由陶粒支撑，透气性能比较好，因此经过屋顶绿化雨水径流中的COD的降解主要为好氧降解。好氧降解可以快速的将有机物氧化成简单的无机物，释放生物新陈代谢的能量，把一部分有机物转化为生物体所需的营养物质，合成新的细胞物质，于是微生物逐渐生长繁殖，产生更多的生物体，从而有效的去除雨水中的COD。

(3) TN净化成因分析。雨水中TN的去除主要是通过土壤和植物根系的吸附、过滤，含氮有机物自身的沉淀和氨的挥发作用以及植物的吸收和微生物的降解[14]。在土壤处理雨水时，N的脱除机理主要靠微生物脱氮。微生物脱氮包括氨化细菌的氨化作用、硝化细菌的硝化作用和反硝化细菌的反硝化作用。

(4) TP净化成因分析。土壤的吸附、过滤和磷酸盐的沉淀以及植物的吸收可以去除雨水中的总磷。土壤的pH值、土壤中含有的金属阳离子数量会影响土壤对磷的吸附能力，土壤中阳离子量越多，则其对磷吸附能力越强[14]。蛭石、珍珠岩中氧化镁(MgO)、氧化钾(K2O)、氧化钠(Na2O)与水反应会生成氢氧化物，在水中电离出阳离子促进屋顶绿化的固磷能力[5]。陈亚东等[16]的研究表明土壤中铁、铝氧化物的增加会使土壤固磷能力增强，同时释放磷的能力降低，而屋顶绿化的种植基质中含有氧化铝(Al2O3)、氧化铁(Fe2O3)，会进一步增强种植基质对雨水中磷的去除效果。

3 结 论

(1) 对于屋顶绿化种植基质，采用吸保水性较好的蛭石、珍珠岩与普通红壤土、腐殖土复配，能有效吸储雨水；同时屋顶绿化下部的蓄排水层能有效地调蓄雨水。种植基质和陶粒蓄排水层(吸水量+蓄水量)的理论总蓄水量为1.37 m3/m2，其中陶粒蓄排水层蓄水量为0.61 m3。

(2) 屋顶灌木绿化的干、湿重荷载分别为261，529 kg/m2，满足《屋面及楼面永久荷载标准值》中“种植屋面”的最大荷载10.05 kN/m2的要求。屋顶绿化种植基质的湿容重为1 190 kg/m3，种植基质的配比在保证较好的吸蓄水性能的同时满足《规范》中对种植基质湿容重不应超过1 300 kg/m3的规定。

(3) 本研究的屋顶绿化，对雨水中污染物SS，COD，TN和TP均有较好的净化效果，对各污染物的削减量分别在60.1%～71.3%，50.0%～61.8%，49.2%～53.2%和55.6%～67.7%之间，出水水质指标基本达到或低于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅳ类水标准。

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