绿色屋顶与雨水花园控源截污效率分析

罗秀丽，王莉莉，胡良宇

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001)

1 引言

1977～2016年，我国的城市化率从17.55%增长到57.35%[1]。城市化导致城市上风向和下风向的降水增加约30%，影响锋面降水过程，使得城区及其边缘地区的降水历时延长，增加了城市内涝的风险[2]。总降水量超过150 mm以及降水强度超过40 mm/h的降雨事件频率明显增加。同时，城市快速发展产生的热岛效应、凝结核增强作用和微地形阻碍效应，使城市的年降水量增加5%以上，汛期暴雨的次数和暴雨量增加10%以上，产生了城市的雨岛效应[3]。雨水径流携带地面累积的污染物进入水体，增加了受纳水体污染物负荷，加重了城市水体的黑臭现象。近几年，每逢雨季，各地城市轮番上演“城市看海”的景象，严重影响了城市人民生命财产安全。

绿色屋顶与雨水花园是城市居民小区和广场采取得重要美化环境的措施，也是城市黑臭水体治理中控源截污的重要技术手段，通过滞、蓄、渗、净等实现城市良性水文循环。本文对雨水花园、绿色屋顶的截污效率进行分析，旨在为城市化过程中的居民小区和广场建设优选工程措施提供参考。

2 雨水花园

2.1 雨水花园截流效应分析

雨水花园能够增加雨水入渗量、削减雨水径流量、净化雨水水质，能够缓解城市水资源短缺和保护城市水环境。雨水花园主要由调蓄层、砾石层、种植土壤、层砂层和蓄水层构成，具有滞、蓄、渗、净等功能，径流削减率是反应雨水花园对降雨截流效应的重要指标。削减率(r)可以表示为：

式(1)中：Wout为出流量(溢流量)；Win为入流量。

雨水花园对降雨径流削减效果良好，削减率高达99.0%。长期运行的雨水花园土壤湿润，植物生长茂盛，无脊椎动物生长形成的虫洞和根系都有利于增加并维持雨水花园的入渗功能，延长雨水花园的使用寿命[4]。

2.2 雨水花园减污效应分析

雨水花园对降雨径流中污染物的去除率(Rc)可表示为：

式(2)中：Cin为入流的雨水径流污染物的浓度，mg/L；Cout为出流的雨水污染物的浓度，mg/L。

采用雨水径流的平均浓度(EMC)代表降雨事件过程中污染物浓度的平均浓度，解决雨水径流污染物浓度变化大的问题。雨水径流平均浓度(EMC)表示为：

式(3)中：EMC为雨水径流的平均浓度，mg/L；M为入流的总污染质量，mg；V为总径流体积，L；t为降雨历时，min；Ct为入流中随时间t变化的污染物浓度，mg/L；Qt为随时间t变化的径流量，L/min；n为总取样次数；Qi为第i次取样时的径流量，L/min；Ci为第i次取样时的径流污染物浓度，mg/L。

雨水花园可以有效去除雨水径流中的重金属、总悬浮颗粒物(SS)、油脂类及病原体等污染物，但对N、P等营养物质的去除效果差异较大[5，6]。唐双成等[7]研究发现雨水花园对TP浓度的去除率均值为6.3%，对TN的浓度去除率均值为－2.7%；郭超等[8]研究发现雨水花园对TP浓度的去除率为31.30%～32.92%，对TN浓度的去除率为66.53%～67.73%；李俊奇等[9]研究发现雨水花园对TP浓度的去除率为－86.3%～76%，对TN浓度的去除率为22.0%～45.4%。雨水花园对污染物的去除率，见表1。

表1 雨水花园对污染物的去除率

3 绿色屋顶

3.1 绿色屋顶截流效应分析

屋面是城市不透水面积的主要组成部分，绿色屋顶具有减少热岛效应、隔热降温和节能减排的作用，研究绿色屋顶对减少径流和污染物有重要意义。绿色屋顶由植被层、种植层、蓄排水层、隔根层、过滤层、保湿层、防渗漏层和原建筑顶等组成[10]。绿色屋顶对雨水径流的削减效果受屋面坡度、降雨强度、植物因素、基质层厚度和基质层初始湿度的影响[11]。100%绿化的屋顶、50%(远离流域总出水口)绿化的屋顶、50%(绿化位置靠近流域总出水口)绿化的屋顶、50%(均匀分散于研究区域)绿化的屋顶与无绿化前流域的峰值径流量相比，降低了5.3%、3.6%、1.8%和3.1%[12]。基质层、排水层为田园土、碳渣的屋顶和基质层、排水层为人工基质、排水板屋顶在小雨时径流削减率近100%，暴雨时径流削减率约为小雨时的30%[13]。基质厚度为50 mm的绿色屋顶对重现期为5年的降雨事件，其雨水系统削减率在15.3%～40.0%之间。当降雨强度较小时，绿色屋顶的滞留效果良好，但随着降雨强度的增大，其滞留效果明显降低。基质层越厚，绿色屋顶对降雨径流量削减率越高，不同基质层厚度的雨水径流削减率见表2。绿色屋顶雨水径流削减率与基质初始湿度呈负相关关系[11，13]。

表2 不同基质层厚度的雨水径流削减率

3.2 绿色屋顶减污效应分析

绿色屋顶通过屋顶植被层的截留作用和吸附作用截留雨水，利用种植土层中的微生物来降解污染物，并通过基层土壤中的过滤作用和渗透作用净化雨水中的污染物。绿色屋顶和普通屋顶的p H值有差异，普通屋顶的p H值通常小于7，而绿色屋顶的p H值大于7，绿色屋顶由于基质层填料含有碱性物质，使雨水的p H值升高，能缓解酸雨问题，减少酸雨对建筑物的腐蚀问题[14]。绿色屋顶能有效降低COD、TSS和浊度，但会成为硝酸盐(NO－3)和磷酸盐(PO3－4)的释放源[11，12]。

4 结论

(1)雨水花园和绿色屋顶均能削减雨水径流。其削减效果不一，当降雨事件为小雨时，两者的削减率均能达到近100%。雨水花园对暴雨径流削减效果良好，削减率达到99.0%，绿色屋顶暴雨时径流削减率约为小雨时的30%。

(2)雨水花园和绿色屋顶能有效去除雨水中的COD和TSS，但对TP、TN、NO－3、PO3－4的去除效果存在争议，有学者认为两者都能去除TP、TN、NO－3、PO3－4，也有学者认为两者是N、P的释放源。

(3)雨水花园和绿色屋顶都能有效滞留重金属(Cu、Zn、Pb)，雨水花园的滞留效果更好。雨水花园能有效去除重金属污染，但绿色屋顶的结构组成和所采用的建筑材料对重金属浓度有一定影响。