新型种植屋面基质对雨水滞蓄与净化能力的影响研究

王鑫瑜，邓琦，管冰镜，薛莉聘，江鹏，朱曙光

（1.安徽省绿色建筑先进技术研究院，安徽 合肥 230601；2.安徽省智慧城市工程技术研究中心，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601；4.中国烟草总公司合肥设计院，安徽 合肥 230061；5.上海新建设建筑设计有限公司，上海 200063）

随着我国城镇化的高速发展，海绵城市建设的理念逐步深入人心，城市的防洪排涝与初期雨污问题引起了广泛关注。在海绵城市建设中，种植屋面可以利用植物层、种植基质层及其附属结构来缓解城市雨水径流总量和峰值流量过高、径流产生时间过短、城市面源污染严重等问题，逐渐成为城市雨洪调控的重要技术手段。

在种植屋面对雨水滞蓄、净化的作用研究中，Van Woert和Villarreal等人的研究发现植物种类并不是决定种植屋面滞蓄雨水能力的主要因素，基质层厚度、土壤含水量、降雨强度等因素对种植屋面的截留蓄滞作用更具明显影响。Nardini等研究表明基质层厚度越大，种植屋面截留雨水的能力越强。翟丹丹等通过实验发现排水层材质对滞蓄雨水没有明显的影响，基质的种类对雨水径流滞留效果有更显著的影响。秦华鹏等研究表明蓄水层的厚度是影响滞蓄雨水的能力的重要因素。

目前，针对传统种植屋面的设计及作用效能的研究报道较多，而种植屋面通过构造简化和种植基质革新，进而满足屋面减荷载、保温、防水、免维护的功能是其今后的发展趋势，也是决定种植屋面能否普及应用的关键点之一。但是结构层简化的新型种植屋面能否达到传统种植屋面同样的效能，以及适应新型种植屋面的土壤基质减少厚度后能否起到良好的雨水滞蓄与净化作用尚缺乏实验研究；更缺少从土壤的理化性质出发，通过设计不同理化环境的土壤基质，构造不同的生态系统，探究新型种植屋面土壤基质对系统生态环境改善作用的影响。为此，本文通过模拟降雨实验，设计三种不同基质土壤配比方案，构造不同的土壤生态系统，探究在不同降雨强度条件下，土壤理化性质、土壤微生物及植物协同作用对种植屋面滞蓄、净化雨水能力的影响，结论能够为优化种植屋面的设计，提高种植屋面的作用效能提供重要依据。

1 实验设计与方法

1.1 实验设计

实验地点选在安徽建筑大学西辅楼楼顶，由四个种植屋面模块组成，种植屋面模块如图1所示，新型种植屋面结构由下向上分别为：储水层、铜板隔离板、无纺布过滤层、种植土层和植被。新型种植屋面的土壤厚度为200 mm，低于传统种植屋面的土壤厚度，为探究土壤理化性质对新型种植屋面滞水、蓄水和净水能力的影响，选取腐殖土、蛭石、活性炭、煤粒、陶粒和田园土，组合得到三种不同的土壤基质，见表1。新型种植屋面的储水层上方中间位置开设一小孔，用以连接导管排水。绿色屋面植被层采用适宜合肥本地环境、抗旱能力较强的佛甲草。在植物层完成覆盖后，取土样烘干，通过扫描电镜（SEM）表征土壤微观结构，见图2，并测量土壤酶活性及土壤有机质含量。

图1 新型种植屋面结构图

土壤基质层配比方案 表1

图2 A,B,C三组种植屋面土壤微观结构

由表1及图2可知，A组土壤酶活性较低，土壤有机质含量较高，植物生长较为茂盛，土壤结构紧密，存在孔洞，孔洞较少且孔径较小；B组土壤酶活性和土壤有机质略低，土壤结构较为紧密孔洞相较土壤A略多且孔洞较大，颗粒较为均匀，密闭空间较少；C组土壤酶活性较高，土壤有机质含量较低，微生物较多，结构松散，孔洞比土壤A和土壤B都多，孔洞孔径较大且分布较为紧密，且孔隙之间相互连通。

对新型种植屋面模块进行模拟人工降雨，按照合肥市暴雨强度公式模拟暴雨强度，如公式1：

式中：P—重现期，取 10 a，50 a，100 a；

t—降雨历时，取 40 min，30 min，20 min。

其中，根据合肥自然降水水质模拟人工降雨，各指标如表2所示。

人工降雨水文水质参数 表2

1.2 实验测试方法

1.2.1 雨水水量实验方法

对三组植物进行人工降雨，同时做无植物的空白对照实验，记录开始降雨时间、雨水产流量和种植屋面出水口开始稳定出水的时间，待雨水径流稳定后，每隔5 min测量收集的雨水体积，直至径流结束。

1.2.2 雨水水质实验方法

水质实验中，待自然降雨经种植屋面模块稳定出水后收集雨水，每5 min同时取3个平行水样，水样混合后作为水质实验的样品，并于24 h内完成常规水质指标检测分析。主要检测项目包括总氮(TN)、化学需氧量(COD)，均采用国标方法进行测定。

2 结果与讨论

2.1 滞蓄雨水能力分析

通过模拟合肥的降雨条件，从产流量、产流延迟时间及滞蓄率三个方面，研究土壤组成结构与新型种植屋面雨水滞蓄能力的构效关系。

2.1.1 产流量

各组种植屋面在不同重现期条件下的产流量如图3所示。从图中可以看出，相对于对照组D，A、B、C三组在三种不同的降雨重现期条件下均显示出减弱的产流量，对比A、B、C三组种植屋面，可以发现在三种不同降雨强度条件下，B组产流量均是最高，其对雨水的减流能力最弱，这可能是由于高比表面积活性碳的加入显著提高了土壤的孔隙率，但微孔之间相互连通，密闭空间较少，且颗粒不均匀系数较低，从而削弱了土壤截留雨水的能力；而A组在50 a和100 a重现期条件下，显示出较低的产流量，表明A组种植屋面具有较好的雨水减流能力，这一结果与A组土壤结构的电镜分析也相一致，A组种植屋面的土质较为紧密，封闭孔隙较多，且蛭石的加入有助于丰富土壤中的微量元素，植物生长得更加茂盛，增强了土壤截留雨水的能力；但是在10 a的重现期下A组的产流量稍高于土壤中添加煤粒的种植屋面（C组），这可能是由于C组中煤粒的加入虽然在降低了土壤粘性、疏松了土质，却一定程度地提高了土壤的孔隙率，赋予土壤一定的蓄水能力，因此，在降雨较小的条件下，C组土壤比A组具有更高的蓄水能力，较低产流量，一旦当降雨量超过土壤所能容纳的最大水量，由于锁水能力较弱，C组则表现出更高的产流量。这一结果也符合仇少鹏等的研究。从图中还能看出产流量都是随着降雨强度先增后降，这是由于在暴雨重现期为100 a时降雨总量仅为16.1 L，降雨总量的减少导致了出流量的降低。

图3 种植屋面在不同重现期的产流量分析

2.1.2 产流延迟时间

针对不同重现期条件下不同土壤的种植屋面产流延迟时间分析如图4所示。从图中可以看出A、B、C三组实验组和D组对照组的产流延迟时间均随着降雨强度的增加而缩短，这一结果与课题组前期的研究工作相一致。而在相同的降雨强度条件下，与对照组相比，植被的存在提高了土壤对雨水的截留作用，显著延迟了A、B、C三组种植屋面的产流时间。由于三组实验组的土壤基质厚度基本一致，因此从图3可见在相同的降雨强度条件下，A、B、C三组的产流延迟时间差别不大。

图4 不同土壤的新型种植屋面在不同重现期的产流延迟时间分析

2.1.3 滞蓄径流率

图5所示为不同重现期降水条件下不同实验组种植屋面和对照组的滞蓄径流率分析。从图中可以看出，A、B、C三个实验组相对于没有植被的对照组，均表现出较好的雨水滞蓄效果。综合三个实验组结果，在三种不同的降水强度下，A、C两组对雨水的滞蓄效果最为显著；尤其在50 a和100 a的重现期条件下，A组具有突出的雨水滞蓄能力，滞蓄率比B，C两组分别高了10.67%，5.43%和3.23%，3.29%，这主要是由于A组种植屋面土壤的土质结构较为紧密，能更好地滞蓄雨水，土质越松散，雨水下渗能力越强。B组中的土壤因活性碳的存在，活性碳的高孔隙率和固有孔道结构促进了雨水的下渗，导致B组对雨水的滞蓄效果不佳。同时从图4中还可以发现C组在暴雨强度较小的时候对雨水有较好的滞蓄效果，这一结果印证了前述产流量的实验结果，即C组土壤的结构能在小强度降雨条件下发挥良好的蓄水能力，而在遇到较大降雨时表现出大的产流量和较低的滞蓄率。

图5 不同土壤的新型种植屋面在不同重现期的滞蓄率分析

2.2 净化雨水能力分析

2.2.1 出水总氮

三组种植屋面实验组及空白对照组在不同重现期降雨条件下的出水总氮（TN）分析如图6所示。由图可知，对于TN含量分别为 2.873、2.873和 4.091 mg/L的初始水质，在三种降雨条件下实验组和对照组均能达到18%的TN去除率。而当降雨重现期条件相同时，C组种植屋面的总氮去除效果最佳，A和B组总氮去除效果相对较弱，在重现期50 a时，C组的总氮去除率最高可达50%。根据周赛军等人的研究，种植屋面去除TN主要依靠植物的吸收和微生物脱氮作用。由于C组种植屋面的土壤添加有煤粒，可以促进微生物的繁殖和降低土壤的入渗速率，此外，C组土壤酶活性最高，微生物较为活跃，能较好地将截留雨水中的有机氮转化为无机氮，再由植物吸收去除，所以C组模块出水TN含量最低。而A组土壤中的蛭石，可以促进植物生长，降低土壤的入渗速率，所以TN去除效果次之；B组土壤结构较为紧密，对雨水滞留能力不强，基质中的活性碳具有较高的孔隙率，会提高土壤的入渗速率，所以TN去除效果最弱。

图6 不同土壤的新型种植屋面在不同重现期的TN分析

2.2.2 出水化学需氧量

三组种植屋面实验组及空白对照组在不同重现期降雨条件下的出水化学需氧量（COD）分析如图7所示。由图可知，对于COD含量分别为38.658、40.533和45.361 mg/L的初始水质，在三种暴雨强度下实验组及空白对照组均能去除一定量的COD，在暴雨强度较小时，A组具有较好的去除效果；随着暴雨强度的增加，C组对雨水的净化效果逐渐增加。通过车武等人的研究可知，种植屋面对雨水中的COD的去除主要通过土壤的过滤和微生物的降解。A组土壤基质层由于加入了蛭石，能够促进植物生长茂盛，降低土壤入渗速率，所以A组在降雨强度较低时出水COD含量最低；C组土壤基质由于加入煤粉，导致土壤微观结构较为松散，有较多的孔洞，且土壤酶活性较高，含有大量微生物，所以C组在降雨强度较高时出水COD含量低。空白组模块重现期100a条件下，出水COD高于雨水COD的值，可能是由于暴雨强度过高，土壤有机质过高，加上未种植植物，容易出现水土流失，导致土壤中的有机质随雨水流出，出现淋失现象。COD的去除效果并不是很理想，分析后发现模拟雨水水质初始污染物浓度较低，经过新型种植屋面的过滤净化已经满足国家一级排放标准。

图7 不同土壤的新型种植屋面在不同重现期的COD分析

3 结论

①通过改进研究种植屋面结构，将传统11层结构简化至5层，新型种植屋拥有面质轻、免养护、易实施、安全性高等特点，方便应用与推广。

②土壤密闭孔隙越多，种植屋面延迟截留雨水的能力越强，土壤颗粒均匀程度降低，导致土壤渗透速度降低，使种植屋面滞蓄雨水的能力增强。土壤微生物越活跃，土壤渗透速度越小，种植屋面净化能力越强。并且在暴雨强度较低的时候，土壤过滤作用为主导；而在暴雨强度较高的时候，微生物降解作用为主导。

③暴雨强度的增强，降雨量的增加会削弱种植屋面滞蓄、净化雨水的能力，当降雨超出种植屋面承受能力的极限时，种植屋面对雨水延迟、滞留及净化的能力会被极大的削弱。