基质类型及厚度对绿色屋顶径流量和水质影响

2021-05-20章孙逊张守红

中国水土保持科学 2021年2期

章孙逊，张守红,2†

(1.北京林业大学水土保持学院，100083, 北京；2.北京市水土保持工程技术研究中心, 100083, 北京)

快速城市化加剧了城市水环境问题[1]，雨水花园、绿墙、绿色屋顶等生态措施是缓解城市环境问题的有效途径[2]。屋顶约占城市不透水面的40%～50%[3]，实施屋顶绿化无需额外用地，但可增加绿地面积，具有城市径流调控[4-5]、美化环境、改善空气质量和降低城市热岛效应[6]等多重效益。

根据基质厚度和维护方式差异，绿色屋顶分为粗放型和密集型2类[7]。粗放型绿色屋顶基质较薄，维护管理成本较低[8]，较密集型绿色屋顶有更好的推广应用前景。植被和基质筛选和配置是绿色屋顶设计的关键要素[9]。绿色屋顶的水文性能[5,10]及其对径流水质影响[11]是当前研究热点，但关于绿色屋顶是径流污染物的源或汇的问题尚未有统一结论[12]。绿色屋顶的基质类型和厚度是影响植被生长、径流水量和水质的重要因素[13- 14]；因此，研究不同生长基质条件(材料和厚度)绿色屋顶的径流水质，筛选能够保证植物生长、减少营养元素和污染物淋出的新型绿色屋顶生长基质[1]，是安全推广绿色屋顶、避免造成水体污染的前提。

近年来，研究者对绿色屋顶基质材料比选和改进开展了大量研究。例如，刘爽等[15]研究指出在绿色屋顶基质中添加给水厂污泥对径流水质有改善作用，而添加消化污泥会带来磷污染。Monteiro等[16]研究表明在基质中添加碎蛋壳有利于降低绿色屋顶径流中磷酸盐浓度，但却提高了硝氮浓度。Kuoppamäki等[1]发现使用生物炭作为绿色屋顶基质改良剂，可有效降低径流中氮和磷的浸出。此外，基质材料来源、配比和基质厚度不同，实验结果也存在差异[1,16- 17]。Rowe[6]指出考虑经济可行性，绿色屋顶的基质应就地取材，而现有的绿色屋顶大多使用发达地区的商用基质[2]，并无公开配比信息[18]，限制了绿色屋顶在发展中区域的推广应用。此外，当前我国有关北方地区自然降雨条件下的实验监测研究较为匮乏[19- 20]，绿色屋顶基质选配缺少实验支撑。

笔者于北京市搭建6个实验绿色屋顶装置(图1)，使用北京当地田园土和2种自制基质(改良土和轻质基)，并设置2种基质厚度(15和10 cm)(表1)。在2017年雨季，进行降雨和绿色屋顶径流水量和水质监测，定量分析基质的类型和厚度对绿色屋顶径流量和污染负荷的影响，以期对绿色屋顶基质选配和厚度设置提供科学支撑，为海绵城市建设提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验设计

在北京市海淀区北京林业大学林业楼楼顶搭建6个1 m×1 m绿色屋顶实验装置(图1)。其中，植被层种植佛甲草(Sedumlineare)，装置分组见表1，其他配置详见已刊论文[12]。

图1 绿色屋顶实验设施结构示意Fig.1 Structure of the green roofs

表1 绿色屋顶结构特征

每个绿色屋顶装置配有1个自记式雨量计和1个250 L HDPE集水桶(图1)，分别用于记录绿色屋顶径流过程和收集径流。采用小型气象站(HOBO U30)监测气象数据，使用放置在实验装置附近的不锈钢盆收集雨水。

1.2 数据采集、检测与分析

降雨间隔>6 h的降雨视作2场降雨[21]，对监测期间4场6个绿色屋顶均产流的降雨进行雨水和径流采样，共采集水样28份。

值得肯定的是昆明市建设了“少数民族服务联系平台”“少数民族业务信息服务平台”“少数民族创业促就业服务平台”“少数民族纠纷调处和法律援助平台”“清真食品管理平台”“民族社团培育平台”等六位一体的社会化管理服务平台，及时倾听民意、为民解困。

2017年雨季，从各绿色屋顶中随机选10个点测量株高，分别计算平均株高。雨季结束后，分别从每个绿色屋顶中随机布置3块20 cm×20 cm样方，收割样方内所有植被的地上部分，采用浸泡法[22]测植物最大截留量，然后，将植物置于65 ℃的烘箱内烘干至恒质量，称量得绿色屋顶地上部分生物量[23]。

采用SPSS 25单因素方差分析判断不同基质类型绿色屋顶间径流水质是否存在显著差异；使用独立样本t检验对比基质厚度为15 cm和10 cm的绿色屋顶径流水质差异的显著性。

绿色屋顶平均径流削减率Dr

(1)

式中：n为取样降雨总数；i为降雨场次；S为绿色屋顶面积，m2；Vi为第i场降雨绿色屋顶径流量，L；Pi为第i场降雨量，mm。

绿色屋顶污染负荷削减率Dc可由下式计算：

(2)

式中：cpi和cri分别为第i场降雨雨水和绿色屋顶径流污染物质量浓度，当污染物指标为营养元素时，cpi和cri的单位为mg/L，当污染物指标为重金属时单位为μg/L。

2 结果与分析

2.1 植物生长特征

2017年4—5月进行佛甲草移植，除移植初期进行适量灌溉(绿色屋顶不产流)和人工除草，监测期间未施用肥料和农药，且无灌溉。各绿色屋顶佛甲草覆盖度在雨季前均达100%。除Q10外，其他绿色屋顶佛甲草的平均株高相近，但地上生物量存在较大差别(表2)。G15和G10中佛甲草的最大雨水截留量最高(0.83 mm)，T15、T10和Q15中佛甲草的最大雨水截留量相近，在0.71～0.75 mm之间，而Q10中佛甲草的雨水截留量最低，为0.50 mm。

表2 绿色屋顶植物佛甲草生长特征Tab.2 Characteristics of plant Sedum lineare on green roof

2.2 绿色屋顶产流特征

采样的4场降雨中包括1场中雨、2场大雨和1场暴雨。除7月7日降雨外，其他3场降雨相同基质的15 cm绿色屋顶产流量均小于基质厚度为10 cm的绿色屋顶，轻质基绿色屋顶产流量最大，田园土绿色屋顶最少(表3)。

实验绿色屋顶的平均径流削减率在41.5%～67.8%间(图2)，田园土绿色屋顶的平均径流削减率略高于改良土，二者均显著高于轻质基。基质厚度为15 cm的绿色屋顶的平均径流削减率均高于10 cm基质厚度，G15、T15和Q15绿色屋顶的平均径流削减率分别较G10、T10和Q10高7.3%、12.3%和5.0%。

表3 降雨及产流特征Tab.3 Characteristics of selected rainfall events and runoff

2.3 绿色屋顶径流中营养元素质量浓度特征

图中标有相同大写字母(A, B, C)表示不同基质间无显著差异(P>0.05)，标有相同的小写字母(a, b)表示不同厚度间无显著差异(P>0.05)，图3，图4相同。The same capital letters refer to no significant difference among different substrate type (P>0.05), the same lowercase letters refer to no significant difference between different substrate depth. The same in Fig.3 and Fig.4. 图2 绿色屋顶径流削减率Fig.2 Runoff reduction rates of green roofs

2.4 绿色屋顶径流中可溶性重金属质量浓度特征

2.4.1 可溶性镉 2种基质厚度的田园土和轻质基绿色屋顶径流中DCd的平均质量浓度无显著差异且均略低于雨水(图4a)，然而，10 cm厚度改良土绿色屋顶径流中DCd质量浓度显著高于15 cm厚度，且2个改良土绿色屋顶径流中DCd质量浓度显著高于轻质基。如表5，绿色屋顶均是DCd的汇，田园土绿色屋顶的DCd总污染负荷削减率最高，依次高于改良土和轻质基。15 cm基质厚度绿色屋顶对DCd的总污染负荷削减率均高于10 cm基质厚度。

2.4.2 可溶性铬 3种基质类型的绿色屋顶径流中DCr的平均质量浓度均高于雨水(0.86 μg/L)(图4b)，田园土绿色屋顶径流中DCr的平均质量浓度明显高于其他2种基质。除改良土绿色屋顶外，其他2种基质类型15 cm厚度绿色屋顶径流中DCr平均质量浓度均高于10 cm厚度。G15绿色屋顶的DCr总污染负荷削减率为18.6%，是DCr的汇(表5)。其他5个绿色屋顶径流产生的DCr总污染负荷均高于雨水(161.9 μg/m2)，是DCr的来源。

2.4.3 可溶性铜雨水中未检出DCu，田园土绿色屋顶径流DCu平均质量浓度显著高于其他2种基质(图4c)。G15和Q15绿色屋顶径流中DCu平均质量浓度分别高于G10和Q10，但T10绿色屋顶径流中DCu平均质量浓度明显高于T15。绿色屋顶均是DCu的源(表5)，田园土绿色屋顶径流中DCu的总污染负荷最高，轻质基绿色屋顶径流中DCu的总污染负荷最低。基质厚度为10 cm的田园土、改良土和轻质基绿色屋顶产生的污染负荷分别为2 842.3、788.0和410.8 μg/m2，均高于基质厚度为15 cm的同基质绿色屋顶。

图3 各绿色屋顶径流中营养元素质量浓度Fig.3 Nutrient concentrations of runoff from different green roofs

表4 不同基质类型和厚度绿色屋顶径流和雨水营养元素污染负荷

DCd、DCr、DCu和DNi分别代表溶解态的镉、铬、铜、镍。DCd, DCr, DCu, DNi refers to dissolved Cd, Cr, Cu, and Ni. 图4 各绿色屋顶径流中重金属质量浓度Fig.4 Concentrations of soluble metals from different green roofs

表5 不同基质类型和厚度绿色屋顶径流和雨水重金属污染负荷

2.4.4 可溶性镍雨水中DNi的平均质量浓度为1.20 μg/L (图4d)，绿色屋顶径流中DNi的平均质量浓度均高于雨水。田园土绿色屋顶径流中DNi的平均质量浓度高于其他2种基质，但差异不显著。10 cm基质厚度的田园土和轻质基绿色屋顶径流中DNi平均质量浓度高于15 cm厚度，而改良土绿色屋顶却相反。雨水的DNi总污染负荷为257.7 μg/m2(表5)，绿色屋顶径流的DNi总污染负荷均高于雨水，是DNi的源。基质厚度为10 cm的绿色屋顶径流中DNi的总污染负荷均高于基质厚度为15 cm的绿色屋顶。T10产生的DNi污染负荷最高，较雨水增加114.9%。

3 讨论

3.1 基质类型和厚度对绿色屋顶径流削减率的影响

15 cm基质厚度田园土、改良土和轻质基绿色屋顶的平均径流削减率分别为67.3%、60.3%和46.6%，均高于为10 cm厚度同基质绿色屋顶(分别为55.6%、53.0%和41.5%)。绿色屋顶雨水滞留能力主要受基质层储水能力影响[24]，15 cm厚度基质拥有更多储水空间，因此，15 cm基质厚度绿色屋顶平均径流削减率明显较高。当雨前干期较短，气象条件不利于绿色屋顶蒸散发时，则会影响基质储水能力的恢复[25]，这可能是7月7日的降雨中G15和Q15绿色屋顶产流量均略高于G10和Q10的原因之一。另一方面，改良土绿色屋顶的饱和导水率与轻质基相近(表6)，但孔隙度和田间持水量均明显高于后者，储水能力更强[10,21]，所以改良土绿色屋顶的径流削减率显著高于轻质基绿色屋顶。田园土的饱和导水率不足其他2种基质的1/3，且在使用过程中容易板结[9]，降雨强度较大时田园土绿色屋顶表面会产生积水(图5)，这可能是造成田园土绿色屋顶径流削减率高于另外2种基质的主要原因。

3.2 基质类型和厚度对绿色屋顶径流水质的影响

绿色屋顶径流水质同时受基质的类型和厚度、植被类型与生长情况、实验区周边环境、管理措施、气象因素等[13,26- 28]影响。本研究的6个绿色屋顶，除基质类型和厚度差异外，所有控制条件均相同，因此，基质差异和因基质差异造成的植物生长差异是影响径流水质的主要因素。

表6 绿色屋顶基质特性Tab.6 Properties of substrates on the green roof

图5 田园土表面积水实拍图Fig.5 Real shot of hydrops on local planting soil surface

6个绿色屋顶径流中DCd的平均质量浓度均与雨水相近，但因绿色屋顶具有径流削减功能[7]，6个绿色屋顶均是DCd的汇，且DCd的污染负荷削减能力同径流削减率规律相同。受基质成分[14]、大气沉降[6]、植被作用[12,32]和建设材料[2]等因素的影响，绿色屋顶也可能为重金属污染的源。实验的绿色屋顶径流中DCr、DCu、DNi的平均质量浓度都明显高于雨水，其中，田园土绿色屋顶径流的DCu的平均质量浓度显著高于另外2组绿色屋顶，化肥和农药的残留可能是造成此现象的根本原因。总体对比金属元素的污染负荷，除轻质基绿色屋顶径流中的DCr外，所有基质厚度为15 cm的绿色屋顶径流中重金属的污染负荷低于10 cm的绿色屋顶，绿色屋顶的径流削减能力对径流中重金属污染负荷有重要影响。