绿色屋顶常用改良土基质初期污染物淋失特性实验研究*

杜 超 宋瑞平 陈国芬 马文滢 郭 帅#

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

随着我国城市化进程的不断推进，城市不透水区域面积占比越来越高，城市水环境污染和内涝问题日趋严重。因此，近些年基于低影响开发(LID)的雨洪管理理念与技术得到日益广泛的重视与推广。而绿色屋顶设施，作为众多LID技术中的一种，因不占用城市用地资源[1]，且具备雨水径流量削减、径流峰期延滞、节约能源、减少空气和噪音污染等诸多效益，得到大量的研究与应用[2-4]。

钟兴等[5]通过构建绿色屋顶小试装置，探究了不同基质对绿色屋顶出流水质的影响，结果表明粗放式绿色屋顶装置能够在一定程度上滞留氮，但表现为磷的释放源。沈柳倩[6]通过比较绿色屋顶和普通沥青屋顶的出流水质特征，发现绿色屋顶出流的氮、磷污染物浓度高于普通沥青屋顶。KARCZMARCZYK等[7]采用绿色屋顶基质室内萃取实验和室外模型长期监测相结合的方式研究了几种常用基质的磷排放特性，发现新建的绿色屋顶基质中含有大量磷，存在引起淡水生态系统富营养化的风险，建议绿色屋顶应采取减磷措施。WANG等[8]在模拟降雨条件下，比较了由上层有机营养层和下层无机吸附层(活性炭、珍珠岩和蛭石混合)构成的双基质层绿色屋顶与传统单层绿色屋顶的出流水质特征，结果表明双基质层绿色屋顶可以汇集有机物、重金属和氮污染物，在较强降雨下具有磷释放风险。钟登杰等[9]在总结前人的研究后认为，绿色屋顶基质材料是影响初期雨水出流水质的关键因素，选择能满足植物生长需求，同时又能控制营养物输出的基质是解决以上问题的途径之一。

综上可知，绿色屋顶基质构成对其出流水质有着至关重要的影响，绿色屋顶对于雨水中各类污染物表现为汇还是源可能取决于基质层的特性，但目前尚未形成明确结论。为此，本研究以绿色屋顶基质类型为主要研究变量，利用《种植屋面工程技术规程》(JGJ 155—2013)中推荐的7种常用改良土作为基质构建9套绿色屋顶模型装置，通过定量分析各绿色屋顶出流的总氮(TN)、硝态氮、亚硝态氮、氨氮、总磷(TP)、COD以及浊度的淋失特性曲线，得到绿色屋顶出流特性的关键影响因素，研究成果可为绿色屋顶构造基质的选择提供参考，以降低绿色屋顶成为城市地区非点源污染的潜在可能[10]。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置与材料

构建9套绿色屋顶模型装置，装置编号及构造参数见表1。9套装置中，GR1～GR7用于对比分析不同基质结构对绿色屋顶污染物淋失特性的影响，GR4、GR4-125、GR4-150用于研究基质厚度对污染物淋失特性的影响。装置箱体尺寸为1.00 m×1.00 m×0.15 m，排水坡度设为4%，较低一端中间位置开有22.0 mm的排水孔和32.3 mm的溢流孔，分别用于收集渗滤液和表面径流。将绿色屋顶模型装置置于圆形钢材担架上，以便于后期开展人工降雨实验。根据JGJ 155—2013要求，装置由下至上依次为排水层、过滤层、基质层、植被层。排水层由980 g/m2聚氯乙烯双面凹凸型蓄排水板构成，凹凸高度2.8 cm，抗压强度500 kg/m2；过滤层采用130 g/m2聚酯无纺布，防止基质颗粒随水流出装置，铺设两层；基质层选用绿色屋顶常用改良土，铺设厚度根据实验要求设定；植被层选用生存能力较强的佛甲草，种植间距为5～6 cm。

表1 绿色屋顶模型装置编号及构造参数

绿色屋顶模型装置于2019年构建完成并开展实验，2020年7月完成实验。实验期间日均气温在0～30 ℃，总体呈先降低再升高的趋势；月均相对湿度为70.5%～92.8%，波动较大，最低值发生在2020年4月，最高值发生在2020年7月。

1.2 人工降雨与监测

本研究采用室外自然降雨和室内人工降雨相结合的方式开展实验，当室外发生降雨时收集雨水样品以及各装置的出流水样，进行水质分析；若一周内未降雨，则采用自来水为人工雨水进行室内人工降雨实验，室内人工降雨装置见图1。室内人工降雨按照合肥市一年一遇、持续时间30 min模式设计降雨强度，根据合肥市暴雨强度公式，计算得到降雨强度为0.9 mm/min。装置出流全程收集，由电子天平实时称量，降雨实验结束后取各装置出流进行水质分析。

1—储水器；2—喷头；3—绿色屋顶模拟装置；4—电子天平；5—降雨装置骨架

1.3 水质分析

将实验收集的水样储存于4 ℃的冰箱内，并及时进行水质分析[11]。TN采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定；硝态氮采用紫外分光光度法测定；亚硝态氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定；TP采用过硫酸钾消解—钼锑抗分光光度法测定；COD采用快速密闭催化消解法测定；浊度采用便携式浊度计测定。

2 实验结果与讨论

实验分3个阶段进行，第1阶段(2019年12月至2020年1月)为装置构建的初期阶段，共开展6次降雨实验与出流水质分析；第2阶段(2020年2月至2020年6月)为植被自然生长阶段，期间不进行降雨与出流水质分析；第3阶段(2020年7月)为后期阶段，进行2次自然降雨实验与出流分析。实验期间人工降雨用水和收集的自然雨水水质指标以及各降雨事件特性见表2。

表2 降雨事件特性及降雨污染物质量浓度

2.1 基质结构对出流TN的影响

各装置8次降雨出流的TN及累计淋出量变化见图2。由图2(a)可见，不同装置出流的TN淋失特性存在显著差异。GR2、GR3、GR6、GR7出流的TN浓度较高，且总体呈现出较明显的下降特性，而GR1、GR4、GR5出流的TN浓度一直处于较低水平，随着实验的进行并未出现较大的波动。TN累计淋出量可以表征不同基质结构对TN淋失的影响，由图2(b)可见，GR2、GR6的TN淋失问题相对严重，而GR1的TN累计淋出量最低。对各装置出流硝态氮、亚硝态氮及氨氮浓度进行分析，发现各装置出流亚硝态氮含量都较低，变化范围较小，其中GR1、GR4和GR5初期出流硝态氮、亚硝态氮浓度均低于雨水中的浓度，表现出了一定的削减效果，可能是植物和基质对硝态氮和亚硝态氮产生了滞留效应[12]。同时，在出流TN浓度较高的GR2、GR3、GR6中观测到了较高浓度的氨氮淋失。

图2 各装置出流的TN质量浓度及累计淋出量变化

对GR1～GR7构建初期阶段出流的污染物平均浓度进行统计，结果见表3。可以看出，GR1出流的TN平均质量浓度最低，仅为0.58 mg/L。GR1的基质构成为等体积比的田园土和浮石，未添加额外的营养物质，表明本研究使用的田园土不会带来较严重的氮淋失。GR2出流的TN平均质量浓度最高，达到了17.16 mg/L，远超《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅴ类标准(2.0 mg/L)。GR2的基质构成为田园土、草炭、松针土，同样具有草炭和松针土的GR3出流TN含量也较高。因此，推测GR2、GR3出流的高浓度TN可归因于基质中添加的草炭和松针土。结合GR2、GR3出流硝态氮、亚硝态氮和氨氮的浓度可知，出流TN中含有一定有机氮，这可能与草炭中所含大量腐殖质有关。GR6出流的TN浓度也较高，由于其基质构成为腐叶土、蛭石、沙土，应是基质中添加的腐叶土导致。

2.2 基质结构对出流TP的影响

各装置8次降雨出流的TP及累计淋出量变化见图3。由图3(a)可见，各装置出流TP浓度变化与TN表现出一定的相似性，GR2、GR3、GR6出流的TP浓度处于较高水平，且总体呈现下降趋势，而GR1、GR4、GR5出流的TP浓度一直处于较低水平，且较为稳定。此外，可观察到基质构成相似的GR2、GR3出流TP浓度一直保持相似的水平，对比具有相似改良土组分的GR7，可推知GR2、GR3的TP淋失是由于改良土中添加的松针土所致。在实验后期阶段，2次降雨事件中所有装置的出流TP浓度都达到了较低水平，且部分装置出流的TP浓度低于检出限。可见，绿色屋顶设施在运行一段时间后，不再存在严重的磷淋失问题。由图3(b)可见，GR6的TP淋失问题相对严重，而GR1、GR4、GR5的TP累计淋出量最低。由表3可见，初期阶段GR6出流的TP平均质量浓度最高(2.98 mg/L)，远高于GB 3838—2002的Ⅴ类标准(0.4 ，存在磷淋失问题。GR1、GR4、GR5出流的TP平均质量浓度为0.06～0.16 mg/L，满足GB 3838—2002中Ⅲ类标准(0.2 mg/L)，不存在较高的磷淋失风险。GR4、GR5、GR6基质构成中均包括蛭石，而GR6出流的TP浓度高于GR4、GR5，可见是基质中添加的腐叶土导致较高浓度的磷淋失。

表3 GR1～GR7构建初期阶段出流污染物的平均质量浓度

图3 各装置出流的TP质量浓度及累计淋出量变化

2.3 基质结构对出流COD的影响

各装置8次降雨出流的COD及累计淋出量变化见图4。由图4(a)可见，初期阶段的6次降雨事件中，GR2、GR3、GR6出流的COD浓度一直处于较高水平并缓慢下降，GR4、GR5出流的COD浓度呈现先上升后下降的趋势，但GR7出流的COD浓度没有观察到明显的下降趋势。GR7的基质组成为田园土、草炭、蛭石和肥料，基质中使用的肥料为颗粒状生物有机肥，随着时间的推移会缓慢溶解、释放，从而导致出流的COD浓度总体保持增加趋势。实验过程中观察到GR7构建初期植物的生长情况较差，但在植被自然生长阶段植物生长情况有所逆转，这可能与降雨过程使基质中各种物质淋失，肥料比例发生变化有关。由图4(b)可见，GR6、GR2、GR3的COD淋失问题相对严重，而GR1、GR4、GR5的COD累计淋出量最低。

图4 各装置出流的COD质量浓度及累计淋出量变化

由装置构建初期阶段出流的COD平均浓度可知(见表3)，GR2、GR3、GR6存在较严重的COD淋失问题，3个装置的出流水体颜色呈黄色或茶色，BECK等[13]在研究中也观察到相似现象，推测出流的有机物主要以腐殖酸的形式存在。因此，在应用此类改良土作为绿色屋顶的基质时，应当根据改良土的成分特性，适当减少草炭、松针土和腐叶土的添加比例。GR3出流的COD明显低于GR2，表明珍珠岩可在一定程度上降低有机污染物的淋失；GR1由于没有添加额外的营养物质，所以出流的COD浓度很低，达到了GB 3838—2002中Ⅲ类标准(20 mg/L)，但在实验植被自然生长阶段观察到装置内植物生长情况较差。

2.4 基质结构对出流浊度的影响

各装置8次降雨出流的浊度变化见图5。初期阶段各装置出流浊度总体均呈波动下降的趋势，到后期阶段，各装置出流浊度均达到较低水平，浊度出流特征与CHEN等[14]观察到的现象一致。结合表3数据，初期阶段GR2、GR3出流的平均浊度分别为120.92、137.13 NTU，GR2、GR3基质构成较相似，GR3出流浊度略高于GR2，可能与GR3基质中添加珍珠岩有关。珍珠岩可以提高土壤的透气性及渗透性能，使雨水渗透速度更快，从而携带更多的土壤颗粒。

图5 各装置出流浊度

2.5 基质厚度影响分析

为考察基质厚度对绿色屋顶污染物淋出特性的影响，比较GR4、GR4-125、GR4-150构建初期阶段的出流TN、TP、COD及浊度，结果见表4。

由表4可见，随着装置基质厚度增加，出流TN淋失越多，说明基质厚度是影响绿色屋顶出流氮淋失的重要因素，这与WANG等[15]得到的结论相同。GR4、GR4-125、GR4-150出流TP含量变化不大，具有较厚基质层的GR4-125、GR4-150出流TP浓度略低于GR4，卢浩等[16]也观测到相似的实验现象，这可能与水中磷的存在形式有关。磷易被颗粒物吸附，基质中淋出的TP主要以颗粒态的形式存在[17]，王彪等[18]的研究结果也证实了该结论。GR4出流的浊度最高，因此也造成较多的磷淋失。随着基质厚度的增加，GR4、GR4-125、GR4-150出流COD浓度呈增加趋势，而出流浊度则呈下降趋势。总体看来，基质厚度对TN和COD的淋失影响较大，对TP的淋失影响较小。

表4 GR4、GR4-125、GR4-150构建初期阶段的出流污染物浓度

3 结论与建议

以7种常用改良土为基质构建绿色屋顶模型装置，并对各装置构建初期生物污染物淋出特征进行分析，结果表明：GR1的基质构成为田园土和浮石，未添加额外的营养物质，因此出流的TN、TP、COD、浊度水平均很低，没有污染物淋失风险，但植被自然生长阶段植物生长情况较差，建议未来应用时需要根据实际情况额外添加适当比例的营养物质；GR6构建初期出流TN、TP、COD质量浓度分别达到了13.61、2.98、684.87 mg/L，会导致较高浓度的氮、磷和有机物淋失，在绿色屋顶基质选择时应当谨慎使用；GR2、GR3出流的TN、TP、COD淋失浓度也较高，未来应用时可适当缩减草炭和松针土的比例；GR7中添加了生物有机肥，因此出流COD浓度有上升的趋势，为平衡植物生长与出流水质，后续绿色屋顶模型构建实验需探究较为合适的肥料添加比例；GR4、GR5出流的氮、磷污染物浓度较低，表现出硝态氮和亚硝态氮的滞留效应，且装置内植物生长情况一直较优良，在与其他基质类型的综合比较之下，推荐绿色屋顶建造时优先选择此两种改良土基质。基质厚度对TN和COD的淋失影响较大，对TP的淋失影响较小。