杜 超 宋瑞平 陳國(guó)芬 馬文瀅 郭 帥#

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市不透水區(qū)域面積占比越來(lái)越高，城市水環(huán)境污染和內(nèi)澇問(wèn)題日趨嚴(yán)重。因此，近些年基于低影響開(kāi)發(fā)(LID)的雨洪管理理念與技術(shù)得到日益廣泛的重視與推廣。而綠色屋頂設(shè)施，作為眾多LID技術(shù)中的一種，因不占用城市用地資源[1]，且具備雨水徑流量削減、徑流峰期延滯、節(jié)約能源、減少空氣和噪音污染等諸多效益，得到大量的研究與應(yīng)用[2-4]。

鐘興等[5]通過(guò)構(gòu)建綠色屋頂小試裝置，探究了不同基質(zhì)對(duì)綠色屋頂出流水質(zhì)的影響，結(jié)果表明粗放式綠色屋頂裝置能夠在一定程度上滯留氮，但表現(xiàn)為磷的釋放源。沈柳倩[6]通過(guò)比較綠色屋頂和普通瀝青屋頂?shù)某隽魉|(zhì)特征，發(fā)現(xiàn)綠色屋頂出流的氮、磷污染物濃度高于普通瀝青屋頂。KARCZMARCZYK等[7]采用綠色屋頂基質(zhì)室內(nèi)萃取實(shí)驗(yàn)和室外模型長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式研究了幾種常用基質(zhì)的磷排放特性，發(fā)現(xiàn)新建的綠色屋頂基質(zhì)中含有大量磷，存在引起淡水生態(tài)系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)，建議綠色屋頂應(yīng)采取減磷措施。WANG等[8]在模擬降雨條件下，比較了由上層有機(jī)營(yíng)養(yǎng)層和下層無(wú)機(jī)吸附層(活性炭、珍珠巖和蛭石混合)構(gòu)成的雙基質(zhì)層綠色屋頂與傳統(tǒng)單層綠色屋頂?shù)某隽魉|(zhì)特征，結(jié)果表明雙基質(zhì)層綠色屋頂可以匯集有機(jī)物、重金屬和氮污染物，在較強(qiáng)降雨下具有磷釋放風(fēng)險(xiǎn)。鐘登杰等[9]在總結(jié)前人的研究后認(rèn)為，綠色屋頂基質(zhì)材料是影響初期雨水出流水質(zhì)的關(guān)鍵因素，選擇能滿足植物生長(zhǎng)需求，同時(shí)又能控制營(yíng)養(yǎng)物輸出的基質(zhì)是解決以上問(wèn)題的途徑之一。

綜上可知，綠色屋頂基質(zhì)構(gòu)成對(duì)其出流水質(zhì)有著至關(guān)重要的影響，綠色屋頂對(duì)于雨水中各類污染物表現(xiàn)為匯還是源可能取決于基質(zhì)層的特性，但目前尚未形成明確結(jié)論。為此，本研究以綠色屋頂基質(zhì)類型為主要研究變量，利用《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》(JGJ 155—2013)中推薦的7種常用改良土作為基質(zhì)構(gòu)建9套綠色屋頂模型裝置，通過(guò)定量分析各綠色屋頂出流的總氮(TN)、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨氮、總磷(TP)、COD以及濁度的淋失特性曲線，得到綠色屋頂出流特性的關(guān)鍵影響因素，研究成果可為綠色屋頂構(gòu)造基質(zhì)的選擇提供參考，以降低綠色屋頂成為城市地區(qū)非點(diǎn)源污染的潛在可能[10]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

構(gòu)建9套綠色屋頂模型裝置，裝置編號(hào)及構(gòu)造參數(shù)見(jiàn)表1。9套裝置中，GR1～GR7用于對(duì)比分析不同基質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)綠色屋頂污染物淋失特性的影響，GR4、GR4-125、GR4-150用于研究基質(zhì)厚度對(duì)污染物淋失特性的影響。裝置箱體尺寸為1.00 m×1.00 m×0.15 m，排水坡度設(shè)為4%，較低一端中間位置開(kāi)有22.0 mm的排水孔和32.3 mm的溢流孔，分別用于收集滲濾液和表面徑流。將綠色屋頂模型裝置置于圓形鋼材擔(dān)架上，以便于后期開(kāi)展人工降雨實(shí)驗(yàn)。根據(jù)JGJ 155—2013要求，裝置由下至上依次為排水層、過(guò)濾層、基質(zhì)層、植被層。排水層由980 g/m2聚氯乙烯雙面凹凸型蓄排水板構(gòu)成，凹凸高度2.8 cm，抗壓強(qiáng)度500 kg/m2；過(guò)濾層采用130 g/m2聚酯無(wú)紡布，防止基質(zhì)顆粒隨水流出裝置，鋪設(shè)兩層；基質(zhì)層選用綠色屋頂常用改良土，鋪設(shè)厚度根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定；植被層選用生存能力較強(qiáng)的佛甲草，種植間距為5～6 cm。

表1 綠色屋頂模型裝置編號(hào)及構(gòu)造參數(shù)

綠色屋頂模型裝置于2019年構(gòu)建完成并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，2020年7月完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)期間日均氣溫在0～30 ℃，總體呈先降低再升高的趨勢(shì)；月均相對(duì)濕度為70.5%～92.8%，波動(dòng)較大，最低值發(fā)生在2020年4月，最高值發(fā)生在2020年7月。

1.2 人工降雨與監(jiān)測(cè)

本研究采用室外自然降雨和室內(nèi)人工降雨相結(jié)合的方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，當(dāng)室外發(fā)生降雨時(shí)收集雨水樣品以及各裝置的出流水樣，進(jìn)行水質(zhì)分析；若一周內(nèi)未降雨，則采用自來(lái)水為人工雨水進(jìn)行室內(nèi)人工降雨實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)人工降雨裝置見(jiàn)圖1。室內(nèi)人工降雨按照合肥市一年一遇、持續(xù)時(shí)間30 min模式設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，根據(jù)合肥市暴雨強(qiáng)度公式，計(jì)算得到降雨強(qiáng)度為0.9 mm/min。裝置出流全程收集，由電子天平實(shí)時(shí)稱量，降雨實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取各裝置出流進(jìn)行水質(zhì)分析。

1—儲(chǔ)水器；2—噴頭；3—綠色屋頂模擬裝置；4—電子天平；5—降雨裝置骨架

1.3 水質(zhì)分析

將實(shí)驗(yàn)收集的水樣儲(chǔ)存于4 ℃的冰箱內(nèi)，并及時(shí)進(jìn)行水質(zhì)分析[11]。TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解—紫外分光光度法測(cè)定；硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測(cè)定；亞硝態(tài)氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測(cè)定；氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；TP采用過(guò)硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法測(cè)定；COD采用快速密閉催化消解法測(cè)定；濁度采用便攜式濁度計(jì)測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)分3個(gè)階段進(jìn)行，第1階段(2019年12月至2020年1月)為裝置構(gòu)建的初期階段，共開(kāi)展6次降雨實(shí)驗(yàn)與出流水質(zhì)分析；第2階段(2020年2月至2020年6月)為植被自然生長(zhǎng)階段，期間不進(jìn)行降雨與出流水質(zhì)分析；第3階段(2020年7月)為后期階段，進(jìn)行2次自然降雨實(shí)驗(yàn)與出流分析。實(shí)驗(yàn)期間人工降雨用水和收集的自然雨水水質(zhì)指標(biāo)以及各降雨事件特性見(jiàn)表2。

表2 降雨事件特性及降雨污染物質(zhì)量濃度

2.1 基質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)出流TN的影響

各裝置8次降雨出流的TN及累計(jì)淋出量變化見(jiàn)圖2。由圖2(a)可見(jiàn)，不同裝置出流的TN淋失特性存在顯著差異。GR2、GR3、GR6、GR7出流的TN濃度較高，且總體呈現(xiàn)出較明顯的下降特性，而GR1、GR4、GR5出流的TN濃度一直處于較低水平，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行并未出現(xiàn)較大的波動(dòng)。TN累計(jì)淋出量可以表征不同基質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)TN淋失的影響，由圖2(b)可見(jiàn)，GR2、GR6的TN淋失問(wèn)題相對(duì)嚴(yán)重，而GR1的TN累計(jì)淋出量最低。對(duì)各裝置出流硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及氨氮濃度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各裝置出流亞硝態(tài)氮含量都較低，變化范圍較小，其中GR1、GR4和GR5初期出流硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮濃度均低于雨水中的濃度，表現(xiàn)出了一定的削減效果，可能是植物和基質(zhì)對(duì)硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮產(chǎn)生了滯留效應(yīng)[12]。同時(shí)，在出流TN濃度較高的GR2、GR3、GR6中觀測(cè)到了較高濃度的氨氮淋失。

圖2 各裝置出流的TN質(zhì)量濃度及累計(jì)淋出量變化

對(duì)GR1～GR7構(gòu)建初期階段出流的污染物平均濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯觯珿R1出流的TN平均質(zhì)量濃度最低，僅為0.58 mg/L。GR1的基質(zhì)構(gòu)成為等體積比的田園土和浮石，未添加額外的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，表明本研究使用的田園土不會(huì)帶來(lái)較嚴(yán)重的氮淋失。GR2出流的TN平均質(zhì)量濃度最高，達(dá)到了17.16 mg/L，遠(yuǎn)超《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(2.0 mg/L)。GR2的基質(zhì)構(gòu)成為田園土、草炭、松針土，同樣具有草炭和松針土的GR3出流TN含量也較高。因此，推測(cè)GR2、GR3出流的高濃度TN可歸因于基質(zhì)中添加的草炭和松針土。結(jié)合GR2、GR3出流硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和氨氮的濃度可知，出流TN中含有一定有機(jī)氮，這可能與草炭中所含大量腐殖質(zhì)有關(guān)。GR6出流的TN濃度也較高，由于其基質(zhì)構(gòu)成為腐葉土、蛭石、沙土，應(yīng)是基質(zhì)中添加的腐葉土導(dǎo)致。

2.2 基質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)出流TP的影響

各裝置8次降雨出流的TP及累計(jì)淋出量變化見(jiàn)圖3。由圖3(a)可見(jiàn)，各裝置出流TP濃度變化與TN表現(xiàn)出一定的相似性，GR2、GR3、GR6出流的TP濃度處于較高水平，且總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而GR1、GR4、GR5出流的TP濃度一直處于較低水平，且較為穩(wěn)定。此外，可觀察到基質(zhì)構(gòu)成相似的GR2、GR3出流TP濃度一直保持相似的水平，對(duì)比具有相似改良土組分的GR7，可推知GR2、GR3的TP淋失是由于改良土中添加的松針土所致。在實(shí)驗(yàn)后期階段，2次降雨事件中所有裝置的出流TP濃度都達(dá)到了較低水平，且部分裝置出流的TP濃度低于檢出限?？梢?jiàn)，綠色屋頂設(shè)施在運(yùn)行一段時(shí)間后，不再存在嚴(yán)重的磷淋失問(wèn)題。由圖3(b)可見(jiàn)，GR6的TP淋失問(wèn)題相對(duì)嚴(yán)重，而GR1、GR4、GR5的TP累計(jì)淋出量最低。由表3可見(jiàn)，初期階段GR6出流的TP平均質(zhì)量濃度最高(2.98 mg/L)，遠(yuǎn)高于GB 3838—2002的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(0.4 ，存在磷淋失問(wèn)題。GR1、GR4、GR5出流的TP平均質(zhì)量濃度為0.06～0.16 mg/L，滿足GB 3838—2002中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg/L)，不存在較高的磷淋失風(fēng)險(xiǎn)。GR4、GR5、GR6基質(zhì)構(gòu)成中均包括蛭石，而GR6出流的TP濃度高于GR4、GR5，可見(jiàn)是基質(zhì)中添加的腐葉土導(dǎo)致較高濃度的磷淋失。

表3 GR1～GR7構(gòu)建初期階段出流污染物的平均質(zhì)量濃度

圖3 各裝置出流的TP質(zhì)量濃度及累計(jì)淋出量變化

2.3 基質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)出流COD的影響

各裝置8次降雨出流的COD及累計(jì)淋出量變化見(jiàn)圖4。由圖4(a)可見(jiàn)，初期階段的6次降雨事件中，GR2、GR3、GR6出流的COD濃度一直處于較高水平并緩慢下降，GR4、GR5出流的COD濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但GR7出流的COD濃度沒(méi)有觀察到明顯的下降趨勢(shì)。GR7的基質(zhì)組成為田園土、草炭、蛭石和肥料，基質(zhì)中使用的肥料為顆粒狀生物有機(jī)肥，隨著時(shí)間的推移會(huì)緩慢溶解、釋放，從而導(dǎo)致出流的COD濃度總體保持增加趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到GR7構(gòu)建初期植物的生長(zhǎng)情況較差，但在植被自然生長(zhǎng)階段植物生長(zhǎng)情況有所逆轉(zhuǎn)，這可能與降雨過(guò)程使基質(zhì)中各種物質(zhì)淋失，肥料比例發(fā)生變化有關(guān)。由圖4(b)可見(jiàn)，GR6、GR2、GR3的COD淋失問(wèn)題相對(duì)嚴(yán)重，而GR1、GR4、GR5的COD累計(jì)淋出量最低。

圖4 各裝置出流的COD質(zhì)量濃度及累計(jì)淋出量變化

由裝置構(gòu)建初期階段出流的COD平均濃度可知(見(jiàn)表3)，GR2、GR3、GR6存在較嚴(yán)重的COD淋失問(wèn)題，3個(gè)裝置的出流水體顏色呈黃色或茶色，BECK等[13]在研究中也觀察到相似現(xiàn)象，推測(cè)出流的有機(jī)物主要以腐殖酸的形式存在。因此，在應(yīng)用此類改良土作為綠色屋頂?shù)幕|(zhì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)改良土的成分特性，適當(dāng)減少草炭、松針土和腐葉土的添加比例。GR3出流的COD明顯低于GR2，表明珍珠巖可在一定程度上降低有機(jī)污染物的淋失；GR1由于沒(méi)有添加額外的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以出流的COD濃度很低，達(dá)到了GB 3838—2002中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(20 mg/L)，但在實(shí)驗(yàn)植被自然生長(zhǎng)階段觀察到裝置內(nèi)植物生長(zhǎng)情況較差。

2.4 基質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)出流濁度的影響

各裝置8次降雨出流的濁度變化見(jiàn)圖5。初期階段各裝置出流濁度總體均呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，到后期階段，各裝置出流濁度均達(dá)到較低水平，濁度出流特征與CHEN等[14]觀察到的現(xiàn)象一致。結(jié)合表3數(shù)據(jù)，初期階段GR2、GR3出流的平均濁度分別為120.92、137.13 NTU，GR2、GR3基質(zhì)構(gòu)成較相似，GR3出流濁度略高于GR2，可能與GR3基質(zhì)中添加珍珠巖有關(guān)。珍珠巖可以提高土壤的透氣性及滲透性能，使雨水滲透速度更快，從而攜帶更多的土壤顆粒。

圖5 各裝置出流濁度

2.5 基質(zhì)厚度影響分析

為考察基質(zhì)厚度對(duì)綠色屋頂污染物淋出特性的影響，比較GR4、GR4-125、GR4-150構(gòu)建初期階段的出流TN、TP、COD及濁度，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)，隨著裝置基質(zhì)厚度增加，出流TN淋失越多，說(shuō)明基質(zhì)厚度是影響綠色屋頂出流氮淋失的重要因素，這與WANG等[15]得到的結(jié)論相同。GR4、GR4-125、GR4-150出流TP含量變化不大，具有較厚基質(zhì)層的GR4-125、GR4-150出流TP濃度略低于GR4，盧浩等[16]也觀測(cè)到相似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這可能與水中磷的存在形式有關(guān)。磷易被顆粒物吸附，基質(zhì)中淋出的TP主要以顆粒態(tài)的形式存在[17]，王彪等[18]的研究結(jié)果也證實(shí)了該結(jié)論。GR4出流的濁度最高，因此也造成較多的磷淋失。隨著基質(zhì)厚度的增加，GR4、GR4-125、GR4-150出流COD濃度呈增加趨勢(shì)，而出流濁度則呈下降趨勢(shì)。總體看來(lái)，基質(zhì)厚度對(duì)TN和COD的淋失影響較大，對(duì)TP的淋失影響較小。

表4 GR4、GR4-125、GR4-150構(gòu)建初期階段的出流污染物濃度

3 結(jié)論與建議

以7種常用改良土為基質(zhì)構(gòu)建綠色屋頂模型裝置，并對(duì)各裝置構(gòu)建初期生物污染物淋出特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明：GR1的基質(zhì)構(gòu)成為田園土和浮石，未添加額外的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此出流的TN、TP、COD、濁度水平均很低，沒(méi)有污染物淋失風(fēng)險(xiǎn)，但植被自然生長(zhǎng)階段植物生長(zhǎng)情況較差，建議未來(lái)應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況額外添加適當(dāng)比例的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；GR6構(gòu)建初期出流TN、TP、COD質(zhì)量濃度分別達(dá)到了13.61、2.98、684.87 mg/L，會(huì)導(dǎo)致較高濃度的氮、磷和有機(jī)物淋失，在綠色屋頂基質(zhì)選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎使用；GR2、GR3出流的TN、TP、COD淋失濃度也較高，未來(lái)應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)縮減草炭和松針土的比例；GR7中添加了生物有機(jī)肥，因此出流COD濃度有上升的趨勢(shì)，為平衡植物生長(zhǎng)與出流水質(zhì)，后續(xù)綠色屋頂模型構(gòu)建實(shí)驗(yàn)需探究較為合適的肥料添加比例；GR4、GR5出流的氮、磷污染物濃度較低，表現(xiàn)出硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的滯留效應(yīng)，且裝置內(nèi)植物生長(zhǎng)情況一直較優(yōu)良，在與其他基質(zhì)類型的綜合比較之下，推薦綠色屋頂建造時(shí)優(yōu)先選擇此兩種改良土基質(zhì)?；|(zhì)厚度對(duì)TN和COD的淋失影響較大，對(duì)TP的淋失影響較小。