绿色屋顶削减城市降雨径流污染的研究进展

许浩浩，吕伟娅

(南京工业大学，江苏南京211816)

随着城市化快速发展，城市不透水下垫面面积不断增加，这导致了一系列问题，如城市内涝、城市非点源污染及地下水补给减少等。屋顶作为城市不透水下垫面的重要组成部分，其面积占城市不透水下垫面总面积的40%～50%[1]。研究表明[2]，水泥屋顶产流中TN、NH3-N、TP、COD浓度分别达到了15～31、7～11、0.4～1.5、183～454 mg/L，均高于地表水Ⅴ类标准。Sarah等[3]研究指出，薄膜、焦油、黏合剂等传统屋顶材料均是污染物的潜在释放源，其中金属材料屋面降雨径流中的Zn、Cu可由最初的1 000、150 ug/L分别上升到2 500、16 000 ug/L。Zhang等[4]研究显示，营养物质、TSS、COD和重金属是屋顶降雨径流的主要污染物，若这些污染物直接排入城市水环境中，不但会破坏敏感的水生态系统，而且还会威胁人类健康。因此，探索满足生态、环境、经济等多重效益的城市雨洪管控技术已成为城市化进程中必须解决的问题。

作为现代城市暴雨最佳管理措施之一，绿色屋顶在削减暴雨径流量、改善径流水质、促进雨水资源化利用、缓解城市热岛效应及景观价值等方面具有良好的生态效益和经济效益。绿色屋顶在德国、美国及其他发达国家已经成为控制城市屋顶降雨径流污染的最佳成本效益的技术措施[5]，其设计与应用已经相对成熟。目前，中国对绿色屋顶的研究尚处于起步阶段，主要集中在绿色屋顶的径流量控制、节能效应和景观性等方面的研究[6]，对于削减降雨径流污染方面研究相对较少，有待进一步的研究以充分发挥绿色屋顶对降雨径流水量和水质的综合控制效果。

1 绿色屋顶削减降雨径流污染

1.1 污染物的削减效果

表1 绿色屋顶净化效果 单位：%

1.2 影响因素

Corey等[15]研究发现，与其他季节相比，绿色屋顶在温暖的夏季出水中TP、TN和TOC的浓度明显增加。沈柳倩[16]研究表明，与普通沥青屋顶相比，绿色屋顶径流中的NH3-N、TN和TP浓度较高，尤其是初期的TP浓度，且污染物浓度随着降雨历时和屋顶运行时间的增加而减少。Wang等[17]研究显示，当屋顶占城区总面积的25%、降雨持续时间15 min、降雨强度为14.8 mm/h时，TSS、TP和TN的去除效果较好，随屋顶绿化率的增加，TSS和TP浓度削减率有所提高，而TN浓度削减率则逐渐降低，还发现靠近流域总出水口进行屋面绿化，更有利于削减径流污染，当绿化率为50%时，就TSS峰值浓度的降低幅度而言，靠近流域总出水口进行绿化是远离流域总出水口进行绿化的3.5倍。龙剑波等[2]研究表明，浅层绿色屋顶降雨径流水质优于深层绿色屋顶，前期干旱天数、气温与接骨草屋顶径流中的氨氮浓度呈显著负相关关系。

绿色屋顶对径流中大部分污染物有良好的的去除效果，但去除效果受植物类型、基质种类、降雨强度、运行时间、坡度等因素影响，其中基质和植物对系统的净化效果起关键作用，因此通过筛选和优化绿色屋顶的基质及植物，可以大幅度提升系统的水量调控与水质净化能力。

2 优化绿色屋顶净化效果

2.1 填料改良

表2 优化绿色屋顶净化效果 单位：%

2.2 优化填料组合及配比

2.3 其他改进措施

试验表明[27]，基质层厚度与污染物去除率存在正相关的关系，基质层增加50 mm时，系统对TN和COD的去除率提高15%。刘爽等[29]研究表明，给水厂剩余污泥基质的适宜厚度为5 cm，消化污泥基质的适宜厚度为10 cm。研究显示[30]，根茎发达的植物不仅可以增加基质的持水能力，还可以提高系统对污染物的净化作用，且组合的植物比单种植物对污染物负荷的削减能力更强。Eline等[31]发现植物对截留和净化雨水径流能力由大到小依次为草本植物、草坪、禾本科植物、景天科植物，因此选择草本植物或草坪可以改善对污染物的削减效果。

不同基质及植物对污染物的去除效果有所不同，可能是由于基质的理化性质、运行条件及设计工况的不同导致。选择比表面积大、通透性好、孔隙率大、结构稳定的基质材料会显著提升系统的净化能力，同时优化不同基质间的组合配比会进一步提升对多种污染物的去除效果，在此基础上，合理配置植物，增加基质厚度会进一步增加系统对污染物的去除率。

3 绿色屋顶净化机理

绿色屋顶通过土壤和基质的过滤、吸附截留，植物的吸收及微生物的降解等作用可以去除屋顶雨水径流中的大部分污染物。Wang等[7]认为在降雨期间，由于硝态氮在土壤中具有很强的流动性，此时累积在介质中的硝态氮便会从介质中释放出来，而绿色屋顶难以为微生物提供反硝化的条件，硝酸盐的去除主要依靠植物有限的吸收作用，导致系统对硝酸盐的去除率较低。研究表明[32]，氨氮是水溶性阳离子，易被带负电的有机物和黏土通过吸附或离子交换固定，从而去除率较高。周赛军等[33]发现绿色屋顶对TN的去除率基本保持在50%～70%，认为其去除主要依靠植物吸收、吸附和微生物脱氮作用，其中有机氮先被截留或沉淀后在微生物作用下转化为氨氮；绿色屋顶中磷的主要以悬浮态、溶解态和胶体3种形式存在，去除机理包括：土壤对磷的物理截留、吸附及化学沉淀，植物、微生物、土壤构成的生态系统的生物作用除磷，其中土壤对磷的去除占主导地位。试验显示[7]，绿色屋顶径流中溶解性磷酸盐的浓度低于总磷浓度，磷酸根占总磷的44%，总磷的去除主要依靠绿色屋顶系统的物理截留和植物的吸收作用共同完成。有研究表明[17]，远离流域总出水口进行绿化对TP峰值浓度的降低幅度低于靠近流域总出水口进行绿化，当靠近流域出水口绿化时，远离流域出水口的不透水屋面产生的降雨径流在向流域总出水口传输过程中所携带的磷不断沉淀和稀释。龙剑波等[2]认为溶解性无机氮和溶解性磷更容易被绿色屋顶基质层中的微生物吸收利用，绿色屋顶降雨径流总氮的60%～80%为硝态氮。

沈柳倩[16]发现屋面径流中的 TSS含量随降雨历时的延长而逐渐下降，绿色屋顶对TSS的去除主要是介质材料和土壤的过滤、截留及吸附。陆芸[34]认为利用植物根系吸收和基质层中微生物的作用可以大幅度削减径流污染中的TSS。Wang等[17]指出靠近流域总出水口的方式进行屋顶绿化，更有利于污染负荷的消减，尤其是TSS，当靠近流域总出水口绿化时，远离流域总出水口的不透水屋面产生的降雨径流在向流域总出水口传输过程中所携带的悬浮颗粒物不断沉淀。周赛军等[33]发现绿色屋顶对TSS有明显的去除作用，去除率基本在80%～90%，认为雨水中的悬浮物和胶体物质流经种植土层和基质层时通过沉淀、截留、吸附作用得以去除，同时系统内微生物的生命活动也会去除部分有机胶体和悬浮物。

研究显示[16]，绿色屋顶对COD的去除主要依靠土壤及介质的过滤、吸附、截留及植物吸收等，绿色屋顶径流中的COD含量与普通屋顶径流接近或者要低，是因为原先储存在绿色屋顶基质中的有机物随时间逐渐流失或被植物所吸收。有研究显示[34]，当水中污染物浓度为160 mg/L时，COD的去除率在50%以上，主要是土壤的渗透作用过滤降雨径流中的酸。王晓晨等[27]研究表明，绿化屋面对COD 的去除主要依靠植物和填料的过滤、截留和吸附作用，生物作用对屋面雨水径流中COD的去除效果很小。Shen等[28]认为之所以粗放型绿色屋顶对PAHs的去除率较高，是因为颗粒态PAHs被基质材料过滤并拦截在系统中。闫立健[35]认为双层基质绿色屋顶对径流中大多数的重金属有较好的去除效果，颗粒态重金属被附着在悬浮物上，经过滤、沉淀被滞留在土壤及介质内，溶解态重金属则可直接被植物吸收或介质吸附。研究发现[36-37]，雨水的pH低于绿化屋顶的屋面径流，由于土壤或基质材料中的 Cd、Pb 和Zn等重金属的溶解度与 pH 值的大小成反比，因而这一作用有利于绿化屋顶滞留重金属。

4 结论与展望

近年来，基于绿色屋顶在控制城市降雨径流量和径流水质的的良好效果，已成为发达国家最有效和应用最广泛的低影响开发技术之一。研究显示，设计合理的绿色屋顶可以有效去除营养物质、TSS、重金属及COD等污染物，改善屋顶降雨径流水质。然而，目前中国对于绿色屋顶削减降雨径流污染效果方面的研究还比较缺乏，其设计与应用尚不够成熟，主要表现在以下几个方面。①绿色屋顶结构优化研究不全面：由于不同地域的气候条件、降雨特征以及经济发展水平有所差异，在建造绿色屋顶时缺乏对植物配置、基质层厚度、坡度及基质材料等因素的综合考虑，未形成一套适用于本地的绿色屋顶结构优化体系及设计规范标准，同时操作上的技术上缺少相应的屋顶绿化技术规范。②绿色屋顶水量水质调控规律研究不足：目前的大部分研究是在实验室及小试条件下完成，理论研究成果尚未得到实际工程的验证，其次绿色屋顶对水量和水质调控效果受季节、气候、地理位置、降雨特征、系统组成及运行周期等因素的影响，不同因素对其效果的发挥的规律性尚不是完全清楚，如植物的配置种类、种植方式以及后期灌溉行为等均会对绿色屋顶功能性产生影响。③绿色屋顶运营管理研究尚不到位：绿色屋顶后期的运行及维护管理至关重要，如是否需要施肥、灌溉以及具体量值还不是很清楚，对植物、基质及土壤的养护管理的技术标准尚未建立[38]。

综上所述，如何优化绿色屋顶的设计、选择合适的基质材料和植物等以改善其去除污染物的能力是今后研究的重点之一。这主要从以下两个方面着手：①深入研究绿色屋顶对降雨径流污染物的净化机理，从基质吸附、微生物作用及植物吸收等多角度研究，明确绿色屋顶去除各种污染物的效果及机制，建立基质类型、水力负荷、降雨强度、植被条件、运行时间等与净化效果的水质机理模型；②针对氮、磷等污染物去除效果较差问题提出改进措施，如开发吸附能力强、性能稳定的新型基质材料或添加剂，优化基质材料的组合配比，选择合适的基质层厚度及植物种类等，以期最大化提升绿色屋顶的净化效果；③加强实际工程应用和运营管理研究，定期清理并更换被沉积物堵塞的表层基质材料，几场暴雨过后要检查土壤、基质层以及植被的受损情况及时更换受侵蚀的基质材料和植被，检查溢流口情况及有无杂草并采取相应措施。