新型种植屋面对雨水径流及水质控制能力研究

管冰镜，连瑛秀，左明明，丁晨风，王志伟，翟苏皖，朱曙光，3

(1.安徽建筑大学环境与能源工程学院，合肥 230601；2.城邑(北京)建筑设计院有限公司，北京100055；3.安徽省绿色建筑先进技术研究院，合肥 230601)

0 引言

当今城市化进程中面临着水资源短缺、水质污染、城市内涝等挑战，建设海绵城市是一条优选的技术路径[1]。在海绵城市建设过程中，种植屋面(即绿色屋顶)是一种有效的建造手段[2]。由于城市建设用地价格昂贵，通过在不透水屋面实施种植屋面，可以缓解用地紧张，降低城市绿化成本[6]。欧美、日本、韩国等国在20世纪先后进行了绿色屋顶的研究、实践，其中德国已有14%的建筑进行了屋顶绿化[3-4]。我国于20世纪60年代在工厂车间、办公楼等建筑物的平屋顶上率先实践，开始种植屋面系统探索[5]。通过各国实践研究，在屋面上栽种绿植，能达到蓄滞雨水[7-8]、净化水质[9]的效果，改善城市生态环境、减小城市水资源压力[10-11]。景天科植物佛甲草耐旱性好、生命力强、覆盖率高、供氧量大，是种植屋面植物的良好选择[12]。

传统种植屋面结构由下至上一般由11层组成，主要有保护层、排(蓄)水层、过滤层、植被层等[13-14]，具体见图1。这种传统种植屋面施工工序繁琐，材料繁多，特别是破损后维修难度较大[15]。本文拟构建1种7层的新型种植屋面，即屋面板、防水涂料层、阻根防水层、排水板、土工布过滤层、种植土层和植被层，以期实现结构简单化、施工难度降低、运维方便的目标[16]，并探究不同基质层厚度、降雨强度下种植屋面的蓄水及水质净化能力。

1 实验部分

1.1 实验原料与设备

本文采用自然降雨和模拟降雨两类降水情况，对传统和新型种植屋面进行实验，模拟实验装置如图2所示。新型种植屋面基质主要由种植营养土、草炭土、蛭石和当地田园土按7：1：1：1的比例配制而成。种植植物为佛甲草。实验过程中使用的药剂包括酒石酸钾钠、纳氏试剂、过硫化钾、氢氧化钠、浓盐酸、硝酸钾、浓硫酸、硫酸银、重铬酸钾、邻苯二甲酸氢钾和氯化铵等，均为分析纯级。

图1 传统种植屋面的结构示意图

图2 模拟种植屋面装置图

1.2 实验过程

1.2.1 新型种植屋面模块构建

种植屋面实验共设置了6组，编号1-5为新型种植屋面模块，编号6为传统种植屋面模块。其中1-5号种植基质厚度分别为50 mm，100 mm，150 mm，200 mm，250 mm，6号种植基质厚度为100 mm。新型种植屋面构造图如图3所示。

图3 新型种植屋面的结构示意图

1.2.2 雨水设计

雨量实验采用合肥市的暴雨强度公式进行设定，公式如式(1)：

式中：

P：重现期，取 10 a，20 a，50 a，100 a；

t：降雨历时，取 20～40 min。

1.2.3 实验过程

水量实验中，待雨水径流稳定后，每隔5测量收集的雨水体积，直至径流结束。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，水样后混合作为水质实验的样品，并于24 h内完成常规水质指标检测。

1.3 分析方法

本研究将每次水量实验中所有收集到的径流水量相加作为相应种植屋面模块的产流量。

产流延迟时间和滞蓄径流率按照公式进行计算，公式如式(2)、式(3)：

水质指标包括总氮、氨氮、化学需氧量和pH等。其中，采用重铬酸钾法测定水样溶解性化学需氧量(Sollutedchemical oxigen demand，SCOD)浓度；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测总氮浓度；采用水杨酸分光光度法测氨氮浓度；采用玻璃电极法测pH。

实验数据为手动计数，因实验各部分重复次数不等，故均采用多次实验平均后的数值进行比较，按对照组和各数据类别进行分类，并作图和分析。

2 结果与讨论

2.1 种植屋面的雨水径流控制分析

通过不同强度模拟降雨，从产流量、产流延迟时间以及雨水滞蓄率等三方面来分析新型种植屋面的滞蓄水性能。

2.1.1 产流量

以基质层厚度100 mm的传统和新型种植屋面为例，对比分析其在不同降雨强度下的产流量，如图4所示。新型种植屋面的产流量平均比传统低1.8%，减少产流的能力优于传统。

图4 100 mm基质层两种种植屋面的产流量分析

对于新型种植屋面，针对不同重现期、不同厚度种植屋面的产流量分析，如图5所示。在同一暴雨强度下，新型种植屋面模块产流量随着基质层厚度的增加而减小。以100 a为例，厚度50 mm、150 mm、200 mm、250 mm比厚度100 mm的产流量分别低-2.7%、4.8%、6.6%、10.0%。可见，厚度250 mm的新型种植屋面减少产流效果最好，平均比厚度100 mm的低8.6%。

图5 新型种植屋面在不同厚度和重现期的产流量分析

2.1.2 产流延迟时间

以基质层厚度100 mm的传统和新型种植屋面为例，对比分析其在不同降雨强度下的产流延迟时间，如图6所示。新型种植屋面的产流延迟时间平均比传统高14.1%，延迟产流的能力优于传统。

图6 100 mm基质层两种种植屋面的产流延迟时间分析

对于新型种植屋面，针对不同重现期、不同厚度种植屋面的产流延迟时间分析，如图7所示。在同一暴雨强度下，新型种植屋面模块产流延迟时间随着基质层厚度的增加而增大。以100 a为例，厚度 50 mm、150 mm、200 mm、250 mm 比厚度100 mm的产流延迟时间分别高-14.9%、11.5%、22.5%、34.8%。可见，厚度250 mm的新型种植屋面延迟产流的效果最好，平均比厚度100 mm的高34.4%。

图7 新型种植屋面在不同厚度和重现期的产流延迟时间分析

2.1.3 滞蓄径流率

以基质层厚度100 mm的传统和新型种植屋面为例，对比分析其在不同降雨强度下的滞蓄径流率，如图8所示。新型种植屋面的滞蓄径流率平均比传统高1.0%，滞蓄雨水的能力优于传统。

对于新型种植屋面，针对不同重现期、不同厚度种植屋面的滞蓄径流率分析，如图9所示。在同一暴雨强度下，新型种植屋面模块滞蓄径流率随着基质层厚度的增加而增大。以100 a为例，厚度 50 mm、150 mm、200 mm、250 mm 比厚度100 mm的滞蓄径流率分别高-18.3%、18.9%、24.1%、31.9%。可见，厚度250 mm的新型种植屋面滞蓄雨水的效果最好，平均比厚度100 mm的滞蓄径流率高23.7%。

图8 100 mm基质层两种种植屋面的滞蓄径流率分析

图9 新型种植屋面在不同厚度和重现期的滞蓄径流率分析

综上，在同一暴雨强度下，新型种植屋面比传统控制雨水径流的能力强，厚度为250 mm时新型控制雨水径流的效果最好。

本文还采用了4次自然降雨(4次自然降雨的降雨强度相似，属于中等降雨)探究新型种植屋面对雨水水质的控制能力，如图10-图17所示。

2.2 种植屋面TN分析

以基质层厚度100 mm的传统和新型种植屋面为例，对比分析其在不同降雨强度下的TN浓度，如图10所示。新型种植屋面的TN浓度平均比传统低16.8%，去除总氮的能力优于传统。

对于新型种植屋面，针对不同重现期、不同厚度种植屋面的总氮浓度分析，如图11所示。在同一场降雨中，新型种植屋面模块TN浓度随着基质层厚度的增加而先减小后变大。以第2次自然降雨为例，厚度 50 mm、150 mm、200 mm、250 mm 比厚度 100 mm的 TN浓度分别低-9.5%、9.8%、41.8%、25.8%。可见，厚度200 mm的新型种植屋面去除TN的效果最好，平均比厚度100 mm的TN浓度低23.1%。

图10 100 mm基质层两种种植屋面的TN分析

图11 新型种植屋面在不同厚度和重现期的总氮分析

2.3 种植屋面NH3-N分析

以基质层厚度100 mm的传统和新型种植屋面为例，对比分析其在不同降雨强度下的NH3-N，如图12所示。新型种植屋面的NH3-N平均比传统高2.0%，两者去除氨氮能力相似。

图12 100 mm基质层两种种植屋面的氨氮分析

对于新型种植屋面，针对不同重现期、不同厚度种植屋面的氨氮浓度分析，如图13所示。在同一场降雨中，新型种植屋面模块NH3-N浓度随着基质层厚度的增加而先减小后增大。以第2次自然降雨为例，厚度 50 mm、150 mm、200 mm、250 mm 比厚度100 mm的NH3-N浓度分别低-14.9%、58.8%、73.7%、43.8%。可见，厚度200mm的新型种植屋面去除氨氮的效果最好，平均比厚度100 mm的NH3-N浓度低55.7%。

图13 新型种植屋面在不同厚度和重现期的氨氮分析

2.4 种植屋面COD分析

以基质层厚度100 mm的传统和新型种植屋面为例，对比分析其在不同降雨强度下的COD，如图14所示。新型种植屋面的COD平均比传统低9.7%，去除COD的能力优于传统。

图14 100 mm基质层两种种植屋面的COD分析

对于新型种植屋面，针对不同重现期、不同厚度种植屋面的COD浓度分析，如图15所示。在同一场降雨中，新型种植屋面模块COD浓度随着基质层厚度的增加而先减小后变大。以第2次自然降雨为例，厚度 50 mm、150 mm、200 mm、250 mm 比厚度100 mm的NH3-N浓度分别低-11.9%、7.6%、17.3%、5.4%。可见，厚度200 mm的新型种植屋面去除COD的效果最好，平均比厚度100 mm的COD浓度低21.1%。

图15 新型种植屋面在不同厚度和重现期的COD分析

2.5 种植屋面pH分析

以基质层厚度100 mm的传统和新型种植屋面为例，对比分析其在不同降雨强度下的pH，如图16所示。新型种植屋面的pH平均值为6.78，传统种植屋面的pH平均值为6.72，故新型平衡酸碱度的能力优于传统。

图16 100 mm基质层两种种植屋面的pH分析

对于新型种植屋面，针对不同重现期、不同厚度种植屋面的pH分析，如图17所示。在同一场降雨中，新型种植屋面模块pH随着基质层厚度的增加而先增大后减小。以第2次自然降雨为例，厚度 50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm 的pH 值分别为 6.57、6.66、6.81、6.72、6.61。可见，厚度150 mm的新种植屋面pH值最接近7，酸性中和的效果最好，平均比厚度100 mm的pH高0.14。

综上，在同一降雨条件下，新型种植屋面控制雨水水质的能力优于传统；厚度200 mm的新型种植屋面去除TN、NH3-N及COD的效果最好；厚度150 mm的新型种植屋面中和雨水酸度的效果最好。

图17 新型种植屋面在不同厚度和重现期的pH分析

3 结论

(1)相较于传统种植物屋面11层结构，新型种植屋面缩减为7层，降低了建造成本，结构简单、荷载小、滞蓄和净化雨水能力强，在施工、运维、投资等方面均具有优势，有一定创新性和实用性。

(2)在同一降雨条件下，厚度100 mm的新型种植屋面产流量、产流延迟时间和滞蓄径流率分别比厚度100 mm的传统低1.8%、高14.1%、高1.0%；厚度250 mm的新型种植屋面产流量、产流延迟时间和滞蓄径流率分别比100 mm的新型低8.6%、高34.4%、高23.7%。可见厚度250 mm的新型种植屋面控制雨水径流的效果最好。

(3)在同一降雨条件下，厚度100 mm新型种植屋面TN、NH3-N、COD和pH分别比厚度100 mm的传统低 16.8%、高 2.0%、低 9.7%、高 0.06；厚度200 mm的新型种植屋面TN、NH3-N和COD分别比100 mm的新型低23.1%、低55.7%、低21.1%，厚度150 mm的新型pH比100 mm的新型高0.14。可见新型种植屋面控制雨水水质的能力优于传统种植屋面。