植被屋頂調峰控污效能研究

快速城市化導致城市不透水面積的迅速增加，導致城市水生生態系統惡化。為改善城市水環境質量,需要提高城市區域透水地面的比重。然而,高昂的土地價格使得在城市區域構建綠地成本過高,因此,占城市不透水面積40%～50%的城市硬屋面成了增加城市綠地的經濟選擇。國內的很多城市(北京、上海等)正積極推廣植被屋頂,但構建植被屋頂的目的往往偏重其景觀價值,而忽略了植被屋頂控制城市硬屋面產污負荷的功能。城市不透水屋面的暴雨徑流污染是城市面源污染的重要來源,植被屋頂常被假設為降低城市屋面產污負荷的有效手段,然而,植被屋頂設計標準并未涉及產流水質問題,植被屋頂是否有助于降低城市不透水屋面的產污負荷也很少給予關注。一些學者認為如果雨水水質優于植被屋頂出水,則植被屋頂為污染物釋放源,但這種判斷方式沒有考慮植被屋頂對徑流的消減,也未涉及城市不透水屋面的產污背景。因此,在植被屋頂加速建設之際,綜合考慮屋頂徑流的水文特性和水質特性,尋求合理的評價模式,及時明確城市不透水屋面生態化改造的產污響應很有必要。1材料和方法1.1屋頂模型的設計2塊植被屋頂均建于2009年5月,位于重慶大學給排水實驗樓頂部,構建方法參考了《屋頂綠化設計規范》(DB440300/T37—2009),構建面積均為4m2(2m×2m),由下往上有以下幾層組成:石子排水層(100mm),砂濾層(100mm),土工布層以及砂土層(100mm)。重點考察按照目前的方法設計的植被屋頂的運行效能。對照屋頂為18m2的混凝土屋面。植被屋頂的植被一塊為人工種植的麥冬,自植被屋頂建成起長勢良好;另一塊最初鋪設人工草皮,由于2009年夏季的高溫干旱,逐漸枯萎,后為自然生長的接骨草代替。每一個屋頂均通過U-PVC管與采樣容器相連,使降雨產流全部收集在容器中。每場降雨之前,屋面徑流采樣容器均用自來水和蒸餾水沖洗干凈,并蓋好蓋子。雨水采集容器為浸泡在鹽酸溶液中的大燒杯,使用之前用自來水和蒸餾水沖洗干凈,并倒置于桌面干燥。1.2屋頂孔徑的測定在2010年4月到2010年6月期間,監測了4場暴雨,降雨雨情見表1,降雨量的測試由安裝在樓頂的自動雨量計監測(3554WD,USA)。屋頂徑流量的歷時變化測試由安裝在U-PVC管道上的飲用水表(LYH-8,寧波)監測,并人工讀數。所有水樣的測試指標包括pH、COD、TP、PO3?443--P、TN、NO-3-N、NH3-N、NO-2-N和電導率。pH和電導率分別用pH計(HQ11,HACH,USA)和電導率儀(FE30K,China)測試,其余指標的測試方法均按照《水和廢水監測分析方法(第四版)》的要求執行。1.3硬屋頂生態化改造前后的產污負荷傳統的判斷植被屋頂的構建是否有利于改善城市水環境質量的依據是降雨和植被屋頂徑流之間的水質水量關系,忽略了城市不透水屋面徑流,因此,量化城市硬屋面生態化改造前后的產污負荷更有意義。基于這種思路,提出污染負荷消減率的計算方法,見下式。污染負荷消減率=不透水屋面產污負荷?生態屋面產污負荷不透水屋面產污負荷?(1)污染負荷消減率=不透水屋面產污負荷-生態屋面產污負荷不透水屋面產污負荷?(1)式中:污染負荷消減率,%;不透水屋面產污負荷,mg/m2;生態屋面產污負荷,mg/m2。2結果與討論2.1徑流截截率比較在2010年4月到5月期間監測了植被屋頂在2場暴雨中的產流情況,如圖1、2所示,場次降雨中以降雨開始時刻記為零時刻。2場暴雨事件中,麥冬屋頂產流時間分別比降雨時間滯后26,40min,徑流結束時間比降雨結束時間分別延后48,25min,徑流截留量分別達到4.3,4.7mm(徑流截留率40%和49%)。而接骨草屋頂產流時間要分別滯后60、130min,徑流結束時間分別延后32,25min,徑流截留量分別達到7.5,7.9mm(徑流截留率62%和80%)。2場降雨過程中(2010-04-20和2010-05-05),接骨草屋面的產流時間均滯后于麥冬屋面,而徑流結束時間則超前于麥冬屋面,徑流截留率也是接骨草屋面高于麥冬屋面,說明接骨草對徑流的截留效果更好。2010-04-20降雨的前期干旱期(4d)大于2010-05-05降雨的前期干旱期(1d),然而,2個植被屋面各自的產流時間均是2010-05-05/的產流開始時間滯后于降雨開始的時間較長,且徑流截留率高,說明相對于前期干旱期來說,氣溫差異對于徑流控制效果具有更高的敏感性。植被屋面的構建可有效分散降雨徑流,延緩徑流峰值的產生時間,減少徑流產量,這對日趨嚴峻的城市防洪問題有重要意義。2個植被屋頂在兩場暴雨中的表現差異也說明了植被屋頂產流特性的復雜性,種植植物、降雨強度、降雨雨型分布、土壤含水率等因素都會影響徑流曲線。因此,植被屋頂的徑流特性,尤其是徑流消減率的精確值,很難在不同研究之間比較。Villarreal等發現,在干旱條件下,需要6～12mm的降雨量才能使植被屋頂產流;而Hilten等發現介質厚度10cm的模塊化植被屋頂可以完全截留2cm的降雨,降雨量在5～7.93cm時,徑流時間可達到12h,這與本研究發現的平均截留量4.5,7.7mm不同。Berndtsson總結了不同研究條件下的研究結果(表2),發現平均徑流消減率的范圍從45%到78%之間不等,而徑流消減率的波動范圍則可以小至5%,也可以大至100%。本次試驗中,2個植被屋頂的徑流消減率在此波動范圍內。2.2屋頂產量和廢水排放的研究2.2.1屋頂和屋頂對混凝土屋頂的硝酸鹽污染負荷的消減率混凝土屋面徑流的總氮平均濃度達3.3mg/L,遠高于雨水(1.7mg/L)和2個生態屋面(1.4～2.4mg/L)的總氮濃度,但都超出了地表水Ⅲ類水質標準(1.0mg/L)。由于2個生態屋面所處的環境背景相同,因此,總氮濃度的不同取決于生態屋面的植物種類,相對于麥冬來說,接骨草具有更好的氮控制能力。綜合考慮3種屋面的徑流產量和總氮濃度,混凝土屋面的總氮產污負荷高達134mg/m2,而麥冬屋頂和接骨草屋面的總氮污染負荷僅為42,29mg/m2,對混凝土屋面的總氮污染負荷消減率達68.7%和78.4%(見表3)。麥冬屋頂和接骨草屋頂的硝酸鹽平均濃度分別達到了1.46,0.84mg/L,高于降雨水樣的硝酸鹽平均濃度(0.18mg/L),混凝土屋面的硝酸鹽濃度也達到了1.09mg/L,介于麥冬屋頂和接骨草屋頂之間。植被屋頂構建介質溶解性營養鹽的釋放是造成其出水中硝酸鹽濃度升高的主要原因,從本研究結果看,恰當植物的選擇是控制植被屋頂出水硝酸鹽濃度的重要手段,接骨草比麥冬有更好的硝酸鹽控制能力。由于植被屋頂對徑流的高截留率,麥冬屋頂和接骨草屋頂對混凝土屋頂硝酸鹽污染負荷的消減率可分別達到40.9%和60.6%。雨水中的氨氮平均濃度高達1.48mg/L,超出地表水環境質量Ⅳ類標準,而混凝土屋頂徑流的氨氮平均濃度為0.44mg/L,小于地表水環境質量Ⅲ類標準。Berndtsson等監測了瑞典和日本地區的雨水水質,氨氮平均濃度為1.1mg/L,比本研究結果稍小,這與監測地點的環境背景有關。2個植被屋頂徑流的氨氮平均濃度(0.07～0.1mg/L)顯著小于雨水中的氨氮濃度,Dietz等也發現了植被屋頂強大的氨氮去除能力,Berndtsson等把這種現象歸于無機氮向有機氮的轉化。由于植被屋頂植物吸收、微生物轉化等因素的影響,植被屋頂出水的亞硝酸鹽濃度僅有0.002～0.007mg/L,而雨水和混凝土屋面徑流中的亞硝酸鹽平均濃度則分別為0.02,0.07mg/L。植被屋頂對混凝土屋面氨氮和亞硝酸鹽的產污負荷的消減率可分別達到87.2%～93%和95.1%～98.6%。2.2.2屋頂總磷的變化由于大氣沉降、降雨沖刷等因素的影響,混凝土屋面徑流的總磷平均濃度為0.13mg/L,高于雨水中的總磷平均濃度(0.04mg/L),但仍達到了地表水環境質量Ⅲ類標準(0.2mg/L)。麥冬屋頂出水總磷平均濃度為0.05mg/L,稍低于接骨草屋頂(0.07mg/L),相對于雨水來說,植被屋頂介質中有磷釋放出來。由于混凝土屋面徑流截留量低,總磷產污負荷達5.19mg/m2,而生態屋面僅有0.88～1.43mg/m2,生態屋面對混凝土屋面總磷污染負荷的消減率高達72.4%～83%,麥冬控制總磷的能力要好于接骨草。接骨草屋頂出水的磷酸根平均濃度(0.06mg/L)是麥冬屋頂和混凝土屋頂徑流濃度的3倍,溶解性磷酸鹽占接骨草屋頂徑流中總磷濃度的86%,而麥冬屋面的溶解性磷酸鹽僅占總磷濃度的40%。一些研究發現植被屋頂徑流中的總磷大多數為磷酸鹽,而也有學者發現溶解性磷酸鹽比總磷濃度小得多,研究結果存在差異的原因可能是由于影響植被屋頂徑流水質的因素眾多的原因。與其他污染指標的產污負荷規律相反,接骨草屋面磷酸鹽產污負荷達到了1.22mg/m2,高于混凝土屋面的產污負荷(0.80mg/m2),而麥冬屋面仍然表現出了良好的磷酸鹽控制能力,其對磷酸鹽污染負荷的消減率達到了56.3%,種植植物的選擇對生態屋面的運行效能影響顯著。2.2.3地表環境質量標準本研究中,用COD濃度代表水樣中的有機物濃度,研究結果表明,植被屋頂COD濃度接近(14～16mg/L),達到地表水環境質量Ⅲ類標準(20mg/L)。然而,混凝土屋面徑流的COD濃度達34mg/L,COD污染負荷達1357mg/m2,而生態屋面的COD產污負荷僅246～326mg/m2,消減率達76%～81.8%。2.2.4屋頂的中和能力雨水pH顯偏酸性(5.8～6.0),而生態屋面出水的pH可升高到7.0～7.6,表明生態屋面有良好的中和能力,這對于減輕自然水體酸化、減緩建筑物侵蝕以及鈍化有毒物質有重要意義。溶液中的電導率水平反映了溶解性離子濃度的大小,由于生態屋面構建介質中某些溶解性物質的釋放,導致其出水的電導率升高到424～457μs/cm,約是雨水電導率水平的10～11倍。3不同植被屋頂對污染負荷消減率的比較1)城市不透水屋面的生態化改造是分散降雨徑流、延緩徑流峰值的產生時間,以及減少徑流產量的有效手段。麥冬屋頂可延緩降雨產流25～48min,消減降雨徑流40%～58%,而接骨草屋頂則可延緩降雨產流60～130min,消減降雨徑流54%～80%。2)根據重新定義的植被屋頂運行效能的判別標準,除磷酸鹽外,2個植被屋頂對亞硝酸鹽、氨氮、總磷、COD、總氮和硝酸鹽的污染負荷的消減率可分別達到95.1%～98.6%,87.2%～93%,72.4%～83%,76%～81.8%,68.7%～78.4%和40.9%～60.6%。其中植被屋頂徑流的pH、COD、氨氮和總磷濃度均達到地表水環境質量Ⅲ類標準。3)種植植物種類對植被屋頂的運行效能影響顯著,對與麥