城市化的推进造成城区不透水铺面的比例大幅提高，由此加剧了城市内涝、面源污染与区域水文条件的恶化^{[1, 2, 3]}. 上海城区的屋面面积约占城市不透水面积的50%，采用绿色屋面技术能够有效吸收消纳部分雨水，对暴雨径流起到源头控制的作用^{[4, 5]}，在人口密度极高、土地严重紧缺的中国大中城市，推广绿色屋面对低影响开发(LID)理念的实施具有重要意义^{[6, 7, 8]}.

以雨水管理为主要应用目标的绿色屋面称粗放型绿色屋面(extensive green roof). 理想的粗放型绿色屋面的介质需要满足以下几个条件：能够有效吸收和滞留雨水，介质排水性能良好，提供植物生长基本的养分，介质比重较轻等^{[9, 10]}. 粗放型绿色屋面常采用火山岩、膨胀页岩，以及廉价的碎砖、粗砂等作为主要种植材料并添加一定比例的有机物质. 添加有机物质是为了保持良好的土壤结构，为植物生长提供必要的营养物质^{[11, 12]}. 已有的绿色屋面研究着重探讨其改善水文性能、支持建筑节能的效果，对绿色屋面出水水质的研究相对较少，多数研究者认为绿色屋面是径流污染源. Morgan等^[13]在美国的研究发现绿色屋面设施有明显的N、P淋失现象；瑞典和新加坡的研究得到类似结果，发现存在金属离子的淋失现象^{[14, 15]}.

为考察粗放型绿色屋面的填料组成对设施雨天出流水质的影响，本研究结合国内的实际情况，选用不同类型、配比填料，通过模拟降雨实验，考察绿色屋面的出水水质及影响因素. 1 材料与方法 1.1 实验装置和填料组成

模拟绿色屋面设施设立在同济大学校园内某建筑屋顶，包括7个1 m×2 m的PVC盘和相应的角钢支架，PVC盘深0.3m，呈5%的倾斜坡度. 在模拟设施较低的一端设有出水口. 设施内种植景天科垂盆草(Sedum sarmentosum Bunge)；参考德国FFL(The Landscape Research Development Construction Society)的屋顶绿化指南对填料选择的要求，结合长三角地区的绿化种植习惯与材料供应情况，选择了不同特点的填料组成与深度如表 1；底层排水层厚度约为3 cm，由土工布和排水板组成，土工布的作用是减少填料层中的颗粒进入排水层从而影响出水水质.

表 1(Table 1)

表 1 模拟设施的填料组成及主要参数 Table 1 Composition and main characteristics of simulated green roof substrates 编号 填料深度/cm 填料组成(体积比) 堆密度/kg·m-3 I1 10 火山岩60%+轻质陶粒20%+泥炭土20% 679 I2 15 同I1 C1 10 田园土45%+泥炭土30%+蛭石10%+珍珠岩10%+醋糟5% 831 C2 10 田园土40%+泥炭土30%+蛭石10%+珍珠岩10%+醋糟5%+给水厂污泥5% 826 B1 10 碎砖40%+分级砂40%+泥炭土20% 1293 B2 10 碎砖30%+分级砂30%+泥炭土40% 1094 B3 10 碎砖40%+分级砂40%+醋糟10%+泥炭土10% 1286

表 1 模拟设施的填料组成及主要参数 Table 1 Composition and main characteristics of simulated green roof substrates

表 1中填料的组成材料由上海绿世绿化工程公司提供. I1和I2使用无机复合种植土，设置两个深度梯度. 火山岩和陶粒属于轻质材料，具有比重小，蓄水能力好的特点，泥炭土在提供有机质的同时，有利于维持介质层的土壤结构. C1设施填料为屋面绿化常用的种植土，在国内绿色屋面设施中使用较广泛，其中田园土的N、P含量符合《屋顶绿化规范》(DB11/T 281-2005)的要求，而蛭石和珍珠岩可以增加介质层的保水能力并减轻负载. C2中添加了给水厂污泥以减少填料P的淋失. B1、B2和B3利用废砖和分级砂作为主要介质旨在减少设施建造的成本，调整其中有机质的含量和种类，设置了3种介质配比. 相关介质材料的理化性质见表 2，其中有机质含量采用TOC分析仪测定.

表 2(Table 2)

表 2 介质材料的部分理化性质 Table 2 Several physico-chemical properties of the substrates 材料 有机质(质量分数)/% 堆密度/g·cm-3 速效P/mg·kg-1 碱解N/mg·kg-1 田园土 1.58 1.40 199 113 醋糟 75.44 0.42 215 61.9 泥炭土 61.46 0.50 16.4 8.43 黄砂 0.07 1.68 — —1) 陶粒 0.16 0.57 — — 火山岩 0.37 0.78 — — 碎砖 1.02 1.31 — — 蛭石 19.31 0.19 — — 珍珠岩 0.12 0.13 — — 给水厂污泥 6.51 1.30 — — 1) 表示未测定

表 2 介质材料的部分理化性质 Table 2 Several physico-chemical properties of the substrates

为了考察填料的组成和厚度对绿色屋面出水水质的影响，以自来水模拟降雨考察填料组成对出水水质的影响. 自来水中的主要监测污染物浓度与天然降雨相近(表 3)，仅NH⁺₄-N与pH差别明显. 采用洒水壶模拟降雨，每次降雨实验的降雨量取25 mm(约0.25个空床体积)，降雨强度为10 mm ·h^-1. 出水过程中每30 min收集一次设施出水，并记录出水水量，由此计算得到对应降雨过程出水各指标的平均浓度. 模拟降雨实验前都保证7 d无雨期. 设施出水水样在24 h内完成检测，若有特殊情况，则储存于4℃冰箱内，储存时间不超过48 h.

表 3(Table 3)

表 3 实验用自来水水质指标 /mg ·L-1 Table 3 Characteristics of tap water used in this study/mg ·L-1 指标 TN NO-3-N NH+4-N TP PO3-4-P COD SS Fe Mn Cu Zn Ni 浓度 1.93 1.8 0.05 0.02 —1) 8.5 — 0.02 — — 0.04 — 1)表示未检出

表 3 实验用自来水水质指标 /mg ·L-1 Table 3 Characteristics of tap water used in this study/mg ·L-1

水质检测指标包括金属离子、 TSS、 COD、 TP、 PO^3-₄-P、 TN、 NO^-₃-N和NH⁺₄-N. 根据国家标准，SS 用重量法，TN 用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法,TP、PO^3-₄-P用过硫酸钾消解-钼锑钪分光光度法,NH⁺₄-N用纳氏试剂光度法,NO^-₃-N采用酚二磺酸分光光度法. COD 采用比色法测定(HACH DRP2010)，金属采用电感耦合等离子质谱法测定(Agilent 7700)，测定元素包括Zn、Fe、Mn、Cu、Ni、Cr、Cd、Pb. 2 结果与讨论

由表 3可知，与天然降雨相比，自来水的NO^-₃-N浓度较高，而NH⁺₄-N浓度比较低. 观测结果表明，所有设施在模拟降雨量小于10 mm时，没有产生径流或只有少量出水. 共进行了6次模拟降雨淋洗实验，总进水量150 mm(约1.5倍空床体积). 2.1 N的出水浓度与出流过程

不同设施出水中含N化合物的6次实验平均浓度，及出水浓度随进水次数的变化过程见图 1. 以C1、I1、B1作为3类填料的代表，分析不同类型填料的N素淋失过程. 结果表明各设施第1、第2次进水的出水中TN和NO₃-N的浓度很高，随着进水次数的增加，出水浓度下降明显. I1和B1设施出水中TN浓度从5.71 mg ·L^-1和7.71 mg ·L^-1下降到1.3 mg ·L^-1以下，低于进水中的TN浓度，6次进水的平均出水TN浓度仅略高于自来水中的TN含量. 除B3外的各个设施自第2次进水，出水中NO^-₃-N的浓度就小于自来水，第6次出水浓度已小于0.5 mg ·L^-1. 这可能是因为填料层内形成了缺氧环境，NO^-₃-N在缺氧条件下转换成其他形式的N，Berndtsson等在瑞典北部的实验得到了类似的结果^[16]. 各个设施出水中均有明显的NH⁺₄-N淋出，随着进水次数的增加，各设施出水的NH⁺₄-N浓度没有显著下降. 介质中的有机氮可能逐步氨化，并且随着模拟降雨径流缓慢释放出来.

图 1

Fig. 1

图 1 各设施6次出水含N物质的平均浓度及淋失过程 Fig. 1 Average concentration and leaching process of nitrogenous compounds in the 6 artificial rain events

I2的6次实验出水N平均浓度都高于填料组成相同，厚度较小的I1. 在设施进水量相同的条件下，其出水中淋失物的含量也较I1稍高. B2中泥炭土含量较B1增加了1倍，但是B2出水中N浓度均和B1接近，这说明泥炭土不是出水中含N物质的主要来源. B3采用醋糟作为有机质材料，出水中TN和NO^-₃-N浓度较高，随着进水次数的增加，TN和NO^-₃-N浓度下降明显，第6次实验出水TN和NO^-₃-N浓度已经接近自来水中N的含量. C1设施的介质中含有5%醋糟和45%的田园土，二者的碱解氮含量远高于泥炭土，C1的TN和NH⁺₄-N的淋出现象比较明显，出水N浓度一直高于自来水. 2.2 P的出水浓度与出流过程

各设施6次实验出水中TP和PO^3-₄-P的平均浓度，及出水浓度随进水次数的变化过程见图 2. 自来水中P含量非常低，出水中的P都来自填料的淋失^[17]. 随着模拟降雨次数的增加，出水中P含量的下降幅度不如N明显. 结合表 2对介质理化性质的分析，田园土、泥炭土和醋糟应该是填料磷淋失的主要来源，其中田园土和醋糟的速效磷含量明显高于泥炭土. 以泥炭土作为有机质的I1、I2、B1、B2出水的TP均小于0.2 mg ·L^-1,PO^3-₄-P小于0.1 mg ·L^-1. C1和B3出水中P含量较高，说明田园土和醋糟可以释放较多的水溶性P，而且短时间内不容易淋洗干净. 在本文实验进水总量相当于1.5倍空床体积的条件下，这两种填料出水的TP含量不仅超过降雨中的相应值，还超过了多数屋面径流的TP含量^{[18, 19]}.

图 2

Fig. 2

图 2 各设施6次出水含P物质的平均浓度及淋失过程 Fig. 2 Average concentration and leaching process of Phosphorus substances in the 6 artificial rain events

为了保证在一定使用年限内(2~5 a)植物得以生长良好，粗放型绿色屋面的填料组成也需要考虑营养物质的含量. 针对常用商业绿化种植土P淋失严重的现象，本研究采用添加给水厂污泥的方法进行改良. 将C1中5%体积的田园土以等体积的给水厂污泥替换，形成C2填料. 利用给水厂污泥改良耕地土壤，可以有效抑制P的淋失，而不影响植物对P的吸收^[20]；对于生物滞留设施，填料中添加给水厂污泥也可以起到降低P淋失的作用^{[21, 22]}. C2 6次实验出水中PO^3-₄-P的平均浓度为0.17 mg ·L^-1，与C1相比下降了近60%；TP浓度为0.41 mg ·L^-1，较C1降低超过40%；而且没有发现其它监测污染物质的平均浓度增加. 添加水厂污泥对减少绿色屋面P的淋失效果明显. 2.3 COD及SS的出水浓度与出流过程

各设施出水COD、SS平均浓度和淋失过程见图 3. 除了I1和I2，其他设施初始阶段出水的COD浓度都高于40 mg ·L^-1. 随着淋洗次数增加，C1、I1和B1设施出水的COD浓度存在下降的趋势，但是下降趋势不明显且存在波动. 这与填料中有机质逐渐降解，缓慢淋出过程有关. 其中B3和C1出水COD含量较高，平均浓度分别为69.8 mg ·L^-1，84.6 mg ·L^-1，这与田园土和醋糟的使用有关. 虽然部分设施的出水COD浓度较高，但与国内屋面径流中污染物浓度相比，即使在使用初期粗放型绿色屋面也没有增加耗氧物质的污染^{[18, 19]}.

图 3

Fig. 3

图 3 各设施6次出水COD、SS的平均浓度及淋失过程 Fig. 3 Average concentration and leaching process of COD and SS in the 6 artificial rain events

各个设施第一次实验出水中SS含量均较高，自第2次开始SS就下降至20 mg ·L^-1. 这是由于刚刚投入使用的设施，填料层还没有稳定，其中细颗粒容易随出水流出. 当填料层随进水次数增加逐渐稳定之后，颗粒物的流失现象得到明显改善. 出水颗粒物的含量与设施使用的过滤层材料有关. 本文实验使用的土工布厚度仅50 g ·m^-2，就可以较好地控制颗粒物的流失. 如果能进一步降低出水的SS含量，出水中TP、COD等污染物的浓度也有望降低. 2.4 金属离子的出水浓度与出流过程

出水中金属离子的含量及有害金属离子随进水次数的变化过程见图 4. 出水中主要的金属离子包括Mn、Fe、Zn、Pb，没有发现Cd、Cr、Ni、Cu淋出. Fe、Mn、Zn、Pb等属于有毒或有害物质. 各种组成的填料都有少量的Fe、Mn、Zn、Pb淋出. 各个设施出水Fe、Mn、Zn、Pb的浓度随着淋洗次数的增加而降低. 模拟降雨实验初期，金属可随颗粒物一起流出，导致出水中金属含量较高；而随着进水次数的增加，易淋失颗粒物和易浸出的金属减少，出水中Fe、Mn、Zn、Pb浓度显著下降. 在第6次实验大多数设施出水中Fe浓度小于0.3 mg ·L^-1，所有设施出水Mn含量小于0.1 mg ·L^-1，Pb含量均小于或接近0.01 mg ·L^-1，出水Zn的含量基本小于0.15 mg ·L^-1，在进水的累积空床体积不超过1.5的条件下，出水中各种金属离子含量均可达到饮用水标准. Ye等^[23]研究认为利用碎砖为介质的绿色屋面设施存在金属污染的风险，而本研究中B1的初期出水金属可以达到饮用水标准，这可能是本研究采用的碎砖其制作粘土的成分与之不同.

图 4

Fig. 4

图 4 各设施6次出水Mn、 Fe、 Zn、 Pb的平均浓度及淋失过程 Fig. 4 Average concentration and leaching process of Mn,Fe,Zn,Pb in the 6 artificial rain events

(1)除COD之外，不同设施出水中污染物的浓度均随累积进水量的增加下降明显，具有明显的淋失效应；在累积进水量超过1倍空床体积后各污染物质出水浓度趋于稳定.

(2)包括含碎砖介质在内的所有填料，设施初期出水中重金属的含量均比较低，经过约1.5倍空床体积进水淋洗，出水浓度能够达到饮用水标准.

(3)以醋糟和田园土为绿色屋面填料的有机成分易引起营养物质流失，出水中不同形态的P、N及COD含量较高，泥炭土相对稳定，适合应用于粗放型绿色屋面设施.

(4)以常用绿化种植土为填料组分的设施P的淋出现象严重，填料中添加给水厂污泥可以有效减少TP的淋出同时不影响植物对P的吸收.

(5)粗放型绿色屋面填料的选择，除了考虑出水水质之外，还需要结合填料支持植物生长能力与削减径流水量的效果综合确定.