葉建軍，　陳佳捷，　肖衡林，　徐維生，　高林霞，　黃艷雁，　萬　娟

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

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屋頂綠化對屋面徑流的影響研究綜述

葉建軍，陳佳捷，肖衡林*，徐維生，高林霞，黃艷雁，萬娟

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

屋頂綠化作為城市人工生態(tài)系統(tǒng)，是改善城市綠化的補充，能緩解眾多城市生態(tài)環(huán)境的問題.最近20年，雖然屋頂綠化在國內(nèi)有一些發(fā)展，但發(fā)展速度十分緩慢，主要問題在于人們對屋頂綠化改善城市生態(tài)環(huán)境的作用認識不夠.雖然國內(nèi)外學(xué)者對于屋頂綠化吸收和截留屋面徑流、減輕城市內(nèi)澇災(zāi)害的認識已經(jīng)取得了一致，但學(xué)術(shù)界對屋頂綠化怎樣影響屋面徑流水質(zhì)還存在爭議.通過對最近20年國內(nèi)外學(xué)者在屋頂綠化對屋面徑流的水質(zhì)和水量的影響研究綜述，系統(tǒng)介紹了這個領(lǐng)域的進展和爭議，分析了存在的主要問題，展望了未來可能的發(fā)展方向.參52.

屋頂綠化；屋面徑流；水質(zhì)；水量；影響

按照德國園林綠化發(fā)展與研究協(xié)會 FLL(2002)的定義，屋頂綠化可以分為屋頂花(公)園(或稱為精綠化屋頂，intensive green roofs)和拓展型屋頂綠化(或稱為初(粗)綠化、輕型屋頂綠化、簡單屋頂綠化，extensive green roofs)兩種形式.屋頂綠化的結(jié)構(gòu)層次一般為防水層、阻根層、泄水層、過濾層、種植層(或基材層)和植被層[1-2].目前，防水層、阻根層、泄水層、過濾層使用的材料都已經(jīng)商品化.而種植層一般要綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)保、持久和輕質(zhì)等要求，通常不能直接使用普通土壤，需要使用人工配制的基材.基材的組成成分一般為無機粗顆粒材料(主要組成材料)、經(jīng)腐爛除臭的有機質(zhì)、細顆粒材料(如粘土)和緩釋肥[3].它們以適當比例搭配，合理粒徑級配[4]，才能兼顧滿足各種要求.

屋頂花(公)園由于種植層厚度大，可以栽種的植廣泛；但也存在荷載大，適應(yīng)范圍窄，建造成本高的缺點.相對而言，拓展型屋頂綠化由于采用淺薄的種植層栽種極其耐貧瘠、耐干旱的多漿植物(主要是景天科植物)，總的載荷小，絕大多數(shù)情形下不用對下部房屋結(jié)構(gòu)進行加固，建成后基本不用灌溉及管理，因而成本低廉.在歐洲，簡單屋頂綠化形式已成為屋頂綠化的主要形式[2,5].可以預(yù)見，簡單屋頂綠化形式將來也會成為我國屋頂綠化的主流.

最近 10 余年，雖然屋頂綠化在我國一些大城市如北京、上海取得了一些發(fā)展[6-7]，但與屋頂綠化技術(shù)先進國家—德國相比，無論是技術(shù)成熟度，還是應(yīng)用面積，都相差很大.德國有約 14%的屋頂面積得到了綠化[8].而我國屋頂綠化發(fā)展最好的城市之一的北京，到 2010 年也只有一百萬平米屋頂綠化[6]，不到總屋頂面積的 1%.在這些屋頂綠化中，免維護的拓展型屋頂綠化所占比例很小.導(dǎo)致國內(nèi)屋頂綠化發(fā)展緩慢的主要原因之一是人們對屋頂綠化(特別是拓展型屋頂綠化)改善城市生態(tài)環(huán)境的諸多功能和效益沒有充分認識，尤其是沒有系統(tǒng)深入認識屋頂綠化對城市水環(huán)境的影響.

屋頂綠化對城市水環(huán)境的影響是通過影響屋面徑流的水質(zhì)和徑流過程(即水量)來實現(xiàn)的.通過介紹國內(nèi)外進年來相關(guān)研究，該文試圖展示這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和有待解決的相關(guān)問題，以幫忙人們進一步認識屋頂綠化對城市水環(huán)境的影響.文獻以中英文期刊和會議論文文獻為主，選取時限是最近20年.

1　屋頂綠化對屋面徑流水量的影響

在過去的幾十年和可以預(yù)見的將來，城市洪水是我國城市的緊急環(huán)境問題.快速城市化引起的城市不透水下墊面的迅速增加，是導(dǎo)致我國城市水環(huán)境日益而惡化的根本原因之一.城市在遭遇暴雨襲擊時，雨水不能就地入滲，而是迅速形成徑流.當暴雨徑流量大于排水管網(wǎng)排水能力時，城市洪水(內(nèi)澇)災(zāi)害就發(fā)生了，嚴重時將導(dǎo)致城市低洼處建筑、道路和設(shè)備的淹沒，威脅人們生命財產(chǎn)安全.近年來，媒體報道的我國城市內(nèi)澇事件越來越頻繁.據(jù)報道，每年雨季，武漢市區(qū)都遭受內(nèi)澇災(zāi)害，年平均受災(zāi)人數(shù)3萬人以上；上海市2001年8月5日夜晚至6日凌晨的暴雨致使3.7萬戶房屋進水，200多條街道積水淹沒；襄樊市2008年7月曾發(fā)生了嚴重的內(nèi)澇，經(jīng)濟損失上千萬元.在我國，城市的排水系統(tǒng)一般是合流制排水系統(tǒng)(combined sewage system)，該系統(tǒng)將生活污水、工業(yè)和商業(yè)廢水以及雨水徑流一并排入污水處理廠.這種排水系統(tǒng)在暴雨時很容易引發(fā)合流制排水系統(tǒng)污水溢流(CSO)事故——一種合流污水排放超過污水處理廠處理能力而發(fā)生污水溢流現(xiàn)象.由于CSO 攜帶大量病原體、農(nóng)藥、重金屬、營養(yǎng)物質(zhì)，會對城市徑流接受水體的水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)造成危害[9].

常規(guī)的城市雨水徑流管理辦法包括修建臨時性的儲水池[10-11]、擴建城市排水系統(tǒng)、建設(shè)可以滲透雨水的綠地、鋪裝透水混凝土路面等[12].然而，這些做法要么占用大片土地，要么對城市生產(chǎn)生活造成嚴重影響，往往實施成本高昂.對城市中大量屋頂進行綠化，利用綠化屋頂對雨水的吸收和截留作用來管理城市雨水徑流，是一種更經(jīng)濟、更有前途的城市雨水管理手段.加拿大環(huán)保部進行的多倫多研究項目表明，通過對多倫多市60%的屋頂進行綠化，費用為4 500萬加元，可以每年截留360萬立方米雨水徑流；而要建設(shè)儲水池截留同樣多的雨水徑流，需要花費6 000萬加元.另外，屋頂綠化還可節(jié)能約1 450萬加元[13].

屋頂綠化對屋面徑流水量的影響表現(xiàn)在：1)由于屋頂綠化系統(tǒng)對雨水的吸收，綠化屋頂能延遲屋面徑流的產(chǎn)生；減少屋面徑流量.2)通過屋頂綠化基材對雨水的暫時滯留和緩慢釋放，綠化屋頂能降低屋面徑流的洪峰峰值，延長屋面徑流時間.這些作用有助于減少城市徑流總量和洪峰峰值，進而減少內(nèi)澇發(fā)生的幾率和降低內(nèi)澇的災(zāi)害程度[12,14].

屋頂綠化對屋面徑流水量的影響受到許多因素影響，比如當?shù)貧夂?如降雨強度和降雨量)、前次降雨到本次降雨之間的時間間隔、綠化基材的厚度和坡度.通過與常規(guī)屋頂?shù)慕涤陱搅鲗Ρ?，近年來一些國外學(xué)者開展了綠化屋頂對雨水徑流的截留作用研究.文獻[15]發(fā)現(xiàn)，綠化屋頂能100%截留一些小雨，能60～79% 截留年屋面徑流量.文獻[16]報道一些厚度小的綠化基材能截留25～100%年屋面徑流量； 文獻[12]報道了的案例里一個小區(qū)的10%屋頂?shù)玫骄G化時，屋頂綠化能減少整個小區(qū)徑流的2.7%.文獻[17]發(fā)現(xiàn)綠化屋頂能截留一場0.21 cm 降雨的85.7%，但對于更大的降雨，屋頂綠化只能有限地截留.文獻[18]研究表明屋頂綠化對屋面雨水的截留量的大小主要取決于基材的厚度和屋頂坡度，植物的影響很??；而文獻[19]和[20]的研究表明屋頂坡度對屋頂綠化截留雨水無影響.文獻[21]和[12] 發(fā)現(xiàn)綠化屋頂在溫暖的季節(jié)里比在寒冷的季節(jié)里截留更多雨水徑流.對屋面徑流歷時的延長與截留徑流一樣重要.美國賓州屋頂綠化研究中心、波特蘭州環(huán)保局和北卡羅來納州立大學(xué)進行的研究表明相對于常規(guī)屋頂，綠化屋頂能延長屋面徑流30分到4小時30分[22].一些研究揭示如果后一場降雨與前一場降雨相距時間太短，綠化基材將呈完全飽和狀態(tài)，綠化屋頂不能減少降雨的徑流量[23-25]文獻[26]運用單位過程線理論、文獻[14]運用HYDRUS-1D模型對綠化屋面徑流的整個過程進行了模擬研究，這些模型能在已知降雨參數(shù)的情況下預(yù)測綠化屋頂徑流洪峰峰值、徑流總量和徑流開始時間等參數(shù).到目前為止，國內(nèi)相關(guān)研究很少.

除了文獻 [26]和[14]，多數(shù)研究集中在綠化屋頂對屋面徑流的截留能力上，而對單次降雨下的屋面徑流的動態(tài)過程考察不夠.由于屋頂綠化對雨水截留和吸收作用受到氣候和基材的影響，上述國外的研究成果不能直接在國內(nèi)使用.

2　屋頂綠化對屋面徑流水質(zhì)的影響

雖然已有的研究一致證實了屋頂綠化能通過截留和吸收降雨，減少屋面徑流，降低城市內(nèi)澇頻度和危害；還能吸附和截留粉塵[27-28]和吸收溫室氣體[29]，減輕城市空氣污染程度.但是，對于屋頂綠化系統(tǒng)到底是一些污染物如重金屬和 P、N 的源還是匯，即屋頂綠化系統(tǒng)向環(huán)境釋放污染物的總量和(或)濃度到底大于還是小于吸收環(huán)境中的污染物濃度和(或)總量，學(xué)術(shù)界還未形成一致結(jié)論.

一些國外研究者比較了有限次降雨時雨水、普通屋頂和簡單屋頂綠化的屋面徑流的污染物濃度，得出了不盡一致的結(jié)論.文獻[30]的研究是在一個有 43 年歷史的綠化屋頂上開展的，他們發(fā)現(xiàn)多數(shù)降雨時綠化屋頂?shù)奈菝鎻搅髦谐?Pb 的濃度和總量比雨水高外， Cr、Cu、Zn、As、Fe 以及 P 和 N 的濃度和總量比雨水低；綠化屋頂屋面徑流除了 P 和 N 總量比普通屋頂?shù)停琍b 和 Fe明顯高于普通屋頂外，其他金屬含量與普通屋頂差別不明顯.文獻[31]比較了 5 場降雨下簡單屋頂綠化屋頂、精綠化屋頂、鋁板屋頂、瀝青防水屋頂?shù)奈菝鎻搅魉|(zhì)，發(fā)現(xiàn)簡單屋頂綠化屋面徑流 P、N 含量比鋁板屋頂、瀝青防水屋頂高，但比精綠化屋頂?shù)?；且隨著測試時間推移，兩種綠化屋頂屋面徑流中的污染物濃度下降.文獻[32]測試了4場降雨下雨水、無植物覆蓋的基材徑流、綠化屋頂屋面徑流的水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)綠化屋頂?shù)奈菝鎻搅髦?P、N、Al、Fe、Cu 含量均比雨水高；除 Fe 含量比基材徑流高外，其它與基材徑流相當.說明綠化屋頂屋面徑流中這些元素主要來自基材.文獻[33]測試了 4 場降雨下位于瑞典的簡單屋頂綠化的屋面徑流和雨水的水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)屋面徑流中 Zn 和 P 含量高于雨水含量，NO3-N 和 NH4-N含量比雨水低，Tot-N(總氮)含量無顯著差異.相對而言，到目前為止，極少數(shù)研究開展了長期觀測.文獻[34]測試了四處不同齡期的簡單屋頂綠化一年內(nèi)所有降雨的屋面徑流水質(zhì)，并與普通屋頂徑流和雨水進行了對比，發(fā)現(xiàn)綠化屋頂是 Cd、Cr、Cu、Fe、K、Mn、Pb、Zn 的源，但不向環(huán)境釋放 NO3-N、NH4-N、Tot-N；除齡期最大的一塊綠化屋頂外，其他三塊是PO4-P 和Tot-P 的源.相對于近幾年的研究，較早的德國開展的研究一般都發(fā)現(xiàn)屋頂綠化能顯著截留雨水中的污染物[35-36].國內(nèi)該領(lǐng)域的少量研究是最近幾年才開始的，如文獻[37，38]的研究.其中，只有文獻[38]等的研究關(guān)注的是簡單屋頂綠化文獻[37]研究沒有交代使用何種類型屋頂綠化文獻[38]發(fā)現(xiàn)暴雨時綠化屋頂?shù)奈菝鎻搅髦?Tot-P、Tot-N、NO3-N含量均比雨水高；Tot-N、NH4-N 和 Tot-P 含量比普通屋頂?shù)停琋O3-N、PO4-P 比普通屋頂高.

上述不同研究者得到結(jié)論的不一致以及同一研究中各次降雨的試驗結(jié)果的波動表明影響屋頂綠化系統(tǒng)污染物運移的因素很多，如干濕沉降帶入的污染物種類和含量、種植基材化學(xué)成分、降雨強度和雨型、施肥種類、屋頂綠化齡期、基材厚度、以及植物種類等[39-40].正是不同研究中這些因素的差異，導(dǎo)致結(jié)果的不一致.

文獻[41]發(fā)現(xiàn)基材厚度與屋面徑流的重金屬(Ca、Pb、Zn、Fe、Ni)濃度不相關(guān)，而降雨強度和頻度有時會影響屋面徑流中污染物濃度.一些研究發(fā)現(xiàn)屋頂綠化齡期是重要影響因素，一般隨著齡期增大，屋面徑流中污染物濃度(特別是 P 和 N)下降[31,34,42].文獻[43]發(fā)現(xiàn)基材和植物組成是影響徑流水質(zhì)(重金屬含量)的重要因素.文獻[44]發(fā)現(xiàn)使用控釋肥比使用普通肥料的屋頂綠化能顯著降低屋面徑流中 P 和 N 含量.

一些研究發(fā)現(xiàn)綠化屋頂?shù)奈菝鎻搅鞅扔晁?pH 高[45-47]，由于土壤(基材)中重金屬如 Cd、Pb 和 Zn 的溶解度與 pH 值的大小成反比[39]，這一作用有助于屋頂綠化滯留這些重金屬.文獻[48]發(fā)現(xiàn)屋面徑流中污染物濃度有所謂“初始流效應(yīng)(first flush effect)”，即徑流開始時沖刷出較多顆粒污染物，水質(zhì)較差，含有較高的 Zn、Cu、NO3-N、NH4-N、Tot-P；而文獻[46]的研究沒有發(fā)現(xiàn)這一效應(yīng)，該研究測試了 P、N 和 pH 值等指標.

上述關(guān)于綠化屋頂屋面降雨徑流污染的研究除了文獻[48，46]外，基本思路是將屋頂綠化系統(tǒng)視為一個黑匣子，只考慮進入和離開這個黑匣子的水體總體水質(zhì).由于多數(shù)研究只測試了幾場降雨，每場降雨的試驗結(jié)果又有波動，他們得到的規(guī)律很有限；而且，所有研究都沒有考慮干沉降帶入的污染物.城市干沉降的塵埃一般重金屬含量較高[49]，其數(shù)量通常不能忽視.由于忽略了干沉降，一些研究通過對比幾次降雨時綠化屋頂屋面徑流和雨水或普通屋頂?shù)奈菝鎻搅髦械奈廴疚餄舛然蚩偭?，來證明屋頂綠化是否為污染物的源或匯欠妥.

一些研究已關(guān)注了屋頂綠化植物葉片吸附空氣中塵埃的能力.文獻[50，27]運用沉降模型，分別估算了屋頂綠化對芝加哥市和多倫多市空氣顆粒物的去除能力.文獻[50]估算出 19.8 ha 的屋頂綠化一年能去除芝加哥市空氣污染物(NO2、SO2和 PM10)1 675 kg，其中去除的PM10占總量的 14%；而文獻[27]估計如果所有多倫多市的屋頂能夠綠化，能去除 52 617 kg 空氣污染物.文獻[28]通過實測屋頂綠化植物葉片吸附的塵埃顆粒物，發(fā)現(xiàn)空氣中顆粒物濃度越大時，屋頂綠化植物吸附的塵埃越多；他估算出如果曼徹斯特市中心一塊 325 ha 的地區(qū)內(nèi)所有屋頂能夠變成簡單屋頂綠化，一年將能吸附 211 kg 的 PM10，占顆粒物總量的 2.3%.由于植物葉片吸附的塵埃會被雨水沖刷到屋頂綠化系統(tǒng)中，部分會被屋面徑流帶走，構(gòu)成水污染.屋頂綠化減輕的空氣污染的好處有可能被增加的水污染抵消掉.因此，這些關(guān)于屋頂綠化去除空氣污染物的研究實際上只看到問題的一面，得到的只是片面的規(guī)律.

3　展　望

只有通過長期觀察，全面考慮屋頂綠化系統(tǒng)中污染物(或元素)的來龍去脈，不僅要研究單次降雨下污染物進入和離開屋頂綠化系統(tǒng)的運動規(guī)律，還應(yīng)同時考慮污染物在基材—植物體系中的運移、轉(zhuǎn)化和分配規(guī)律，才能解釋污染物運移和向徑流釋放的規(guī)律，更全面深入地揭示更多規(guī)律.屋頂綠化系統(tǒng)中 P、N 及重金屬除了來自基材各組分本身蘊含外，還通過雨水和降塵或以氣態(tài)進入系統(tǒng).進入屋頂綠化系統(tǒng)的這些元素會發(fā)生復(fù)雜的植物根系和基材微生物吸收轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化等生物作用，以及基材吸附、解吸、滲透、擴散、沉淀等物理化學(xué)作用.這些作用過程很難用儀器(傳感器)直接觀測.一種解決辦法是不直接研究基材中這些復(fù)雜的運移過程，而是在考慮干沉降的同時，同時考察降雨—徑流過程和徑流污染物的濃度的動態(tài)變化；并結(jié)合測試不同深度基材各組分和植物體內(nèi)這些污染元素含量的變化來間接揭示系統(tǒng)中這些元素的運移規(guī)律.由于屋頂綠化系統(tǒng)中的重金屬(除 Hg 外)和 P 不能氣化揮發(fā)，它們進入系統(tǒng)的方式是干濕沉降，離開系統(tǒng)的唯一方式是被屋面徑流帶走，上述研究手段對這些元素是可行的.系統(tǒng)中 N 的運移較為復(fù)雜.不僅不同形態(tài)的 N 可以互相轉(zhuǎn)化，且 N 能以氣態(tài)固定和揮發(fā)[51].鑒于簡單屋頂綠化一般不使用抗旱能力較差的豆科植物[22]，基材中通常不存在根瘤菌，可不考慮生物固氮作用；同時，簡單屋頂綠化基材淺薄，且有良好的通氣性和排水性能[4]，氮元素通常也不會發(fā)生厭氧還原反應(yīng)變成氮氣揮發(fā).氮元素可能存在氣態(tài)逃離方式的是以氨氣揮發(fā).因此，上述研究手段由于沒有測試氨氣揮發(fā)，不能查明系統(tǒng)中 N 的所有來源和去向.要查明需要與干沉降觀測試驗結(jié)合研究.

已有的研究中雖然有文獻[48]和[46]考慮了屋面徑流中的污染物濃度隨流量的變化而變化，但由于沒有考慮降塵，也未能揭示出屋面徑流流量的動態(tài)變化規(guī)律，因而他們研究揭示的污染物的運移規(guī)律有限.實際上，簡單屋頂綠化的降雨—徑流過程可以用單位過程線擬合，文獻[26]就實現(xiàn)了這一點.文獻[52]年在此文提供的方法的基礎(chǔ)上，改用 S 曲線擬合得到一種退水曲線段平滑的單位過程線，具有參數(shù)少、精度高、容易求解的優(yōu)點.運用該方法到更多工況，就能確定模型參數(shù)隨基材厚度、降雨強度等因素的變化規(guī)律，從而定量描述多工況下簡單屋頂綠化降雨—徑流的流量隨時間變化規(guī)律.在此規(guī)律上附加考慮重金屬、P 和 N 的濃度變化，就可以定量描述屋面徑流水量與重金屬、P 和 N 濃度的聯(lián)動變化規(guī)律.只有全面弄清屋面徑流水質(zhì)隨水量(徑流過程)變化規(guī)律，才能科學(xué)合理地利用和管理屋面徑流.

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Biography：YE Jian-jun,male,born in 1974,associate professor,Ph.D., roof greening,slope ecological protection and solid waste ecological utilization

Review on the effect of green roofs on quality and quantity of roof runoff

YE Jian-jun,CHEN Jia-jie,XIAO Heng-lin,XU Wei-sheng,GAO Lin-xia,HUANG Yan-yan,WAN Jun

(School of civil Engineering,Architecture and Environment,Hubei University of Technology,Wuhan430068,China)

As an artificial ecosystem,green roofs are an important supplement for urban green system,which can lessen and mitigate many urban ecological and environmental problems.In recent 20 years,green roofs have won some development,but their developing rate is very slow.The main reason is that Chinese people don’t have enough recognition on the improving effect of green roofs on urban environment and ecological system.Though researchers at home and abroad have achieved consensus on the absorbing and retaining effect of green roofs,on roof runoff and on its lessening urban flood effect,they have controversial views on how green roofs affect the quality of roof runoff.By reviewing the studies on the topic of the effect of green roofs on roof runoff quantity and quality in the past 20 years,the advances and controversies were shown,and the main problems were analyzed and the developing trends in this field were predicted as well.52refs.

green roofs,roof runoff,water quality,water quantity,effect

2016-08-09

國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：51178251)；湖北省自然科學(xué)基金項目資助(編號：2014CFB584)；湖北工業(yè)大學(xué)高層次人才科研啟動金資助(編號：BSQD14047)

葉建軍(1974-)，男，湖北英山人，副教授，博士，研究方向：屋頂綠化、邊坡生態(tài)防護和固廢生態(tài)利用研究.

，E-mail：7531450@qq.com；

2095-7300(2016)03-046-06

Q142.8

A