羅秀麗，王莉莉，胡良宇

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001)

1 引言

1977～2016年，我國(guó)的城市化率從17.55%增長(zhǎng)到57.35%[1]。城市化導(dǎo)致城市上風(fēng)向和下風(fēng)向的降水增加約30%，影響鋒面降水過(guò)程，使得城區(qū)及其邊緣地區(qū)的降水歷時(shí)延長(zhǎng)，增加了城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)[2]?？偨邓砍^(guò)150 mm以及降水強(qiáng)度超過(guò)40 mm/h的降雨事件頻率明顯增加。同時(shí)，城市快速發(fā)展產(chǎn)生的熱島效應(yīng)、凝結(jié)核增強(qiáng)作用和微地形阻礙效應(yīng)，使城市的年降水量增加5%以上，汛期暴雨的次數(shù)和暴雨量增加10%以上，產(chǎn)生了城市的雨島效應(yīng)[3]。雨水徑流攜帶地面累積的污染物進(jìn)入水體，增加了受納水體污染物負(fù)荷，加重了城市水體的黑臭現(xiàn)象。近幾年，每逢雨季，各地城市輪番上演“城市看海”的景象，嚴(yán)重影響了城市人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

綠色屋頂與雨水花園是城市居民小區(qū)和廣場(chǎng)采取得重要美化環(huán)境的措施，也是城市黑臭水體治理中控源截污的重要技術(shù)手段，通過(guò)滯、蓄、滲、凈等實(shí)現(xiàn)城市良性水文循環(huán)。本文對(duì)雨水花園、綠色屋頂?shù)慕匚坌蔬M(jìn)行分析，旨在為城市化過(guò)程中的居民小區(qū)和廣場(chǎng)建設(shè)優(yōu)選工程措施提供參考。

2 雨水花園

2.1 雨水花園截流效應(yīng)分析

雨水花園能夠增加雨水入滲量、削減雨水徑流量、凈化雨水水質(zhì)，能夠緩解城市水資源短缺和保護(hù)城市水環(huán)境。雨水花園主要由調(diào)蓄層、礫石層、種植土壤、層砂層和蓄水層構(gòu)成，具有滯、蓄、滲、凈等功能，徑流削減率是反應(yīng)雨水花園對(duì)降雨截流效應(yīng)的重要指標(biāo)。削減率(r)可以表示為：

式(1)中：Wout為出流量(溢流量)；Win為入流量。

雨水花園對(duì)降雨徑流削減效果良好，削減率高達(dá)99.0%。長(zhǎng)期運(yùn)行的雨水花園土壤濕潤(rùn)，植物生長(zhǎng)茂盛，無(wú)脊椎動(dòng)物生長(zhǎng)形成的蟲(chóng)洞和根系都有利于增加并維持雨水花園的入滲功能，延長(zhǎng)雨水花園的使用壽命[4]。

2.2 雨水花園減污效應(yīng)分析

雨水花園對(duì)降雨徑流中污染物的去除率(Rc)可表示為：

式(2)中：Cin為入流的雨水徑流污染物的濃度，mg/L；Cout為出流的雨水污染物的濃度，mg/L。

采用雨水徑流的平均濃度(EMC)代表降雨事件過(guò)程中污染物濃度的平均濃度，解決雨水徑流污染物濃度變化大的問(wèn)題。雨水徑流平均濃度(EMC)表示為：

式(3)中：EMC為雨水徑流的平均濃度，mg/L；M為入流的總污染質(zhì)量，mg；V為總徑流體積，L；t為降雨歷時(shí)，min；Ct為入流中隨時(shí)間t變化的污染物濃度，mg/L；Qt為隨時(shí)間t變化的徑流量，L/min；n為總?cè)哟螖?shù)；Qi為第i次取樣時(shí)的徑流量，L/min；Ci為第i次取樣時(shí)的徑流污染物濃度，mg/L。

雨水花園可以有效去除雨水徑流中的重金屬、總懸浮顆粒物(SS)、油脂類(lèi)及病原體等污染物，但對(duì)N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效果差異較大[5，6]。唐雙成等[7]研究發(fā)現(xiàn)雨水花園對(duì)TP濃度的去除率均值為6.3%，對(duì)TN的濃度去除率均值為－2.7%；郭超等[8]研究發(fā)現(xiàn)雨水花園對(duì)TP濃度的去除率為31.30%～32.92%，對(duì)TN濃度的去除率為66.53%～67.73%；李俊奇等[9]研究發(fā)現(xiàn)雨水花園對(duì)TP濃度的去除率為－86.3%～76%，對(duì)TN濃度的去除率為22.0%～45.4%。雨水花園對(duì)污染物的去除率，見(jiàn)表1。

表1 雨水花園對(duì)污染物的去除率

3 綠色屋頂

3.1 綠色屋頂截流效應(yīng)分析

屋面是城市不透水面積的主要組成部分，綠色屋頂具有減少熱島效應(yīng)、隔熱降溫和節(jié)能減排的作用，研究綠色屋頂對(duì)減少?gòu)搅骱臀廴疚镉兄匾饬x。綠色屋頂由植被層、種植層、蓄排水層、隔根層、過(guò)濾層、保濕層、防滲漏層和原建筑頂?shù)冉M成[10]。綠色屋頂對(duì)雨水徑流的削減效果受屋面坡度、降雨強(qiáng)度、植物因素、基質(zhì)層厚度和基質(zhì)層初始濕度的影響[11]。100%綠化的屋頂、50%(遠(yuǎn)離流域總出水口)綠化的屋頂、50%(綠化位置靠近流域總出水口)綠化的屋頂、50%(均勻分散于研究區(qū)域)綠化的屋頂與無(wú)綠化前流域的峰值徑流量相比，降低了5.3%、3.6%、1.8%和3.1%[12]。基質(zhì)層、排水層為田園土、碳渣的屋頂和基質(zhì)層、排水層為人工基質(zhì)、排水板屋頂在小雨時(shí)徑流削減率近100%，暴雨時(shí)徑流削減率約為小雨時(shí)的30%[13]。基質(zhì)厚度為50 mm的綠色屋頂對(duì)重現(xiàn)期為5年的降雨事件，其雨水系統(tǒng)削減率在15.3%～40.0%之間。當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(shí)，綠色屋頂?shù)臏粜Ч己?，但隨著降雨強(qiáng)度的增大，其滯留效果明顯降低?；|(zhì)層越厚，綠色屋頂對(duì)降雨徑流量削減率越高，不同基質(zhì)層厚度的雨水徑流削減率見(jiàn)表2。綠色屋頂雨水徑流削減率與基質(zhì)初始濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[11，13]。

表2 不同基質(zhì)層厚度的雨水徑流削減率

3.2 綠色屋頂減污效應(yīng)分析

綠色屋頂通過(guò)屋頂植被層的截留作用和吸附作用截留雨水，利用種植土層中的微生物來(lái)降解污染物，并通過(guò)基層土壤中的過(guò)濾作用和滲透作用凈化雨水中的污染物。綠色屋頂和普通屋頂?shù)膒 H值有差異，普通屋頂?shù)膒 H值通常小于7，而綠色屋頂?shù)膒 H值大于7，綠色屋頂由于基質(zhì)層填料含有堿性物質(zhì)，使雨水的p H值升高，能緩解酸雨問(wèn)題，減少酸雨對(duì)建筑物的腐蝕問(wèn)題[14]。綠色屋頂能有效降低COD、TSS和濁度，但會(huì)成為硝酸鹽(NO－3)和磷酸鹽(PO3－4)的釋放源[11，12]。

4 結(jié)論

(1)雨水花園和綠色屋頂均能削減雨水徑流。其削減效果不一，當(dāng)降雨事件為小雨時(shí)，兩者的削減率均能達(dá)到近100%。雨水花園對(duì)暴雨徑流削減效果良好，削減率達(dá)到99.0%，綠色屋頂暴雨時(shí)徑流削減率約為小雨時(shí)的30%。

(2)雨水花園和綠色屋頂能有效去除雨水中的COD和TSS，但對(duì)TP、TN、NO－3、PO3－4的去除效果存在爭(zhēng)議，有學(xué)者認(rèn)為兩者都能去除TP、TN、NO－3、PO3－4，也有學(xué)者認(rèn)為兩者是N、P的釋放源。

(3)雨水花園和綠色屋頂都能有效滯留重金屬(Cu、Zn、Pb)，雨水花園的滯留效果更好。雨水花園能有效去除重金屬污染，但綠色屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)組成和所采用的建筑材料對(duì)重金屬濃度有一定影響。