和SS都有较好的削减作用，但对TP和
淋失现象明显，绿色屋顶的出流中以颗粒态P和溶解态N为主；去除出流中SS，对净化COD效果显著；生物炭的添加对出流污染物有明显的控制作用，能有效缓解降雨初期污染物浓度高的问题，同时能显著增加植物地上部生物量；厚度为5 cm的绿色屋顶出流水中N和COD较10 cm厚度低，但其SS出流平均浓度偏高，且植物后期不能维持良好的长势。粗放型绿色屋顶设施运行稳定后截污效应良好，具有较高的可行性和广阔的应用前景。摘要：为研究粗放型绿色屋顶基质层对雨水出流N、P、COD和SS淋失的影响，根据华中地区降雨强度和水质实际情况，构建了3种不同基材配方的绿色屋顶基质层，在9场模拟暴雨下进行绿色屋顶的基质出流水质监测。结果表明：本试验各绿色屋顶设施对和SS都有较好的削减作用，但对TP和淋失现象明显，绿色屋顶的出流中以颗粒态P和溶解态N为主；去除出流中SS，对净化COD效果显著；生物炭的添加对出流污染物有明显的控制作用，能有效缓解降雨初期污染物浓度高的问题，同时能显著增加植物地上部生物量；厚度为5 cm的绿色屋顶出流水中N和COD较10 cm厚度低，但其SS出流平均浓度偏高，且植物后期不能维持良好的长势。粗放型绿色屋顶设施运行稳定后截污效应良好，具有较高的可行性和广阔的应用前景。
随着城市化进程的加速进行，城市地表硬化程度显著上升，降雨地表径流从初期的10%增加到60%，给区域水环境带来极大的冲击[1]，一度成为亟待解决的问题。屋顶绿化作为海绵城市雨水管理和建设的重要措施之一，具有良好的生态效应和经济效应，在国内各大城市的建设中受到广泛关注[2，3]。
粗放型绿色屋顶(extensive green roof)是一种新兴的屋顶绿化类型，由于其几乎无需任何人为维护和繁殖的独特优势[4-6]，在城市雨水综合管理实施方面具有广阔的应用前景[7]。通常来说，相较于传统的不透水屋面，绿色屋面对雨水中绝大部分污染物具有一定的削减作用[8]。王伟杰[9]研究发现，蓄水绿化屋顶对多种污染物有较好的去除效果。然而Aitkenhead-Peterson等[10]研究发现，绿色屋顶基质中TN和
易随出流水流出，表现出负向效应。Harper等[11]也发现径流中P呈显著的淋失状态。上述污染物直接进入城市的排水系统中，使城市非点源污染越发严重。鉴于此，Beck等[12]指出，屋顶绿化基质中添加生物炭能显著降低出流水体中TOC、TN、TP和
的浓度。钟兴等[13]研究认为，屋顶绿化基质中增加泥炭土能有效保障绿化植物的生长，同时TN累积淋出量得到降低。
为此，有必要根据不同类型绿色屋顶出流水质的特点合理配比绿化基质，优化装置基质对雨天出流水质的影响，以促进城市水资源可持续型发展。目前国内常用的种植基质主要为无机轻质营养基质[14，15]、废弃物利用基质[7]。此外，针对城市突发性强降雨气候，部分学者[16，17]提出了高细颗粒含量的植被混凝土基质。本文参考可持续城市排水系统(SUDS)和水敏感城市设计(WSUD)系统，兼顾屋顶绿化荷载和填料组成的实际情况，设计了3种类型的屋顶绿化设施，通过模拟降雨试验，分析填料的组成和厚度对绿色屋顶出流水质的影响，以期为华中地区的海绵城市屋顶绿化建设提供一定的理论指导及相关设计参数。
模拟绿色屋顶装置设于湖北省宜昌市三峡大学地学楼楼顶，示意图见图1。PVC模拟装置尺寸为50 cm×40 cm×25 cm，装置倾斜约5°，模拟设施较低的一端设置有出流水口，并接1个直径5 cm，长10 cm的PVC管，PVC管连接5 cm长的塑料管，塑料管与雨水取样瓶相连。模拟绿色屋顶设施自上至下分别为：植被层、基质层、过滤层、排水层和防水层。植被层植物为景天属佛甲草(Sedum lineare Thunb)。
图1 绿色屋顶装置示意
Figure 1 Device of green roof installation
模拟装置的填料组成及主要参数如表1所示。考虑到华中地区夏天连续降水丰富，需要提高基材的抗冲刷性和整体稳定性，V组为植被混凝土基质[16]。C组为轻质营养基质中的园林废弃物，可以增加基质保肥能力且降低其比重。考虑到佛甲草根系较浅，设置10 cm和5 cm 2种填料深度探讨污染物淋出情况。N组为废弃物利用基质，旨在减少基质的配制成本。
表1 模拟装置的填料组成及主要参数
Table 1 Filler composition and main parameters of the simulation device
编号填料深度/cm填料组成(体积比)堆密度/(kg/m3)V110田园土49%+草炭土30%+轻质陶粒10%+水泥4%+绿化添加剂2%+醋糟5%779V210田园土41%+草炭土30%+轻质陶粒10%+生物炭8%+水泥4%+绿化添加剂2%+醋糟5%825C110田园土47%+草炭土30%+生物炭8%+轻质陶粒10%+园林废弃物5%721C25田园土47%+草炭土30%+生物炭8%+轻质陶粒10%+园林废弃物5%721C310田园土37%+草炭土30%+生物炭8%+轻质陶粒10%+园林废弃物5%+沸石10%772N110河沙50%+蜂窝煤炉渣30%+草炭土20%855
基质配比中，田园土和草炭土可以提供植物生长所需的有机质并维持基质层的土体结构，其N、P含量符合DB11/T 281—2005 《屋顶绿化规范》的要求；生物炭为果木型生物炭，其表面富含羧基、酚羟基、酸酐等多种官能团，使其具有良好的吸附特性[18]；陶粒属轻质材料，具有比重小、保水保肥能力强的特点；醋糟中富含粗蛋白、粗脂肪、无机氮浸出物、钙、磷等营养物质，有助于植株生长[19]；沸石具有阳离子交换能力，对
有吸附作用[20，21]。相关基材的理化性质见表2。
表2 基质材料的部分理化性质
Table 2 Partial physicochemical properties of matrix materials
材料堆密度/(kg/m3)有机质/(g/kg)速效P/(mg/kg)碱解N/(mg/kg)田园土1.464.1332.40217.90草炭土0.51249.33111.70252.03醋糟0.20517.66160.70358.43园林废弃物0.12418.38101.8087.00绿化添加剂1.2527.14311.20356.67生物炭0.55175.6756.1058.70
绿化植物的种植周期为1年，3种基材配制方法中佛甲草的覆盖率均高达95%以上。植物地上部生物量的采集是在试验期间每月测定1次，在各平行组屋面装置上随机选取3个点，割取100 cm2面积内植物的地上部分，分别称重得出植株地上部生物量后取平均值(表3)。
表3 设施植被地上部生物量
Table 3 Aboveground biomass of vegetation in each facility
介质V1V2C1C2C3N1地上部生物量/(kg/m2)5.418.155.302.438.613.48
以人工配制雨水模拟自然降雨,研究基材的组成和厚度对绿色屋顶出流水质的影响，模拟降雨的关键水质参数与自然降雨的平均值相似(表4)。中国气象数据网数据显示，华中地区雨水丰沛且多发生在夏季，模拟降雨试验从2018年4月18日—7月31日共进行9次，降雨强度为50 mm/h，每次实验进行4 h。出流雨水收集方式为自降雨出流0～30 min，每5 min收集1次设施出流水；30～120 min，每15 min收集1次设施出流水；120～240 min，每30 min收集1次设施出流水，并同时记录出流水水量。模拟降雨试验前保证7 d无雨期，且当底物含水量降至20%时开始试验。
表4 试验用模拟雨水水质指标
Table 4 Simulated rainwater quality indicators for testing mg/L(pH除外)
类型ρ(TN)ρ(NO-3-N)ρ(NH+4-N)ρ(TP)ρ(PO3-4-P)ρ(SS)ρ(COD)pH自然雨水1.90～3.300.20～0.550.90～1.200.03～0.070.01～0.032～1022～345.60～6.90模拟雨水30.52.20.070.033306.61
收集的出流水试样在现场测pH值，然后密封移至试验室，在48 h内采用流动分析仪(荷兰SKALAR SAN++)测定总氮(TN)、硝态氮
氨氮
总磷(TP)、磷酸盐
按《水和废水监测分析方法》[22]进行化学需氧量(COD)和浊度(SS)的检测。
运用Excel 2010、SPSS 22.0对数据进行处理和统计学分析。不同设施出流水质的差异显著性采用Tukey’s-b检验，降雨淋出水中N、P、COD和SS之间的相互关系使用Pearson相关性分析法分析。
各个设施出流水含N化合物平均浓度、淋失过程以及累积淋失质量见图2。结果表明：在降雨试验初期V组中TN和存在大量淋出，其主要来源可能是醋糟和绿化添加剂。同时，分析认为试验初期还未形成较好的缺氧环境，导致存在大量污染物淋出。相较于V1设施，V2中添加有8%的生物炭，结果表明，生物炭对出流水中的N有明显的控制作用。这与Lehmann等[23]的研究一致，当生物炭被用作土壤添加剂时，可以抵抗微生物侵蚀，显著降低元素的浸出。C组和N组初期出流中TN和的波动幅度较小，且各次出流水中的浓度均小于模拟雨水，表明基质层起到了汇集的作用，植物和基质对产生的滞留效应[24]。研究发现，园林废弃物堆肥中有机氮占TN的90%左右，是N元素的主要存在形态[25]，且测得有机质含量较高，其微孔特性和官能团具有吸附作用，削弱了出流污染物浓度[26]。而N组中煤渣的主要成分是SiO2、Al2O3、CaO等，结构疏松，透水性好并具有吸附性，能达到以废治废的目的[27]。本研究从第5次试验后，出流水
浓度在V组中存在波动，而C组和N组均高于试验初期。这可能是模拟雨水中的含N化合物与填料、植物以及微生物充分接触，并且试验后期温度升高，接近硝化细菌的最佳温度(30 ℃)，加速了微生物的硝化作用。在后3个降雨周期，TN的淋失趋于稳定，C组和N组设施的出流TN浓度已低于模拟雨水，C组和N组设施是TN的汇。本试验中各设施多次平均浓度均能满足GB 5749—2006 《生活饮用水卫生标准》。
—V1； 
—C2； 
—V2； 
—C3； 
—C1； 
—N1； 
平均浓度。
图2 各设施9次出流水含N物质的平均浓度、淋失过程以及累积淋失质量
Figure 2 The average concentration, leaching process and cumulative leaching quantity of nitrogen containing in 9 effluent samples from each facility
由图2可知：各组设施
的淋失含量波动较大。除N1设施外，其他组在试验初期急剧增加，可能是试验初期基质中有机氮逐步氨化所致。随着进水次数的增加，各组设施出流水中浓度呈波动递减趋势，可能原因是随着植物的生长和土壤结构的形成，植物的吸收和带负电的土壤颗粒、胶体物质的吸附对出流水浓度有控制作用。Tlornton等[28]研究表明，佛甲草在不同生长期对N元素的吸收利用存在差异。V组和N组出流水中平均浓度可达GB 3838—2002 《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水质标准，而C组可以满足其Ⅱ类水质标准。3组设施出流水后期
浓度均小于模拟雨水浓度，表明3组设施均是的汇。
C1的9次试验出流水TN和平均浓度都高于填料组成相同但厚度较小的C2，并且C1、C2设施出流水浓度差异不显著。这与部分研究发现增加基质厚度可以改善出流水质污染物浓度的结果相悖[29，30]。这可能是因为在强降雨条件下，5 cm和10 cm的绿化屋面径流强度差异不大，而10 cm基质中所含游离态养分基数较大，所以出流污染物的总量较多。对比地上部生物量，C2设施的植物长势较差，可能是由于其土壤所提供给根系的空间有限，抑制了植物的生长。将C1中10%体积的田园土以等体积的沸石替换，形成C3填料，其累积N元素淋出浓度较C1少，这可能与沸石能够吸附有关。
各设施出流水TP的平均浓度、淋出液浓度变化过程及累积淋失质量见图3。系统对P的去除主要靠基质吸附、化学沉淀以及植物吸收作用。所有绿化屋顶设施出流的TP浓度均高于模拟雨水，而模拟雨水中P含量较少，基质表现为P的释放源。结合表2对基质理化性质的分析，V组设施出流水TP的主要来源为基质中的绿化添加剂，其中V1设施中TP大量淋出，9次出流水平均浓度达到1.24 mg/L，而平均
也高达0.47 mg/L，超过了大量文献的研究结果[15,31，32]，出流污染严重。而含有生物炭的V2设施平均
与V1相比均下降约21%，有效降低了屋顶绿化基质的P元素淋失，并且V2设施植被生长状况良好，其地上部生物量高于V1设施51%，Kumari等[33]也发现类似结果。C组、N组设施的出流水TP平均浓度为0.17～0.28 mg/L，优于GB 3838—2002 Ⅳ类水水体要求。就P元素淋出质量变化而言，其中屋顶基质厚度不同的C1与C2之间差异不显著[29]。
—V1； 
—C2； 
—V2； 
—C3； 
—C1； 
—N1； 平均浓度。
图3 各设施9次出流水含P物质的平均浓度、淋失过程以及累积淋失质量
Figure 3 The average concentration, leaching process and cumulative leaching quality of phosphorus containing in 9 effluent samples from each facility
从出流水含P物质的变化过程来看，各组设施受降雨特征的影响不大。V1设施的出流水TP浓度整体较高，且淋失过程中持续下降。而含有生物炭的V2设施对P元素有一定的控制效果，且能够抑制首次试验出流水中P元素的浓度。有报道称，生物炭比表面积、碱性官能团和表面金属的氧化物能实现对的吸附[34，35]。方差分析表明，C组、N组设施的出流水P浓度显著低于V1、V2设施(P<0.05)。除C3设施外，TP和浓度均呈现先上升后持续下降的趋势，稳定后浓度可达到GB 3838—2002 Ⅲ类标准。
COD和SS的平均浓度及淋出液浓度变化过程见图4。
—V1； —C2； —V2； —C3； —C1； —N1； 平均浓度。
图4 各设施9次出流水COD、SS的平均浓度及淋失过程
Figure 4 The average concentration of COD and SS and the leaching process of 9 effluent samples from each facility
由图4可知：3组设施初期出流ρ(COD)>40 mg/L，均高于模拟雨水，随着淋洗次数增加，在微生物的分解作用和土壤的拦截吸附作用下，其出流水的COD浓度存在波动且整体呈下降的趋势。N组出流水COD浓度低于模拟雨水，即N组是COD的汇。而V组和C组中淋洗释放的COD平均浓度较高，表现为COD的污染源，这与填料中醋糟和园林废弃物2种有机物质的使用有关。观察绿色屋顶出流水发现，V组和C组的淋出液与原雨水相比呈现明显的黄色或茶色，据此推测其出流中有机物主要为腐殖酸，Bucoola等[36]也表明了类似观点。综合评估各基质出流水平均COD浓度，V 组符合GB/T 18921—2002《城市污水再生利用景观环境用水质》或GB/T 19772—2005《城市污水再生利用地下水回灌水质标准》(≤40 mg/L)，而N组可以满足GB/T 18921—2002(≤30 mg/L)要求。
由图4可看出：各设施出流SS浓度在降雨初始阶段存在大量淋出，在第3次降雨后变化趋势迅速减小，逐渐达到稳定，约为10 mg/L。其中，C1和C2设施出流水ρ(SS)平均值分别为23.32，31.14 mg/L，3组设施出流水SS浓度均高于模拟雨水，表明3组设施均是SS的源。随着基质层厚度的增加，出流水SS明显减小并趋于稳定。这是由于较薄的基质减轻荷载的同时降低了屋面的抗雨水冲刷能力，使细小的土壤颗粒更容易进入排水层[37]。各试验组装置出流水SS质量浓度较低，且V2设施可达GB 18918—2002 《城镇污水处理厂污染物排放标准》，可能与过滤层材料及试验中各装置植物长势较好有关[38]。然而，应考虑有机质纵向迁移以及雨水的长期浸泡会缩短土工布层的使用寿命。相关性分析表明，出流SS浓度与COD含量呈极显著正相关(P<0.01)，这表明去除出流水质中SS对COD浓度有较大影响。
图5为粗放型绿色屋顶3种不同设施淋出水中主要污染物赋存形态分布。
图5 粗放型屋顶绿化降雨出流主要污染物赋存形态
Figure 5 Occurrence forms of main pollutants in effluent of extensive type greening roof
由图5可知：从N、P等营养物质来看，其赋存形态特征较为一致。V组、C组和N组设施中，N的赋存形态主要以溶解性无机氮为主，平均分别占TN的65%、60%、80%，其中N组设施的占比要略高于其他设施组，这可能与各组填料的性质差异有关。同时对比可发现，3组设施出流平均约占TN的54%，且TN和呈极显著正相关(P<0.01)，说明TN淋失的主要原因是无机氮中的淋出。而3种不同类型设施历次试验
的平均值分别为38%、35%、37%，可看出3种屋面类型出流中P的分布差异较小[24]，进一步表明屋面类型对于降雨出流中P的赋存形态几乎没有影响。同时，分析可知TP淋失的主要集中于颗粒态，这与P易被颗粒物所吸附的特征密切相关，受降雨强度的影响较大，王彪等[39]报道了类似的结果。
本研究所用3种绿色屋顶设施对各出流污染物的控制能力不同，这与基质层材料有较大关系。本试验中各设施对
和SS均有较好的控制效果，但对TP和淋失现象明显，基质表现为P的释放源，其赋存形态以溶解态N和颗粒态P为主。研究发现，基质中添加生物炭可以抑制降雨初期污染物浓度高的问题，并且该组试验设施内植物长势旺盛。对于绿色屋顶基材厚度而言，5 cm厚度的绿化屋顶出流水中N和COD较10 cm厚度的绿化屋顶低，但其SS平均浓度较高，表现为难以抵抗强降雨冲刷。同时发现5 cm厚的绿化屋顶植物长势较差，主要是其提供给根系的空间有限。综合而言，3种绿色屋顶设施均具有较高的应用潜力。由于影响降雨出流污染的因素较多，后续研究对各影响因素进行单一分析是非常必要的。
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Abstract: In order to study the effect of substrate composition of extensive green roof on the leaching of N, P, COD and SS from rainwater, three green roof models with different substrate compositions were constructed according to rainfall intensity and water quality in central China, and the water quality monitoring of green roof was carried out under 9 simulated rainstorms. The results showed that the green roof facilities in this experiment could reduce TN, 
was obvious. The outflow of green roof was mainly particulate phosphorus and dissolved nitrogen; removal of SS from the effluent had significant effect on COD purification; the addition of biochar had obvious controlling effect on the outflow pollutants, which could effectively alleviate the problems of high concentration of pollutants in the initial stage of rainfall, and significantly increase the aboveground biomass of plants; the average concentration of N and COD in the effluent from green roof of 5 cm thick was lower than that of 10 cm thick, but the SS effluent was higher, and the plants could not maintain good growth in the later stage of rainfall. The extensive green roof facility had good pollution interception effect after stable operation, and high feasibility and broad application prospects.