0 引 言
绿色屋顶作为绿色基础设施的一种典型形式，为减少城市雨水径流，缓解城市面源污染等问题做出了突出贡献[1-2]。城市土地资源有限的问题在全球范围内较为普遍，因此，绿色屋顶作为一种不需要额外占地的可持续发展方式愈受关注。
绿色屋顶作为一种渗滞类设施具有削减外排雨水径流量、延迟峰值出现时间、减小峰值流量等功能，但在不同影响因素下，绿色屋顶对于雨水径流的调控效能也不相同[1, 3]。除此之外，绿色屋顶对各种污染物的去除机理不同[4]，其对污染物的去除主要是通过植被层和种植基质层的吸附等作用实现，是集截留、过滤、吸附和生物降解为一体的过程[5]。绿色屋顶可使雨水由酸性转化为中性，降低雨水酸度，以此减轻自然水体酸化程度、减缓建筑物侵蚀[6]。但是，也有部分研究显示，绿色屋顶增加了屋面径流污染[7]。不同的气候特征以及基质层材料、厚度等因素不仅会影响绿色屋顶对径流水量的调控能力，同样会使绿色屋顶产流的污染物浓度大相径庭。Chen等[8]对绿色屋顶径流水质进行长期监测，发现绿色屋顶径流中硝态氮和总磷的浓度高于普通屋面，且总磷与磷酸盐的浓度呈波动趋势，这可能是由于植物施肥以及雨水对基质中营养物质的冲刷造成。
综上，绿色屋顶对径流水量及水质的控制能力及规律还需进一步深入研究。本文拟深入探究绿色屋顶基质组分、排水层材料对绿色屋顶径流水量及水质的影响规律，为优化绿色屋顶实际工程的设计参数提供科学数据，同时为海绵城市相关规划设计提供依据。
1 材料与方法
1.1 实验装置及环境
实验平台位于北京建筑大学大兴校区雨水实验室屋顶，实验中3个正方形的绿色屋顶实验装置及1个普通屋顶实验装置的内部长宽均为50 cm，高度为24 cm。研究区域(北京市大兴区)为典型的大陆性季风气候，年均降雨量为626 mm，其中7—9月为降雨高发期。图1为绿色屋顶实验装置的示意性横截面侧视图及实物图，绿色屋顶装置为聚乙烯材料；在每个装置的底部安装2个直径为2 cm的塑胶排水管，并在基质表面上方4.5 cm处设置1根直径为2.5 cm的溢流。每个绿色屋顶装置(包含空白对照装置)在朝向排水管方向设置1%的倾斜，以确保排水畅通。每个装置均为完整的绿色屋顶系统，包括2 cm 厚的陶粒或凹凸塑料排水板作为绿色屋顶系统的排水层材料，土工布(设计密度为250 g/m3)作为绿色屋顶系统的过滤层材料。
图1 绿色屋顶实验装置
Fig.1 Experimental module of green roof
1.2 结构层材料选配
本研究使用超轻量基质和改良土作为绿色屋顶实验装置的基质层材料。超轻量基质为用于屋顶绿化的市售无机基质，不仅密度低、排水良好同时也易于施工。改良土为田园土、草炭及松针土的混合物(体积比为3∶4∶3)，且符合北京地区屋顶绿化规范中的要求。
佛甲草为1种景天科多年生草本植物，由于其广泛应用于屋顶绿化，耐寒耐旱，不需要过多维护，因此将其作为植物层材料用于本研究的全部绿色屋顶实验装置。各实验装置结构层材料如表1所示。
表1 3个绿色屋顶实验装置及空白对照装置
Table 1 Information of three green roof modules and a normal roof monitored and analyzed in the study
装置号数量基质材料基质厚度排水层材料TID1改良土100 mm凹凸塑料排水板TIC1改良土100 mm陶粒TUD1超轻量基质100 mm凹凸塑料排水板NR1———
注：用于表征绿色屋顶装置的缩写字母：T—佛甲草，所有装置的植被层相同； I—改良土； U—超轻量基质； D—凹凸塑料排水板； C—陶粒；NR—混凝土空白对照装置，仅包含沥青混凝土层。
1.3 天然降雨与人工模拟降雨
本研究中绿色屋顶针对天然降雨的水量调控效果监测开展于2018年4月1日—8月15日(共计26场天然降雨事件)，监测期间天然日降雨量如图2所示。为避免人工模拟降雨实验对天然降雨监测的影响且为探究绿色屋顶的径流水质调控能力，于2018年8月28日—10月26日对绿色屋顶装置及空白对照装置进行人工模拟降雨实验。
图2 北京市大兴区2018年4月1日—8月15日的日降雨量
Fig.2 Rainfall depth on April 1st—August 15th, 2018 in Daxing, Beijing
人工模拟降雨实验共计6次。在同一露天环境(雨水实验室屋顶)，选取北京市重现期为3年和5年的1小时降雨事件，人工模拟降雨过程线如图3所示。
—3年一遇； 
—5年一遇。
图3 北京市重现期为3年和5年的1小时设计降雨事件
Fig.3 Beijing 1 hour designed rainfall events with return period of 3 years and 5 years
2 实验结果与分析
2.1 绿色屋顶径流水量调控规律分析
2.1.1 径流滞留率(RRR)
本研究使用改良土和超轻量基质2种不同的基质层材料，以及凹凸塑料排水板与陶粒2种不同的排水层材料，分析不同基质层、排水层材料对于绿色屋顶水量滞留能力的影响。通过长期监测数据分析发现(图4)，使用凹凸塑料排水板作为绿色屋顶排水层材料相比使用陶粒无明显差异，而基质层材料为改良土的绿色屋顶装置的径流滞留能力明显优于超轻量基质装置。对于<15 mm的降雨事件，3种绿色屋顶装置均具有较好的径流水量控制能力，三者平均滞留率均达到96%以上。但在2018年7月25日这场降雨事件中，绿色屋顶的滞留率显著下降，主要原因是上一场降雨事件(2018年7月24日，降雨量为27.4 mm)导致基质含水率明显升高，使其无法超量滞留本次降雨产生的径流雨水，因此3个装置的滞留能力均显著下降。当降雨量超过15 mm时，三者的滞留能力差异则更为明显，TID装置的场降雨滞留率均明显高于TUD装置，差值为5.8%～29.6%，而前者与TIC装置的差值仅为0.8%～8.5%。在监测期间，由于其他因素(如植物覆盖度、降雨量等)影响，TID与TUD装置的滞留率差异介于0～29.6%，其中平均差异为5.0%，而TID与TIC装置的平均差异仅为1.3%。
TID；
TUD；
TIC。
图4 绿色屋顶实验装置在监测期间的场降雨径流滞留率
Fig.4 Rainfall retention rate and cumulative retention volume of each green roof module during the monitoring period
将监测期间内降雨量最大(78.8 mm)的降雨事件进行单独分析可以发现(图5)，由于超轻量基质和改良土滞留能力的差异，TUD装置与TID装置相比，在该场降雨首次峰值过后已产生更多的径流。且该装置在本场降雨事件接下来的几个峰值时，径流量均高于TID装置，但是随着总降雨量的增大，二者的差别逐渐减小。这说明，相较强降雨，绿色屋顶的基质种类在小降雨事件时对绿色屋顶的滞留能力的影响更为明显。TUD装置最终的总径流滞留率仅为25.3%。除此之外，无论使用凹凸塑料排水板还是陶粒作为绿色屋顶的排水层材料，图中二者的产流过程线无明显差异。在本场降雨事件中，TID与TIC装置的总径流滞留率分别为40.6%和39.4%，二者仅相差1.2%。
注：TID、TUD、TIC三者的产流量过程线基本无差异。
图5 2018年7月16日降雨过程线及TID、TUD、TIC在该降雨事件的累积径流削减率
Fig.5 The observed rainfall hyetograph on 16 July 2018 and runoff hydrographs and cumulative retention capacity as a function of time for TID，TUD and TIC
2.1.2 峰值削减率(Pfrr)
3种不同类型的绿色屋顶实验装置在26场天然降雨事件中的峰值削减率数据如图6所示。不难看出：无论是将改良土替换为超轻量基质(基质孔隙率升高)，抑或将凹凸塑料排水板替换为陶粒(透水性能提升)，峰值削减效果均明显降低。在监测期间TID装置的平均削减率为73.4%，当排水层材料为陶粒时，TIC装置的峰值削减率仅为59.7%。而基质种类对绿色屋顶峰值削减效果的影响也十分明显。TUD装置的峰值削减率仅为52.8%。
图6 3类绿色屋顶实验装置在26场天然降雨下的峰值削减率
Fig.6 Pfrr of 3 types of EGR modules under 26 monitored rainfall events
在本研究与Brandão的研究类似[9]。而其研究中绿色屋顶峰值削减率达到97%～100%(绿色屋顶面积为2.5 m2，基质厚度为150 mm)。这可能是由于基质层厚度的增加或绿色屋顶面积的增大导致峰值削减率比本研究高。Ju等[10]的研究也表明，当基质厚度从100 mm增加到150 mm后，绿色屋顶的峰值削减能力可有所提升。在本研究中TID装置的平均峰值削减率比TUD装置高20.6百分点，较TIC装置高13.7%，这说明当基质层材料的透水性升高或排水层材料的透水性能提升时，绿色屋顶的峰值削减能力将大幅降低。
2.2 绿色屋顶径流水质调控规律分析
2.2.1 场降雨污染物浓度(EMC)
如图7a所示，在6场人工模拟降雨事件下，普通屋面径流中SS的EMC高于绿色屋顶实验装置。3种类型绿色屋顶实验装置对于SS的平均EMC削减率为52.5%～65.9%。TID及TIC装置的平均EMC削减率基本相同，二者平均EMC削减率仅相差0.2%，说明绿色屋顶实验装置的排水层材料(陶粒或凹凸塑料排水板)对SS的EMC削减率几乎无影响。而使用超轻量基质作为绿色屋顶基质层材料的绿色屋顶和使用改良土相比，SS的EMC削减能力有所下降。Zhang等[11]对面积为1 m2的佛甲草绿色屋顶(基质厚度为150 mm)在天然降雨下进行长期监测，结果显示，绿色屋顶产流中总SS的浓度比普通屋面要低很多，该结果和本研究结论一致。但Chen等[12]将绿色屋顶产流和天然降雨进行比较，SS的EMC则要高出很多。
—NR； 
—TID； 
—TUD； 
—TIC。
图7 3类绿色屋顶实验装置及空白装置产流中SS及COD的EMC在6场人工模拟降雨下的变化情况
Fig.7 EMC changes of three types of EGR modules and NR under 6 simulated rainfall events
对绿色屋顶产流水样中COD的EMC分析结果如图7b所示，在6场人工模拟降雨下，这3类绿色屋顶实验装置的COD的EMC均高于普通屋面，且排水层材料对绿色屋顶产流中COD浓度的影响不大，但以超轻量基质作为基质层材料的绿色屋顶实验装置的径流中，COD浓度明显低于改良土装置，这说明绿色屋顶产流中的污染物浓度与基质种类关系密切。Chen等[12]研究还发现基质层材料对绿色屋顶径流中COD浓度的影响比植被层强，植被层对于绿色屋顶径流COD浓度的影响几乎可以忽略不计。此外，使用轻基质作为基质层材料的绿色屋顶COD的EMC比其他种类的基质要高很多。然而，Wang等[13]的实验结果表明，当使用厚50～100 mm的混合型基质时，绿色屋顶中COD浓度比雨水中(其研究中雨水中ρ(COD)约为30 mg/L)更低。这也说明基质层材料是影响绿色屋顶径流中COD浓度的决定性因素。在本研究中使用的人工模拟降雨的雨水ρ(COD)较低，平均为24 mg/L，因此，较其他研究相比，本实验中使用的改良土中应富含大量有机质，从而导致绿色屋顶径流中COD浓度较高。Gnecco[14]使用有机质材料的混合物作为绿色屋顶基质层材料时，发现绿色屋顶产流中的COD的EMC值(18 mg/L)比进水(1 mg/L)高很多。
2.2.2 污染物负荷(L)
3种不同类型的绿色屋顶实验装置产流中污染物的负荷变化如图8所示。在3场天然降雨(2018年4月21日，2018年7月16日和2018年7月25日)和6场人工模拟降雨下，3种不同类型的绿色屋顶在监测期间内产流中的总污染物含量以及对应的污染物削减率如图8所示。
污染物负荷； 污染物削减率。
图8 三类绿色屋顶实验装置在3场天然降雨及6场
人工模拟降雨下，径流中的污染物总量及污染物削减率
Fig.8 Accumulation of pollutant load in rainfall, NR and EGR runoff and green roof runoff pollutant load reduction capacity under six simulated rainfalls and three natural rainfalls
如图8所示：超轻量基质和改良土相比，对于SS的削减能力相似，但对COD的削减能力比改良土好。使用凹凸塑料排水板作为排水层材料的绿色屋顶与使用陶粒的绿色屋顶相比，对SS的污染物负荷削减能力相当，但对于COD，改良土的污染物负荷削减能力更强。
对于SS而言，3种不同类型的绿色屋顶实验装置对于SS的负荷削减能力较对COD的负荷削减能力差。TID、TUD、TIC 3个装置的SS负荷削减率分别为74.3%、73.9%和71.0%(图8a)。除此之外，尽管TID装置在这3种绿色屋顶中的SS负荷削减效果最佳，但其余2个绿色屋顶装置与TID装置差异不大。许多研究也发现绿色屋顶对SS具有较好的削减能力[11, 15]，同时绿色屋顶还具有较好的径流水量滞留效果[16]，因此，大量雨水滞留在绿色屋顶的基质中，导致SS的总负荷大大降低，这和本研究的结论一致。
本实验绿色屋顶径流中COD负荷与SS相比更高(图8b)，3类装置中仅TUD装置的COD负荷略低于普通屋面，其负荷削减率为13.2%。但是，当使用陶粒作为排水层材料时，绿色屋顶径流中COD的负荷较使用凹凸塑料排水板更高。在本实验中，绿色屋顶径流中COD总负荷(3场天然降雨及6场人工模拟降雨)是雨水中COD负荷的1.9～7.6倍。因此，在本研究中绿色屋顶是COD的源。
3 结 论
1)基质种类与降雨量是影响绿色屋顶滞留能力的主要因素。TUD装置较TID的径流滞留能力弱且波动明显，而TID与TIC装置的径流滞留能力类似。当降雨量<15 mm时，3类绿色屋顶的滞留率均在96%以上，而随着降雨量的增加，TUD装置的滞留能力较TID与TIC装置显著降低。
2)基质种类与排水层材料均显著影响绿色屋顶实验装置的峰值削减率，无论使用超轻量基质代替改良土，或将陶粒替换凹凸塑料排水板，绿色屋顶的峰值削减效果均明显降低。
3)使用陶粒或凹凸塑料排水板作为绿色屋顶排水层材料时，SS的EMC削减率无明显差异。而使用超轻量基质作为绿色屋顶基质层材料的绿色屋顶和改良土相比，SS的EMC削减率显著下降，降幅约为13%。
4)绿色屋顶实验装置对SS的负荷削减率无明显差异(71.0%～74.3%)。和普通屋面相比，仅TUD装置降低了径流中的COD负荷，而使用陶粒作为排水层材料时较凹凸塑料排水板产生了更高的COD负荷。3类装置产流中COD负荷均高于雨水，故本实验中绿色屋顶是COD的源。
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