人工降雨下三种屋面径流过程环境质量比较

叶建军，肖衡林，高林霞，徐维生，王红英，万 娟

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068)



人工降雨下三种屋面径流过程环境质量比较

叶建军，肖衡林，高林霞，徐维生，王红英，万 娟

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068)

采用3个木箱模拟构建了3种常见屋面，并采用人工降雨试验手段，两次观测了屋面径流过程和污染物含量的变化。结果表明：①彩钢屋面和普通屋面径流过程形相似且与绿化屋面相差很大；绿化屋面径流开始时间更晚，径流延时更长，径流总量更小，径流洪峰更低。②绿化屋面径流COD、BOD5、DOC、TN和TP的含量和DOC、TN、TP和Cd总量高于彩钢屋面和普通屋面径流；除了Cd，彩钢屋面径流Pb、Cu、Zn、Cr、Cu含量都比普通屋面径流高。③彩钢屋面和普通屋面径流多数污染物含量随着径流过程有减少趋势，绿化屋面径流污染物含量随径流过程变化规律不明显。④三种屋面径流TP、Cd和Pb含量超过了GB3838-2002规定Ⅳ类水域含量指标。研究说明彩钢屋面径流重金属污染较严重，绿化屋面径流有机污染较严重；三种屋面的径流都受到了污染，不能直接排放或利用。

屋面径流；径流过程；污染；环境质量

1 引言

目前，国内城市普遍面临内涝威胁。在暴雨来临时，屋面与路面等不透水面上的径流不能就地入渗，而是迅速形成洪峰，当洪峰超过城市排水系统的排水能力后，内涝就发生了[1]。城市频繁的内涝对城市居民造成了严重的生命财产损失。

普通的城市洪水管理措施有扩建排水设施、修建储水池(罐)并收集或截留雨水径流和将不透水路面改造成透水路面等。将屋面径流收集储存或用于园林绿化灌溉，或者在小区草地就近入渗补充地下水，对减轻城市内涝灾害，改善城市水环境有重要作用[2]。

不管收集利用屋面径流，还是让屋面径流排放到天然河湖中去，屋面径流的环境质量都应该给予足够关注。一些学者发现屋面径流中有重金属污染物[3]、PAHs污染物[4]、农药[5]和除草剂[6]，表明屋面利用屋面径流前需要查清屋面径流的污染情况。

已有的研究多是国外开展的，取得的规律不一定适用于国内。绝大多数研究单独研究径流水质或水量；且对径流取样时，一次降雨只取一个样。这种水质和水量分开研究、忽略径流的水质随径流过程的变化的研究思路，得到的规律不完整，不利于科学指导屋面径流的收集、处理和回用。

为解决以上问题，本研究使用木箱模拟构建3种不同类型的屋面，采用人工降雨试验手段，相隔12月2次测量3种屋面的径流过程和径流污染物含量，以探明径流水质随径流过程变化规律和受污染程度。

2 材料与方法

2.1 种植箱模拟三种屋面

3种屋面使用3个尺寸一致的无盖木箱模拟。木箱净尺寸为长×宽×高=1.0 m×0.5 m×0. 35 m，底板靠近挡板处的中间部位有Ø20 mm 的排水孔。考虑到绝大多数普通屋面(含使用了防水卷材屋面)的面层是砂浆或细石混凝土，模拟普通屋面的木箱(编号1#)底板表面铺设一层厚度10 mm细沙水泥砂浆，灰砂比为1∶2.0，水泥标号32.5。模拟彩钢屋面的木箱(编号2#)中放置一块面积为1.0×0.5 m2型号为YX25-205-820压型板(湖北恒信铭扬置业集团有限公司生产)。模拟绿化屋面的木箱(编号3#)内自下而上依次铺设一层0.08 mm厚聚乙烯薄膜，型号为26蓄排水板(上海绿旺塑料制品有限公司)；100 g/m2无纺布；4 cm厚种植基材。种植基材配方(体积比)：碎砖45%，碎混凝土7%，河砂30%，泥炭土8%，表土10%。每升基材添加奥绿R长效控释肥7 g。经检测，种植基材中粗颗粒的粒径范围为1～10 mm，干密度1.28 g/cm3，饱和含水量29%，孔隙率48%。种植基材氮磷、主要重金属含量见表1。

表1 种植基材重金属、氮磷含量 mg/kg

上述木箱在2015年3月11日制作并以2%的坡度放置。同时在3#木箱中均匀栽种60株佛甲草。种植箱如图1所示。

图1 种植箱照片(摄于2016年3月15日)

2.2 人工降雨径流观测

分别于2015年3月11日、2016年3月16日对3个木箱进行2次人工降雨试验。人工降雨试验装置如图2所示。为了使两次试验的结果具有可比性，试验用哇哈哈纯净水，采用形同的降雨强度，即每次喷水8 L,喷水时长6.2 min。

图2 人工降雨、径流收集试验装置示意

记录喷头喷水开始、结束时间；木箱径流产生、结束时间。通过控制水龙头开关，每隔5 min移走有水的取样塑料瓶测量水量。由于1#、2#和3#木箱径流延时相差很大，对每一个木箱径流过程取三个水样测试水质，即前2个5 min水样和10 min后所有径流合并后取一个水样测试水质。试验开始时，取样测试自来水水质。

2.3 基材及水样分析

水样中的重金属元素Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni用原子吸收法测定。水样总氮含量采用过硫酸钾紫外分光光度法测定，总磷含量采用过硫酸钾-钼锑抗分光光度法测定。用BPH-220型pH值测试仪测量pH值。用CODMn法(以O2计)测试雨水和径流水样的 COD，用培养法测试 BOD5；用Apollo 9000燃烧分析仪分析DOC含量；总氮(TN)含量采用过硫酸钾紫外分光光度法测定，总磷(TP)含量采用过硫酸钾-钼锑抗分光光度法测定。

3 结果与分析

3.1 试验期间降雨情况

从2015年3月1日至2016年3月31日共有157 d降雨，期间降雨总量为1424.4 mm，最大降雨量为78.1 mm日(6月7日)；6月降雨量最大，为306.5 mm；12月降雨量最小，为21 mm(数据来自距离试验场地1 km的湖北农科院小型气象站)。

3.2 径流过程

由于两次试验中，每木箱径流过程相差很小，对两次试验中同时段的径流量取平均值，得到3个木箱径流过程如表2所示。可以看出，1#箱和2#箱的径流过程相差很小，2#号的径流过程开始时径流量更大一些，径流结束时间更早。1#和2#箱的径流过程显著不同于3#箱，表现在径流开始时间早，最大5 min径流量和前30分径流量和总净流量都远大于3#箱，而径流总延时却远小于3#箱。3#箱平均截留雨水超过3000 g，而1#和2#箱，只截留200 g左右雨水。

表2 三木箱人工降雨下径流过程特征

3.3 径流pH及氮、磷、BOD5、COD和DOC含量

三木箱在两次人工降雨试验时径流过程的pH值、DOC、COD、BOD5、TN、TP含量见图3。1#、2#箱径流pH值在第一次人工降雨试验时开始2个5 min取样低于降雨pH值，且pH值有随径流过程增加的趋势。可能是由于屋面积尘含有酸性物质，在径流开始时积尘含量高，随着灰尘被逐渐冲洗，pH值有所回升；1#箱模拟的是普通屋面，有水泥砂浆面层，会向径流释放碱性物质(如Ca(OH)2)，所以pH值偏高。3#箱第一试验时径流初期pH值含量超过降雨pH值，但第二试验时径流pH值却比降雨低。出现这个现象的可能解释是基材初期呈弱碱性；而经过一年后，基材在酸雨和植物和微生物作用下，碱度下降。

图3 三木箱模拟的屋面在两次人工降雨试验时径流过程pH值、DOC、COD、BOD5、TN、TP含量。

注：图中，图标“1次1样”、“1次2样”分别表示第1次试验时第1、2个5 min径流取样，“1次3样”表示第2次试验时第2个5 min以后的所有径流量的取样(图4同)。图中虚线为试验用人工降雨纯净水含量，点划线为GB3838-2002规定Ⅳ类水域含量指标(图4同)

两次试验中，3#箱径流DOC含量远高于1#、2#箱，显示绿化屋面系统向径流中释放的可溶性碳含量高于普通屋面和彩钢屋面。3#箱在第一试验时径流DOC含量高于第二次试验时径流含量，径流DOC含量随径流过程变化规律不明显。1#、2#箱径流DOC含量高于降雨含量且含量随径流过程有下降趋势，表明普通屋面和彩钢屋面也向径流中释放了DOC。

两次试验中，3#箱径流TN、TP含量远高于1#、2#箱，显示绿化屋面系统向径流中释放的氮、磷含量高于普通屋面和彩钢屋面。3#箱在第一试验时径流TN、TP含量高于第二次试验时径流含量，径流TN、TP含量随径流过程变化规律不明显。1#、2#箱径流TN、TP含量高于降雨含量且含量随径流过程有下降趋势，表明普通屋面和彩钢屋面也向径流中释放了氮磷。三种屋面两次试验时多数径流TP含量超过了GB3838-2002规定Ⅳ类水域含量指标含量(0.3 mg/L)。

两次试验时，3#箱径流COD、BOD5含量高于1#、2#箱，显示绿化屋面系统向径流中释放的有机物浓度高于普通屋面和彩钢屋面。3#箱在第一试验时径流COD、BOD5浓度高于第二次试验时径流浓度，径流COD含量随径流过程有增大趋势，但BOD5含量随径流过程变化规律不明显。1#、2#箱径流COD、BOD5含量高于降雨含量且含量随径流过程有下降趋势，表明普通屋面和彩钢屋面也向径流中释放了有机物。绿化屋面径流第一次试验时所有取样BOD5含量和第二次试验时径流第一个5 min取样COD含量超过了GB3838-2002规定Ⅳ类水域含量指标含量。

1#、2#箱径流COD、BOD5、DOC、TN、TP含量随径流过程有下降趋势，出现这一现象的解释是1#、2#箱(屋面)积尘在降雨时被冲洗并向径流释放有机物，在径流开始时灰尘含量高因而径流污染物含量高，随着灰尘被逐渐冲洗，径流中灰尘含量降低，污染物含量也随之下降。

3.4 径流重金属含量

三木箱在两次人工降雨试验时径流过程的6种重金属含量见图4。两次试验中，1#箱径流6种重金属含量和2#箱径流除Cu、Zn外4种重金属含量随径流过程均有减少趋势。出现这个现象可能的解释是普通屋面积尘在降雨时被冲洗并向径流释放重金属，在径流开始时灰尘含量高因而径流重金属含量高，随着灰尘被逐渐冲洗，径流中灰尘含量降低，重金属含量也随之下降。3#箱径流6种重金属含量含量随径流过程变化规律不明显。

图4 三木箱模拟的屋面在人工降雨时径流过程6种重金属含量

注：人工降雨使用的纯净水未检出重金属含量，GB3838-2002规定Ⅳ类水域含量指标(Zn：2.0 mg/L;Cu:1.0 mg/L，超出坐标范围，图上无法标注; Cr、Ni没有规定)

2#箱第一次试验时径流Cu和Zn含量随径流变化规律与其他重金属不一致，表现在径流后期的含量反而升高。出现这个现象的可能解释是彩钢屋面材料(涂料)中含有Cu和Zn，在降雨时向径流中释放了Cu和Zn。

两次试验中，2#箱径流除了Cd与1#含量相近外，其他5种重金属含量都比1#含量高。表明彩钢屋面径流受重金属污染更严重。3#箱径流Cd含量远高于1#和2#箱，Zn含量远高于1#箱。除了Zn和Cr，3#箱两次试验中第2、3试样重金属含量比1#和2#箱含量高。

3.5 径流污染物总量

三木箱在两次试验时径流污染物总量见表3。由表3可见，两次试验时2#箱径流每种污染物的总量都高于1#箱；3#箱径流的Pb、Cr、Cu和Ni总量低于1#箱，其他污染物总量高于1#；3#箱径流的Pb、Cr、Cu、Zn和Ni总量低于2#箱，其他污染物总量高于2#。

表3 两次试验时三木箱径流污染物总量 mg

3#箱第一次试验径流Cr、Cu、DOC、TN和TP总量都高于第二次试验，其他重金属总量低于第二次试验；2#箱第一次试验径流Cr、Cu、Zn、Ni和DOC总量都高于第二次试验，其他污染物总量低于第二次试验；1#箱第一次试验径流Cr、Cu、Ni、DOC和TP总量都高于第二次试验，其他污染物总量低于第二次试验。

4 结论

通过用木箱模拟构筑普通屋面、彩钢屋面和绿化屋面，在相隔12个月两次人工降雨试验下，测试径流过程5 min流量和径流过程水质(包括Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni、TP、TN、COD、pH、DOC、BOD5)，得到如下结论。

(1)绿化屋面径流过程与普通屋面和彩钢屋面相差很大，彩钢屋面和普通屋面径流过程形似。与普通屋面和彩钢屋面相比，绿化屋面的径流开始时间更晚，径流延时更长，径流总量更小，径流洪峰更低。

(2)绿化屋面径流有机污染物的含量高于彩钢屋面和普通屋面径流；有机污染物含量和Cd总量也高于彩钢屋面和普通屋面径流；彩钢屋面径流除了Cd与普通屋面径流含量相近外，其他5种重金属含量都比普通屋面含量高。

(3)彩钢屋面和普通屋面径流多数污染物含量随着径流过程有减少趋势，绿化屋面径流污染物含量随径流过程变化规律不明显。绿化屋面第一次试验时径流有机污染物含量和总量比第二次试验时高，表明径流有机污染物含量随着屋顶绿化龄期有减少趋势。

(4)三种屋面的径流TP、Cd和Pb含量超过了GB3838-2002规定Ⅳ类水域含量指标；三种屋面的径流都受到了污染，不能直接排放或利用。

[1]Mentens J, Raes D, Hermy M. Green roofs as a tool for solving the rainwater runoff problem in the urbanized 21st century[J]. Landscape Urban Planning, 2006(77): 217～226.

[2] 叶建军. 屋面绿化对城市水环境的改善[J]. 水土保持通报, 2007,14(2): 186～188.

[3] Lee J Y, Yang J S, Han M, et al. Comparison of the microbiological and chemical characterization of harvested rainwater and reservoir water as alternative water resources[J]. Science of the Total Environment. 2010,408(4):896～905.

[4] Förster J. Variability of roof runoff quality[J]. Water Science and Technology.1999, 39(5):137～144.

[5] Zobrist J, Müller S R, Ammann A, et al. Quality of roof runoff for groundwater infiltration[J]. Water Research. 2000, 34(5):1455～1462.

[6] Bucheli T D, Müller S R, Voegelin A, et al. Bituminous roof sealing membranes as major sources of the herbicide (R,S )-mecoprop in roof runoff waters: potential contamination of groundwater and surface waters[J]. Environmental Science and Technology. 1998, 32(22): 3465～3471.

[7] Villarreal E L, Bengtsson L. Response of a Sedum green-roof to individual rain events[J]. Ecological Engineering, 2005(25):1～7.

[8] Bengtsson L. Grahn L, Olsson J. Hydrological function of a thin extensive green roof in southern Sweden[J]. Nordic hydrology, 2005(36): 259～268.

[9] Bliss D J, Neufeld R D, Ries R J. Storm water runoff mitigation using a green roof[J]. Environmental Engineering and Science, 2009(26): 407～417.

[10]Hilten R N, Lawrence T M, Tollner E W. Modeling stormwater runoff from greenroofs with HYDRUS-1D[J]. Jourrnal of Hydrology, 2008(358): 288～293.

[11]Nicholson N, Clark S E, Long B V, et al. Rainwater harvesting for non-potable use in gardens: a comparison of runoff water quality from green vs. Traditional roofs[C]. In: Proceedings of World Environmental and Water Resources Congress. Great Rivers Kansas City, Missouri. 2009.

[12]王书敏, 何强, 张峻华, 等. 绿色屋面径流氮磷浓度分布及赋存形态[J]. 生态学报, 2012(12): 3691～3700.

[13]Hathaway A M, Hunt W F, Jennings, G D. A field study of green roof hydrologic and water quality performance[J]. Transactions of American Society of Agricultural and Biological Engineers. 2008, 51 (1), 37e44.

[14]Köhler M, Schmidt M, Grimme F W, et al. Green roofs in temperate climates and in the hot-humid tropics far beyond the aesthetics[J]. Environmental Management and Health, 2002, 13 (4): 382～391.

[15]陈小平,黄佩,周志翔,等.绿色屋顶径流调控研究进展[J].应用生态学报，2015(8).

[16]马姗姗,庄宝玉,张新波,等.绿色屋顶与下凹式绿地串联对洪峰的削减效应分析[J].中国给水排水，2014(3).

[17]王书敏,李兴扬,张峻华,等.城市区域绿色屋顶普及对水量水质的影响[J].应用生态学报， 2014(7).

[18]牛 皓,周集体,Peter Adriaens.城市范围绿色屋顶环境效益评价方法研究--以华盛顿市为例[J].建筑经济，2013(2).

[19]郑美芳,邓云,刘瑞芬,等.绿色屋顶屋面径流水量水质影响实验研究[J].浙江大学学报， 2013(10).

[20]王书敏,何强,张峻华,等.绿色屋顶径流氮磷浓度分布及赋存形态[J]. 生态学报，2012(12).

[21]罗鸿兵,刘瑞芬,邓云,等.绿色屋顶径流水质监测研究进展[J].环境监测管理与技术，2012(3).

[22]张善峰,宋绍杭.绿色屋顶——建筑屋顶雨水管理的景观学方法[J].装饰，2011(09).

Comparative Study on Environmental Quality of Runoff Processes from Three types of Roofs Under Artificial Rainfall

YE Jianjun, Xiao Henglin, Gao Linxia, Xu Weisheng, Wang Hongying, Wan Juan

(SchoolofCivilEngineering,Architectureandenvironment,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan,Hubei430068,China)

Three wooden crate were firstly created to simulate three types of popular roof tops. Then artificial rainfall was sprinkled on them, and the runoff processes from them and the pollutant contents of runoff were investigated. Results showed that : 1) the runoff processes from color steel roof were similar with those from conventional roof, but were quite different with those from green roof. Runoff from green roof initiated later, lasted longer, and had a larger volume but lower peak. 2) COD, BOD5, DOC, TN and TP concentrations and DOC, TN, TP and Cd amounts in runoff from green roof were higher than those from color steel roof and conventional roof. Except for Cd, other five heavy metals Pb, Cu, Zn, Cr and Cu concentrations in runoff from color steel roof were higher than from those from conventional roof. 3)while most pollutant contents in runoff from color steel roof and conventional roof decreased with the runoff process, the pollutant contents in runoff from green roof were not changing along with runoff process. 4) TP, Cd and Pb concentrations in runoff from the three types of roofs were all beyond the stipulated values of GB3838-2002. This study verified that runoff from color steel roof was polluted seriously by heavy metals, and runoff from green roof polluted seriously by organic pollutants. Runoff from the three types of roofs were all polluted, could not be directly discharged or used.

roof type；roof runoff；runoff process；pollution；environmental quality

2016-08-15

湖北工业大学高层次人才科研启动金(编号：BSQD14047)；湖北省自然科学基金面上项目(编号：2014CFB584)

叶建军(1974—)，男，副教授，博士，主要从事屋顶绿化、边坡生态防护和绿色爆破研究。

X52

A

1674-9944(2016)18-0040-06