随着城市化进程加快，不透水地表面积越来越高，不透水下垫面改变了原有的水文循环过程，增加了地表径流量，对受纳水体造成了严重影响^[1]，进而引起了城市管理者及相关研究人员对管理和控制暴雨径流的重视。研究者提出了大量的控制措施，如植被过滤带，人工湿地，渗透系统等。由于上述措施要求使用大面积的土地，在城市区域没有足够的空间实施，加之城市区域地价昂贵，严重影响了面源污染控制的广泛开展。城市建筑屋面在城市建设用地中比重较高(约占城市不透水下垫面总面积的40%—50%)，在城市面源污染中发挥着重要的作用。因此，研究者提出将硬化屋面“绿化”的新控制理念。

“绿色”屋面也被称之为植被屋面和生态屋面，是城市区域中一类特殊的地表覆盖类型^[2]。常见的绿色屋面种类有集约型屋面和粗放型屋面两种。集约型屋面可以被作为一个花园，它具有较厚的土壤层，可以种植比较大的植物，如乔木和灌木树种；而粗放型屋面是指土壤层较薄，只能种植草本或者更小的植物^[3]。与不透水下垫面相比，绿色屋面具有生态化属性，很多城市暴雨管理理念将其作为城市面源污染的控制技术之一，如美国的BMPs(Best Management Practices)和英国SUDS(Sustainable Urban Drainage Systems)等^[4]。

近年来，绿色屋面逐渐成为城市设计的一个趋势，并在一些发达国家(德国，瑞典，美国，日本和新加坡等)得到广泛使用。已有研究表明：绿色屋面对城市有许多有益的影响，如：绿色屋面可以滞留部分暴雨径流和延缓径流的峰值时间^{[5, 6, 7]}；可以减少城市的热导现象^{[8, 9]}；改善空气的质量^[10]；提供给野生生物栖息地^{[11, 12]}；并且它还有美学的价值等。但关于绿色屋面暴雨径流水质的研究相对较少并且存在争议。Berndtsson等人^[13]在瑞典的马尔默和隆德研究发现，绿色屋面是NO^-₃-N的汇，并且可减少径流中NH₄⁺-N和TN的浓度。Vijayaraghavan等人^[6]也发现绿色屋面是EC的源，并且也增加了径流中盐分的含量。造成这种差异的原因主要是由于各地区的大气环境质量不同和各自设计的绿色屋面的结构不同(土壤层厚度、组成成分、植物的种类等)的缘故。

本研究的主要目的是基于径流水质和污染负荷2个方面，综合评价绿色屋面对径流水质的影响和污染负荷的增减；并且确定绿色屋面径流水质和降雨特征之间的关系。以期为正确评价绿色屋面对径流水质的影响提供数据支持，并为绿色屋面的科学构建和城市暴雨径流管理提供了重要参考。

重庆地区地形地貌结构较为复杂。地貌类型可分为中山、低山、丘陵、台地、平原(坝)五大类。区域属四川盆地热带季风湿润气候，气候温和，雨量充沛，四季分明。年均降雨量为1085.3 mm，夏季占年降水量40%—50%，历年平均相对湿度为79％，日照时数1243.8 h。年平均气温17.5—18.7 ℃，无霜期296 d。

绿色屋面和沥青屋面建于2010年8月，位于重庆市北部新区竹林实验学校的实验楼顶部，并排放置。绿色屋面的面积为1 m²(1 m×1 m)，沥青屋面的面积为2.25 m²(1.5 m×1.5 m)。在屋面的四周安装40 cm高的PVC板，防止雨水飞溅和流失。屋面的出水口接一个直径8 cm的PVC管，PVC管连接1 m长的塑料管，塑料管与雨水收集箱相连。

绿色屋面的结构主要包括6层(图 1)，从上向下依次为植物层、种植基质层(土壤层)、过滤层、排水层、防水层(沥青纸)和水泥板。

图1 实验屋面及绿色屋面结构 Fig.1 Pilot-scale roofs and the structure of the green roof

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基质层 本层为混合基质层，采用筛选的轻质材料混合而成，减轻屋顶的承重力，各基质的体积比为：泥炭土∶蛭石∶珍珠岩∶锯末=4∶3∶2∶1，然后将各基质混匀，混合基质层厚度为15 cm。主要功能是承载植物层，为植物层提供生长必须的养分和水。

过滤层 过滤层选用材料为聚酯纤维无纺布，具有较好的过滤、排水、隔离，且材料重量轻、抗拉强度高、渗透性好等，既能透水又能隔绝种植土中的细小颗粒，主要功能是当水流经基质层时，利用针刺土工布良好的透气性和透水性使水流通过，有效截留土颗粒、细砂和小石料等，防止堵塞排水层。

排水层 排水层选用新型块状塑料蓄水板，规格为33.3 cm × 33.3 cm × 2.0 cm，主要作用是迅速排除在降雨和浇灌时多余的水分，有效缓解瞬时压力，改善基质的通气状况，存储部分水分，具备保温隔热、阻根刺(防止植物根系破坏混凝土结构)、质轻、耐高负荷等多种功能。该层铺设在过滤层下，平时注意及时清理枯枝落叶，防止排水口堵塞。

防水层 在原有水泥屋面的基础上再铺设改性沥青油毡作为附加防水层。

植物层 是屋顶绿化的主要功能层,生态、经济、社会等效益都体现在这一层当中。植物选择佛甲草(Sedum lineare Thunb)，又名万年草，为景天科佛甲草属多年生草本植物。种植株距为4—6 cm，行距为8—10 cm。

绿色屋面和沥青屋面均通过 U-PVC 管与采样容器相连(图 1)，使降雨产流全部收集在容器中。每场降雨之前，采样容器均用自来水和超纯水冲洗干净，并盖好盖子，降雨结束后收集雨水；干湿总沉降采样：上次降雨采集样品后，将采样箱用自来水和超纯水冲洗干净，放于屋面上，当下次降雨停止时，立即收集样品；湿沉降采样：在下雨前，将采样箱放于屋面上，雨停后，收集雨样。在采样点附近安装了JDZ-1型数字雨量计，收集降雨的资料。研究期间对绿色屋面，沥青屋面，干湿总沉降和降雨同步采样12次。降雨事件的降雨特征见表 1。

径流监测指标包括pH、EC、TN、TP、NH₄⁺-N、NO₃^--N、TSS、BOD₅、COD和溶解态重金属(Cu、Zn和Pb)等。pH和EC分析使用美国Hach公司生产的SenSion¹⁵⁶便携式多参数测量仪；溶解态重金属的测量采用ICP-MS；其余水质指标按照《水和废水监测分析方法(第四版)》的要求执行^[14]。

由于本研究所得数据未满足正态分布，所以，运用非参数的Kruskall-Wallis和Mann-Whitney U 检验方法，分析了绿色屋面、沥青屋面、干湿总沉降和降雨中各污染物浓度和污染负荷的显著差异性。此外，运用Spearman′s秩相关系数分析了降雨特征对绿色屋面径流水质的影响。

表 1列出了所监测降雨事件的特征。由表 1可知，所监测的12场降雨事件差异较大，其中暴雨2场，大雨4场，中雨3场，小雨3场。12场降雨事件包括了不同降雨强度的降雨，具有较好的代表性，为研究结果的可靠性提供了保证。

(1) pH值的平均浓度表现为：沥青屋面(7.35)要显著的高于绿色屋面(6.84)，干湿沉降(5.98)和降雨(5.61)(图 2)。雨水和干湿沉降pH值的浓度低于了国家地表水的标准(6.0—9.0)^[15]，但是，在绿色屋面上，pH值的浓度满足了国家地表水的标准，因此，绿色屋面对降雨径流中pH值有很好的中和作用；

图2 绿色屋面、沥青屋面、干湿沉降和降雨采样中 pH，EC和 TSS的平均浓度 Fig.2 The average pH,EC and TSS concentrations of monitoring rainfall events from the green roof,asphalt roof,dry-wet deposition and rainfall

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(2) EC的平均浓度表现为：绿色屋面(224.85 μS/cm)要显著的高于沥青屋面(65.47 μS/cm)，干湿沉降(48.63 μS/cm)和降雨(37.59 μS/cm) (图 2)。绿色屋面是EC的源；

(3) TSS的平均浓度表现为：绿色屋面(20.42 mg/L)要显著的低于沥青屋面(67.04 mg/L)，并且低于干湿沉降(36.53mg/L)(图 2)，绿色屋面是TSS的汇。

(1)TP的平均浓度表现为：雨水(0.035 mg/L)要显著低于绿色屋面(0.113 mg/L)，沥青屋面(0.091 mg/L)和干湿沉降(0.076 mg/L)(图 3)，但是TP的浓度在绿色屋面，沥青屋面和干湿沉降采样中无显著差别，因此，绿色屋面对于TP是非源非汇。

(2)TN、NH₄⁺-N和NO^-₃-N的浓度表现为：绿色屋面 (18.26、4.43 mg/L和12.16 mg/L) 要显著的高于沥青屋面 (3.03、2.00 mg/L和1.01 mg/L)，干湿沉降(3.26、1.91 mg/L和1.02 mg/L)和降雨(2.63、1.91 mg/L 和0.76 mg/L)(图 3)。绿色屋面径流中营养物质浓度较高，主要因为绿色屋面土壤层释放了大量的营养物质进入径流。绿色屋面是TN、NH₄⁺-N和NO^-₃-N的源。

图3 绿色屋面、沥青屋面、干湿沉降和降雨采样中TP和TN、NH4+-N与NO-3-N的平均浓度 Fig.3 The average TP and TN,NH4+-N,NO-3-N concentrations of monitoring rainfall events from the green roof,asphalt roof,dry-wet deposition and rainfall

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由图 4所示，COD和BOD₅的平均浓度表现为：绿色屋面 (230.63 mg/L 和11.05 mg/L)要显著高于沥青屋面(105.24 mg/L和4.88 mg/L)，干湿沉降 (52.63 mg/L和 4.44 mg/L) 和降雨 (42.73 mg/L和2.55 mg/L)。在绿色屋面径流中有机污染物主要来源于土壤有机物和植物的腐烂,绿色屋面是COD和BOD₅的源。

图4 绿色屋面、沥青屋面、干湿沉降和降雨采样中 BOD5 和COD的平均浓度 Fig.4 The average BOD5 and COD concentrations of monitoring rainfall events from the green roof,asphalt roof,dry-wet deposition and rainfall

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由图 5所示，DCu和DZn的平均浓度表现为：在绿色屋面 (13.02 μg/L和52.27 μg/L)，沥青屋面(4.80 μg/L和8.88 μg/L)，干湿沉降 (18.58 μg/L和28.11 μg/L)以及降雨(4.93 μg/L和28.63 μg/L)无显著差异，这或许是由于屋面径流中的DCu和DZn主要来源于干湿沉降。DPb、的平均浓度表现为：绿色屋面 (17.26 μg/L)要显著高于沥青屋面(5.15 μg/L)，干湿沉降(5.42 μg/L) 和降雨(6.58 μg/L)。绿色屋面是DPb的源。

图5 绿色屋面、沥青屋面、干湿沉降和降雨采样中DPb、DCu和DZn的平均浓度 Fig.5 The average DPb,DCu and DZn concentrations of monitoring rainfall events from the green roof,asphalt roof,dry-wet deposition and rainfall

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通过比较绿色屋面，沥青屋面，干湿沉降和降雨污染负荷差异(表 2)，发现NH₄⁺-N的污染负荷表现为：绿色屋面(27.16 mg/m²)显著的低于沥青屋面(42.23 mg/m²)，干湿沉降(48.57 mg/m²)和降雨(49.54 mg/m²)；TSS和BOD₅的污染负荷表现为：绿色屋面(163.68 mg/m²和56.81 mg/m²) 要显著的低于干湿沉降(825.83 mg/m²和103.68 mg/m²)。因此，在污染负荷的角度上，绿色屋面是NH₄⁺-N、TSS和BOD₅的汇。NO^-₃-N的污染负荷表现为：绿色屋面 (178.13 mg/m²) 要显著高于沥青屋面(19.34 mg/m²)，干湿沉降 (20.97 mg/m²) 和降雨 (12.92 mg/m²)，因此，在污染负荷的角度，绿色屋面是NO^-₃-N的源。TN、DPb、DCu和DZn的污染负荷在绿色屋面，沥青屋面，干湿沉降和降雨无显著差异。TP和COD的污染负荷表现为：绿色屋面与沥青屋面，干湿沉降和降雨无显著差异。因此，在污染负荷的角度上，绿色屋面对于TN、DPb、DCu、DZn、TP和COD来说是非源非汇。

该研究通过分析各场次降雨事件中各污染物的浓度与降雨特征的相关关系(表 3)，结果表明：pH值与降雨量在0.05显著水平下呈负相关关系；TP和TSS与降雨间隔在0.05显著水平下呈正相关关系，BOD₅与降雨间隔在0.01显著水平下呈正相关关系；DCu和DZn与最大雨强在0.05水平下呈负相关。各水质参数与降雨历时和平均雨强均无显著相关关系。

关于绿色屋面是污染源还是汇的问题，学术界一直存在不同的观点。这主要是因为研究者所选的基质层(土壤层)的主要化学组分、当地的空气质量以及对绿色屋面的管理措施(施肥或不施肥)不同的缘故。Moran 等人^[16]在加利福尼亚研究发现，绿色屋面土壤层释放了大量的N和P到屋面径流中。Moran等人^[17]研究发现绿色屋面大量的释放TN。从径流水质考虑，绿色屋面是EC、TN、NH₄⁺-N、NO^-₃-N、COD、BOD₅和DPb的源，是TSS的汇，并且对pH有很好的中和作用。这主要是由于本研究所选择的基质是国内园艺栽培常用的营养土，它主要由泥炭土∶蛭石∶珍珠岩∶锯末按4∶3∶2∶1的比例混合而成。其中，泥炭土包含了大量的有机物质(57%—60%)、TN (2%)、TP (0.06%)、TK (0.6%)以及一些微量元素(钙、镁、铜、锌等)，蛭石包含了大量的微量元素(钙、镁、铁、铝、硅等)，珍珠岩的主要成分是二氧化硅(70%)、水 (3%—5%)，此外，锯末中也含有一定量的N、P、K等。因此，绿色屋面径流中含有大量的营养物质和有机污染物。这与先前的研究基本一致，Teemusk和Mander^[18]也发现：由于植物和基质层的影响，在大雨和雪融化的情况下，绿色屋面大量的释放NH₄⁺-N，并且NO^-₃-N的浓度也比较高；Bliss等人^[19]研究发现：绿色屋面径流中COD的浓度要显著高于控制屋面(传统的压载膜屋面)等。但是，笔者认为，仅从径流水质的角度去评价绿色屋面是污染源或汇，不太科学，因此，从绿色屋面径流水质参数污染负荷的角度做进一步的探讨，绿色屋面是NO^-₃-N、K⁺和Si⁴⁺的源，是NH₄⁺-N、TSS、BOD₅和F^-的汇。进而分析绿色屋面的对径流中污染物污染负荷的影响。由表 4可见，将绿色屋面径流水质参数污染负荷与控制屋面的污染负荷相比，绿色屋面对TSS、TP、BOD₅、COD、NH₄⁺-N、DZn和DPb污染负荷有很好的消减作用，分别消减了90.53%、49.38%、41.31%、36.48%、35.45%、28.27%和14.20%；但是对NO^-₃-N和TN的污染负荷有一定的增加作用，分别增加了821.02%和275.48%。

降雨量决定着稀释污染物的水量。通常情况，污染物的浓度与降雨量呈负相关关系^[20]。这主要是因为一场降雨事件中，屋面累计的污染物的量是固定的，由于雨水的稀释作用，所以降雨量越大，污染物的浓度就越低。大部分水质参数(除NO^-₃-N以外)都与降雨量存在负相关关系。这与研究基本相同，如欧阳威等人^[21]和张千千等人^[22]研究发现屋面径流污染物浓度与降雨量呈负相关关系。

雨前干燥期(降雨间隔)的长短，决定地表污染物累积的数量，进而影响到可被降雨径流冲刷、携带污染物的数量。通常情况下，干期的长短与降雨径流污染物的负荷存在的显著的正相关关系^[23]。大部分水质参数(除NO^-₃-N以外)都与雨前干期存在正相关关系，这与以往的研究基本相同，如Vaze等^[24]研究发现，屋面径流污染物浓度随着雨前晴天数的增加而增大。

降雨历时既决定着污染物被冲刷的时间也决定着降雨期间的污染物向地表输送的时间。通常情况下，降雨历时越长，污染物的负荷就越大，因为，降雨期间会有一定量的污染物输入地表。欧阳威等人^[21]研究发现屋面径流污染物浓度与降雨历时呈正相关关系。但本研究发现大部分水质参数(除NO^-₃-N以外)都与雨前干期存在负相关关系，这可能是由于绿色屋面对降雨有一定的滞留能力^[5]，随着降雨历时的延长，绿色屋面可以滞留更多的径流，从而导致径流中各污染物的浓度降低。

降雨强度决定着淋洗、冲刷地表污染物的能量大小。降雨强度对屋面径流中污染物的种类和数量有显著的影响，这主要由于某些污染物主要以微粒态形式存在，这些污染物只有在高的降雨强度下才能被冲刷。本研究结果表明：各污染物的平均浓度与平均雨强和最大雨强均呈负相关关系。这与欧阳威等人^[21]和张千千等人^[22]研究结果相同。

(1)从径流水质层面上分析，绿色屋面是TSS的汇，对pH有很好的中和作用，对于TP、DCu和DZn是非源非汇，但是绿色屋面是EC、TN、NH₄⁺-N、NO^-₃-N、COD、BOD₅和DPb的源，因此，应该对绿色屋面的结构设计进行优化。

(2)从各水质参数污染负荷的角度分析，绿色屋面是NH₄⁺-N、TSS和BOD₅的汇，对于TN、DPb、DCu、DZn、TP和COD是非源非汇，但是是NO^-₃-N的源。

(3)将绿色屋面径流水质参数污染负荷与控制屋面的污染负荷相比，绿色屋面能够消减TSS、TP、BOD₅、COD、NH₄⁺-N、DZn和DPb污染负荷，分别消减了90.53%、49.38%、41.31%、36.48%、35.45%、28.27%和14.20%，但是增减了NO^-₃-N和TN的污染负荷，分别增加了821.02%和275.48%。

(4)统计分析表明：多数污染物与降雨量、降雨历时和降雨强度呈负相关关系，与降雨间隔呈正相关关系。