>>　    一、问题的由来

　　城市化进程的加速伴随着城市自然景观的改变，不同于自然地表条件的大面积沥青路面和硬质屋顶形成了“城市第二自然格局”，这不仅严重影响了自然界的物质循环和能量分配，而且对区域气候、土壤、水量和水质具有深远的影响。其中，降雨径流冲刷城市不同类型下垫面导致的城市水体污染问题日益突出。

　　城市降雨径流污染是指城市在降雨过程中雨水淋洗大气环境中的污染物质以及雨水在各种下垫面上形成径流冲刷下垫面上污染物质从而引起的受纳水体的污染，指溶解性或固体污染物在大面积降水和径流冲刷作用下汇入受纳水体而引起的水体污染。这些溶解性或固体污染物，从不同地点随降雨生成的径流进入受纳水体，因此污染的发生具有随机性、不确定性、污染负荷的时空差异性以及监测、控制、管理难度大等特点，是城市水环境污染的重要原因之一。其主要包括在降雨过程中，雨水及其所形成的径流流经城市地面(如商业区、街道、停车场)、建筑物(如屋顶)、绿化带等，冲刷、聚集了一系列污染物，如有机物、油类、盐份、氮、磷、有毒物质及杂物等，随之排入河流、湖泊等受纳水体，污染地表水或地下水，城市雨水径流污染是城市水环境污染的重要因素。

　　从卫生学角度来看，雨水径流对受纳水体的卫生学影响是关系公共卫生和健康的重大问题，地表径流携带的物质中可能存在着大量的病原菌，一旦进入水体将会严重威胁人们身体健康，人们接触水体的同时接触到这些病原微生物，即使考虑受纳水体对雨水的稀释作用，雨水径流仍会造成水体相关水质指标的剧烈变化；从物理化学角度来看，用受纳水体物理和化学性质变化来体现雨水径流对受纳水体的影响，是目前评价地表水径流对受纳水体影响的主要方法；从美学角度来看，雨水径流大量排入受纳水体还会影响受纳水体的美观程度，雨水径流中有时会携带一些不悦目的物质，包括一些悬浮物和油类物质等，尽管美观程度的下降不会影响人们的身体健康，但它严重影响了受纳水体的社会经济价值，包括它的欣赏价值。研究表明，降雨是城市降雨径流污染形成的驱动力，而降雨形成的径流是污染物在各类型下垫面上流动的载体，其形成机制复杂，受到区域降雨特征、城市生态水文机制、区域交通生活状况及下垫面条件等诸多因素的影响。

　　鉴于此，美国环保局已将城市降雨地表径流携带的污染物质列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源。当前，国内外相关专家学者对城市降雨径流污染已经展开了多方面的研究，其中主要包括以下几个方面：城市暴雨径流污染物的时空分布；城市沥青路面和绿化路面等不同下垫面暴雨径流产污特征；暴雨径流的冲刷效应及城市降雨径流模型开发等。其中，城市降雨径流污染物在不同下垫面条件下产物的特征分析是深入开展城市降雨径流污染研究的基础。此外，识别不同下垫面条件下污染物的输出特征的差异也是进行城市降雨径流污染管理控制工作的基础。因此，本研究选择绿化屋面与普通屋面作为研究对象，通过对这两类下垫面上的雨水径流污染物浓度进行实验室分析并进行比较，探讨绿化屋面相对于普通屋面对径流污染物质的削减效率，希望能为不同下垫面形态下的雨水径流污染物的预测、管理和控制提供理论依据，为污染物减排工作开辟又一条途径与方法。

　　二、北京市降雨径流分析

　　北京市气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，多年年平均气温14.0℃。通过对北京市50余年降雨数据分析得知，其历年降雨量分布很不均匀，年份差异大，但是总体降雨量呈逐年下降趋势，多年平均降雨量600mm左右，年内降雨主要分布在夏季，以短促暴雨形式出现。

　　出于实验过程安全及屋顶特点考虑，采样点选在北京师范大学校内辅仁路旁，水环境模拟国家重点实验室楼顶（沥青油毡顶）雨水竖排管处以及环境学院硕士生机房房顶（长有绿色植被）雨水竖排管处。并且在硬质屋顶架设了小型自动监测气象站，对降雨过程进行监测。

　　利用架设的小型自动气象站，对2010年实验地点的全年降雨相关数据进行了每日监测，研究期间采集到的2010年北京城区降雨特征包括降雨量、降雨历时、降雨强度等。出于保证实验过程安全方面因素的考虑，水样采集尽量选择在白天、无雷击的情况下进行，最终成功捕捉到的有效降雨过程有8次。降雨量分布范围在4.2~44.4 mm之间，降雨历时分布范围在106~356 min之间，最大降雨强度分布范围在0.2~1.2 mm/min之间，平均降雨强度分布范围在0.0358~0.1393 mm/min之间，前期晴天数分布范围在1~59 d之间。

　　在2010年全年所监测的8场有效降雨中，共采集有效样品124个，实验室测试分析的水质指标共9项，测试分析的水质指标数目共1084个。沥青屋面与绿草屋面这两类下垫面条件下的降雨径流对同一种污染物的贡献率差异较大，但污染物浓度随时间变化的规律相类似，由于干期期间污染物在下垫面上的累积效应，以及降雨径流的初始冲刷效应，径流形成初期时特征污染物浓度非常高，后期浓度明显下降直至趋于稳定。此外，本研究所监测到的第一场有效降雨是2010年春季的第一场降雨，沥青屋面降雨径流形成后的前十分钟内所监测的两次COD浓度指标分别高达1580 mg/L与1130 mg/L，分别超出国家《地表水环境质量标准》中的五类标准38倍多与27倍多，而在这种下垫面条件下初始NH3-N，NO3-N，TP浓度同样分别高达38.6，78.3，2.46 mg/L和24.9，53.2，1.83 mg/L，甚至超过《污水综合排放标准》中的三级排放标准，这是由于经过2009年冬季2010年早春的污染物质富集，当此次降雨来临时，径流迅速冲刷下垫面后携带了下垫面在冬季累积的大量污染物质，使得本次降雨过程中各特征污染物的浓度远高于本研究所监测的其余7场降雨过程，从而导致这8次有效监测的污染物浓度值偏差较大。但是当径流形成100 min后，各特征污染物浓度基本可以逐渐下降为初期浓度的10%左右，直至趋于稳定。由此可见，干期的长短直接决定了污染物质在下垫面上的累积程度，进而影响降雨径流的污染物浓度；同时，鉴于降雨初期径流中的污染物浓度远高于中后期，所以通过控制初期径流污染，可以有效的降低城市降雨径流污染的危害。

　　此外，城市降雨径流污染同样受到降雨强度、大气温度等气象因素的影响，并且其发生程度的强弱受到雨强、气温等诸多气象因素的共同作用，属于多因素协同控制，协同影响，增加了污染治理的难度。

　　通过对8场降雨过程在两类不同下垫面条件下的径流出流规律进行综合分析得知，在同场次降雨过程中，不同下垫面的透水性的强弱对径流的冲刷效应有直接影响。绿草屋面较沥青屋面透水率高，雨水下渗能力强，产生的径流量相对较少，对累积污染物质冲刷力弱，因此绿草屋面径流中除TP外的COD、SS、NH3-N、NO3-N以及重金属的初始浓度都要低于其在沥青屋面径流中的浓度，这也说明绿草屋面对这些污染物质能够起到削减作用。

　　气候特点及区域下垫面性质等影响因素的不确定性导致了同一区域在不同降雨过程中或不同区域在同一场次降雨过程中的各项污染物质浓度差异很大；并且各场次降雨过程本身雨强等特征的不同也导致了降雨径流中污染物质浓度变化差异很大。因此美国环保署发布的美国城市降雨径流中计划建议对降雨径流过程的污染物负荷采用EMC（Event Mean Concentration）进行量化。

　　干湿沉降等污染特征基本一致,而这两类下垫面对各污染物质的截留差异以及遇降雨而发生的污染物排放差异是由其本身的性质决定的。同比沥青屋面，绿草屋面对8场降雨7种径流污染物指标(不包括TP)均有明显的削减作用。根据EMC浓度计算可知, 绿草屋面相对沥青屋面对COD、SS、NH3-N、NO3-N、Pb、Zn与Cu的平均削减率分别为31%、45%、30%、29%、69%、56%和60%。绿草屋面对Pb、Zn、Cu这三类重金属元素的削减效率最为明显,对SS的削减效率位居其下，对COD、NH3-N、NO3-N的削减效率相对重金属与SS而言较少，但是仍然可以达到30%左右。这表明绿草屋面相对于沥青屋面对城市降雨径流污染物质有良好的削减作用。

　　三、屋顶绿化的植被选择

　　屋面绿化在技术层面上要力争达到不施肥、少管理、植物可多年生长的目标，同时应能满足减少或防止屋顶渗漏的技术指标。据此，本研学课题在经过相关文献资料调研与现场踏勘的工作基础上，着重介绍景天科植物佛甲草的生态及生物学特性：

　　(1) 极耐干旱：佛甲草有水份才能长好，但能忍耐较长时间极干旱的环境胁迫。佛甲草种植在平屋顶上，基质lcm厚，在夏旱期7月中旬后20天不下雨，连续高气温(35℃~40℃)，屋面温度50℃~55℃，基质干到能用火点着的情况下，该草仍不死亡，只是有些萎蔫，叶色有些发白。下雨后，该草又开始泛绿生长。冬旱期，叶色会发红。

　　(2) 能自生自繁几十年：市区和郊区的老房子房顶上有自然种分布，它们生长在屋檐落水上或两瓦片间由雨水冲聚成的灰尘堆积物上，四季生长，沿屋檐下垂，可长达30cm左右。它们在自然屋面无人管理的条件下生长，长势良好，在老房子上不受任何人为干扰，能自生自繁几十年，仅需粗放管理。该草匍匐生长，每一茎节上都能萌发新芽，着地生根，形成小苗。小苗以老茎叶的营养为营养，无需经常追施肥料。老茎叶被小苗利用后不是枯黄，而是萎缩，所以不会形成枯草层而影响美观或招致火灾。草高不会超过20cm，在高20cm 以下的范围内会自然倾倒再由茎节萌芽，生根，形成小苗，故不需要修剪。

　　(3) 有利于保护屋面结构，绿化屋面，提高隔热效果。该草的根系较细，扎根浅，平面生长，80％的草根网状交织分布在2cm的种植层内。该草可以采取不用土壤的人工轻型基质栽培，种植层在5cm左右即已足够。这种由匍匐生长致密的草、根层和基质所构成的覆盖物，可防雨水对基质的冲刷。因此，可以直接种植在做好防水层的平屋面上，起到保护防水层，延长防水层使用寿命的作用；也可以种植在水泥遮阳板上，在起绿化作用之同时，提高隔热效果。

　　(4) 不仅耐夏季高温，而且能安全渡过冬季低温期。即使在冬季严重霜冻气候环境下，种植在二层房平顶上的佛甲草与整个基质被全部冻结在一起，一碰佛甲草就会断裂掉下，但是，此草仍不死亡，只是表层叶片和茎变为深褐色，略影响景观，冠层以下却长有密密麻麻的小苗，绿意盎然。第二年2月一开冻，草苗又恢复生长，小绿苗伸出老茎叶之上，形成一片绿绿的草毯。

　　四、屋顶绿化的优点

　　利用城市建筑闲置屋面进行绿化是现代城市生态环境保护的一个重要组成部分。屋面绿化指的是在各类建筑物、构筑物、城围、桥梁（立交桥）等的顶部、露台、阳台或大型人工假山山体上进行造园、种植树木花草的统称，它与地面绿化的最大区别在于：屋面绿化是把植物种植于人工的建筑物或者构筑物之上，种植土壤不与大地土壤相连。屋面绿化是一种融建筑技术、园林艺术和环境保护于一体的综合现代技术，它使建筑物的空间潜能与绿色植物的多种功效得到完美的结合。屋面绿化在各大城市越来越受到政府和普通市民的关注，屋面绿化研究与开发也受到国内外众多科研工作者的重视，世界各地正在蓬勃兴起屋面绿化热。

　　屋顶绿化后，由于绿色植物的同化及遮阳作用，绿化屋面的净辐射热量远小于未绿化的屋面；同时，因植物的蒸腾和蒸发作用消耗的潜热明显比未绿化的屋面大。绿化屋面的空气获得的热量少，热效应降低，破坏或减弱了城市的“热岛效应”。国外的案例表明，屋面绿化对“热岛效应”的减弱量可达20%，如果普遍推广，将有助于改善城市气温。此外，屋面绿化降低了屋面温度变化幅度，延缓了各种密封材料的老化，增加了屋面的使用寿命。可见，屋面绿化在建筑节能降耗方面的潜在效益明显。

　　利用屋面绿化技术，可以有效增加绿地面积。我国城市中可进行屋面绿化的面积很大，增加城市绿地面积的潜力巨大。以建筑面积20万m2的多层居住小区为例，若屋顶面积按20%计，将其中50%屋顶加以绿化，则全小区可增加绿地面积2万m2，以常住7000人计，人均可增加绿地面积2.8m2。这对我国城市人均绿地面积不足4m2的现状，和对增加城市绿地面积的作用明显。

　　绿化屋面对于改善区域环境质量也有很明显的作用。已有研究表明绿化屋面通过吸收空气中的污染气体、过滤空气等作用提高空气环境质量；还能有效保存生物多样性，维持城市生态平衡。联合国环境署的一项研究表明，如果城市的屋顶绿化率达到70%以上，其上空的CO2将下降80%(体积分数)，热岛效应会彻底消失；除了能改善大气质量外，绿化屋面至少可以减少3分贝的噪声，最大可达到减少8分贝，屋面绿化无疑是有效降低噪声的方法。

　　屋面绿化使得建筑物的空间潜能与绿色植物的多种功效得到完美的结合，不仅可以提升城市生态景观品味，而且在促进城市建筑物节能降耗、提高城市区域环境质量及改善城市局地小气候等方面有诸多功效。