基于雨水径流滞蓄截污效益的粗放式绿色屋顶基质层结构研究

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绿色屋顶作为低影响开发措施之一,对目前城市亟待解决的内涝和面源污染现象有一定的缓解作用。粗放式绿色屋顶因其结构简单,荷载要求低,广泛应用于实际工程中。基质层是粗放式绿色屋顶的重要结构之一,基于雨水径流滞蓄截污效益对粗放式绿色屋顶基质层结构进行系统性研究是十分有必要的。本研究以目前大多数研究者所采用的营养基质和吸附基质种类、基质配比和基质配置方式为研究对象,对粗放式绿色屋顶基质层的雨水径流滞蓄截污效益进行系统性评价分析。本文可以对实际工程中粗放式绿色屋顶基质层结构的构建和相关研究提供可靠的数据支持,同时为今后绿色屋顶的相关设计和建设标准的制定提供依据。本研究的主要结论如下:(1)相对于不同基质种类、基质配比、基质配置方式导致的雨水径流滞蓄效益差别,降雨深度是更重要的影响因素之一。各装置在不同深度降雨事件和整个模拟降雨实验过程中的延缓出流时间和径流削减率表现出了显著的相关性,延缓出流能力强的装置也表现出较高的径流削减率,反之亦然。研究发现不同基质在构建初期自身的污染物淋失效应对装置出流水质有更显著的影响。(2)田园土在径流冲刷过程中有显著的SS淋出,且易发生板结导致溢流现象,影响建筑安全。椰糠能更有效发挥出雨水径流滞蓄效益,平均雨水径流削减率为43.77%,但是表现为雨水径流中SS,NH4+-N,NO3--N,TN,TP的污染源,尤其是TP,平均TP污染率为418%。泥炭土能够截留雨水径流的部分NH4+-N和TP,且基质中NO3--N和TN的淋失效应弱于椰糠,所以泥炭土相对于田园土和椰糠更适合在实际工程应用和实验研究中作为粗放式绿色屋顶的营养基质。(3)陶粒相对其他吸附基质有更优秀的雨水径流滞蓄效益,能起到有效延缓出流时间和削减雨水径流量的作用。陶粒在前两次25.5 mm和27.3 mm降雨事件中没有出流,平均径流削减率为47.15%。麦饭石在降雨过程中有显著的SS淋失现象,但相对其他吸附基质几乎没有对雨水径流的NO3--N污染效应。珍珠岩表现出最差的雨水径流滞蓄效益和雨水径流NO3--N和TN的污染效应,平均NO3--N污染率为41.88%,平均TN污染率为9.97%。蛭石具有对雨水径流中NH4+-N,TN和TP优秀的净化和截留能力以及绿沸石对雨水径流中NH4+-N,NO3--N和TN表现出较好的净化和截留效果,蛭石和绿沸石都可以优选作为粗放式绿色屋顶的吸附基质。但考虑到实际工程中吸附基质应用的灵活性和可行性,蛭石更适合选择作为粗放式绿色屋顶的吸附基质。(4)大比例的蛭石更能提高基质层构建初期的雨水径流滞蓄容量,但对于不同配比基质层小试装置在整个实验过程中的雨水径流滞蓄效益,PB20和PB35表现出更显著的雨水径流滞蓄效应,平均径流削减率分别为43.53%和39.92%。不同配比基质层小试装置的雨水径流截污效益并非单纯随着泥炭土配比的改变而发生规律性的变化趋势,PB10基质层淋失风险低对雨水径流SS和TP截污效益最佳,而PB20基质层构建的优秀团粒结构能有效增强蛭石吸附效率和控制营养物质淋失,表现出对雨水径流中NH4+-N,NO3--N和TN截污效益最佳。20%泥炭土+80%蛭石构建粗放式绿色屋顶基质层能有效滞蓄截污雨水径流,在实际工程应用和后续研究中是较好的基质配比选择。(5)对于不同基质配置方式对粗放式绿色屋顶雨水径流滞蓄效益的影响,在整个实验研究过程中,EGR-N的延缓出流时间范围为9.66 min-37 min,EGR-L为14.42 min-58.23 min,EGR-M为18.58 min-61.72 min,而NR为3 min-28.37 min。EGR-N的径流削减率为14.05%-37.12%,EGR-L为17.60%-58.26%,EGR-M为15.28%-52.17%,NR为4.04%-15.98%。EGR-L对雨水径流中SS,NH4+-N有更好的净化和截留效果,是因为下层单独配置蛭石对雨水径流中NH4+-N的吸附效率更高。EGR-M相对EGR-N有更显著的雨水径流滞蓄能力,对雨水径流中NO3--N,TN,TP表现出更优秀的截留能力,这说明生物炭的添加有助于改善泥炭土和蛭石的基质层团粒结构,提高基质层的持水能力,抑制基质层中营养物质的淋失。
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