人工降雨径流滞蓄模拟实验屋顶绿化

通过基质的吸附作用、基质空隙的阻拦和蓄积作用、植被吸收和蒸腾作用等方式对雨水进行迟滞和蓄积。已有研究结果表明,在不同的降雨强度、种植层厚度及屋面坡度等条件下,屋顶绿化对雨水的滞蓄率可以达到20%～100%,洪峰径流量可消减44．2%,屋面产流时间延迟可达90 min。

1．模拟实验材料选择

由于拓展型屋顶绿化主要针对承载能力较差的建筑物屋顶,因此对种植基质的理化性质要求则相对严苛,不仅要保证植物的良好生长,还应满足质量轻、材料来源广、价格低廉、清洁无毒、通风排水性能好、持水量大等优点。目前,国内拓展型绿色屋顶的建设所选择的植物生长介质主要为人工基质。人工基质中改良土主要是由轻质骨料、排水材料、肥料和壤土混合制成;超轻量基质主要分为表面覆盖层、植物生长层和蓄排水层3个部分。栽培基质根据组成成分的不同可分为有机基质和无机基质两类;其中,无机基质主要包括蛭石、珍珠岩、砾石和砂等;有机基质的主要组成成分为泥炭、稻壳、蔗渣、椰糠、树皮等,其容重应为100～800 kg/m3,以500 kg/m3为最佳,总孔隙度在600%左右,pH值为5．5～7．0(表4-1)。综上所述,本实验采用的基质为壤土、无机基质珍珠岩和有机基质椰糠按比例混合制成的改良土及保水剂。

表4-1　常见基质的基本理化性质

此外,拓展型屋顶绿化因其对屋顶承载能力要求低、管理方便、养护费用低等优点,突破了密集型屋顶绿化的诸多限制,可帮助解决屋顶绿化在上海大面积推广过程中面临的技术和经济难题。因此,在上海市大力推广和利用拓展型屋顶绿化,对新旧建筑进行拓展型屋顶绿化改造,将产生不可估量的生态、经济和社会效益。按照上海市“十二五”规划,将完成100万m2屋顶绿化。又因拓展型屋顶绿化基质层薄,植物的蒸腾作用和土壤中水分蒸发较快,其所需水分远多于地面绿化。这意味着城市绿化用水量会急剧增加,而上海市绿化灌溉用水主要利用自来水,这无疑是对水质型缺水城市上海提出了更大的难题。这部分新增用水量需要拓展型屋顶绿化通过自身节水来解决,拓展型屋顶绿化在节水的同时也减少了灌溉系统的能耗。因此,如何将雨水最大限度地滞蓄在屋顶成为解决拓展型屋顶绿化灌溉用水紧缺问题的有效措施。

保水剂又被称为保湿剂、高吸水性树脂、高分子吸水剂,是用高吸水性树脂制成的高保水性有机高分子聚合物。保水剂遇水后发生电解,离解成带正负电的离子,因这种带正负电的离子和水的亲和作用极强,使得保水剂具有极强的吸水性,可吸收超过自身百倍甚至千倍的水。又因保水剂的分子结构中具有网状分子链,分子结构交联,常规物理方法无法将分子网络吸收的水分挤出,故具有极强的保水性。保水剂在吸水膨胀后变成水凝胶,这种水凝胶通过缓慢释放自身储存的水分为植物生长提供保障,通常一次吸足水后可供植物吸收长达2个月。

庄文化等通过在大田试验中添加聚丙烯酸钠,并研究其对冬小麦生长及产量的影响发现,聚丙烯酸钠的使用能够改善土壤结构,降低土壤容重,降低冬小麦在整个生育期的耗水总量,显著提高水分利用效率。冯吉等通过研究保水剂在屋顶绿化草坪草高羊茅栽培中的应用发现,当保水剂施用浓度为0．5%,施用于距土层表面5 cm处时节水量最多。谭国波等通过田间试验发现,保水剂的添加可显著提高基质保水性并降低表层土的水分蒸发量,雨后进行的测量结果更显著。可见,保水剂在拓展型屋顶绿化中的应用,可有效提升基质保水性,减少拓展型屋顶绿化灌溉次数,解决灌溉用水紧缺的问题并降低维护成本。

2．模拟实验方法设计

试验平台设计为45°倾斜的坡面,其上放置尺寸为685 mm×525 mm×390 mm的试验箱,并根据上海常见拓展型绿色屋顶的种植结构,由上至下依次为植被层(佛甲草)、基质层、过滤层和排水层(图4-2、图4-3)。选用基质厚度、基质配比以及聚丙烯酸钠用量,采用三因素三水平正交设计进行试验(表4-2)。根据因子水平表及L9(34)正交表,可以得到9种试验设计组合。其中,聚丙烯酸钠根据基质体积称取相应质量后,均匀平铺于基质表面下50 mm处,后覆盖基质。

图4-2　实验装置结构

图4-3　人工模拟降雨器及试验装置

由于单一基质存在质量过轻、过重或者通气不良等缺点,为克服上述诸多缺点,本试验采用壤土、无机基质珍珠岩和有机基质椰糠按比例混合制成的改良土作为试验基质(表4-3)。参照《土壤理化分析》的相关方法,对改良土的pH值、总孔隙度和湿容重等理化性质进行测定。

表4-2　拓展型绿色屋顶基质L9(34)正交试验设计

表4-3　基质特性有关参数

续表

注:屋顶绿化基质的湿容重一般应小于1 300 N/m3。

人工降雨模拟器如图4-3所示,通过人工模拟降雨进行屋顶绿化对降雨径流滞蓄效果的实验,人工模拟降雨每次降水时间为60 min,模拟降雨强度分别为小雨(5～8 mm)、中雨(13～22 mm)、大雨(43～45 mm)和暴雨(52～78 mm);用雨量筒采集和测定降雨量,计时初始产流时间,以公式(4-1)计算拓展型绿色屋顶对雨水的滞蓄率。利用SPSS Statistics软件进行单因素方差(One-Way ANOVA)分析检验,利用duncan法进行差异显著性分析。

式中 φ——雨水滞蓄率;

P——降雨量;

R——径流量;

P-R——滞蓄量。

人工降雨模拟实验及测试分析的装备见表4-4。此外,为验证拓展型绿色屋顶对降雨径流水质的净化作用,根据上海市雨水化学特征相关指标,选择雨水中浓度较高的污染物氨氮(—N)、铅(Pb)和锌(Zn)作为测定指标。参考上海市雨水污染物浓度进行溶液配制,其中氨氮采用氯化铵(分析纯)配置,浓度为5 mg/L;Pb采用氯化铅配置,浓度为260μg/L;Zn采用氯化锌配置,浓度为60μg/L。取样方法参考美国国家污染物排放削减(NPDES)水样取样指南,根据实验室分析测定指标氨氮、Pb和Zn所需混合水样总体积,确定本试验所需混合水样体积为500 mL;行人工模拟降雨试验,降雨历时30 min,间隔为7 d。人工模拟降雨试验开始前,在试验平台中放置5个雨量筒,测降雨量及收集雨水水样。从产流开始计时,分别于第0、10、20、30、40 min各采集1 min的瞬时水样。采集5个瞬时水样混合均匀,并从中取1 L混合水样。分别从3场人工模拟降雨试验中取3次混合水样,每个混合水样的单个指标均重复测定3次。其中,氨氮的测定采用《水质-氨氮的测定-纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009);Pb的测定采用《土壤质量-铅、镉的测定-石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997);Zn的测定采用《土壤质量-铜、锌的测定-火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138—1997)。

表4-4　人工降雨模拟实验及测试分析的装备

由于污染物浓度在同一场降雨中会发生极大的变化,因此,为了更好地体现降雨事件中污染物的变化特征,通常采用雨水污染物的事件平均浓度(EMC)作为测定指标,即降雨全过程的径流加权平均浓度,表达式为公式(4-2);而污染物去除率的计算标准如公式(4-3):

式中 M——径流全过程中某一污染物的总量;

V——径流全过程中某一污染物的径流总体积;

C(t)——某一污染物随径流时间变化的浓度;

Q(t)——随径流时间变化的径流量。

式中 R——污染物去除比;

Ci——进水污染物浓度;

C0——出水浓度。

3．模拟实验结果分析

(1)降雨滞蓄率正交试验的结果

对正交试验结果表中数据进行极差分析,首先要计算每个因素同一水平下的试验值之和(Ki,i=1,2,3),再计算出同一因素不同水平间的极差R值。在正交试验中,各因素的主次是由极差(R)的大小衡量的。极差(R)越大,说明该因素在这个试验中对试验结果的影响较大;反之,极差(R)越小,说明该因素在这个试验中对试验的影响就越小。从表4-5可知,不同试验组合间,拓展型绿色屋顶的雨水滞蓄率也存在显著的差异性。根据,三因素的极差(R)计算结果,就各因素按照其对雨水滞蓄率的影响大小而言,基质厚度＞聚丙烯酸钠用量＞基质配比。其中,当基质厚度为300 mm时,平均雨水滞蓄率最高达到57．52%。

表4-5　拓展型绿色屋顶的雨水滞蓄率正交试验结果的极差分析

A1、A2、A3分别代表基质厚度为100 mm、200 mm、300 mm;B1、B2、B3基质配比分别为1∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶2;C1、C2、C3代表聚丙烯酸钠分别为0 g/L、2 g/L、4 g/L。

绿色屋顶试验组合雨水滞蓄率方差分析结果见表4-6。由雨水滞蓄率多因素方差分析结果可以看出,影响雨水滞蓄率的主要因素为基质厚度,对雨水滞蓄率的影响达到显著水平(P＜0．05)(图4-4)。而基质配比和聚丙烯酸钠用量对雨水滞蓄率的影响不显著。

表4-6　三因素对雨水滞蓄率影响的方差分析结果

图4-4　雨水滞蓄率因素指标趋势图

由于不同的试验组合之间,只有基质厚度对雨水滞蓄率有显著影响。因此用duncan检验对基质厚度不同水平对雨水滞蓄率的影响进行两两比较分析。分析结果见表4-7。单因素方差分析结果显示了基质厚度不同水平对雨水滞蓄率的影响。当基质厚度为300 mm时,雨水滞蓄率达到最大;当基质厚度降低到200 mm时,雨水滞蓄率有所下降,但是没有达到显著水平;当其厚度降低到100 mm时,雨水滞蓄率显著下降。这和极差分析的结果相同。

表4-7　基质厚度不同水平对雨水滞蓄率影响的差异显著性分析

此外,各个因素不同的指标水平对屋顶绿化雨水滞蓄率的影响趋势,即对于拓展型绿色屋顶的基质厚度而言,当厚度为300 mm时,屋顶绿化的雨水滞蓄率最高;当厚度为200 mm时次之;当厚度为100 mm时最低。而对于屋顶绿化的基质配比来说,当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时,雨水滞蓄率最高;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1时最低。这说明,3种基质中椰糠对雨水的精蓄作用最强,而珍珠岩的作用最小。对于添加的保水剂(聚丙烯酸钠)用量,当用量为4 g/L时,雨水滞蓄率最高;不添加聚丙烯酸钠时次之;当用量为2 g/L时最低。综合上述,为在拓展型绿色屋顶设计时得到最大的雨水径流滞蓄效能,理想的设计结构为基质厚度300 mm,基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2,且保水剂聚丙烯酸钠的最佳用量为11 g/L。

(2)初始产流时间正交试验结果

由表4-8可知,不同试验组合间,拓展型绿色屋顶的初始产流时间不尽相同。根据三因素的极差(R)计算结果,可将各因素按照其对初始产流时间影响的大小排序为:基质厚度＞聚丙烯酸钠用量＞基质配比。其中,当基质厚度为300 mm时,平均初始产流时间推迟最久,高达80 min。不同的因素水平对屋顶绿化初始产流时间的影响趋势不同,如当基质厚度为300 mm时,屋顶绿化的初始产流时间最长,厚度为200 mm时次之,厚度为100 mm时,初始产流时间最短。同样,绿色屋顶的基质配比当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2,绿色屋顶的初始产流时间推迟最久;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时,初始产流时间最短;而当选择不同的保水剂(聚丙烯酸钠)用量时,当其浓度为4 g/L时绿色屋顶对初始产流时间推迟最久,0 g/L时次之,而浓度为2 g/L时最短。

表4-8　拓展型绿色屋顶的初始产流时间正交实验结果的极差分析

图4-5所示为初始产流时间的因素指标趋势图,表明了不同的因素水平对屋顶绿化初始产流时间的影响趋势。从图中可以看出,A3＞A2＞A1,即当厚度为300 mm时,屋顶绿化的初始产流时间最长,厚度为200 mm时次之,厚度为100 mm时,初始产流时间最短。B2＞B3＞B1,即对于屋顶绿化的基质配比来说,当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1,屋顶绿化的初始产流时间推迟最久;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时,初始产流时间最短。C3＞C1＞C2,即当选择不同的聚丙烯酸钠用量时,浓度为4 g/L时,初始产流时间推迟最久,0 g/L时次之,而浓度为2 g/L时最短。

A1、A2、A3分别代表基质厚度为100 mm、200 mm、300 mm;B1、B2、B3分别基质配比为1∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶2;C1、C2、C3分别代表聚丙烯酸钠为0 g/L、2 g/L、4 g/L。

图4-5　初始产流时间因素指标趋势图

各试验组合初始产流时间的方差分析结果见表4-9。各试验组合均不能对初始产流时间产生显著的影响。

表4-9　三因素对初始产流时间影响方差分析结果

(3)径流污染物EMC正交试验结果

从表4-10可知,基质厚度、配比和保水剂含量等因素对污染物氨氮EMC的影响有显著差异性,即基质厚度的影响＞聚丙烯酸钠用量＞基质配比。其中,当基质厚度为300 mm时,污染物氨氮的最低EMC为0．45 mg/L,当厚度为100 mm时,污染物氨氮的EMC∶最高;厚度为200 mm次之。当基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1时,污染物氨氮的EMC最高;当配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时最低。当聚丙烯酸钠用量为4 g/L时污染物氨氮的EMC最高;用量为0 g/L时次之;用量为2 g/L时最低,即绿色屋顶的净化效果最好。综上所述,为了降低污染物氨氮的EMC,最佳的基质厚度为200 mm,相对较好的基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2,聚丙烯酸钠用量为2 g/L。

表4-10　拓展型绿色屋顶对氨氮(—N)的EMC正交试验结果的极差分析(www.xing528.com)

此外,对屋面雨水径流重金属Pb的EMC影响的极差分析见表4-11。各因素按其对重金属Pb的EMC的影响大小排序为:基质厚度＞聚丙烯酸钠用量＞基质配比。其中,当基质厚度为200 mm和300 mm时,重金属Pb的EMC最低为0 mg/L。不同的因素水平对重金属Pb的EMC的影响趋势为:当基质层厚度为100 mm时,重金属Pb的EMC最高;厚度为300 mm时次之;厚度为200 mm时最低。当基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1时,径流中铅的EMC最高;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时最低。而当聚丙烯酸钠为0 g/L时,重金属Pb平均浓度最高;当用量为4 g/L时次之;当用量为2 g/L时最低。由上述分析可知,为了降低雨水径流中重金属间的EMC,最佳的设计方案为基质厚度200 mm,基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1,保水剂聚丙烯酸钠用量为2 g/L。

表4-11　拓展型绿色屋顶对铅(Pb)的EMC正交试验结果的极差分析

续表

由各因素对屋面雨水径流重金属Zn的EMC影响的极差分析(表4-12)可知,其对重金属Zn的EMC的影响排序分别为:基质配比＞聚丙烯酸钠用量＞基质厚度。其中,当基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1时,重金属Zn的EMC最高;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时最低,重金属Zn的EMC最低为0．02μg/L。

表4-12　拓展型绿色屋顶对锌(Zn)的EMC正交试验结果的极差分析

续表

当聚丙烯酸钠用量为0 g/L和4 g/L时,重金属Zn的EMC最高;用量为2 g/L时最低。当基质厚度为300 mm时,重金属Zn的EMC最高;厚度为100 mm时次之;厚度为200 mm时最低。综上所述,为了降低重金属Zn的EMC,最佳的基质厚度用量为200 mm,相对较好的基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1,且相对较好的聚丙烯酸钠用量为2 g/L。

屋面雨水径流污染物氨氮的EMC的因素指标趋势如图4-6所示,表明了不同的因素水平对污染物氨氮的EMC的影响趋势。从图中可以看出,A1＞A3＞A2,即当厚度为100 mm时,污染物氨氮的EMC最高;厚度为300 mm时次之;厚度为200 mm最低。B2＞B1＞B3,即当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1时,污染物氨氮的EMC最高;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时最低。C3＞C1＞C2,即当聚丙烯酸钠用量为4 g/L时污染物氨氮的EMC最高;用量为0 g/L时次之;用量为2 g/L时最低。

图4-6　污染物氨氮的EMC因素指标趋势图

A1、A2、A3分别代表基质厚度为100 mm、200 mm、300 mm;B1、B2、B3分别代表基质配比为1∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶2;C1、C2、C3分别代表聚丙烯酸钠用量为0 g/L、2 g/L、4 g/L。

A1、A2、A3分别代表基质厚度为100 mm、200 mm、300 mm;B1、B2、B3分别代表基质配比为1∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶2;C1、C2、C3分别代表聚丙烯酸钠用量为0 g/L、2 g/L、4 g/L。

A1、A2、A3分别代表基质厚度为100 mm、200 mm、300 mm;B1、B2、B3分别代表基质配比为1∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶2;C1、C2、C3分别代表聚丙烯酸钠用量为0 g/L、2 g/L、4 g/L。

屋顶绿化不同试验组合间屋面雨水径流污染物氨氮、Pb和Zn的EMC方差分析结果见表4-13、表4-14、表4-15。从多因素方差分析结果表中可知,各试验组合对污染物氨氮、Pb和Zn的EMC均无显著差异(图4-7、图4-8)。

表4-13　三因素对污染物氨氮的EMC影响的方差分析结果

表4-14　三因素对重金属Pb的EMC影响的方差分析结果

表4-15　三因素对重金属Zn的EMC影响的方差分析结果

图4-7　重金属Pb的EMC因素指标趋势图

图4-8　重金属Zn的EMC因素指标趋势图

(4)污染物去除率正交分析

各试验组合对污染物氨氮去除率影响的极差分析见表4-16,基质厚度对污染物氨氮去除率的影响最大,聚丙烯酸钠用量次之,基质配比对其影响最微弱。其中,当基质厚度为200 mm时,污染物氨氮去除率最高;厚度为300 mm时次之;厚度为100 mm时最低。当聚丙烯酸钠用量为2 g/L时,污染物氨氮去除率最高,用量为0 g/L时次之,用量为4 g/L时最低。而当基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时,污染物氨氮去除率最高;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1时最低。综上可知,为了提高径流污染物氨氮去除率,基质厚度为200 mm,基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2,聚丙烯酸钠用量为2 g/L。

表4-16　拓展型绿色屋顶对氨氮(—N)的去除率正交试验结果的极差分析

续表

表4-17表明,各试验因素按其对重金属Pb去除率的影响大小排序为:基质厚度＞聚丙烯酸钠用量＞基质配比。其中,当基质厚度为200 mm时,可得到最高的重金属Pb去除率为98．81%,厚度为300 mm时次之,厚度为100 mm时最低。当聚丙烯酸钠用量为4 g/L时,重金属Pb去除率最高,浓度为2 g/L时次之,浓度为0 g/L时最低。而当基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时,重金属Pb去除率最高;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1时最低。由上述分析可知,为了提高拓展型绿色屋顶对雨水径流中重金属铅(Pb)的去除率,基质厚度可为200 mm,基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1,保水剂聚丙烯酸钠的用量为4 g/L。

表4-17　拓展型绿色屋顶对铅(Pb)的去除率正交实验结果的极差分析

续表

见表4-18,不同因素对重金属Zn去除率的影响不同,即基质配比的影响高于聚丙烯酸钠用量和基质厚度。其中,当基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时,可得到最高的径流重金属锌(Zn)去除率(94．55%);当基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时,污染物去除率次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1时最低。当聚丙烯酸钠用量为2 g/L时,重金属Zn去除率最高,浓度为0 g/L时次之,浓度为4 g/L时最低。当基质厚度为200 mm时,重金属Zn去除率最高;厚度为100 mm时次之;厚度为300 mm时最低。由上述分析可知,为了提高重金属Zn去除率,基质厚度可选择200 mm,基质配比可以为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1,聚丙烯酸钠用最为2 g/L。

表4-18　拓展型绿色屋顶对锌(Zn)的去除率正交实验结果的极差分析

污染物氨氮去除率的因素指标趋势如图4-9所示,表明了不同的因素水平对污染物氨氮去除率的影响趋势。由图可知,A2＞A3＞A1,即当基质厚度为200 mm时,污染物氨氮去除率最高;厚度为300 mm时次之;厚度为100 mm时最低。B3＞B1＞B2,即当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时,污染物氨氮去除率最高;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1时最低。C2＞C1＞C3,即当聚丙烯酸钠用量为2 g/L时,污染物氨氮去除率最高;用量为0 g/L时次之;用量为4 g/L时最低。

图4-9　污染物氨氮去除率因素指标趋势图

A1、A2、A3分别代表基质厚度为100 mm、200 mm、300 mm;B1、B2、B3分别代表基质配比为1∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶2;C1、C2、C3分别代表聚丙烯酸钠用量为0 g/L,2 g/L、4 g/L。

A1、A2、A3分别代表基质厚度为100 mm、200 mm、300 mm;B1、B2、B3分别代表基质配比为1∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶2;C1、C2、C3分别代表聚丙烯酸钠用量为0 g/L,2 g/L、4 g/L。

重金属Pb去除率的因素指标趋势如图4-10所示,表明了不同的因素水平对重金属Pb除率的影响趋势。从图4-10可以看出,A2＞A3＞A1,即当基质厚度为200 mm时,重金属Pb去除率最高;厚度为300 mm时次之;厚度为100 mm时最低。B1＞B3＞B2,即当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时,重金属Pb去除率最高;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1时最低。C3＞C2＞C1,即当聚丙烯酸钠用量为4 g/L时,重金属Pb去除率最高,浓度为2 g/L时次之,浓度为0 g/L时最低。

图4-10　重金属Pb去除率因素指标趋势图

重金属Zn去除率的因素指标趋势如图4-11所示,表明了不同的因素水平对重金属Zn去除率的影响趋势。由图可知,A2＞A1＞A3,即当基质厚度为200 mm时,重金属Zn去除率最高;厚度为100 mm时次之;厚度为300 mm时最低。B1＞B3＞B2,即当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时,重金属Zn去除率最高;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时次之;当壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶2∶1时最低。C2＞C1＞C3,即当聚丙烯酸钠用量为2 g/L时,重金属Zn去除率最高,浓度为0 g/L时次之,浓度为4 g/L时最低。

图4-11　重金属Zn去除率因素指标趋势图

屋顶绿化不同试验组合间污染物氨氮、Pb和Zn去除率方差分析结果见表4-19、表4-20、表4-21。从多因素方差分析结果表中可知,各试验组合主要影响重金属Pb去除率,而不同试验组合之间,污染物氨氮和Zn去除率没有显著差异。

重金属Pb去除率的多因素方差分析结果显示,影响重金属Pb去除率的主要因素为基质厚度,其对重金属Pb去除率的影响达到显著水平(P＜0．05)。基质配比和聚丙烯酸钠用量对重金属Pb去除率的影响均不显著。

表4-19　三因素对污染氨氮去除率影响的方差分析结果

表4-20　三因素对重金属Pb去除率影响的方差分析结果

续表

表4-21　三因素对重金属Zn去除率影响的方差分析结果

由于各试验组合中,只有基质厚度对重金属Pb去除率产生显著的影响。因此,用duncan检验对基质厚度不同水平对重金属Pb去除率的影响进行两两比较分析,分析结果见表4-22。试验数据显示,不同的基质厚度对重金属Pb去除率的影响达到了显著的水平(P＜0．05)。当基质厚度为300 mm和200 mm时,重金属Pb去除效果相似,去除率最高;当基质厚度为100 mm时,重金属Pb去除率显著下降。因此,提升重金属Pb去除率的较适合基质厚度为200 mm和300 mm。

表4-22　不同基质厚度对重金属Pb去除率

根据以上试验结果可知,上海市拓展型屋顶绿化可显著净化雨水污染物。在暴雨情况下,上海市拓展型屋顶绿化对雨水污染物氨氮的最高去除率可达92．78%,污染物氨氮的EMC可降低至0．45 mg/L,达到地表水Ⅱ类标准,远优于雨水中的平均浓度5 mg/L;对重金属Pb的最高去除率可达98．81%,重金属Pb的EMC可降低至0μg/L,达到地表水Ⅰ类标准,远优于雨水中的平均浓度260μg/L;对雨水重金属Zn的最高去除率可达94．55%,径流中的重金属Zn平均浓度可降低至0．02μg/L,达到地表水Ⅰ类标准,远优于雨水中的平均浓度60μg/L。因此,拓展型屋顶绿化的应用推广可减轻上海市地表径流污染,减轻上海市城市水体污染。

在本试验条件下,确定了最适宜基质厚度为200 mm,暂时无法确定最适宜基质配比和聚丙烯酸钠用量。但是,当基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶2时,对氨氮的净化效果最好;当基质配比为壤土∶珍珠岩∶椰糠=1∶1∶1时,对Pb和Zn的净化效果最好。在聚丙烯酸钠的用量上,当用量为2 g/L时,对氨氮和Zn的净化效果达到最佳;当用量为4 g/L时,对Pb的净化效果达到最佳。