基于北京市降雨特征和水量水质调控效益的简单式绿色屋顶建设研究

发布时间：2020-08-22 09:27

【摘要】：绿色屋顶作为一种绿色基础设施的典型形式,为减少城市雨水径流,缓解城市面源污染等问题做出了重要贡献。中国一样同许多其他国家,城市土地资源十分有限,绿色屋顶作为一种不需要额外占地的低影响开发措施越来越受欢迎。本研究围绕绿色屋顶自身结构层材料与北京地区的降雨特征对绿色屋顶水量削减和水质调控效果这两条主线,进行交互式研究,综合评价了在北京降雨特征单场次降雨事件以及长历时情景的不同结构层材料的简单式绿色屋顶对于径流水量水质的调控能力,为绿色屋顶对北京径流水量和水质的影响提供理论支持;本研究可为中国的“海绵城市”建设以及许多其他国内北方城市的绿色基础设施发展提供基础。本研究主要得到以下结论:(1)装置规模、基质种类及厚度以及降雨特征均会影响绿色屋顶对雨水径流水量的调控能力。随着装置规模及基质厚度的增加,绿色屋顶的径流滞留能力有所提升,但与降雨量成负相关。就多场次降雨事件而言,将6小时作为划分场降雨的间隔更加合理。监测期间(2017年7月至2018年10月)共计降雨51场,总降雨量为628.6mm,简单式绿色屋顶(绿色屋顶面积0.25-2.25 m~2,基质厚度为100-200 mm)的径流滞留率为64.6%-89.9%。使用改良土作为基质层材料的绿色屋顶的滞留能力明显优于超轻量基质。(2)随着装置面积及基质厚度的增加,绿色屋顶对峰值的削减率均呈增长趋势。然而,随着基质厚度的增加,绿色屋顶峰值削减效果的提升并不明显,当基质层材料的孔隙率增加或排水层材料的透水性能提升时,绿色屋顶对径流峰值的削减能力将大幅度降低。边长为1.5 m,基质厚度为100 mm(改良土)的绿色屋顶实验装置的峰值削减能力最佳,51场降雨下该装置的平均峰值削减率为95.9%,其次为边长1.0 m的绿色屋顶实验装置,为90.8%。对于边长为0.5 m的小装置而言,尽管基质厚度增加一倍,其峰值削减率仅为81.8%。(3)绿色屋顶可以有效降低径流中悬浮物(SS)的场降雨平均浓度(EMC),但同时使径流中化学需氧量(COD)、氨氮(NH_4~+-N)、硝氮(NO_3~--N)、总氮(TN)及总磷(TP)的EMC升高。7种不同类型的绿色屋顶均使化学需氧量的EMC大幅升高,但是使用超轻量基质作为基质层材料的绿色屋顶的径流中,化学需氧量的EMC水平低于改良土绿色屋顶。TN、NH_4~+-N和NO_3~--N的EMC变化趋势在本研究中几乎相同,且随着基质厚度的增加,绿色屋顶实验装置的氮素浓度增加。7种类型的绿色屋顶实验装置产流中的TP水平相似,且TP含量随着总降雨量的累积呈现显著的下降趋势。(4)绿色屋顶是NH_4~+-N、NO_3~--N、TN以及TP的汇,而是COD的源。SS、NH_4~+-N、NO_3~--N、TN以及TP在3场天然降雨及6场人工模拟降雨下的负荷均低于普通屋面。边长为1.5 m,基质厚度为100 mm(改良土)的绿色屋顶实验装置表现出了对这6种污染物最好的负荷削减能力。通过统计径流及雨水中的污染物贡献率发现,绿色屋顶径流中各个污染物的总量占比与天然降雨类似,依次为COD、SS、NO_3~--N、NH_4~+-N、TP,而普通屋面产流中的悬浮物含量则明显高于其他5种污染物,COD含量其次。(5)基质类型显著影响绿色屋顶的径流水质调控能力。通过分析2018年8月至12月绿色屋顶基质中的氮磷含量发现,超轻量基质中的NH_4~+-N含量与改良土类似,均低于5mg/kg,而NO_3~--N含量几乎为改良土的两倍。但是,改良土的TN含量却远高于超轻量基质,说明改良土中含有丰富的有机质,这也可以解释改良土绿色屋顶产流中化学需氧量水平高于超轻量基质与普通屋面。改良土的TP含量也明显高于超轻量基质。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU992;TU985.12;X52
【图文】：

技术路线图

实验平台,水量水质,雨水径流,实验设计

第 2 章绿色屋顶雨水径流水量水质调控实验设计章绿色屋顶雨水径流水量水质调控实验设计色屋顶实验装置 17 个，装置号及每个装置的结构绿色屋顶雨水径流的水量水质调控规律且保证实验置相应的平行对照装置（由于场地限制且已设置两0-1.5 未设置平行装置），另设置 1 个沥青混凝土对照 10 月于大兴校区雨水实验室楼顶搭建、填充并种植年 10 月进行；水质实验于 2018 年 5 月—2018 年 10时进行且互不影响）；所有装置在实验起始时植物验平台详见图 2-1。

实验装置,排水管,屋顶

单位为 mm；“-”后的数字 0.5，1.0 和 1.5 代表绿色屋顶装置的长度（或宽度），单m。2-NR 代表混凝土空白对照装置，仅包含沥青混凝土层。2.2 实验设计2.2.1 实验环境及装置17 个正方形的绿色屋顶实验装置及 1 个普通屋顶实验装置的内部长度为 50高度为 24-34 cm。研究区域（北京市大兴区）的年平均气温约为 12°С，年平量为 626 mm，其中大部分降雨发生在 7 月至 9 月，研究区域为典型的大陆性季绿色屋顶装置为聚乙烯材料；在每个装置的底部安装两个直径为 2 cm 的排水管土壤（基质）表面上方 4.5 cm 处设置一根直径为 2.5 cm 的溢流管（图 2-2）。每屋顶装置（包含空白对照装置）在朝向排水管设置 1％的倾斜，以确保排水畅通每个装置均为完整的绿色屋顶系统，包括 2 cm 厚的陶粒或凹凸塑料排水板作为顶系统的排水层材料，土工布（设计密度 250 g / m3）作为绿色屋顶系统的过滤4 mm 厚的沥青防水卷材作为该系统的防渗层材料。图 2-2 是绿色屋顶实验装置性横截面侧视图及实物图。

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