庾從蓉，段佩怡

(1. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2. 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，江蘇 南京 210098)

植被過濾帶( vegetative filter strips，VFS)是設(shè)立在面源污染源與水體之間的一道攔截關(guān)卡，旨在減少降雨徑流中危害水質(zhì)的污染物含量。國內(nèi)外研究表明，VFS對泥沙[1]、氮磷[2]、農(nóng)藥、微量元素[3]等污染物質(zhì)有良好的攔截效果，對保護(hù)水體有著重要的作用。VFS的主要特征參數(shù)有長度(沿徑流方向)、寬度(垂直徑流方向)和植被類型，同時，坡度、土壤類型、污染物特性等也是重要影響因素。隨著我國對水環(huán)境保護(hù)的日益重視及《水污染防治行動計劃》的發(fā)布，VFS在海綿城市建設(shè)中得到應(yīng)用[4]，VFS在我國水環(huán)境保護(hù)中的作用日益明顯[5-6]。為了對VFS在我國的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，對其研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)的歸納與總結(jié)十分有必要。

國內(nèi)關(guān)于VFS研究進(jìn)展的文獻(xiàn)中，王良民等[7]最先總結(jié)了VFS的發(fā)展歷史、結(jié)構(gòu)、污染物控制機(jī)理；陶梅等[8]通過列舉的方式總結(jié)了VFS對污染物的凈化效果和VFS的最佳寬度；鄭瑞倫等[9]也采用了列舉的方式對VFS阻控除草劑的效果、影響因素進(jìn)行了總結(jié)。這些研究雖然能加深對VFS的了解，但得到的結(jié)論不夠全面，不能對VFS的實際應(yīng)用提供具體指導(dǎo)。國內(nèi)的研究也缺乏對VFS去除效率經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵约盎谖廴疚镌赩FS中傳輸機(jī)理的數(shù)值模型的發(fā)展回顧。筆者首先統(tǒng)計分析室內(nèi)以及野外實驗的結(jié)果，判定VFS特征參數(shù)(VFS長度、坡度以及植被種類)和污染物質(zhì)的特性對污染物去除效率的影響；然后總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于VFS去除效率的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、物理模型，以期給VFS特征參數(shù)的設(shè)計提供參考。

1 VFS對污染物的去除方式

VFS的作用機(jī)理是增加下滲和減小流速。下滲的增加是由于植物的根系作用提高了土壤的水力傳導(dǎo)度，流速的減小則是因為植被增加了地表糙度。下滲的增加直接導(dǎo)致溶解態(tài)污染物的減少，而地表徑流速度的減小，會延長污染物的停滯時間，加強(qiáng)沉積和吸附等過程，從而減少污染物含量?；谧饔脵C(jī)理、污染物的性質(zhì)，筆者把不同的污染物在VFS中的去除方式進(jìn)行總結(jié)，見表1[10-13]。從表1中可看出，VFS對泥沙的主要去除方式是滯留，對氮、磷和農(nóng)藥的主要去除方式為下滲，其次是吸附。

2 VFS污染物去除效率與各因素的關(guān)系

對應(yīng)不同的研究方法[14]，VFS對污染物的去除效率計算有兩種方法：一種是VFS中污染物濃度變化值或進(jìn)、出口的比值；另一種是研究區(qū)(有VFS)與對照區(qū)(無VFS，即裸地)出口的污染物濃度的比值。通過控制VFS的特征參數(shù)，可以使VFS的去除效率達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)。筆者對文獻(xiàn)中已有的實驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，以更全面地分析VFS特征參數(shù)(長度、坡度、植被類型)、污染物特性和污染物去除效率之間的關(guān)系。

表1 各污染物在VFS中的去除方式

2.1 長 度

相比其他擬合關(guān)系，對數(shù)[21]或指數(shù)關(guān)系[22]更能從理論上解釋VFS污染物去除效率與長度的關(guān)系。因此，將從文獻(xiàn)[10, 11, 13, 15-20]中提取的數(shù)據(jù)(圖1(a)～(c))：VFS對總懸浮顆粒(TSS)、農(nóng)藥、TN、TP去除效率及相應(yīng)的VFS長度，進(jìn)行對數(shù)擬合。這里把文獻(xiàn)中的泥沙和難溶的無機(jī)懸浮物、有機(jī)懸浮物一并考慮，將其統(tǒng)稱為總懸浮顆粒物(TSS)。圖1(d)為圖1(a)～(c)中3種擬合關(guān)系的對比圖。從圖1(d)可以發(fā)現(xiàn)，農(nóng)藥對VFS長度的增加響應(yīng)最靈敏，TSS和TN、TP的去除效率隨VFS長度的增加變化較緩慢。這是因為TSS主要去除方式是沉積，徑流中粒徑較大、容易去除的顆粒基本上都被截留在前4 m，粒徑較小的泥沙顆粒比較難去除，因此在4 m之后，去除效率隨VFS長度增加不明顯；TN、TP主要的去除方式是下滲，從水文角度看，下滲量是隨著VFS長度增加而均勻增加的；農(nóng)藥由于較大的吸附能力，VFS長度對其的影響比對TN、TP更明顯。

在實際應(yīng)用中，需根據(jù)情況通過模擬得到合適的VFS長度，但圖1的結(jié)果可供參考。對TSS、農(nóng)藥和TN、TP來說，要達(dá)到80%以上的去除效果，VFS長度分別需達(dá)到4 m，6 m和20 m。

2.2 坡 度

大部分研究認(rèn)為坡度的增大會減弱VFS對污染物的去除效率，但也有研究認(rèn)為坡度對VFS的污染物去除效率沒有影響。根據(jù)文獻(xiàn)[10, 11, 13, 15-20]中提取的數(shù)據(jù)得到坡度與污染物去除效率關(guān)系圖(圖2)，發(fā)現(xiàn)污染物去除效率和坡度的相關(guān)關(guān)系較弱，這和Yuan等[21-23]的結(jié)論相同。根據(jù)曼寧公式，明渠水流的流速與坡度成正相關(guān)(V～S0.5)，因此坡度增大，流速增大，減短滯留時間，且增大了TSS的臨界沉降數(shù)，從而減弱了VFS的污染物去除效果。但流速對坡度的改變響應(yīng)較弱，如當(dāng)坡度S增大10倍時，流速才增大3倍，因此在研究的坡度范圍之內(nèi)(2%～15%)，坡度對污染物去除效果的影響不大?？傮w而言，坡度的增加會降低VFS對污染物質(zhì)的去除效率，但是影響不明顯。

(a) TSS

(b) 農(nóng)藥

(c) TN、TP

(d) 擬合關(guān)系對比

(a) TSS

(b) 農(nóng)藥

(c) TN、TP

2.3 植被類型

植被類型通過植物形態(tài)、生物量及根系作用影響污染物去除效率。生物量越大，曼寧系數(shù)越大，則流速越小，根系作用越強(qiáng)，下滲量越大，越有利于污染物的去除。Fasching等[24]發(fā)現(xiàn)生物量大的多年生植物比冷季植物的污染物去除效果更好；Yang等[25]認(rèn)為植被覆蓋面積會影響VFS對污染物的去除效率。這里的生物量是指與水流接觸的部分，如草本VFS效果優(yōu)于沙棘灌木過濾帶[26]。有研究認(rèn)為匍匐生長、莖干成網(wǎng)絡(luò)狀的植物形態(tài)污染物去除效果更好(如三葉草[27])，其次具有分蘗能力的植物(如黑麥草)污染物去除效果也較好[28]。此外，一些植物有特定功能，如柳枝稷能吸收氮磷等[29]，三葉草等植物的根系作用比較強(qiáng)。因此，在選擇植被類型時，應(yīng)該優(yōu)先選擇生物量大、根系作用強(qiáng)、形態(tài)復(fù)雜的植物，并結(jié)合需要去除的污染物加以選取，以提高污染物去除效率。

2.4 污染物特性

VFS對不同性質(zhì)和類型污染物的去除效果不一樣。VFS對泥沙的去除效果優(yōu)于其他污染物，且對TSS而言，平均粒徑較大的顆粒比粒徑較小的容易去除。相同平均粒徑下，粒徑分布越均勻，VFS對泥沙去除效果越好。從Sabbagh等[30]總結(jié)的農(nóng)藥有機(jī)碳吸附系數(shù)(Koc)和農(nóng)藥去除效率的關(guān)系(圖3)可以看出，Koc在0～220 L/kg的范圍內(nèi)，Koc抑制農(nóng)藥去除。Koc超越1 250 L/kg 后有促進(jìn)作用[30-31]。

圖3 農(nóng)藥有機(jī)碳吸附系數(shù)和去除效率

3 計算VFS污染物去除效率的經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ?/h2>

3.1 經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/h3>

基于實驗數(shù)據(jù)，研究者和工程師建立了定量估算VFS污染物去除效率的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，本文選取了其中具有代表性的進(jìn)行分析比較。

3.1.1 污染物去除效率和VFS長度關(guān)系的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

(1)

式中：y為污染物去除效率；x為VFS長度，m；a、b為經(jīng)驗參數(shù)。

該模型[22，25]將其他因素(坡度、土壤類型等)的影響歸結(jié)到參數(shù)a和b中，適用于泥沙和溶解態(tài)污染物。模型提供不同條件下a、b的經(jīng)驗值，見表2。該模型能計算不同長度的VFS的污染物去除效率，但依賴于經(jīng)驗參數(shù)的獲取。

3.1.2 計算VFS對黏土、粉砂、礫石去除效率的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

表2 模型中a、b的經(jīng)驗參數(shù)

注：0.5代表耕作，0.15代表不耕作表面覆蓋作物殘留。

除了能計算VFS對泥沙的總體攔截效果， SCVFS(sediment composition vegetative filter strip)模型[28]能分別計算流出VFS中的黏土、粉砂和礫石的含量，其計算公式分別為

(2)

(3)

Asand=Atotal-Aclay-Asilt

(4)

式中：Aclay、Asilt、Asand、Atotal分別為出口處的黏土、粉砂、礫石含量和泥沙總含量；A0clay、A0silt、A0sand、A0total分別為無VFS時出口處的黏土、粉砂、礫石含量和泥沙總含量；L、λ分別為VFS的長度和坡地的長度；Fclay、Fsilt分別為無VFS時黏土和粉砂占總輸沙量的比例；R為降雨條件下的侵蝕程度；c1～c10為經(jīng)驗參數(shù)。

c1～c10的經(jīng)驗值分別為0.006、1.253、-0.547、0.320、-0.384、0.006、1.283、0.854、0.387、-0.519，適用于土壤有機(jī)物含量為2%～21%，平均值為 3%，黏土和粉砂的比例范圍分別為5%～89%和10%～80%，平均值分別為33%和42%，平均空隙體積和孔隙度分別為1.16 mg/m3和53%，平均降雨強(qiáng)度為0.62 mm/h的情況。

3.1.3 基于去除方式建立的VFS污染物去除效率經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

部分研究[30, 32-33]從污染物的去除方式出發(fā)，通過衡量不同去除方式的貢獻(xiàn)量，建立VFS對農(nóng)藥、TP去除效率的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?/p>

ΔP=24.79+0.54(ΔQ)+0.52(ΔE)-

2.42ln(Fpb+1)-0.89C

(5)

2.17Cat+0.02(ΔQ/Cat)-0.0003(ΔQ/ΔE)

(6)

ΔTTP= -30.1 + 0.78ΔE+ 0.50ΔQ

(7)

式中：ΔP、ΔTTP分別為VFS對農(nóng)藥和TP的去除效率，%；ΔQ、ΔE分別為流經(jīng)VFS后流量和泥沙減小率，%；Fpb為農(nóng)藥附著系數(shù)，表示溶解相和吸附到土壤顆粒的農(nóng)藥質(zhì)量的比值；C為黏土含量百分?jǐn)?shù)，%；Cat為農(nóng)藥種類。

公式(5)中，和ΔQ、ΔE成正相關(guān)，而溶解相農(nóng)藥越高(Fpb越大)不利于吸附，黏土含量越高，由于黏土不易去除，即使農(nóng)藥吸附于泥沙顆粒上也不容易被去除。公式(6)中的結(jié)果顯示ΔP和ΔQ、農(nóng)藥種類與ΔQ/ΔE呈正相關(guān)，與其他因素呈負(fù)相關(guān)。公式(7)考慮了總磷的下滲和吸附。雖然3個模型(公式)對污染物去除效率有比較全面的估計，但需要已知ΔQ、ΔE，這也是不易得的參數(shù)，因此在應(yīng)用時需要結(jié)合實驗才能使用。

3.2 物理模型

經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀幸欢ǖ木窒扌?，尤其是?jīng)驗參數(shù)的本地化存在局限。物理模型適用性更強(qiáng)，模擬精度更高。目前已經(jīng)有了對泥沙、溶解態(tài)氮磷物質(zhì)的傳輸機(jī)理模型。將降雨、水流運(yùn)動和污染物運(yùn)動模型加以耦合，就可以得到VFS污染物去除效率模型。目前耦合了水文模型和泥沙、溶質(zhì)、農(nóng)藥傳輸模型的VFSMOD[34]，在國內(nèi)外都有較廣泛的應(yīng)用[23, 35]。常用的水文模型、泥沙以及溶質(zhì)傳輸模型如下：

3.2.1 水文模型

VFS中的水流運(yùn)動需考慮坡面流和下滲，坡面流用Saint-venant方程表示。由于VFS中的水流多為層流，Carpena等[34]用運(yùn)動波來表示，Helmers等[36]考慮地形對VFS中徑流運(yùn)動的影響，則用擴(kuò)散波表示。一維運(yùn)動波和擴(kuò)散波方程分別見式(8)～(9)。VFS中的下滲則用Green-Ampt等來表示。

(8)

(9)

式中：h為水深，m；t為時間，s；q為流量，m3/s；x為水流方向的距離，m；r(x,t)為t時刻的降雨強(qiáng)度，m/s；f(x,t)為t時刻下滲率，m/s；S0為地面坡降；Sf為水力坡度。

3.2.2 泥沙運(yùn)動模型

Kentucky模型描述了TSS在VFS中的運(yùn)移過程，其概念模型見圖4[37]。TSS的運(yùn)移區(qū)域分為楔形區(qū)和懸浮顆粒區(qū)，其中O(t)為TSS沉積區(qū)，較大的顆粒在該區(qū)沉積，形成三角形區(qū)域；A(t)區(qū)域不發(fā)生TSS沉積，進(jìn)入該區(qū)的TSS直接進(jìn)入到B(t)；在B(t)區(qū)，TSS隨距離發(fā)生均勻沉積，顆粒較大顆粒先沉積；在C(t)區(qū)的出口，推移質(zhì)完全沉積；到達(dá)D(t)區(qū)TSS的粒徑較小，雖然也會沉積，但沉積量很少。

該模型對TSS的沉積有具體的計算公式，Carpena等[34]的VFSMOD用該模型模擬了TSS在VFS中的傳輸，Helmers等[36]也用該模型模擬泥沙在坡地中的運(yùn)動。但是某些研究表明，該模型不太適合模擬粒徑較小的顆粒(如城市中的路面沙塵)[38]。

圖4 TSS在VFS中的運(yùn)移概念圖

3.2.3 溶質(zhì)運(yùn)移模型

溶解態(tài)污染物的運(yùn)動模型可以通過質(zhì)量守恒定律得到，如Lee等[39]提出的磷在VFS中傳播的模型GRAPH，模型中磷的運(yùn)動單元見圖5。該模型考慮了對流、下滲、吸附解吸[40]和生物攝取作用。通過對這一單元體進(jìn)行物質(zhì)守恒，列出如下等式：

(10)

式中各項代表的單元分別見圖5。

圖5 溶解磷在地表水單元中運(yùn)動的單元圖

與磷的運(yùn)動模型一樣，農(nóng)藥和氮等物質(zhì)的模型可以按照上面原則建立，但需要對氮、磷的生物化學(xué)反應(yīng)過程、吸附過程有很好的了解與數(shù)學(xué)描述。由于這些過程復(fù)雜，目前這方面的研究還是不成熟的，這些模型的應(yīng)用也存在一定的缺陷。

4 總結(jié)與展望

全面回顧了VFS對泥沙、氮、磷和農(nóng)藥的去除效率研究，對實驗數(shù)據(jù)、經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、傳輸機(jī)理模型的研究成果做了總結(jié)。VFS對污染物的去除效率和VFS長度呈對數(shù)或指數(shù)相關(guān)關(guān)系，坡度的影響不明顯，農(nóng)藥的有機(jī)碳吸附系數(shù)對VFS污染物去除效率影響明顯。經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍軌虬凑漳嗌车慕M分計算污染物去除效率，氮、磷的主要去除方式是下滲。

利用VFS緩解農(nóng)業(yè)面源污染，一方面應(yīng)該加強(qiáng)對其他污染物的研究，如膠體狀的有機(jī)磷、大腸桿菌等，這類物質(zhì)被忽視但影響明顯；另一方面，考慮到國內(nèi)的農(nóng)田分布和城市面源污染特點(diǎn)，VFS在流域尺度上的應(yīng)用以及對污染物去除效率的定量化計算是新的需求。

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