高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

植被过滤带水土保持和水质净化效益研究

茅超颖 王云琦 马瑞 夏妍 王婕 向靓杰 张守红

茅超颖, 王云琦, 马瑞, 夏妍, 王婕, 向靓杰, 张守红. 植被过滤带水土保持和水质净化效益研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(11): 65-74. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170163
引用本文: 茅超颖, 王云琦, 马瑞, 夏妍, 王婕, 向靓杰, 张守红. 植被过滤带水土保持和水质净化效益研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(11): 65-74. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170163
MAO Chao-ying, WANG Yun-qi, MA Rui, XIA Yan, WANG Jie, XIANG Liang-jie, ZHANG Shou-hong. Effects of soil and water conservation and water purification by vegetative filter strips[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(11): 65-74. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170163
Citation: MAO Chao-ying, WANG Yun-qi, MA Rui, XIA Yan, WANG Jie, XIANG Liang-jie, ZHANG Shou-hong. Effects of soil and water conservation and water purification by vegetative filter strips[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(11): 65-74. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170163

植被过滤带水土保持和水质净化效益研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170163
基金项目: 

北京林业大学大学生创新创业训练项目 201610022014

详细信息
    作者简介:

    茅超颖。主要研究方向:水土保持。Email:568702484@qq.com   地址: 100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者:

    张守红,博士,副教授。主要研究方向:城市雨水控制与利用、水土保持。Email:zhangs@bjfu.edu.cn   地址:同上

  • 中图分类号: S714.7

Effects of soil and water conservation and water purification by vegetative filter strips

  • 摘要: 植被过滤带是水土保持和面源污染防控的重要措施之一。本研究于2016年8月在鹫峰人工降雨大厅通过土槽植草冲刷试验,观测不同宽度和坡度的植被过滤带(高羊茅)对地表径流、总悬浮物(TSS)以及污染物(TN、TP、K)的削减效果,定量分析植被过滤带宽度、坡度及入流流量大小等因素对植被过滤带径流拦蓄、TSS拦截和水质净化效益的影响。结果表明:植被过滤带的宽度对径流拦蓄效益影响较大,宽度为1、3和5 m植被过滤带的径流削减率分别为25.9%、79.6%、79.7%;污染物(TN、TP、K)削减率随着宽度逐渐增大,分别为51.7%~92.9%、44.4%~98.8%、31.7%~97.9%;TSS削减率分别为97.6%、99.4%和77.4%。随着坡度的增加(3°、7°和10°),径流和TSS的削减率呈逐渐减小趋势。对于同一个植被过滤带而言,较小的入流流量所对应的径流和TSS削减率较大,而污染物负荷削减率较小。研究表明,植被过滤带能有效拦蓄径流、拦截悬浮固体等污染物质,具有较好水土保持和水质净化效益。
  • 图  1  试验装置示意图

    Figure  1.  Schematic map of the experiment

    图  2  植被过滤带不同带宽条件下的径流削减率

    Figure  2.  Runoff reduction rates of VFS with different strip widths

    图  3  植被过滤带不同坡度条件下的径流削减率

    Figure  3.  Runoff reduction rates of VFS with different slopes

    图  4  植被过滤带不同入流流量条件下的径流削减率

    Figure  4.  Runoff reduction rates of VFS under different inflow rate conditions

    图  5  植被过滤带不同带宽条件下的TSS质量浓度削减率

    Figure  5.  Reduction rate of TSS mass concentration of VFS

    图  6  植被过滤带不同坡度条件下的TSS质量浓度削减率

    Figure  6.  Reduction rate of TSS mass concentration of VFS with different slopes

    图  7  植被过滤带不同入流流量条件下的TSS质量浓度削减率

    Figure  7.  Reduction rate of TSS mass concentration of VFS under different inflow rate conditions

    图  8  植被过滤带不同带宽条件下的污染物负荷削减率

    Figure  8.  Reduction rate of pollutat load of VFS with different strip widths

    图  9  植被过滤带不同坡度条件下的污染物负荷削减率

    Figure  9.  Reduction rate of pollutat load of VFS with different slopes

    图  10  植被过滤带不同入流流量条件下的污染物负荷削减率

    Figure  10.  Reduction rate of pollutant load of VFS under different inflow rate conditions

    表  1  入流配制参数

    Table  1.   Configuration parameters of inflow pollutants

    污染元素
    Pollution
    element
    污染元素含量
    Concentration of
    pollution element/
    (g·kg-1)
    使用试剂
    Reagent
    试剂质量浓度
    Reagent mass
    concentration/
    (g·L-1)
    N 35 NH4CL 0.220 2
    P 16 KH2PO4 0.140 4
    K 20 KH2PO4 0.140 4
    下载: 导出CSV

    表  2  冲刷试验方案

    Table  2.   Scheme of the scouring tests

    VFS编号
    VFS No.
    流量Inflow
    rate/(L·s-1)
    坡度
    Slope /(°)
    带宽
    Strip width/m
    A1 0.22 3 1
    A2 0.11 3 1
    B1 0.22 7 1
    B2 0.11 7 1
    C1 0.22 10 1
    C2 0.11 10 1
    D1 0.22 3 3
    D2 0.11 3 3
    E1 0.22 7 3
    E2 0.11 7 3
    F1 0.22 10 3
    F2 0.11 10 3
    G1 0.22 3 5
    G2 0.11 3 5
    H1 0.22 7 5
    H2 0.11 7 5
    I1 0.22 10 5
    I2 0.11 10 5
    下载: 导出CSV

    表  3  测试项目方法仪器一览表

    Table  3.   List of test methods and instruments

    测试项目
    Test item
    分析方法
    Analysis method
    方法来源
    Method source
    仪器设备
    Instrument and equipment
    总悬浮物Total suspended solid (TSS) 重量法
    Gravimetric method
    PONY-BJXZSZ107-2016A 风恒温干燥箱、分析天平
    Electricthermostatic drying oven, analytical balance
    钾Potassium(K) 电感耦合等离子体发射光谱法Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry 水质-32种元素的测定Water quality-determination of 32 elements HJ 776—2015 电感耦合等离子体发射光谱仪
    ICP
    总磷Total phosphorus(TP) 钼酸铵分光光度法
    Ammonium molybdate spectrophotometric method
    水质-总磷的测定Water quality-determination of total phosphorus GB 11893—1989 紫外可见分光光度计
    Ultraviolet and visible spectrometer
    总氮Total nitrogen(TN) 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法Alkaline potassium persulfate digestion-UV spectrophotometric 水质-总氮的测定Water quality- determination of total nitrogen HJ 636—2012 紫外可见分光光度计
    Ultraviolet and visible spectrometer
    下载: 导出CSV

    表  4  植被过滤带在不同条件下的径流拦蓄效益

    Table  4.   Runoff reduction effect of VFS under different experimental conditions

    VFS编号
    VFS No.
    流量
    Inflow rate/
    (L·s-1)
    坡度
    Slope/
    (°)
    带宽
    Strip
    width/m
    径流削减率
    Runoff reduction
    rate/%
    A1 0.22 3 1 37.27
    A2 0.11 3 1 17.50
    B1 0.22 7 1 24.00
    B2 0.11 7 1 30.71
    C1 0.22 10 1 30.83
    C2 0.11 10 1 15.00
    D1 0.22 3 3 71.40
    D2 0.11 3 3 83.33
    E1 0.22 7 3 58.21
    E2 0.11 7 3 52.86
    F1 0.22 10 3 63.32
    F2 0.11 10 3 88.57
    G1 0.22 3 5 79.22
    G2 0.11 3 5 81.26
    H1 0.22 7 5 87.78
    H2 0.11 7 5 90.79
    I1 0.22 10 5 80.54
    I2 0.11 10 5 60.22
    平均Mean 58.49
    下载: 导出CSV

    表  5  植被过滤带在不同条件下的悬浮固体拦截效益

    Table  5.   Suspended solid removing effects of VFS under different experimental conditions

    VFS编号
    VFS No.
    流量
    Inflow rate/
    (L·s-1)
    坡度
    Slope/
    (°)
    带宽
    Strip
    width/m
    TSS质量
    浓度削减率
    Reduction rate of TSS mass
    concentration/%
    A1 0.22 3 1 91.44
    A2 0.11 3 1 96.59
    B1 0.22 7 1 99.44
    B2 0.11 7 1 99.44
    C1 0.22 10 1 99.44
    C2 0.11 10 1 99.44
    D1 0.22 3 3 99.44
    D2 0.11 3 3 99.44
    E1 0.22 7 3 99.44
    E2 0.11 7 3 99.44
    F1 0.22 10 3 99.44
    F2 0.11 10 3 99.44
    G1 0.22 3 5 96.25
    G2 0.11 3 5 89.67
    H1 0.22 7 5 80.70
    H2 0.11 7 5 97.54
    I1 0.22 10 5 99.44
    I2 0.11 10 5 64.71
    平均Mean 95.04
    下载: 导出CSV

    表  6  植被过滤带在不同条件下的水质净化效益

    Table  6.   Water purification effects of VFS under different experimental conditions

    VFS编号
    VFS No.
    流量
    Inflow rate/
    (L·s-1)
    坡度
    Slope/(°)
    带宽
    Strip
    width/m
    TN负荷削减率
    Reduction rate
    of TN load/%
    TP负荷削减率
    Reduction rate
    of TP load/%
    K负荷削减率
    Removing efficiency
    of K load/%
    A1 0.22 3 1 55.99 39.00 35.11
    A2 0.11 3 1 36.19 21.49 13.68
    B1 0.22 7 1 52.76 29.09 22.89
    B2 0.11 7 1 50.24 33.90 31.51
    C1 0.22 10 1 52.62 36.77 35.41
    C2 0.11 10 1 62.27 57.48 51.82
    D1 0.22 3 3 90.65 92.32 90.83
    D2 0.11 3 3 86.16 92.55 91.33
    E1 0.22 7 3 84.11 81.57 81.65
    E2 0.11 7 3 87.32 96.60 94.08
    F1 0.22 10 3 87.37 86.37 83.82
    F2 0.11 10 3 94.92 99.63 98.74
    G1 0.22 3 5 92.54 95.90 95.70
    G2 0.11 3 5 91.23 94.36 92.17
    H1 0.22 7 5 95.26 99.79 99.18
    H2 0.11 7 5 96.98 99.90 99.29
    I1 0.22 10 5 93.21 99.62 98.59
    I2 0.11 10 5 86.32 98.84 96.76
    平均Mean 77.56 75.29 72.92
    下载: 导出CSV
  • [1] 逯青鹤.水土流失现状与综合治理对策[J].科技创新与应用, 2016(12): 163. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgstbckx200801001

    LU Q H. Current status and comprehensive control strategies of soil erosion[J]. Technology Innovation and Application, 2016(12): 163. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgstbckx200801001
    [2] 中华人民共和国水利部.中国水资源公报2015[R].北京: 中国水利水电出版社, 2016.

    The Ministry of Water Resources of the People's Republic of China. China water resources bulletin 2015[R]. Beijing: China Water & Power Press, 2016.
    [3] 张建春, 彭补拙.河岸带研究及其退化生态系统的恢复与重建[J].生态学报, 2003, 23(1): 56-63. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2003.01.008

    ZHANG J C, PENG B Z. Study on riparian zone and the restoration and rebuilding of its degraded ecosystem[J]. Acta Ecologica Sinica, 2003, 23(1): 56-63. doi:  10.3321/j.issn:1000-0933.2003.01.008
    [4] 陶梅, 萨仁娜.植被过滤带防治农业面源污染研究进展[J].山西农业科学, 2012, 40(1): 91-94. doi:  10.3969/j.issn.1002-2481.2012.01.27

    TAO M, SARENAN. Research progresses in control of agricultural non-point pollution by vegetative filter strips[J]. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2012, 40(1): 91-94. doi:  10.3969/j.issn.1002-2481.2012.01.27
    [5] 李怀恩, 张亚平, 蔡明, 等.植被过滤带的定量计算方法[J].生态学杂志, 2006, 25(1): 108-112. doi:  10.3321/j.issn:1000-4890.2006.01.021

    LI H E, ZHANG Y P, CAI M, et al. Quantitative calculation methods for vegetative filter strips[J]. Chinese Journal of Ecology, 2006, 25(1): 108-112. doi:  10.3321/j.issn:1000-4890.2006.01.021
    [6] SMITH C M. Riparian pasture retirement effects on sediment, phosphorus and nitrogen in channelized surface runoff from pastures[J]. New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research, 1989, 23(1): 139-146. doi:  10.1080/00288330.1989.9516349
    [7] ABUZREIG M, RUDRA R P, WHITELEY H R, et al. Phosphorus removal in vegetated filter strips[J]. Journal of Environmental Quality, 2003, 32(2): 613-619. doi:  10.2134/jeq2003.6130
    [8] 李怀恩, 邓娜, 杨寅群, 等.植被过滤带对地表径流中污染物的净化效果[J].农业工程学报, 2010, 26(7): 81-86. doi:  10.3969/j.issn.1002-6819.2010.07.014

    LI H E, DENG N, YANG Y Q, et al. Clarification efficiency of vegetative filter strips to several pollutants in surface runoff[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(7): 81-86. doi:  10.3969/j.issn.1002-6819.2010.07.014
    [9] BARLING R D, MOORE I D. Role of buffer strips in management of waterway pollution: a review[J]. Environmental Management, 1994, 18(4): 543-558. doi:  10.1007/BF02400858
    [10] 李怀恩, 庞敏, 杨寅群, 等.植被过滤带对地表径流中悬浮固体净化效果的试验研究[J].水力发电学报, 2009, 28(6): 176-181. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/slfdxb200906033

    LI H E, PANG M, YANG Y Q, et al. Experimental study of clarification for vegetative filter strips to sediment in surface runoff[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2009, 28(6): 176-181. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/slfdxb200906033
    [11] 申小波, 陈传胜, 张章, 等.不同宽度模拟植被过滤带对农田径流、泥沙以及氮磷的拦截效果[J].农业环境科学学报, 2014, 33(4): 721-729. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nyhjbh201404016

    SHEN X B, CHEN C S, ZHANG Z, et al. Interception of runoff, sediment, nitrogen and phosphorus by vegetative filter strips with different width in a simulated experiment[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(4): 721-729. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nyhjbh201404016
    [12] REED T, CARPENTER S. Comparison of P-yield riparian buffer strips and land cover in six agricultural watersheds[J]. Ecosystems, 2002, 5(6): 568-577. doi:  10.1007/s10021-002-0159-8
    [13] 饶良懿, 崔建国.河岸植被缓冲带生态水文功能研究进展[J].中国水土保持科学, 2008, 6(4): 121-128. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2008.04.022

    RAO L Y, CUI J G. Research advances on the eco-hydrological functions of riparian buffer[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2008, 6(4): 121-128. doi:  10.3969/j.issn.1672-3007.2008.04.022
    [14] LEE K H, ISENHART T M, SCHULTZ R C. Sediment and nutrient removal in an established multi-species riparian buffer[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2003, 58(1): 1-10. http://cn.bing.com/academic/profile?id=4cc79a442fb4df19da8dca60e0b1d410&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [15] 杨林章, 冯彦房, 施卫明, 等.我国农业面源污染治理技术研究进展[J].中国生态农业学报, 2013, 21(1): 96-10. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stnyyj201301013

    YANG L Z, FENG Y F, SHI W M, et al. Review of the advances and development trends in agricultural non-point source pollution control in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(1): 96-101. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/stnyyj201301013
    [16] 汤巧香, 李玉军, 马小军.城市园林绿化草种研究[J].草业科学, 2009, 26(7): 181-185. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/caoyekx200907037

    TANG Q X, LI Y J, MA X J. The research of turfgrass in city garden[J]. Pratacultural Science, 2009, 26(7): 181-185. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/caoyekx200907037
    [17] 霍炜洁.草地过滤带对农业非点源污染物的截留效应研究[D].北京: 中国水利水电科学研究院, 2013. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-82301-1013293852.htm

    HUO W J. Study on agricultural non-point pollutants reductive in grass filter strips[D]. Beijing: China Institute of Water Resources & Hydropower Research(IWHR), 2013. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-82301-1013293852.htm
    [18] 李青云, 田秀君, 魏孜, 等.北京典型村镇降雨径流污染及排放特征[J].给水排水, 2011, 37(7): 136-140. doi:  10.3969/j.issn.1002-8471.2011.07.037

    LI Q Y, TIAN X J, WEI Z, et al. Characteristics of rainfall-runoff pollution and its discharge in rural area of Beijing[J]. Water & Wastewater Engineering, 2011, 37(7): 136-140. doi:  10.3969/j.issn.1002-8471.2011.07.037
    [19] 丘锦荣, 刘雯, 郭晓方, 等.城市污泥植物处理对地表径流和下层土壤的影响[J].环境工程学报, 2010, 4(8): 1897-1902. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Conference/7208277

    QIU J R, LIU W, GUO X F, et al. Effect of phyto-treatment of municipal sewage sludge on surface runoff and sub-soil[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2010, 4(8): 1897-1902. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Conference/7208277
    [20] 中华人民共和国住房和城乡建设部.海绵城市建设技术指南: 低影响开发雨水系统构建(试行)[EB/OL]. (2014-10-22)[2017-04-11]. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201411/t20141102_219465.html.

    Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Technical guide for sponge city construction, construction of rainwater system with low impact development(trial implementation)[EB/OL]. (2014-10-22)[2017-04-11]. http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201411/t20141102_219465.html.
    [21] 肖波, 萨仁娜, 陶梅, 等.草本植被过滤带对径流中泥沙和除草剂的去除效果[J].农业工程学报, 2013, 29(12): 136-144. doi:  10.3969/j.issn.1002-6819.2013.12.018

    XIAO B, SARENNA, TAO M, et al. Removing effects of grass filter strips on sediment and herbicide from runoff in simulated experiment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(12): 136-144. doi:  10.3969/j.issn.1002-6819.2013.12.018
    [22] 孙晓涛, 陈传胜, 肖波, 等.植被过滤带拦截径流和泥沙效果的模型研究[J].中南林业科技大学学报, 2014, 34(4): 96-101. doi:  10.3969/j.issn.1673-923X.2014.04.019

    SUN X T, CHEN C S, XIAO B, et al. Model study of interception effects of vegetative filter strips on runoff and sediment[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2014, 34(4): 96-101. doi:  10.3969/j.issn.1673-923X.2014.04.019
    [23] MCDOWELL R W, SHARPLEY A N. Soil phosphorus fractions in solution: influence of fertilizer and manure, filtration and method of determination[J]. Chemosphere, 2001, 45(6-7): 737-748. doi:  10.1016/S0045-6535(01)00117-5
    [24] 杨寅群, 李怀恩, 杨方社.基于数学模型的陕西黑河水源区植被过滤带效果评估[J].水科学进展, 2013, 24(1): 42-48. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/skxjz201301006

    YANG Y Q, LI H E, YANG F S. An assessment of the effectiveness of vegetated filter strips for Heihe River headwaters area using numerical simulation[J]. Advances in Water Science, 2013, 24(1): 42-48. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/skxjz201301006
    [25] 邓娜, 李怀恩, 史冬庆, 等.径流流量对植被过滤带净化效果的影响[J].农业工程学报, 2012, 28(4): 124-129. doi:  10.3969/j.issn.1002-6819.2012.04.020

    DENG N, LI H E, SHI D Q, et al. Influence of inflow rate of runoff on purification effectiveness of vegetative filter strip[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(4): 124-129. doi:  10.3969/j.issn.1002-6819.2012.04.020
    [26] AKAN A O, ATABAY S.Suspended sediment trap efficiency of vegetative filter strips[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2017, 22(3): 1-6. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=a0422bb69259f38dbeccf2f491fbc5ce
    [27] 杨寅群.植被过滤带对非点源污染物净化效果的初步研究[D].西安: 西安理工大学, 2009. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10700-2010139883.htm

    YANG Y Q. Preliminary study of clarification for vegetative filter strips to non-point source pollution[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2009. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10700-2010139883.htm
    [28] FIENER P, AUERSWALD K. Measurement and modeling of concentrated runoff in grassed waterways[J]. Journal of Hydrology, 2005, 301(1-4): 198-215. doi:  10.1016/j.jhydrol.2004.06.030
    [29] BARRETT M, LANTIN A, AUSTRHEIM-SMITH S. Stormwater pollutant removal in roadside vegetated buffer strips[J]. Transportation Research Record, 2004, 1890(1): 129-140. doi:  10.3141/1890-16
    [30] 吉国强, 韩伟宏, 赵国斌.不同缓冲带植物在滨岸缓冲带中的作用[J].山西农业科学, 2011, 39(8): 850-852. doi:  10.3969/j.issn.1002-2481.2011.08.23

    JI G Q, HAN W H, ZHAO G B. Effects of different plants in the riparian buffer zone[J]. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2011, 39(8): 850-852. doi:  10.3969/j.issn.1002-2481.2011.08.23
    [31] 顾笑迎, 黄沈发, 刘宝兴, 等.东风港滨岸缓冲带对水生生物群落结构的影响[J].生态科学, 2006, 25(6): 521-525. doi:  10.3969/j.issn.1008-8873.2006.06.010

    GU X Y, HUANG S F, LIU B X, et al. The effect of riparian buffer zone on the aquatic community structure in Dongfenggang[J]. Ecologic Science, 2006, 25(6): 521-525. doi:  10.3969/j.issn.1008-8873.2006.06.010
    [32] 王良民, 王彦辉.植被过滤带的研究和应用进展[J].应用生态学报, 2008, 19(9): 2074-2080. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb200809032

    WANG L M, WANG Y H. Research and application advances on vegetative filter strip[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(9): 2074-2080. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb200809032
    [33] MANDER U, KUUSEMETS V, LOHMUS K, et al. Efficiency and dimensioning of riparian buffer zones in agricultural catchments[J]. Ecological Engineering, 1997, 8(4): 299-324. doi:  10.1016/S0925-8574(97)00025-6
    [34] PEAK S, GIL K. Correlation analysis of factors affecting removal efficiency in vegetative filter strips[J]. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(1): 1-8. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=eaead45bf599f3ac3780bdc65017ab24
    [35] SHIN J, GIL K. Effect of rainfall characteritics on removal efficiency evaluation in vegetative filter strips[J]. Environmental Earth Sciences, 2014, 72(2): 601-607. doi:  10.1007/s12665-013-2995-6
  • [1] 毕早莹, 李艳忠, 林依雪, 卜添荟, 黄蓉.  基于Budyko理论定量分析窟野河流域植被变化对径流的影响 . 北京林业大学学报, 2020, 42(8): 61-71. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190330
    [2] 王华, 向仰州, 杨曾奖, 郭俊誉.  海南不同林分地表径流特征分析 . 北京林业大学学报, 2019, 41(11): 22-30. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190275
    [3] 温文杰, 张建军, 李依璇, 黄小清, 贺佩.  径流含沙量测定方法研究 . 北京林业大学学报, 2019, 41(11): 155-162. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180246
    [4] 杨云斌, 张建军, 李梁, 孙若修, 张海博, 张佳楠.  晋西黄土区降雨过程对小流域产流的影响 . 北京林业大学学报, 2019, 41(3): 105-114. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180104
    [5] 李昂, 王云琦, 张会兰, 王彬, 黎宏祥.  广西石漠化地区水土保持效应评价指标体系研究 . 北京林业大学学报, 2016, 38(11): 67-78. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160077
    [6] 张丹丹, 王冬梅, 任远, 周思思.  滨岸植被带对漂浮物拦截效果及其影响因素 . 北京林业大学学报, 2015, 37(4): 98-103. doi: DOI:10.13332/j.1000-1522.20140277
    [7] 范瑞英, 杨小燕, 王恩姮, 邹莉, 陈祥伟.  黑土区水土保持林对表层土壤微生物群落碳代谢多样性的影响 . 北京林业大学学报, 2014, 36(1): 41-47.
    [8]
    胡淑萍, 尹忠东, 李卫忠, 唐小明, 
    水土保持工程对遂宁市小流域生态服务价值的影响 . 北京林业大学学报, 2012, 34(6): 80-85.
    [9] 张守红, 刘苏峡, 莫兴国, 舒畅, 郑超磊, 侯博.  降雨和水保措施对无定河流域径流和产沙量影响 . 北京林业大学学报, 2010, 32(4): 161-168.
    [10] 信忠保, 余新晓, 甘敬, 王小平, 李金海.  黄河中游河龙区间植被覆盖变化与径流输沙关系研究 . 北京林业大学学报, 2009, 31(5): 1-8.
    [11] 全海.  水土保持生态建设综合效益评价指标体系及核算方法初探 . 北京林业大学学报, 2009, 31(3): 64-70.
    [12] 孙庆艳, 余新晓, 胡淑萍, 肖洋.  基于SWAT模型的半城子水库流域径流模拟 . 北京林业大学学报, 2008, 30(supp.2): 148-154.
    [13] 魏强, 张秋良, 代海燕, 郭鑫, .  大青山不同植被下的地表径流和土壤侵蚀 . 北京林业大学学报, 2008, 30(5): 111-117.
    [14] 王建勋, 郑粉莉, 江忠善, 张勋昌, .  基于WEPP的黄土丘陵区不同坡长条件下坡面土壤侵蚀预测 . 北京林业大学学报, 2008, 30(2): 151-156.
    [15] 张建军, 董煌标, 纳磊, 王鹏.  晋西黄土区不同尺度小流域降雨径流过程的对比分析 . 北京林业大学学报, 2008, 30(2): 106-112.
    [16] 朱小勇, 黄玉琪, 冯仲科, .  水土保持移动监测系统研究与开发 . 北京林业大学学报, 2008, 30(增刊1): 253-257.
    [17] 张洪江, 颜绍馗, 高黎, 胡万良, 刘杏娥, 殷亚方, 王费新, 何亚平, 王芳, 郑小贤, 黄荣凤, 胡胜华, 秦爱光, 李瑞, 毛俊娟, 白岗栓, 吴彩燕, 周永学, 邓小文, 杨平, 袁怀文, 张莉俊, 魏潇潇, 张璧光, 张岩, 王胜华, 罗晓芳, 乔建平, 戴思兰, 刘燕, 常旭, 杜社妮, 王兆印, 李猛, 崔赛华, 费世民, 王小青, 樊军锋, 赵天忠, 王正, NagaoHirofumi, 张克斌, 孙向阳, 汪思龙, 王晓欢, 谭学仁, 江泽慧, 龚月桦, 张旭, 王海燕, 徐嘉, 李华, , 江玉林, 孔祥文, 范冰, 韩士杰, 刘云芳, 陈放, KatoHideo, 张占雄, 张双保, 李昀, 高荣孚, 李晓峰, 任海青, 陈秀明, IdoHirofumi, 李媛良, 常亮, 陈宗伟, 郭树花, 侯喜录, 丁磊, , 杨培华, 刘秀英, 费本华, 陈学平, 薛岩, 蒋俊明, 徐庆祥, 高建社, 李考学, 张桂兰, , , 张代贵, 续九如, 刘永红, , 王晓东, 李雪峰, 金鑫, 涂代伦, , 丁国权, 张红丽, .  中国北方农牧交错带草地植被波动理论与实践 . 北京林业大学学报, 2007, 29(6): 129-133.
    [18] 范丙友, 高峻, 李发东, 颜容, 吕建雄, 朱教君, 谭伟, 张宇清, 徐双民, 孙晓梅, 潘存德, 翟明普, 金小娟, 张冰玉, 李绍才, 杨振德, 王玉杰, 窦军霞, 肖生春, 胡晓丽, 李世东, 陈文汇, 时尽书, 南海龙, 谢益民, 肖洪浪, 朱清科, 三乃, 冯仲科, 康宏樟, 宋献方, 孟平, 骆秀琴, 刘俊昌, 胡诗宇, 李建章, 刘红霞, 周春江, 孙海龙, 苏晓华, 韩海荣, 张守攻, 师瑞峰, 张一平, 王云琦, 田小青, 吴斌, 李智辉, 杨志荣, 蔡怀, 赵双菊, 周文瑞, 张雁, 齐实, 蒋佳荔, 岳良松, 齐实, 赵博光, 姜伟, 马钦彦, 刘昌明, 王笑山, 陆海, 李义良, 蒲俊文, 朱金兆, 齐力旺, 张岩, 葛颂, 宋清海, 张永安, 张劲松, 赵有科, 蒋湘宁, 张德荣, 于静洁, 何磊, 姚山, 伊力塔, 吴庆利, 杨聪, 石丽萍, 曲良建, 崔保山, 康峰峰, 褚建民, 马超德, 吕守芳, 刘元, 王玉珠, 王建华, 刘相超, 朱林峰, 刘鑫宇, 田颖川, 胡堃, 唐常源.  华北典型山区坡地径流的退水过程研究 . 北京林业大学学报, 2006, 28(2): 79-84.
    [19] 王志玲, 刘智, 雷霆, 程丽莉, 曹伟, 刘志军, 于寒颖, 李贤军, 江泽慧, 施婷婷, 杜官本, 周志强, 赵俊卉, 徐剑琦, 张煜星, 程金新, 黄心渊, 宗世祥, 陈伟, 崔彬彬, 雷相东, 李国平, 张展羽, 肖化顺, 周国模, 苏里坦, 杨谦, 雷洪, 骆有庆, 苏淑钗, 丁立建, 张彩虹, 曹金珍, 李云, 郝雨, 李云, 张璧光, 张则路, 吴家森, 张贵, 郭广猛, 王正, 王海, 关德新, 张璧光, 王正, 刘童燕, 黄群策, 秦岭, 常亮, 吴家兵, 周晓燕, 陈晓光, 李文军, 秦广雍, 王勇, 方群, 张佳蕊, 贺宏奎, 张书香, 金晓洁], 许志春, 刘彤, 张慧东, 宋南, 张大红, 姜培坤, 黄晓丽, 刘大鹏, 张国华, 姜静, 于兴华, 刘海龙, 陈燕, 刘建立, 张金桐, 苏晓华, 高黎, 姜金仲, 冯慧, 张弥, 蔡学理, 李延军, 朱彩霞, 张冰玉, 成小芳, 陈绪和, 尹伟伦, 王安志, 周梅, 王谦, 王德国, 金昌杰, 陈建伟3, 聂立水, 张连生, 张勤, 冯大领, 亢新刚, 胡君艳, 韩士杰, 崔国发, 梁树军, 姚国龙.  绿洲-荒漠交错带潜水-土壤植被-大气连续体水热传输模型研究 . 北京林业大学学报, 2006, 28(6): 88-92.
    [20] LIYong-ning, 韩轶, 宗世祥, 杨期和, 李悦, 李春干, 王登芝, 杨华, 吴延熊, 李吉跃, 孟宪宇, 瞿超, MENGXian-yu, 李崇贵, 聂立水, 叶万辉, 耿宏生, 贾峰勇, 李吉跃, 张云, 续九如, 刘燕, 景海涛, HUANGXuan-rui, , 骆有庆, 高润宏, 胡磊, 廖富林, , 胡涌, 许志春, WANGJin-mao, 程俊, , , 孙丹峰, 张连生, , 贾黎明, 梁树军, 刘云慧, , , 赵世华, .  森林对鹫峰国家森林公园降水化学及树干茎流悬浮物的影响 . 北京林业大学学报, 2005, 27(1): 88-91.
  • 加载中
图(10) / 表 (6)
计量
  • 文章访问数:  1156
  • HTML全文浏览量:  159
  • PDF下载量:  42
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-05-03
  • 修回日期:  2017-07-31
  • 刊出日期:  2017-11-01

植被过滤带水土保持和水质净化效益研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170163
    基金项目:

    北京林业大学大学生创新创业训练项目 201610022014

    作者简介:

    茅超颖。主要研究方向:水土保持。Email:568702484@qq.com   地址: 100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院

    通讯作者: 张守红,博士,副教授。主要研究方向:城市雨水控制与利用、水土保持。Email:zhangs@bjfu.edu.cn   地址:同上
  • 中图分类号: S714.7

摘要: 植被过滤带是水土保持和面源污染防控的重要措施之一。本研究于2016年8月在鹫峰人工降雨大厅通过土槽植草冲刷试验,观测不同宽度和坡度的植被过滤带(高羊茅)对地表径流、总悬浮物(TSS)以及污染物(TN、TP、K)的削减效果,定量分析植被过滤带宽度、坡度及入流流量大小等因素对植被过滤带径流拦蓄、TSS拦截和水质净化效益的影响。结果表明:植被过滤带的宽度对径流拦蓄效益影响较大,宽度为1、3和5 m植被过滤带的径流削减率分别为25.9%、79.6%、79.7%;污染物(TN、TP、K)削减率随着宽度逐渐增大,分别为51.7%~92.9%、44.4%~98.8%、31.7%~97.9%;TSS削减率分别为97.6%、99.4%和77.4%。随着坡度的增加(3°、7°和10°),径流和TSS的削减率呈逐渐减小趋势。对于同一个植被过滤带而言,较小的入流流量所对应的径流和TSS削减率较大,而污染物负荷削减率较小。研究表明,植被过滤带能有效拦蓄径流、拦截悬浮固体等污染物质,具有较好水土保持和水质净化效益。

English Abstract

茅超颖, 王云琦, 马瑞, 夏妍, 王婕, 向靓杰, 张守红. 植被过滤带水土保持和水质净化效益研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(11): 65-74. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170163
引用本文: 茅超颖, 王云琦, 马瑞, 夏妍, 王婕, 向靓杰, 张守红. 植被过滤带水土保持和水质净化效益研究[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(11): 65-74. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170163
MAO Chao-ying, WANG Yun-qi, MA Rui, XIA Yan, WANG Jie, XIANG Liang-jie, ZHANG Shou-hong. Effects of soil and water conservation and water purification by vegetative filter strips[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(11): 65-74. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170163
Citation: MAO Chao-ying, WANG Yun-qi, MA Rui, XIA Yan, WANG Jie, XIANG Liang-jie, ZHANG Shou-hong. Effects of soil and water conservation and water purification by vegetative filter strips[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(11): 65-74. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170163
  • 我国是世界上水土流失最为严重的国家之一[1],全国大部分江河水域及地下水受到不同程度的污染[2]。水土流失和水环境污染问题是我国推进生态文明建设所迫切需要解决的问题。植被过滤带通常指在可能产生污染物的源区和受纳的水体之间建设的带状植被拦截或过滤区域[3]。研究表明[3-5],植被过滤带能够降低地表径流的流量和流速,减弱径流侵蚀,过滤并促进泥沙沉降,同时也能通过过滤和植被吸收作用降低径流污染物含量,改善水质。世界上许多国家将植被过滤带列为水土保持和面源污染控制的重要措施之一,并加以推广应用。例如,新西兰政策规定使用植被过滤带保护河岸及水体系统[6];加拿大安大略省将植被过滤带列为水污染防控的“最佳管理措施(Best Management Practices, BMPs)”之一”[7]。此外,欧洲许多国家也在研究和推广应用植被过滤带[5]。在中国,李怀恩等[8]在陕西小华山水库岸坡地建设植被过滤带,探讨其在中国西北地区的实际应用。合理地设计或建设植被过滤带,需综合考虑地形(坡度和坡长等)、过流的污染物特征、过滤带的形状和植物配置等要素。植被过滤带的水土保持效益和水质净化效益随其设计参数的变化而明显不同[9],有研究指出,植被过滤带拦截悬浮固体污染物主要发生在前10 m[10]。申小波等[11]研究表明,植被过滤带对泥沙、总氮(TN)和总磷(TP)的拦截和削减效率与宽度呈正相关。此外,植物是植被过滤带发挥减小径流流速、拦截泥沙和过滤吸收污染物功能的主要因素,其中,草地过滤带因易于管理和投资较少且去除径流污染物效果显著应用最为普遍[12-13]。Lee等[14]试验表明,植草过滤带能过滤径流中95%的泥沙、削减80%的TN和78%的TP。综上所述,植被过滤带作为成本低且成效显著的一种生态工程措施,已在许多国家得到推广和应用。

    关于植被过滤带的相关研究既取得一定成果,也存在明显的不足[15]。根据已有试验和模型结果,仍很难确定植被过滤带的最佳设计参数,且国内关于植被过滤带的试验和实际应用研究相对较少,缺乏在不同地区具体条件下的植被过滤带对坡面地表径流水质净化作用的研究,且对各种植被过滤带的有效性影响指标试验及机理研究较少[8]。这些问题制约了植被过滤带的合理设计和有效推广。因此,研究植被过滤带的水土保持及水质净化效益及其主要影响因素具有重要意义。

    本研究通过土槽植草冲刷试验,测定比较了不同参数配置(宽度和坡度)的植被过滤带入流和出流水量,以及入流和出流的总悬浮固体颗粒(TSS)以及污染物(TN、TP、K)质量浓度,定量分析植被过滤带宽度、坡度及入流流量大小等因素对其径流拦蓄、悬浮固体拦截和水质净化效益的影响,以探寻植被过滤带水土保持和水质净化功能的主要影响因素,为植被过滤带的优化设计提供科学参考。

    • 试验场地处于北京市海淀区北京林业大学鹫峰人工降雨大厅。试验装置(图 1)主要包括放水装置、土槽和出流收集装置3部分。其中,土槽规格为(长×宽×高)5 m×2 m×0.5 m(中间分割为左右各1 m宽两个细槽),且坡度在0°~15°范围内可调,土槽一端与溢水槽相连,另一端设置汇流口,底部设有若干小孔便于土壤水分向深层渗漏。放水装置由供水桶和溢水槽构成。溢水槽规格(长×宽×高)为2 m×0.3 m×0.3 m;溢水槽上方加盖铁架台,便于放置供水桶;在供水桶出口装水阀以控制流量;蓄水桶置于汇流口处用于承接收集出流。

      图  1  试验装置示意图

      Figure 1.  Schematic map of the experiment

    • 本试验取鹫峰当地表层0~30 cm褐土填装土槽。土槽上铺植取自北京邱明园苗木种植场的高羊茅(Festuca arundinacea)。高羊茅为羊茅属植物,是温带地区广泛应用的多年生冷季型草坪草,其适于广泛的土壤类型、根系发达、并具有较强的适应能力,在美国常用于构建植被过滤带,而且在国内也是常用的护坡植物类型[16-17]。铺设完成后,试验期内观测植物生长情况,定期浇水养护。

      冲刷试验时间为2016年8月。试验前使用W. E. T土壤水分传感器测定表层10 cm土壤体积含水率。试验中,按设定质量浓度将水、泥沙、以及污染物加入50 L搅拌桶,充分混匀后再加入100 L供水桶中。根据预试验效果以及试验条件,冲刷试验的入流流量设置为0.11 L/s和0.22 L/s。参考李青云等[18]调查结果,配制冲刷试验入流溶液水质参数,具体配制参数见表 1;参考丘锦荣等[19]研究确定入流溶液的泥沙质量浓度为2 g/L。参考住房城乡建设部于2014年颁发的《海绵城市建设技术指南》[20]和申小波等[11]、肖波等[21]、李怀恩等[8]、孙晓涛等[22]等研究的试验设置,本文的冲刷试验共设3种植被过滤带宽度(1、3、5 m), 3种植被过滤带坡度(3°、7°、10°),以及2种入流流量(0.11、0.22 L/s)。根据以上3种试验控制因素组合,共设计18组试验,具体见表 2

      表 1  入流配制参数

      Table 1.  Configuration parameters of inflow pollutants

      污染元素
      Pollution
      element
      污染元素含量
      Concentration of
      pollution element/
      (g·kg-1)
      使用试剂
      Reagent
      试剂质量浓度
      Reagent mass
      concentration/
      (g·L-1)
      N 35 NH4CL 0.220 2
      P 16 KH2PO4 0.140 4
      K 20 KH2PO4 0.140 4

      表 2  冲刷试验方案

      Table 2.  Scheme of the scouring tests

      VFS编号
      VFS No.
      流量Inflow
      rate/(L·s-1)
      坡度
      Slope /(°)
      带宽
      Strip width/m
      A1 0.22 3 1
      A2 0.11 3 1
      B1 0.22 7 1
      B2 0.11 7 1
      C1 0.22 10 1
      C2 0.11 10 1
      D1 0.22 3 3
      D2 0.11 3 3
      E1 0.22 7 3
      E2 0.11 7 3
      F1 0.22 10 3
      F2 0.11 10 3
      G1 0.22 3 5
      G2 0.11 3 5
      H1 0.22 7 5
      H2 0.11 7 5
      I1 0.22 10 5
      I2 0.11 10 5

      在试验前,先进行放水预试验以检验2个土槽是否相平,同时放水润湿过滤带土壤以保证每次试验时的土壤含水量接近。试验时,调控供水桶龙头,并同时搅拌供水桶内溶液,使混合均匀的入流溶液以不同的流量从供水桶流进溢水槽。自水流进入植被过滤带时开始计时,每组冲刷时间为5 min,每组试验重复2次。在冲刷时间内,必须保持供水桶的水位一致,以控制流速与流量。开始放水时,用1.5 L取样瓶在过滤带进口处采集水样,并用取样瓶在每次试验2 min后在2个过滤带出水口同时收集出流,收集计时10 min,共计收集37个水样。

      每次冲刷试验记录供水桶水位随放水时间的变化,以确保稳定的入流流量,同时记录2个土槽出口收集水量以及它们的土壤体积含水率。入流与出流水样委托北京市谱尼测试公司化验分析,检测指标包括:总悬浮固体(TSS)、总氮(TN)、总磷(TP)和钾(K)等,具体检测方法见表 3

      表 3  测试项目方法仪器一览表

      Table 3.  List of test methods and instruments

      测试项目
      Test item
      分析方法
      Analysis method
      方法来源
      Method source
      仪器设备
      Instrument and equipment
      总悬浮物Total suspended solid (TSS) 重量法
      Gravimetric method
      PONY-BJXZSZ107-2016A 风恒温干燥箱、分析天平
      Electricthermostatic drying oven, analytical balance
      钾Potassium(K) 电感耦合等离子体发射光谱法Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry 水质-32种元素的测定Water quality-determination of 32 elements HJ 776—2015 电感耦合等离子体发射光谱仪
      ICP
      总磷Total phosphorus(TP) 钼酸铵分光光度法
      Ammonium molybdate spectrophotometric method
      水质-总磷的测定Water quality-determination of total phosphorus GB 11893—1989 紫外可见分光光度计
      Ultraviolet and visible spectrometer
      总氮Total nitrogen(TN) 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法Alkaline potassium persulfate digestion-UV spectrophotometric 水质-总氮的测定Water quality- determination of total nitrogen HJ 636—2012 紫外可见分光光度计
      Ultraviolet and visible spectrometer
    • 本研究采用径流削减率、TSS质量浓度削减率和污染物(TN、TP、K)负荷削减率定量评估植被过滤带的径流拦蓄效益、悬浮固体拦截效益以及水质净化效益,具体计算公式如下:

      $$ {R_{\rm{W}}}\frac{{{V_{\rm{进}}} - {V_{\rm{出}}}}}{{{V_{\rm{进}}}}} \times 100\% $$ (1)
      $$ {R_{\rm{S}}} = \frac{{{C_{{\rm{S进}}}} - {C_{{\rm{S出}}}}}}{{{C_{{\rm{S进}}}}}} \times 100\% $$ (2)
      $$ {R_{\rm{L}}} = \frac{{{C_{\rm{进}}}{V_{\rm{进}}} - {C_{\rm{出}}}{V_{\rm{出}}}}}{{{C_{\rm{进}}}{V_{\rm{进}}}}} \times 100\% $$ (3)

      式中:RW为径流削减率,%;RS为TSS质量浓度削减率,%;RL为污染物负荷削减率,%;V为入流水样体积,m3V为出流水样体积,m3CS进为入流TSS质量浓度,mg/L;CS出为出流TSS质量浓度,mg/L;C为入流污染物的质量浓度,mg/L;C为出流污染物的质量浓度,mg/L。

    • 植被过滤带一方面阻碍径流、降低径流流速、增加入渗时间,另一方面,植物根系改良土壤入渗性能,增加入渗速率,因此具有较好的径流拦蓄效益[17]。故而,水流流经植被过滤带的时间和植被过滤带土壤渗透性均是影响其径流拦蓄效益的主要因素[23]。根据试验观测数据,可采用公式(1)计算得到各组试验植被过滤带径流削减率(表 4)。由表 4可看出,各组试验植被过滤带的平均径流削减率为58.49%,说明在污染源区和受纳水体之间种植植被过滤带能够有效削减径流水量。同时看出,植被过滤带径流拦蓄效益受过滤带宽度、坡度和入流流量的影响有不同变化。7°、5 m的植被过滤带在进水流量较小的情况下径流削减率最大,即径流拦蓄效益最强。

      表 4  植被过滤带在不同条件下的径流拦蓄效益

      Table 4.  Runoff reduction effect of VFS under different experimental conditions

      VFS编号
      VFS No.
      流量
      Inflow rate/
      (L·s-1)
      坡度
      Slope/
      (°)
      带宽
      Strip
      width/m
      径流削减率
      Runoff reduction
      rate/%
      A1 0.22 3 1 37.27
      A2 0.11 3 1 17.50
      B1 0.22 7 1 24.00
      B2 0.11 7 1 30.71
      C1 0.22 10 1 30.83
      C2 0.11 10 1 15.00
      D1 0.22 3 3 71.40
      D2 0.11 3 3 83.33
      E1 0.22 7 3 58.21
      E2 0.11 7 3 52.86
      F1 0.22 10 3 63.32
      F2 0.11 10 3 88.57
      G1 0.22 3 5 79.22
      G2 0.11 3 5 81.26
      H1 0.22 7 5 87.78
      H2 0.11 7 5 90.79
      I1 0.22 10 5 80.54
      I2 0.11 10 5 60.22
      平均Mean 58.49

      植被过滤带宽度(即过滤带沿径流方向的长度)对其径流拦蓄效益的影响见图 2。植被过滤带的径流削减率随带宽的增加而逐渐增大,当宽度由1 m增加到3和5 m时,植被过滤带的平均径流削减率由25.89%分别增加到69.62%和79.71%。原因在于随着植被过滤带宽度增加,水流流经过滤带的时间增加,下渗量增大,径流量将不断减小。申小波等[11]试验证明,宽度分别为1和3 m的植被过滤带的径流拦截率分别为32%和69%。这与本文的研究结果较为接近。图 3显示了植被过滤带坡度变化对其径流拦蓄效益的影响。当植被过滤带坡度由3°增加到7°和10°时,其平均径流削减率略微减小,从57.74%降低为57.40%和56.41%。图 4反映了入流流量变化对植被过滤带径流拦蓄效益的影响。当入流流量由0.11 L/s增加至0.22 L/s时,植被过滤带平均径流削减率仅减少了4.25%。以上分析表明,相对于植被过滤带的坡度和入流流量,宽度对其径流拦蓄效益的影响更为显著。孙晓涛等[22]模拟分析也表明,植被过滤带坡径流拦蓄效果会随着其坡度的升高而变弱,但植被过滤带的宽度对其径流拦蓄效果影响更加显著。

      图  2  植被过滤带不同带宽条件下的径流削减率

      Figure 2.  Runoff reduction rates of VFS with different strip widths

      图  3  植被过滤带不同坡度条件下的径流削减率

      Figure 3.  Runoff reduction rates of VFS with different slopes

      图  4  植被过滤带不同入流流量条件下的径流削减率

      Figure 4.  Runoff reduction rates of VFS under different inflow rate conditions

    • 水体所含悬浮颗粒物除了会对水体的复氧条件和透明度产生影响外,也会因为其含有大量矿物和胶体,同时也能络合或吸附许其他污染物,造成水体污染[24]。因此,过滤或减少地表径流中的悬浮颗粒物对于改善地表水质具有重要意义。因此,本研究将悬浮颗粒拦截效益列为植被过滤带效益的一个评价指标。植被过滤带通过植被的阻挡降低地表径流的流速,促进地表径流入渗,同时通过植被的过滤作用减少地表径流的悬浮固体浓度,今儿减少悬浮固体的输移量[9]。根据试验观测数据,可采用公式(2)计算得到各组试验植被过滤带TSS质量浓度的削减率(表 5)。由表 5可看出,各组试验植被过滤带的平均TSS质量浓度削减率为95.04%,表明植被过滤带能够有效地拦截进入水体的泥沙等固体颗粒物。植被过滤带对悬浮固体的拦截效益受过滤带宽度、坡度和入流流量的影响有不同变化。3 m的植被过滤带TSS质量浓度削减率最大,即悬浮固体拦截效益最强。

      表 5  植被过滤带在不同条件下的悬浮固体拦截效益

      Table 5.  Suspended solid removing effects of VFS under different experimental conditions

      VFS编号
      VFS No.
      流量
      Inflow rate/
      (L·s-1)
      坡度
      Slope/
      (°)
      带宽
      Strip
      width/m
      TSS质量
      浓度削减率
      Reduction rate of TSS mass
      concentration/%
      A1 0.22 3 1 91.44
      A2 0.11 3 1 96.59
      B1 0.22 7 1 99.44
      B2 0.11 7 1 99.44
      C1 0.22 10 1 99.44
      C2 0.11 10 1 99.44
      D1 0.22 3 3 99.44
      D2 0.11 3 3 99.44
      E1 0.22 7 3 99.44
      E2 0.11 7 3 99.44
      F1 0.22 10 3 99.44
      F2 0.11 10 3 99.44
      G1 0.22 3 5 96.25
      G2 0.11 3 5 89.67
      H1 0.22 7 5 80.70
      H2 0.11 7 5 97.54
      I1 0.22 10 5 99.44
      I2 0.11 10 5 64.71
      平均Mean 95.04

      宽度变化对植被过滤带的悬浮固体拦截效益的影响见图 5。植被过滤带的TSS质量浓度削减率随带宽的增加先增大后减小,当宽度由1 m增加到3和5 m时,植被过滤带的平均TSS质量浓度削减率由97.63%增加到99.44%再减少到77.37%。孙晓涛等[22]研究结果表明,同坡度(10°)条件下,宽度分别为3、2和1 m的植被过滤带的泥沙拦截率为88.5%、81.7%和63.5%。杨寅群等[24]研究表明,4 m带宽的植草过滤带能拦截约80%的入流泥沙,增大植被过滤带的宽度不能明显增加其泥沙拦截效益,因此建议植草过滤带的宽度应以3~5 m为宜。这与本试验结果存在较大差异,植被过滤带对泥沙和TSS拦截作用具有一定的相关性,但二者并非完全一致。携带固体颗粒的入流在进入植被过滤带后,由于土壤渗透作用,使得部分径流渗入土壤,地表径流的流量减小;由于植被的阻滞和过滤作用,地表径流的流速变缓,挟沙能力降低,需要较大水动力条件的大粒径悬浮颗粒物不再随径流前行而沉积于植被过滤带的前段;而细小的悬浮固体依然能够随着缓流继续前行。邓娜等[25]研究表明,植被过滤带可有效拦截大粒径污染物,而不能显著拦截较小粒径的污染物,这是因为植被过滤带主要通过植被阻滞和过滤作用减缓径流,造成大粒径污染物发生沉积来实现其净化效益,而径流也会携带表层土壤中的一些细小颗粒,导致出流的小粒径污染物增多。Akan等[26]研究指出受植被过滤带的宽度和坡度、径流的流量和流速,颗粒物粒径和密度等因素的影响,径流中的悬浮颗粒浓度变化规律较为复杂。表 5中,宽度为5 m、坡度为10°的植被过滤带的TSS削减率仅64.71%,明显低于其他试验情景的削减了变化范围为80.70%~99.44%,表明该组试验数据有很大可能性存在误差。而该数据误差可能是宽度为5 m的植被过滤带TSS削减效率(77.37%)明显低于宽度为3 m的指被过滤带(99.44%)主要原因。

      图  5  植被过滤带不同带宽条件下的TSS质量浓度削减率

      Figure 5.  Reduction rate of TSS mass concentration of VFS

      图 6显示了植被过滤带坡度变化对其悬浮固体拦截效益的影响。可以看出,坡度条件为3°和7°时的植被过滤带TSS质量浓度削减率为95.93%和96.00%,差异并不明显。而植被过滤带在从7°增加到10°时,TSS质量浓度削减率明显下降,这表明植被过滤带的悬浮固体拦截效益会随着坡度的增加而削弱,尤其是当坡度较大的时候。图 7表明植被过滤带TSS拦截效益随着入流流量的增加而减小。这与杨寅群[27]研究结果一致。原因可能在于,较大流量时水流挟沙力加大,使过滤带对TSS的阻滞作用相对下降,削减率减小。当流量由0.11 L/s增加至0.22 L/s时,植被过滤带平均TSS质量浓度削减率仅减少3.01%。在0.11 L/s流量时出现一个最低值29.98%,远低于该流量总体TSS质量浓度削减率的平均值,查看数据,出自5 m、10°、0.11 L/s试验配置,可能是试验误差引起。以上分析表明,相对于植被过滤带的宽度和坡度,入流流量对悬浮固体拦截效益的影响较小。

      图  6  植被过滤带不同坡度条件下的TSS质量浓度削减率

      Figure 6.  Reduction rate of TSS mass concentration of VFS with different slopes

      图  7  植被过滤带不同入流流量条件下的TSS质量浓度削减率

      Figure 7.  Reduction rate of TSS mass concentration of VFS under different inflow rate conditions

    • 采用公式(3)计算得到各组试验植被过滤带污染物(TN、TP、K)负荷削减率(表 6)。由表 6可看出,各组植被过滤带的平均TN负荷削减率为77.56%;平均TP负荷削减率为75.29%;平均K负荷削减率为72.92%。植被过滤带水质净化效益受过滤带宽度、坡度和入流流量的影响有不同变化。7°、5 m的植被过滤带在进水流量较小(0.11 L/s)的情况下污染物(TN、TP、K)负荷削减率最大,即水质净化效益最强。

      表 6  植被过滤带在不同条件下的水质净化效益

      Table 6.  Water purification effects of VFS under different experimental conditions

      VFS编号
      VFS No.
      流量
      Inflow rate/
      (L·s-1)
      坡度
      Slope/(°)
      带宽
      Strip
      width/m
      TN负荷削减率
      Reduction rate
      of TN load/%
      TP负荷削减率
      Reduction rate
      of TP load/%
      K负荷削减率
      Removing efficiency
      of K load/%
      A1 0.22 3 1 55.99 39.00 35.11
      A2 0.11 3 1 36.19 21.49 13.68
      B1 0.22 7 1 52.76 29.09 22.89
      B2 0.11 7 1 50.24 33.90 31.51
      C1 0.22 10 1 52.62 36.77 35.41
      C2 0.11 10 1 62.27 57.48 51.82
      D1 0.22 3 3 90.65 92.32 90.83
      D2 0.11 3 3 86.16 92.55 91.33
      E1 0.22 7 3 84.11 81.57 81.65
      E2 0.11 7 3 87.32 96.60 94.08
      F1 0.22 10 3 87.37 86.37 83.82
      F2 0.11 10 3 94.92 99.63 98.74
      G1 0.22 3 5 92.54 95.90 95.70
      G2 0.11 3 5 91.23 94.36 92.17
      H1 0.22 7 5 95.26 99.79 99.18
      H2 0.11 7 5 96.98 99.90 99.29
      I1 0.22 10 5 93.21 99.62 98.59
      I2 0.11 10 5 86.32 98.84 96.76
      平均Mean 77.56 75.29 72.92

      植被过滤带宽度对其水质净化效益的影响见图 8。可以看出,TN、TP、K的负荷削减率均随着带宽的增加而增大,但增加的幅度呈减小趋势。其中,K的负荷削减率随带宽增大的趋势最为显著。当宽度由1 m增加到3和5 m时,植被过滤带的平均TN、TP、K负荷削减率分别由51.68%增加到88.20%和92.86%,由44.37%增加到90.37%和98.81%,由31.74%增加到88.84%和97.90%。TN和TP的削减率随宽度变化的与前人研究结果较为一致。例如,申小波等[11]试验表明,宽度分别为1和3 m的植被过滤带的TN的削减率分别为65%和84%,TP的削减率分别为80%和95%。TN和TP的削减率随宽度增加而增加的原因可能在于,植被过滤带对污染物的拦截主要与拦蓄地表径流和拦截泥沙相关。一方面,植被过滤带的径流削减率随其带宽增大而增大,径流中的可溶性污染物随径流滞留在植被过滤带中。另一方面,许多污染物吸附在悬浮固体上,TSS质量浓度随着植被过滤带宽度的增加而降低,污染物载荷也随之减少。图 9显示了植被过滤带坡度变化对其水质净化效益的影响。由图 9可发现,TN、TP、K的负荷削减率均随着坡度的增加而增大,7°和10°的结果差异不显著。当坡度由3°增加到7°和10°时,植被过滤带的平均TN、TP、K负荷削减率分别由68.84%增加到77.78%和78.05%;由62.18%增加到73.48%和77.98%;由58.83%增加到71.43%和77.98%。可能是由于随着坡度增大,地表径流流经过滤带的速度加快,土壤中的污染物不易向其中释放,且能通过表层土壤的吸附使污染物含量有所降低,使得削减率略微升高。同上所述,污染物中很大一部分吸附在悬浮固体上,这些污染物的负荷削减率变化规律与TSS质量浓度削减率应大致相同。由此预测,随着坡度的继续增大,植被过滤带的悬浮固体拦截能力变弱,这使得吸附在悬浮固体的污染物随之流过植被过滤带,但一段时间后,这些泥沙结合态的污染物发生解吸和溶解,水溶性污染物含量就会增大,污染物负荷削减率则相应减少。如图 10,植被过滤带的污染物负荷削减率随着入流流量的增大而明显增大。其中,TN的变化幅度最为明显。当流量由0.11 L/s增加0.22 L/s时,植被过滤带的平均TN、TP、K负荷削减率分别为71.81%~78.28%、70.47%~73.38%、67.16%~71.47%。

      图  8  植被过滤带不同带宽条件下的污染物负荷削减率

      Figure 8.  Reduction rate of pollutat load of VFS with different strip widths

      图  9  植被过滤带不同坡度条件下的污染物负荷削减率

      Figure 9.  Reduction rate of pollutat load of VFS with different slopes

      图  10  植被过滤带不同入流流量条件下的污染物负荷削减率

      Figure 10.  Reduction rate of pollutant load of VFS under different inflow rate conditions

    • 本文通过试验研究了宽度、坡度和入流流量对植被过滤带径流滞蓄、TSS拦截,以及TN、TP和K浓度削减效应的影响。研究结果表明,植被过滤带对径流和污染物的拦截效果随着宽度增加而增加,随坡度和入流流量的增加而降低,与Fiener等[28]、邓娜等[25]、申小波等[11]和孙晓涛等[22]的研究结论一致。通过对比发现,相对于坡度与流量,植被过滤带的径流和TSS拦截和污染物净化效应对宽度的变化更为敏感。这与孙晓涛等[22]的研究结论一致,表明宽度是植被过滤带设计中应考虑的关键或核心因素[4-5]。然而,目前关于宽度对植被过滤带拦截污染物效果影响的研究,还存在较大差异。Barrett等[29]指出植被过滤带通常在5 m以内宽度就能达到较为理想的削减径流污染物浓度的效果。杨寅群等[24]试验研究表明,4 m带宽的植草过滤带能拦截约80%的入流泥沙,继续增大宽度不能明显增加其泥沙拦截效益。李怀恩等[8]研究发现植被过滤带对悬浮固体的削减主要发生在前10 m。吉国强等[30]试验发现高羊茅过滤带在带宽达到12 m时其对径流悬浮颗粒物的去除效果才趋于平缓。

      植被过滤带拦蓄径流和拦截污染物是通过多种作用协同实现[4, 10]。植物茎秆和枯落物增加地表糙率,降低地表径流的流速、延长入渗时间,同时可过滤和拦截作用削减径流中的泥沙等污染物负荷[21]。植物根系能改善土壤的入渗性能,从而增大径流下渗量,让可溶性污染物也随径流下渗。除了通过径流入渗和固体颗粒拦截的物理过程削减径流和污染负荷外,部分污染物(N、P和K等)可以被植物自身直接吸收利用,也可能在径流过程中受到土壤中有机和无机成分的吸附,最后被土壤中和植被根际的微生物降解[31-32]

      植被过滤带的宽度主要通过水流路径的长度、径流滞留时间、土壤吸附和植物过滤吸收时间以影响径流的入渗量、固体颗粒的过滤拦截量和污染物的吸附吸收量,来影响植被过滤带的径流削减和水质净化效果。坡度主要通过径流的流速流态和固体颗粒的沉积等过程影响径流的入渗和以及吸附在固体颗粒物上的污染物的拦截。入流流量,在入流污染浓度一定的前提下,主要通过径流量和污染负荷总量输入影响植被过滤带的径流调控和水质净化效果。植被过滤带的有效宽度应与坡度和径流流量呈正相关,而与地表粗糙度及土壤的吸附能力等呈负相关[33]

      除宽度、坡度、和入流流量外,其他众多因素如植被类型[8, 34]、入流污染物浓度[21]、土壤类型、降水特征[35]等条件是影响植被过滤带净化效果的重要因素。另外,对于同一植被过滤带在相同的入流情况下,其径流调蓄和水质净化效益还随时间推移、径流量累积和土壤水分变化而变化。肖波等[21]研究表明,植被过滤带对泥沙和阿特拉津的拦截率随径流持续时间的延长呈逐渐降低趋势。随着径流量的累积,入渗量增加,土壤逐渐达到饱和,土壤入渗率显著降低,径流拦蓄、固体颗粒物的拦截都会表现出逐渐降低的趋势[11]。土壤初始含水量较小时,植被过滤带的地表径流拦截效益较强, 但土壤含水量的变化并不能显著影响植被过滤带去除径流中悬浮固体的能力[10]

    • 本研究通过土槽植草冲刷试验,对植被过滤带的水土保持和水质净化效益及其影响因素进行了定量测验和分析,得出主要结论如下:

      1) 试验条件下,植被过滤带平均径流削减率为58.49%,说明在污染源区和受纳水体之间种植植被过滤带能够有效削减径流水量。植被过滤带的径流拦蓄效益随其宽度增大、坡度减小,入流流量减小而增强。

      2) 不同类型的植被过滤带对径流中的TSS质量浓度削减率均达到95.04%以上,说明植被过滤带能够有效去除地表径流中的泥沙等悬浮固体。其中,TSS质量浓度削减率在3 m时均达到99.44%,即悬浮固体拦截效益最强,应用植被过滤带于拦截泥沙等颗粒物时,带宽不必设置过长;在过高的坡度铺设植被过滤带,其悬浮固体拦截效益不高;相对于植被过滤带的宽度和坡度,入流流量对悬浮固体拦截效益的影响不显著。

      3) 各组植被过滤带的TN、TP和K的平均负荷削减率分别为77.56%、75.29%和72.92%,说明植被过滤带能够较好地拦截地表径流中的N、P、K。一方面是因为植被过滤带的径流拦蓄效益强,另一方面由于径流中吸附污染物的泥沙等固体颗粒物也会被植被过滤带拦截。7°、5 m的植被过滤带在进水流量较小的情况下污染物(TN、TP、K)负荷削减率最大,即水质净化效益最强。

      4) 相对于坡度与流量,植被过滤带的宽度对其滞留和拦截径流、泥沙和污染物的影响更为明显,因此,宽度是植被过滤带设计中应着重考虑的因素。

      植被过滤带的主要功能包括水源涵养、水土保持和水质改善等。本研究表明,植被过滤带在一定的带宽、坡度和入流流量下,对悬浮固体拦截、水质净化和径流拦蓄起到明显的作用。因此,植被过滤带可以推广应用到水源地周围的湖滨带和库滨带治理工程。同时,也可在海绵城市建设中应用植被过滤带拦截悬浮固体、净化水质和拦蓄地表径流。

参考文献 (35)

目录

    /

    返回文章
    返回