植被过滤带拦截径流和泥沙效果的模型研究

孙晓涛，陈传胜，肖 波，申小波

（1. 中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2. 北京市农林科学院 北京草业与环境研究发展中心，北京 100097）

植被过滤带拦截径流和泥沙效果的模型研究

孙晓涛1,2，陈传胜1，肖 波2，申小波1

（1. 中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2. 北京市农林科学院 北京草业与环境研究发展中心，北京 100097）

植被过滤带可显著减少农田径流及其携带的污染物，是流域农业面源污染治理的最佳管理措施，而数学模型是设计植被过滤带的有效工具。本研究通过浑水模拟冲刷试验研究了不同宽度（1 m、2 m、3 m）和不同坡度（3.3%、6.7%、10%）的草本植被过滤带对径流和泥沙的拦截效果，并对VFSMOD模型的适用性进行了验证，最后基于该模型对植被过滤带拦截效果中坡度和宽度二因素的敏感性进行了分析。结果表明，VFSMOD模型对径流和泥沙浓度的模拟偏差在8%和12%以内，Nash-Sutcliffe-Eff i ciency系数分别为0.85和0.93，表明该模型可对植被过滤带拦截径流和泥沙的效果进行较好的模拟；同时，模拟结果显示植被过带宽度与其径流和泥沙的拦更为敏感，是植被过滤带设计中应着重考虑的因素。

植被过滤带；拦截效果；径流；泥沙；VFSMOD模型

植被过滤带是一种新型的低成本且富有成效的治理水污染生态工程方式[1]。植被过滤带又称植被缓冲带，是位于污染源与水体之间的带状植被区域，其可以通过生物、化学、物理等途径使地表径流以及径流中的泥沙、氮、磷等污染物质减少，有效降低农业面源污染、缓解水环境压力，因此在全世界得到了广泛的应用[2-5]。根据植被类型可划分出灌木过滤带、草地过滤带、林木过滤带、复合过滤带等多种过滤带，其中草地过滤带应用最普遍[6-7]。唐政洪等[8]研究冀西北黄土丘陵地区，揭示了植被带通过对泥沙的拦蓄以达到控制养分流失的目的，是拦蓄坡面地区养分流失的主要形式。植被过滤带对径流及其泥沙的拦截效果影响因素较多，有宽度、密度、坡度、植被类型等，掌握拦截效果与主要影响因素之间的关系是进行植被过滤带规划和设计的基础。李怀恩等在野外模拟试验研究中得出，植被过滤带拦截悬浮固体污染物主要发生在前10 m[9]，张一平、张克映在西双版纳勐伦不同植被类型地域设置径流集水区，通过多数并列流域法观察根系降雨特征与径流特征得出植被类型与径流的关系[10]。

数学模型是设计植被过滤带的有效工具，一些研究已初步建立了植被过滤带拦截径流及其径流中污染物质的模型，如Kentucky大学的研究人员[11]的GRASSF模型、Wilson等[12]的SEDOTII模型，以及估算植被过滤带的净化效果CREAMS模型和VFSMOD模型，其中以VFSMOD模型最具代表性。VFSMOD模型是由美国Florida大学于1999年开发的能够计算植被过滤带出流水量并用于预测植被过滤带对坡面径流中泥沙净化效果一个田间尺度机制[13]，从本质上说VFSMOD模型是一个描述植被过滤带中水流运动和泥沙沉积过程的一维模型。该模型包括水文子模型和泥沙输移子模型两种子模型，通过输入从相邻田块进入植被过滤带的流量过程和泥沙过程，从而计算植被过滤带的出流水量、下渗水量和泥沙截留效果。VFSMOD作为一个计算植被过滤带对坡面径流中泥沙净化效果的数学模型，在美国得到了充分的验证和广泛的应用[14-15]。Sabbagh等[16]在美国中西部不同地域下以及Muoz-Carpena等[17]在北卡罗莱纳州的海岸平原分别用不同宽度的植被过滤带对泥沙过滤效果进行了模拟，效果良好。但大多数模型为针对不同地区而建立的，VFSMOD模型是否适用于北京地区尚缺乏试验验证；同时利用模型对各因素对植被过滤带拦截径流和泥沙进行敏感性分析尚缺乏研究。

本试验研究通过冲刷试验和模型模拟相结合的方式来验证VFSMOD模型的适用性，并借助VFSMOD模型开展植被过滤带对径流和泥沙拦截效果的研究，旨在摸清植被过滤带在不同坡度、宽度下对径流和泥沙的拦截效果，并以此进行坡度、宽度影响因素对植被过滤带拦截径流和泥沙效果的敏感性分析，以定量评价各坡度、宽度因素对植被过滤带拦截径流和泥沙的贡献值和重要性，并依此确定不同坡度、宽度植被过滤带对径流和泥沙的截留差异，研究结果可为我国的农业面源污染治理工作提供技术支持和效果预测。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置内土槽和冲刷装置2部分组成。土槽为3.0 m长×0.5 m宽×0.7 m高，上端建有搅拌装置和供水装置，用于向过滤带供水，供水桶出口装有水阀，用于控制流量。土槽下端设汇流口，用于收集过滤带地表出流，且土槽坡度可调，装置具体参数及试验用法见参考文献[18]。

1.2 试验设计

1.2.1 冲刷试验

土槽装填小汤山耕地表层0～30 cm土壤，并过2 mm筛后分层（5 cm）装填，装填容重与田间近似，为1.3 g/cm3。装填完毕后分别采集土样，分析饱和导水率、土壤容重、土壤初始含水量、土壤饱和含水量等指标。土样的采集和分析方法依据参考文献测[19]，之后设计植被过滤带，为有效控制植被过滤带宽度等变量因素，提高实验数据的可控性，更好揭示植被过滤带的拦截效应，现借鉴“Kentucky model”试验[20-21]中用直径为3 mm的生锈铁丝（用纯度为18%的盐酸浸泡12 h后在阴暗潮湿处放置10 d）代替草本植被过滤带的方法，在过滤带设计完成之后开始针对土槽上的人工植被过滤带进行浑水（泥沙颗粒与水均匀混合）冲刷，水样采用泥土颗粒（过1 mm耕层土壤），泥沙浓度为20 g/L。

冲刷试验设植被过滤带坡度和宽度2种因素，其中坡度、宽度各3个处理，每种处理各3次重复，所有试验均在冲刷条件下进行，冲刷时间自产流时间开始计时为30 min，每分钟用径流桶接取出流物，每个土槽共取30个出流样品，记录径流的出流量，并称重过滤后风干的泥沙量。具体试验方案见表1。

1.2.2 VFSMOD模型模拟

VFSMOD模型由地表径流模拟参数、入渗模型土壤参数、泥沙过滤模型缓冲性能参数、泥沙过滤模型泥沙特性参数、雨量参数、入流参数5个部分组成，其中地表径流模拟参数中的带长、带宽、坡度和入渗模型土壤参数中的土壤初始含水量及泥沙过滤模型缓冲性能参数中茎秆距离（基于土槽面积和茎秆数目换算求出），入流参数中的流量峰值采用冲刷试验实测值，其它均采用模型建议值。利用VFSMOD模型对冲刷试验进行模型模拟，最后基于模型模拟值计算植被过滤带对径流和泥沙的拦截率。为了评价VFSMOD模型的模拟精度，此次试验采用3个指标来表示模型模拟值和实测值的拟合度，并验证该模型的适用性。3个指标分别是模拟偏差Dv（Dv=（模型模拟值－实测值）/实测值×100%）、1∶1连线图(在连线图上，数据点越接近1∶1连线，则拟合度越高，判定系数R2越大，则表示模拟值与实测值的相关关系越好）、Nash-Sutcliffe-Eff i ciency系数（CNSE）[22]（CNSE=1表示最优值、0＜CNSE＜1表示可接受水平、CNSE＜0表示不可接受水平[23]）。最后利用VFSMOD模型分别对3种宽度（1 m、2 m、3 m）不同坡度（1%、2%、3%、4%、……、30%）的植被过滤带和3种坡度（10%、20%、30%）不同宽度（0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、6 m、7 m……、30 m）的植被过滤带进行对径流和泥沙的拦截效果模拟，并基于该模型模拟结果对植被过滤带拦截效果中坡度和宽度二因素的敏感性进行了分析。

表1 试验方案Table 1 The experimental design

1.3 数据统计与分析

采用EXCEL 2010办公软件对冲刷试验中的泥沙浓度进行计算求值。同时使用OriginPro 8.6对模型中植被过滤带对径流、泥沙的拦截率随坡度、宽度变化关系进行线性拟合，并绘制相关图表。此外用模拟偏差Dv和绘制1∶1连线图和CNSE系数3个指标验证模型的适用性，

公式中V表示模拟值，V′表示实测值，表示第i个实测值，表示第i个模拟值，表示实测值的平均值。

2 结果与分析

2.1 VFSMOD模型模拟结果及分析

植被过滤带出流物实测值与VFSMOD模型模拟值的对照见表2。植被过滤带径流出流量实测值和模拟值的模拟偏差在8%以内，泥沙出流浓度的实测值和模拟值的模拟偏差在12%以内，模型模拟值均小于实测值，且泥沙浓度的模拟偏差大于径流的模拟偏差。此结果表明植被过滤带对径流量和泥沙的实际拦截效果差于模型模拟出的拦截效果，其原因是由于模型模拟的冲刷条件是在理想条件下，而在现实的冲刷条件会出现一些偏差，如在冲刷试验过程中，土槽植被过滤带的地表在冲刷过程中随着时间的推移，地表粗糙度会降低、土壤含水量会逐渐饱和、过滤带的微地形会发生变化等，这样就削弱了植被过滤带拦截径流的能力，且在冲刷过程中植被中的部分地表土也会被携带进径流中，增加了出流径流中泥沙的浓度。泥沙浓度的模拟偏差值大于径流的模拟偏值，除了泥沙模拟更复杂之外，由于模型对泥沙输移的模拟是与水流运动模拟结合的，水流模拟的偏差也会也会影响泥沙输移模拟的偏差。

表2 植被过滤带径流出流物模拟值与实测值对照Table 2 Contrast of simulated values and measured values of outflows from scour troughs by VFS

植被过滤带出流物模拟值及实测值1∶1连线图见图1。出流径流和泥沙浓度的实测值和模拟值虽然存在一定的偏差，但还较好地分布在1∶1连线附近，径流出流量拟合曲线的判定系数R2=0.988，出流泥沙浓度拟合曲线判定的判定系数R2=0.998，说明模型模拟值和实测值拟合度较高且相关关系较好，径流和泥沙的NSE系数分别为0.85和0.93，说明模型处于可接受水平，由此可以证明VFSMOD具有适用性，可以较好的模拟植被过滤带对径流和泥沙的拦截效果。

图1 植被过滤带径流出流物模拟值与实测值1:1连线图Fig. 1 Connections (1:1) in coordinate system of simulated values and measured values of outf l ows from scour troughs by VFS

2.2 VFSMOD模型中坡度因素的敏感性分析

图2 为径流拦截率随植被过滤带坡度变化关系图和泥沙拦截率随植被过滤带坡度变化关系图，图2中显示，3种宽度的植被过滤带对径流的拦截过滤带对径流和泥沙的拦截效果随坡度的增加而逐渐减弱。3种宽度（1 m、2 m、3 m）植被过滤带在同一坡度下（10%）对径流的拦截率依次是3.74%、7.36%、10.93%，对泥沙的拦截率依次是63.5%、81.7%、88.5%，其拦截径流和泥沙大小与植被过滤带宽度大小呈同一趋势，即植被过滤带宽度越大，植被过滤带对地表径流的拦截率就越高。上述结果表明，植被过带对径流和泥沙的拦截率随坡度的升高逐渐降低，拦截率和坡度成负相关关系，但作用效果受宽度影响显著。

图2 不同坡度植被过滤带对径流和泥沙的拦截率Fig.2 Interception rates of runoff and sediment by VFS with different slops

通过对3种宽度（1 m、2 m、3 m）植被过滤带在同一坡度下对径流和泥沙的拦截率进行比较发现其最大降幅分别为8.10%、25.40%，对不同坡度下对径流和泥沙拦截率进行比较发现，最大降幅分别为1.9%和4.6%；通过对比图2中植被过滤带对径流和泥沙拦截效果可以发现3种宽度植被过滤带在同一坡度下对泥沙的拦截效果要远大于对径流的拦截效果。由此我们可以看出模型中植被过滤带坡度因素对泥沙的拦截效果要大于对径流的拦截效果，植被过滤带坡度因素对径流和泥沙拦截效果不及宽度。

2.3 VFSMOD模型中宽度的敏感性分析

图3为径流拦截率随植被过滤带宽度变化关系图和泥沙拦截率随植被坡度变化关系图，图3中 显 示，3种 坡 度（10%、20%、30%）的植被过滤带对径流拦截率与宽度成正相关关泥沙的拦截效果随宽度的增加而逐渐增强。3种坡度（10%、20%、30%）植被过滤带在同一宽度下（3 m）对径流的拦截率依次是33.9%、33.5%、32.7%，对泥沙的拦截率依次是97.3%、97.1%、97.0%，其拦截径流和泥沙大小与植被过滤带坡度大小成相反趋势，即植被过滤带坡度越大，植被过滤带对径流和泥沙的拦截率就越低。上述结果表明，植被过带对径流和泥沙的拦截率随植被过滤带宽度的增加而增加，拦截率和植被过滤带宽度成正相关关系，但作用效果受坡度因素影响。

图3 不同宽度植被过滤带对径流和泥沙的拦截效果Fig.3 Interception rates of runoff and sediment by VFS with different widths

通过对3种坡度（10%、20%、30%）植被过滤带在同一宽度下对径流和泥沙的拦截率进行比较，发现其最大降幅分别为4.2%和1.2%，3种坡度（10%、20%、30%）植被过滤带在不同宽度下对径流和泥沙拦截率进行比较可以发现，最大降幅分别为82.6%和58.0%。通过对比图3中植被过滤带对径流和泥沙的拦截效果可以发现3种坡度植被过滤带在同一宽度下对泥沙的拦截效果要远大于对径流的拦截效果。由此我们可以看出模型中植被过滤带宽度因素对泥沙的拦截效果要大于对径流的拦截效果，坡度因素对地表径流和泥沙拦截效果的敏感性不及宽度。

2.4 讨 论

VFSMOD模型是一个用来预测植被过滤带对坡面地表径流中泥沙净化效果的田间尺度模型，本研究依据模拟偏差（Dv＜8%，Dv＜12%）和NSE系数(NSE径流=0.85，NSE泥沙浓度=0.95)等指标证明模型处于可接受水平，能够模拟植被过滤带对径流和泥沙的拦截效果，具有适应性。但在关于VFSMOD模型的适应性研究上，目前还存在一些差异。杨寅群等[23]研究表明，模型验证试验中出流水量和出流泥沙浓度的模拟偏差分别在±15%和±20%以内。本研究发现植被过滤带出流水量和出流泥沙浓度的模拟偏差分别在8%和12%以内，这与以上研究结果有一定的差异。差异原因可能是在冲刷试验中不同的试验条件引起的，如径流来源区域大小、地貌、径流中沉积物浓度、植被过滤带宽度、坡度、过滤带土壤理化性质以及生物学特征（类型、长势等）等。另外，本研究还发现模型中坡度因素和植被过滤带对径流和泥沙的拦截效果成负相关关系，宽度因素与植被过滤带对径流和泥沙的拦截率成正相关关。植被过滤带坡度因素对径流和泥沙的作用效果受宽度的影响显著，植被过滤带宽度因素对径流和泥沙的作用效果受到坡度一定的影响，但效果不是十分明显。与坡度相比，植被过滤带宽度因素对于植被过滤带拦截径流和泥沙的效果更为敏感。Fiener等[24]在研究中发现植被过滤带的过滤作用与其宽度正相关；吴建强[25]在对不同坡度缓冲带滞缓径流和污染物研究中得出对于同一植被过滤，坡度越小，其滞缓径流和土壤水力渗透的能力越强。这些研究和本试验研究结果一致，表明植被过滤带在不同宽度、坡度下对径流及其径流中的泥沙的拦截效果是不同的[26]，在植被过滤带的设计过程中需要认真考虑这些因素，尤其是宽度因素。

3 结 论

(1) VFSMOD模型对植被过滤带出流水量和出流泥沙浓度的模拟偏差分别在8%和12%以内，NSE系数分别为NSE径流=0.85和NSE泥沙浓度=0.93，验证了VFSMOD模型具有较高的适用性，表明该模型可对植被过滤带拦截径流和泥沙的效果进行较好模拟。

(2) 模型模拟中坡度因素和植被过滤带对径流和泥沙的拦截效果成线性负相关关系（径植被过滤带对泥沙的拦截效果成线性正相关关系

(3) 与坡度相比，植被过滤带宽度因素对于植被过滤带拦截径流和泥沙的效果更为敏感。

(4) 数学模型是进行植被过滤带设计的有效工具，VFSMOD模型可以成为植被过滤带设计的有效工具。

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Model study of interception effects of vegetative fi lter strips on runoff and sediment

SUN Xiao-tao1,2, CHEN Chuan-sheng1, XIAO Bo2, SHEN Xiao-bo1
(1. School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan China; 2. Beijing Research &Development Center for Grass and Environment, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

Vegetative fi lter strip (VFS) can effectively reduce farmland runoff and its carrying pollution, which is a best management measure governing watershed agricultural non-point source pollution. Mathematical model is an effective tool to design vegetation fi lter strips. The effects of different widths (1, 2, 3 m) and different slops (3.3, 6.7, 10.0%) herbaceous vegetation fi lter belts on the removal of runoff and sediment have been investigated through the muddy water erosion simulation tests and studied by VFSMOD model, and the validated applicability of the VFSMOD model was veri fi ed, and fi nally the sensitivity of the slope and width of vegetative fi lter strips to the interception effects were analyzed based on the model. The results show that the simulated deviations of the runoff and sediment concentration were less than 8% and 12% in the model, and the Nash-Sutcliffe-Ef fi ciency coef fi cients were 0.85 and 0.93, which showed the VFSMOD model effectively simulated the interception effects of the runoff and sediment in the VFS; Meanwhile, the simulationCompared with the slope factors, the vegetation fi lter width factor was more sensitive for vegetative fi lter strip to intercept runoff and sediment.

vegetative fi lter strip(VFS); interception effects; runoff; sediment; VFSMOD model

S714.7

A

1673-923X(2014)04-0096-06

2013-09-28

北京市科技计划专项“朝阳区运用生态技术改善水质的试验研究与示范”（Z13110500381310）；北京市农林科学院科技创新能力建设专项“北京市退化土地生态系统修复成效长期定位监测站建设”（KJCX201103001）

孙晓涛（1986-），男，河南许昌人，硕士研究生，主要研究方向为水土保持和农业面源污染防治

肖 波（1981-），男，陕西汉中人，副研究员，主要从事水土保持与荒漠化防治的研究；E-mail：xiaotaoxb@gmail.com

[本文编校：吴 彬]