植被过滤带的污染物去除效率研究进展

庾从蓉，段佩怡

(1. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2. 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098)

植被过滤带( vegetative filter strips，VFS)是设立在面源污染源与水体之间的一道拦截关卡，旨在减少降雨径流中危害水质的污染物含量。国内外研究表明，VFS对泥沙[1]、氮磷[2]、农药、微量元素[3]等污染物质有良好的拦截效果，对保护水体有着重要的作用。VFS的主要特征参数有长度(沿径流方向)、宽度(垂直径流方向)和植被类型，同时，坡度、土壤类型、污染物特性等也是重要影响因素。随着我国对水环境保护的日益重视及《水污染防治行动计划》的发布，VFS在海绵城市建设中得到应用[4]，VFS在我国水环境保护中的作用日益明显[5-6]。为了对VFS在我国的应用提供理论指导，对其研究进展进行系统的归纳与总结十分有必要。

国内关于VFS研究进展的文献中，王良民等[7]最先总结了VFS的发展历史、结构、污染物控制机理；陶梅等[8]通过列举的方式总结了VFS对污染物的净化效果和VFS的最佳宽度；郑瑞伦等[9]也采用了列举的方式对VFS阻控除草剂的效果、影响因素进行了总结。这些研究虽然能加深对VFS的了解，但得到的结论不够全面，不能对VFS的实际应用提供具体指导。国内的研究也缺乏对VFS去除效率经验模型以及基于污染物在VFS中传输机理的数值模型的发展回顾。笔者首先统计分析室内以及野外实验的结果，判定VFS特征参数(VFS长度、坡度以及植被种类)和污染物质的特性对污染物去除效率的影响；然后总结国内外关于VFS去除效率的经验模型、物理模型，以期给VFS特征参数的设计提供参考。

1 VFS对污染物的去除方式

VFS的作用机理是增加下渗和减小流速。下渗的增加是由于植物的根系作用提高了土壤的水力传导度，流速的减小则是因为植被增加了地表糙度。下渗的增加直接导致溶解态污染物的减少，而地表径流速度的减小，会延长污染物的停滞时间，加强沉积和吸附等过程，从而减少污染物含量。基于作用机理、污染物的性质，笔者把不同的污染物在VFS中的去除方式进行总结，见表1[10-13]。从表1中可看出，VFS对泥沙的主要去除方式是滞留，对氮、磷和农药的主要去除方式为下渗，其次是吸附。

2 VFS污染物去除效率与各因素的关系

对应不同的研究方法[14]，VFS对污染物的去除效率计算有两种方法：一种是VFS中污染物浓度变化值或进、出口的比值；另一种是研究区(有VFS)与对照区(无VFS，即裸地)出口的污染物浓度的比值。通过控制VFS的特征参数，可以使VFS的去除效率达到一定标准。笔者对文献中已有的实验结果进行统计，以更全面地分析VFS特征参数(长度、坡度、植被类型)、污染物特性和污染物去除效率之间的关系。

表1 各污染物在VFS中的去除方式

2.1 长 度

相比其他拟合关系，对数[21]或指数关系[22]更能从理论上解释VFS污染物去除效率与长度的关系。因此，将从文献[10, 11, 13, 15-20]中提取的数据(图1(a)～(c))：VFS对总悬浮颗粒(TSS)、农药、TN、TP去除效率及相应的VFS长度，进行对数拟合。这里把文献中的泥沙和难溶的无机悬浮物、有机悬浮物一并考虑，将其统称为总悬浮颗粒物(TSS)。图1(d)为图1(a)～(c)中3种拟合关系的对比图。从图1(d)可以发现，农药对VFS长度的增加响应最灵敏，TSS和TN、TP的去除效率随VFS长度的增加变化较缓慢。这是因为TSS主要去除方式是沉积，径流中粒径较大、容易去除的颗粒基本上都被截留在前4 m，粒径较小的泥沙颗粒比较难去除，因此在4 m之后，去除效率随VFS长度增加不明显；TN、TP主要的去除方式是下渗，从水文角度看，下渗量是随着VFS长度增加而均匀增加的；农药由于较大的吸附能力，VFS长度对其的影响比对TN、TP更明显。

在实际应用中，需根据情况通过模拟得到合适的VFS长度，但图1的结果可供参考。对TSS、农药和TN、TP来说，要达到80%以上的去除效果，VFS长度分别需达到4 m，6 m和20 m。

2.2 坡 度

大部分研究认为坡度的增大会减弱VFS对污染物的去除效率，但也有研究认为坡度对VFS的污染物去除效率没有影响。根据文献[10, 11, 13, 15-20]中提取的数据得到坡度与污染物去除效率关系图(图2)，发现污染物去除效率和坡度的相关关系较弱，这和Yuan等[21-23]的结论相同。根据曼宁公式，明渠水流的流速与坡度成正相关(V～S0.5)，因此坡度增大，流速增大，减短滞留时间，且增大了TSS的临界沉降数，从而减弱了VFS的污染物去除效果。但流速对坡度的改变响应较弱，如当坡度S增大10倍时，流速才增大3倍，因此在研究的坡度范围之内(2%～15%)，坡度对污染物去除效果的影响不大。总体而言，坡度的增加会降低VFS对污染物质的去除效率，但是影响不明显。

(a) TSS

(b) 农药

(c) TN、TP

(d) 拟合关系对比

(a) TSS

(b) 农药

(c) TN、TP

2.3 植被类型

植被类型通过植物形态、生物量及根系作用影响污染物去除效率。生物量越大，曼宁系数越大，则流速越小，根系作用越强，下渗量越大，越有利于污染物的去除。Fasching等[24]发现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]认为植被覆盖面积会影响VFS对污染物的去除效率。这里的生物量是指与水流接触的部分，如草本VFS效果优于沙棘灌木过滤带[26]。有研究认为匍匐生长、茎干成网络状的植物形态污染物去除效果更好(如三叶草[27])，其次具有分蘖能力的植物(如黑麦草)污染物去除效果也较好[28]。此外，一些植物有特定功能，如柳枝稷能吸收氮磷等[29]，三叶草等植物的根系作用比较强。因此，在选择植被类型时，应该优先选择生物量大、根系作用强、形态复杂的植物，并结合需要去除的污染物加以选取，以提高污染物去除效率。

2.4 污染物特性

VFS对不同性质和类型污染物的去除效果不一样。VFS对泥沙的去除效果优于其他污染物，且对TSS而言，平均粒径较大的颗粒比粒径较小的容易去除。相同平均粒径下，粒径分布越均匀，VFS对泥沙去除效果越好。从Sabbagh等[30]总结的农药有机碳吸附系数(Koc)和农药去除效率的关系(图3)可以看出，Koc在0～220 L/kg的范围内，Koc抑制农药去除。Koc超越1 250 L/kg 后有促进作用[30-31]。

图3 农药有机碳吸附系数和去除效率

3 计算VFS污染物去除效率的经验模型和物理模型

3.1 经验模型

基于实验数据，研究者和工程师建立了定量估算VFS污染物去除效率的经验模型，本文选取了其中具有代表性的进行分析比较。

3.1.1 污染物去除效率和VFS长度关系的经验模型

(1)

式中：y为污染物去除效率；x为VFS长度，m；a、b为经验参数。

该模型[22，25]将其他因素(坡度、土壤类型等)的影响归结到参数a和b中，适用于泥沙和溶解态污染物。模型提供不同条件下a、b的经验值，见表2。该模型能计算不同长度的VFS的污染物去除效率，但依赖于经验参数的获取。

3.1.2 计算VFS对黏土、粉砂、砾石去除效率的经验模型

表2 模型中a、b的经验参数

注：0.5代表耕作，0.15代表不耕作表面覆盖作物残留。

除了能计算VFS对泥沙的总体拦截效果， SCVFS(sediment composition vegetative filter strip)模型[28]能分别计算流出VFS中的黏土、粉砂和砾石的含量，其计算公式分别为

(2)

(3)

Asand=Atotal-Aclay-Asilt

(4)

式中：Aclay、Asilt、Asand、Atotal分别为出口处的黏土、粉砂、砾石含量和泥沙总含量；A0clay、A0silt、A0sand、A0total分别为无VFS时出口处的黏土、粉砂、砾石含量和泥沙总含量；L、λ分别为VFS的长度和坡地的长度；Fclay、Fsilt分别为无VFS时黏土和粉砂占总输沙量的比例；R为降雨条件下的侵蚀程度；c1～c10为经验参数。

c1～c10的经验值分别为0.006、1.253、-0.547、0.320、-0.384、0.006、1.283、0.854、0.387、-0.519，适用于土壤有机物含量为2%～21%，平均值为 3%，黏土和粉砂的比例范围分别为5%～89%和10%～80%，平均值分别为33%和42%，平均空隙体积和孔隙度分别为1.16 mg/m3和53%，平均降雨强度为0.62 mm/h的情况。

3.1.3 基于去除方式建立的VFS污染物去除效率经验模型

部分研究[30, 32-33]从污染物的去除方式出发，通过衡量不同去除方式的贡献量，建立VFS对农药、TP去除效率的经验模型：

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分别为VFS对农药和TP的去除效率，%；ΔQ、ΔE分别为流经VFS后流量和泥沙减小率，%；Fpb为农药附着系数，表示溶解相和吸附到土壤颗粒的农药质量的比值；C为黏土含量百分数，%；Cat为农药种类。

公式(5)中，和ΔQ、ΔE成正相关，而溶解相农药越高(Fpb越大)不利于吸附，黏土含量越高，由于黏土不易去除，即使农药吸附于泥沙颗粒上也不容易被去除。公式(6)中的结果显示ΔP和ΔQ、农药种类与ΔQ/ΔE呈正相关，与其他因素呈负相关。公式(7)考虑了总磷的下渗和吸附。虽然3个模型(公式)对污染物去除效率有比较全面的估计，但需要已知ΔQ、ΔE，这也是不易得的参数，因此在应用时需要结合实验才能使用。

3.2 物理模型

经验模型有一定的局限性，尤其是经验参数的本地化存在局限。物理模型适用性更强，模拟精度更高。目前已经有了对泥沙、溶解态氮磷物质的传输机理模型。将降雨、水流运动和污染物运动模型加以耦合，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、溶质、农药传输模型的VFSMOD[34]，在国内外都有较广泛的应用[23, 35]。常用的水文模型、泥沙以及溶质传输模型如下：

3.2.1 水文模型

VFS中的水流运动需考虑坡面流和下渗，坡面流用Saint-venant方程表示。由于VFS中的水流多为层流，Carpena等[34]用运动波来表示，Helmers等[36]考虑地形对VFS中径流运动的影响，则用扩散波表示。一维运动波和扩散波方程分别见式(8)～(9)。VFS中的下渗则用Green-Ampt等来表示。

(8)

(9)

式中：h为水深，m；t为时间，s；q为流量，m3/s；x为水流方向的距离，m；r(x,t)为t时刻的降雨强度，m/s；f(x,t)为t时刻下渗率，m/s；S0为地面坡降；Sf为水力坡度。

3.2.2 泥沙运动模型

Kentucky模型描述了TSS在VFS中的运移过程，其概念模型见图4[37]。TSS的运移区域分为楔形区和悬浮颗粒区，其中O(t)为TSS沉积区，较大的颗粒在该区沉积，形成三角形区域；A(t)区域不发生TSS沉积，进入该区的TSS直接进入到B(t)；在B(t)区，TSS随距离发生均匀沉积，颗粒较大颗粒先沉积；在C(t)区的出口，推移质完全沉积；到达D(t)区TSS的粒径较小，虽然也会沉积，但沉积量很少。

该模型对TSS的沉积有具体的计算公式，Carpena等[34]的VFSMOD用该模型模拟了TSS在VFS中的传输，Helmers等[36]也用该模型模拟泥沙在坡地中的运动。但是某些研究表明，该模型不太适合模拟粒径较小的颗粒(如城市中的路面沙尘)[38]。

图4 TSS在VFS中的运移概念图

3.2.3 溶质运移模型

溶解态污染物的运动模型可以通过质量守恒定律得到，如Lee等[39]提出的磷在VFS中传播的模型GRAPH，模型中磷的运动单元见图5。该模型考虑了对流、下渗、吸附解吸[40]和生物摄取作用。通过对这一单元体进行物质守恒，列出如下等式：

(10)

式中各项代表的单元分别见图5。

图5 溶解磷在地表水单元中运动的单元图

与磷的运动模型一样，农药和氮等物质的模型可以按照上面原则建立，但需要对氮、磷的生物化学反应过程、吸附过程有很好的了解与数学描述。由于这些过程复杂，目前这方面的研究还是不成熟的，这些模型的应用也存在一定的缺陷。

4 总结与展望

全面回顾了VFS对泥沙、氮、磷和农药的去除效率研究，对实验数据、经验模型、传输机理模型的研究成果做了总结。VFS对污染物的去除效率和VFS长度呈对数或指数相关关系，坡度的影响不明显，农药的有机碳吸附系数对VFS污染物去除效率影响明显。经验模型能够按照泥沙的组分计算污染物去除效率，氮、磷的主要去除方式是下渗。

利用VFS缓解农业面源污染，一方面应该加强对其他污染物的研究，如胶体状的有机磷、大肠杆菌等，这类物质被忽视但影响明显；另一方面，考虑到国内的农田分布和城市面源污染特点，VFS在流域尺度上的应用以及对污染物去除效率的定量化计算是新的需求。

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