植生滤带对农业面源污染防治及VFSMOD模型的研究与应用进展

郭益铭，李　冉，姚立全

(1.中国地质大学(武汉)盆地水文过程与湿地生态恢复学术创新基地，湖北 武汉,430074;2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

随着全球经济的快速发展，导致环境问题日益突出，其中农业面源污染严重影响了水环境系统及环境健康，制约着农业的可持续发展[1-2]。世界上许多国家如美国、加拿大、英国、澳大利亚和德国等已对农业面源污染的发生机理及其相应的控制措施进行了研究[3-5]。我国从20世纪80年代起认识到农业面源污染的危害[6-7]，虽然采取了一些防治措施，但该问题仍很严重。中国共产党第十九次全国代表大会提出了要加快水污染防治，加强农业面源污染防治，实施流域环境和近岸海域综合治理。因此，如何科学、有效地控制农业面源污染已成为我国目前亟待解决的重大科学问题。

目前，国内外有关农业面源污染防治的技术有很多，如减氮控磷技术、人工湿地净化技术等[8-9]。植生滤带(Vegetative Filter Strips,VFS)作为控制面源污染的有效措施，在欧美国家已得到了广泛应用，并取得了良好的控制效果[10-12]。但是，在地下水水位明显变化的条件下，如何更好地规划岸边植生滤带是目前急需解决的问题。

数学模型是规划植生滤带以有效抑制面源污染传输的重要工具，其中VFSMOD模型能有效模拟植生滤带对地表径流污染物的削减效率以及描述沉积物(sediment)在植生滤带的迁移过程，已被国外广泛地关注及应用[13-14]。

本文综述了农业面源污染的危害与现状、植生滤带的功能特性及其对控制农业面源污染传输的影响程度，并介绍了VFSMOD模型的运行原理及其在植生滤带方面的应用现状，探讨了其在我国的适用性，旨在为植生滤带的规划设计及控制农业面源污染提供参考。

1　农业面源污染的危害与现状

农业面源污染是指在农业生产活动中，农田中的营养盐(氮磷等)[15]、农药(滴滴涕等)[16]、沉积物[17]、病原体(pathogens)(如沙门氏菌、致病性大肠杆菌及隐孢子虫等)[18-20]及其他污染物，在降水或灌溉过程中，经由农田地表径流、壤中流、农田排水和地下渗流等途径，进入水体而形成的污染。其中，氮磷污染会引起藻华，部分藻类如微囊藻会分泌微囊藻毒素，对接触水体的动植物和人类具有潜在的危害。

全球大约30%～50%的地表水受农业面源污染的影响[21-22]。目前我国农业面源污染问题也很严峻。2010年全国各类源总磷(TP)和总氮(TN)的总排放量分别为43.32万t和472.89万t，其中农业源排放的总磷和总氮分别占其总排放量的67%和57%[23]。据报道[24]，2016年10月全国河流的1 655个监测断面中，化学需氧量(COD)、TP和TN超标断面个数分别为225个、205个和160个。

2　农业面源污染防治—植生滤带

最能因地制宜地解决农业面源污染的根本途径，即是适当地改造当地环境的生态自然工程技术[25]。植生滤带作为控制农业面源污染的最佳管理措施，即生态自然工程技术的主要措施之一[26]，在国外已被广泛应用于削减农业面源污染的传输，详见表1。

表1　植生滤带的特性及其削减面源污染效率的研究现状Table 1　Summary of the characteristics and trapping efficiency of VFS

2. 1　植生滤带的定义

由于认识上的差异和看问题角度的不同，不同的研究者对植生滤带的定义有不同的表述[37-38]。普遍的定义是，植生滤带系指靠近水域边并与水体发生作用的陆地植被区域，一般应用于道路与河流边坡、坡地果菜园及水库保护缓冲滤带。植生滤带所处位置的特殊性及植被结构等特点，使其在削减坡地农业及观光业所产生的面源污染物[39]、增加水分渗透力[40]及土壤抗侵蚀能力[41]和美化环境[42]等方面有着非常重要的意义，为集水区水土保持的重要方法之一。

2. 2　植生滤带的影响因素

2.2.1土壤特性

植生滤带可降低地表径流的流速、增加水力停留时间，进而削减沉积物、氮磷和有机物等污染物质，这个过程主要受土壤结构及理化性质的影响。土壤饱和渗透系数可影响土壤渗透性及径流出流，从而影响植生滤带对面源污染物的削减效率。如砂壤土较粉砂壤土有较高的饱和渗透系数，能产生较多的入渗量，对污染物有更高的去除效率[28]。初始土壤含水量、饱和土壤含水量、土壤体积密度以及土壤对污染物吸附及解析等特性，也会影响植生滤带削减农业面源污染物传输的效率[19]。

2.2.2入流径流中沉积物颗粒的尺寸

植生滤带对地表径流中沉积物的削减效率与沉积物颗粒的粒级有一定的关系。较大沉积物颗粒(直径大于40 μm)大部分会在过滤带的上部区域被捕获，然而小尺寸颗粒较易悬浮在径流中流出植生滤带，难被植被截留在滤带里[43]。较小的黏土颗粒需要更多的时间来沉淀，因此必须设置较长或较密的植生滤带。

2.2.3植被特性

不同种类或生长期的植物对地表径流中氮、磷和农药等污染物的拦截及吸附效率有较大的差异[44]。研究表明草本植物对营养物质的吸收及滞留效果优于乔木植被[45]。Lambrechts等[33]研究发现仅4个月大的黑麦草对沉积物的拦截效率可达50%，比同时期的三叶草对沉积物的拦截效率高出约10%。此外，植被的疏密程度决定土壤表面粗糙度，也影响沉积物和氮磷等营养物质于植生滤带传输的程度[46]。

2.2.4植生滤带的坡度

植生滤带坡度是影响其工作性能的另一个关键因素[47]。植生滤带坡度越大，地表水流速越大，径流传输沉积物和污染物的动能也越大。因此，提高坡度会降低植生滤带对沉积物和污染物传输的抑制效率[48]。在美国弗吉尼亚州及印第安纳州等区域的研究发现，坡度分别为3%和12%时，植生滤带对沉积物的削减效率分别为97%和56%[49]。

2.2.5植生滤带的有效宽度

植生滤带的有效宽度会直接影响其对污染物的削减效率[50]，而对植生滤带最适宜的有效宽度研究目前尚无定论。有些研究认为，植生滤带的有效宽度不应小于10 m，有效宽度大于39 m时对污染物的削减效果最好，而小于7 m时效果最差[51]。而有的研究则表明有效宽度为3～8 m的植生滤带就能够拦截50%～80%的污染物，可以适应大部分的污染情况[52]。

2.2.6降雨强度

降雨会产生径流冲刷、溶出下垫面的地表污染物，并携带其进入水体造成水环境污染[53]。同等强度的降雨比该强度的地表径流对土壤侵蚀的影响更严重[54]。Kuo[31]研究发现降雨强度为60 mm/h时地表径流中沉积物和总磷浓度为0.073 g/L和2.540 mg/L，分别是降雨强度为24 mm/h时的1.9和1.6倍。

2.2.7浅层地下水水位

河岸带植生滤带靠近水域边，其周围存在季节性浅层地下水水位或上层滞水面[55]。Dosskey[56]指出浅层地下水水位(<1.8 m)是影响植生滤带性能的重要因子之一。薄砂含水层中地下水的流向及位置也会影响植生滤带的削减效率[57]，这与浅层地下水水位引起的土壤饱和现象有关[58]。Lauvernet等[59]研究发现一定深度范围内，地下水水位的升降会改变影响植生滤带性能的因子(植生滤带长度、土壤特性等)的重要性。Fox等[60]通过室内装置模拟试验，研究了地下水水位对植生滤带削减径流流量的影响。然而，很少有研究量化分析不同浅层地下水水位对植生滤带削减地表径流污染物的影响。

在不同区域、水文地质特征和气候等条件下，仅通过现场试验很难快速及有效地设置植生滤带及评估其对农业面源污染物传输的抑制效率。然而建立农业面源污染物于植生滤带传输的模型，能协助设置植生滤带并评估其工作性能，以便更好地推广应用植生滤带。

3　植生滤带模拟模型——VFSMOD模型

目前农业面源污染控制机制已逐渐由最初的定性研究发展为定量化研究，污染物控制机制、转化机理等研究也已得到一定的发展，而数学模型正逐步成为模拟评估农业面源污染削减机制的重要手段。

3. 1　VFSMOD模型简介

很多模型被研发用以模拟植生滤带对地表径流中污染物传输的抑制效率[61]，但不能描述随时间变化的渗透现象，因此不能准确地描述沉积物流经植生滤带的径流历程及沉积物于植生滤带的沉积过程。如CREAMS模型的水文模块无法描述径流流量及峰值速率的变化，不能模拟植生滤带内物质运移的物理过程，且适用性仍待商榷[62]。VFSMOD系美国佛罗里达大学生物与农业工程学系Muoz-Carpena教授于1993年开发，用以模拟单场暴雨所产生的沉积物于植生滤带的传输过程，是田间尺度及面向设计的数值模拟系统，已于2005年被美国环保署(EPA)公告可用来评估集水区植生滤带控制面源污染效率的模型[63]。该模型的核心是研究水文过程和沉积物通过植生滤带的运移过程，能够计算植生滤带在不同土壤类型、过滤带植生粗糙度、有效宽度、长度及降雨强度等参数下的径流出流量、下渗量和沉积物截留效率等。

3. 2　VFSMOD模型的组成

VFSMOD模型当前可用的模块主要有(见图1)：①入渗模块，用于计算土壤中的水量平衡；②地表径流模块，用于计算渗透性土壤表面径流深度和速度；③水质/污染物传输模块，用于模拟污染物质沿植生滤带纵向的迁移及削减过程；④沉积物过滤模块，用于模拟沉积物沿植生滤带纵向的运移及沉积过程[64]。

VFSMOD模型主要包括3个子模型程序，以实现所述模块。地表径流水文子模型基于改进型Green-Ampt方程，耦合渗透子模块于时变雨强条件下计算入渗量，并使用Saint-Vennant’s运动波方程的Petrov-Galerkin有限元数值解计算径流深度和流量。

图1　VFSMOD模型组成Fig.1　Components of VFSMOD

沉积物运移子模型是在室内试验条件下，基于地表径流水文动力学和沉积物的运移沉积特征所求得的，以模拟与评估植被对悬浮固体的过滤截留作用[64]。沉积物运移子模型的原理为当地表径流到达过滤带上边缘时，植被的存在可增加水力阻力，导致水流流速减缓和挟沉积物运移能力降低，造成主要以推移质形式运动的粗颗粒沉积物(粒径dp>0.003 7 cm)的沉积。该模型的计算程序使用了改进的曼宁明渠流方程、连续方程及Einstein推移质运动方程。

污染物传输捕获子模型将VFSMOD模型与经验捕获效率方程结合，显著提高了经验模型对污染物削减效率之预测效果。

3. 3　VFSMOD模型的模拟评估

数值模型是基于多种不确定因素建立起来的(如复杂的输入参数、模型算法或结构和模型校准数据或边界条件等，见表2)，这些不确定性因素的来源会影响模型的输出结果，故需要对模型进行全局敏感性和不确定性分析(见图2)，以提高模型的科学性和价值。

表2　VFSMOD模型的模拟参数Table 2　Simulation parameters of VFSMOD

图2　全局敏感性和不确定性分析的一般机制[65]Fig.2　　　　Schematic of the global sensitivity and uncertainty analysis[65]

3.3.1全局敏感性分析

对VFSMOD模型进行全局敏感性分析能够探讨整个参数空间对模型结果的影响，通过检验各输入参数对模型模拟结果影响程度的大小，找出并校正影响较大的参数，固定影响较小(或无影响)的参数，减少模型校正工作量。分析模型的敏感度有传统数学方法[66]，但这些分析方法适应于较窄范围值，具有局限性。而Morris于1991年提出的全局敏感性分析不仅可以针对各种输出结果提供重要参数的排名，而且可以确定参数间的相互作用，该分析方法仅需少量的模拟量，且其结果很容易解释[14,67]。该方法中，每一次输入都假设一些离散值，且选择在已分配好变化范围内的值作为参数，每一个参数都进行两个敏感性测试方法：①元素影响的均值(μ)，用于估计参数对输出结果的整体影响；②影响的标准偏差(σ)，用于评估参数的高阶特性(如曲率或元素的相互作用)。

3.3.2全局不确定性分析

数学模型的不确定性分析方法有很多种，而最有效的方法是基于模型输出结果的概率分布函数[68]，如一阶线性逼近方法，即输出结果的均值或期望值是基于输入参数的方差或协方差和局部绝对敏感性指标计算得到的。而Saltelli[69]提出的扩展傅立叶振幅敏感性测试(Extended Fourier Analysis Sensitivity Test，EFAST)，是一种基于方差的分析方法，它可以应用在通过Morris筛选方法得到重要输入参数的子集来完成敏感度信息的定量分析。与一阶线性逼近方法(First-Order-Approximation，FOA)相比，EFAST分析方法不需要使用者事先了解模型可加性或模型输出概率分布函数的形式等，且可同时有效地评估多个参数的不确定性及敏感度，具有一定的优越性。此外，EFAST分析方法的另一优势是，由于其结果来自一个随机抽样程序，它可作为通过构建累计概率分布函数对每一个所选择的输出结果进行不确定性分析的基础。

3. 4　VFSMOD模型的实际应用

3.4.1VFSMOD模型的应用现状

VFSMOD模型已在北卡罗来纳州沿海平原[70]、美国中西部[71-72]和加拿大[73]等地被广泛应用于评估不同配置植生滤带对污染物质的削减效率，如削减地表径流中农药[71]、磷等营养物质[74]、粪便病原体[75]及沉积物[33]等。Muoz-Carpena等[70]于北卡罗来纳州的海岸平原，试验了27场自然降雨事件下植生滤带对沉积物的截留效率，并用VFSMOD模型进行模拟预测，取得了良好的模拟效果。Fox等[60]使用VFSMOD模型评估在均匀流及集中流条件下，预测入渗量、沉积物及污染物削减量时输入参数的重要性及不确定性，并通过实验室植生滤带模拟试验为VFSMOD模型提供试验数据，以验证浅层地下水水位变化对地表径流的影响，结果显示模型的拟合效果达99.5%，说明VFSMOD模型的模拟结果能成功地捕集地表径流动力学。

在我国，杨寅群等[76]通过野外小区试验资料检验VFSMOD模型对国内植被过滤带净化效果的模拟情况，进而分析其适用性，结果表明：出流径流量和出流沉积物浓度模拟值与各自实测值的判定系数R2分别为0.995和0.889，说明VFSMOD模型具有较高的精度与较强的适应性，可用于植生滤带的规划设计。

3.4.2VFSMOD模型的应用范例

Kuo[31]于佛罗里达州中部磷矿修复区试验植生滤带对地表径流中磷素传输的削减效率，并使用VFSMOD模型进行了模拟评估。该研究共设置A和B两个植生滤带试验区，植生滤带坡度分别为2.0%和4.3%，每个试验区皆有未种植植被的污染来源区，且各有两个不同的滤带长度，分别为A区的4.1 m及5.8 m和B区的6.8 m及13.4 m。本次研究共收集约20场有效降雨数据，记录来自污染区及植生滤带的地表径流量、磷及沉积物的历时变化，并应用VFSMOD模型模拟植生滤带的地表径流、沉积物、总磷及颗粒态磷的历时变化，结果显示观测值与模型预测值能达到良好的拟合，由于沉积物本身即富含磷灰石，因此植生滤带对沉积物及总磷的削减效率皆高达98%。基于Kuo[31]的研究结果，Muoz-Carpena等[65]利用Morris分析方法筛选出在VFSMOD模型中的重要参数如VKS、PD和FWIDTH进行全局敏感性分析[见图3(a)]，并结合EFSAT方法进行不确定性分析，结果显示：以5 m植生滤带为例，在50年设计暴雨条件下，减少80%的地表径流中沉积物的传输(SDR<0.20)的概率大约为90%[见图3(b)]。

可见，VFSMOD模型能成功地预测植生滤带对磷矿区地表径流中污染物的削减效率。

图3　　　　VFSMOD模型输出值的全局敏感性分析(a)和 全局性不确定分析(b)Fig.3　　　　Global sensitivity analysis results for selected VFS- MOD outputs obtained from the Morris screening (a) and global uncertainty results for selected VFSMOD outputs obtained by extended FAST (b)

3. 5　VFSMOD模型的局限性

VFSMOD模型将地表径流假设为均匀流，当过滤带没有进行正确的维护时，地表径流在过滤带内会形成集中流，这时将集中流当作均匀流来处理时可能会造成模拟误差。而且当过滤带长度超过模型设计值时，就会违反运动波假设。

由于描述植生滤带中水文情况及沉积物运移的参数变数大，所以试验场地的变异性是误差的内在来源。土壤饱和导水率参数的变化范围对观测数据和模拟的拟合是必不可少的，虽然这种变化可通过由于季节性及生物因素引起的土壤表层状况的改变来解释，但是这些变化在实地情况下是很难量化的。

4　研究展望

目前，有关农业面源污染的修复技术研究在不断发展，植生滤带作为抑制面源污染传输的最佳管理措施，已被广泛研究，但是还存在以下一些问题：

(1) 已有很多研究探讨了植生滤带的坡度、长度、有效宽度和植被类型等因素对地表径流量、径流中悬浮物和氮磷等营养物的截留效率，但是很少有研究从浅层地下水水位改变的角度，探讨其对植生滤带工作效率的影响。今后的研究可以探讨在不同植被特性和降雨强度条件下，浅层地下水水位的升降对植生滤带削减径流中悬浮物、营养物及农药等的影响。

(2) 随着研究的不断深入，VFSMOD模型得到了逐步完善，但是还有需要改进的问题。如现有的VFSMOD模型缺少子模块来模拟吸附性污染物(如氮、磷及农药等)的迁移转化。未来可以通过野外试验数据结果建立污染物在植生滤带中传输的子模块，以对面源污染进行最佳管理。

未来我国应在研究植生滤带对农业面源污染物削减效率的同时，积极应用VFSMOD模型并开发面源污染传输子模块，以推广植生滤带技术，有效防治农业面源污染。

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