基于VFSMOD模型的植被缓冲带泥沙拦截效果模拟分析

2022-02-18张禹洋蔡国强聂世豪宗全利

人民珠江 2022年1期

张禹洋，孙政，蔡国强，聂世豪，张良，宗全利*

(1.青岛农业大学资源与环境学院，山东青岛 266109；2.青岛市大沽河管理服务中心，山东青岛 266232)

中国是世界上水土流失最为严重的国家之一，根据第二次全国土壤普查 (1979—1985 年)，中国耕地水土流失面积达 4.54×107hm2，占耕地总面积的35%[1]。水土流失导致了土地生产力的破坏，严重制约了中国社会和经济的进步，为了顺利推进中国生态文明建设，水土流失和水环境污染问题是所需要解决的关键问题[2]。植被缓冲带是一种防治水土流失的生物措施，通常是指位于水体和农业源区之间的植被，当地表径流流经植被缓冲带时，通过植被的拦截作用使泥沙速度减缓并将其截留在植被缓冲带，从而使进入水体的泥沙减少。国内外研究表明，植被缓冲带对地表径流中的泥沙有较好的拦截作用，是保护水源的重要措施[3]。植被缓冲带在欧美国家已得到了广泛应用，并取得了良好的控制效果[4-5]。Wilson等[6]的试验研究表明，植被缓冲带宽度与沉积物量、沉积物颗粒粒径成负相关关系。国内对植被缓冲带的研究开始较晚，但目前已经进行了一定程度的研究，李怀恩等[7]对植被缓冲带的定量计算进行研究时，介绍了植被缓冲带的概念及其应用。

VFSMOD主要用于模拟植被过滤带对坡面地表径流中泥沙和污染物的净化效果，得到广泛应用与认可。Thomas等[8]利用VFSMOD模型模拟植物的生长和形态以及入流泥沙浓度对植被缓冲带拦截泥沙的影响，研究指出植物的形态会影响泥沙浓度，泥沙浓度越大，植被缓冲带拦截泥沙的作用减弱；孙晓涛等[9]利用VFSMOD模型分析了植被缓冲带拦截效果的坡度、宽度、入流水量等因素的敏感性。

植被缓冲带主要由植被缓冲带的形状尺寸、坡度大小及植被特性构成，分别影响污染物的下渗速度、径流入流速度及缓冲带的吸收、吸附能力[10]。植被缓冲带对拦截泥沙的能力随植被缓冲带的不同而有明显差异[11]。由植被缓冲带中植物构成不同，可将其分为草地缓冲带、灌木缓冲带、乔木缓冲带以及由至少2种类型植被组成的复合型植被缓冲带[12]，其中，草地缓冲带对泥沙的拦截效果最为显著[13]。Moset等[14]研究指出，草地缓冲带整体高度较低、叶片面积较小，使得生物量产量较小，且存在根系浅及寿命短等问题，人们对草地过滤带的截污性能是否长期有效而存在质疑。Chung等[15]研究指出由于草地缓冲带根茎较浅、生物量较少，截污性能不如根茎较深、生物量较高的灌木、乔木缓冲带。

目前国内对植被缓冲带的研究主要集中在室内试验和现场试验，研究内容主要为植被缓冲带截留污染物效率及影响因素定性比较分析等[16]，鲜有具体到某一河流的实际工程的应用，本文以实地调查为基础，针对大沽河流域的现实情况，利用VFSMOD模型进行了植被缓冲带宽度、长度、坡度、植被间距、植被糙率的敏感性分析，为大沽河管理者提供了设计植被缓冲带的数据参考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

大沽河流域地处胶东沿海，是胶东半岛最大河流，属海洋性气候，流域内雨量较充沛，降雨量年际变化较大。流域面积(不包括南胶莱河流域)为 4 631.3 km2，包括烟台、青岛2市的9个县市(区)。大沽河流域青岛市辖区内，约1/3面积属于泛低山丘陵强度侵蚀区， 2/3的面积属于平原微度侵蚀区，均须加强水土保持和进行规划治理。本文以大沽河流域(图1)的北岔河村(36°32′8″N,120°8′31″E)、仁兆镇拦河闸(36°35′40″N,120°11′46″E)、程家小里村(36°43′21″N,120°18′12″E)、后路家村(37°9′44″N,120°27′10″E)4处较为典型的植被缓冲带的实测数据作为研究对象，使用VFSMOD模型模拟大沽河流域植被缓冲带对泥沙的拦截效果。

图1 大沽河流域及典型取样点分布

1.2 大沽河流域植被缓冲带

2020年7月17日，对大沽河进行了现场考察和调研，并于7—8月3次到大沽河流域进行实地调查，收集了大沽河流域现状等资料。对北岔河村、移风拦河闸、程家小里村、后路家村典型位置的地表土体和植被缓冲带基本参数进行了现场取样，共收集了8处不同位置的土体、4处缓冲带参数，见表1。

表1 大沽河现场取样一览

1.3 VFSMOD模型简介

VFSMOD模型是是由美国Florida大学的Carpena 等人于1999年提出的一个基于降雨田间尺度机制的数学模型，可用来预测植被缓冲带对坡面地表径流中泥沙净化效果、地表径流拦截效果以及污染拦截效果[17]。2005年VFSMOD模型被美国环保局(USEPA)用来评价植被过滤带在最佳管理措施( best management practice，BMPs)中的效率[18]。

VFSMOD模型由以下4个模块构成：①入渗模块，用于计算土壤表面的水量平衡；②坡面流模块，用于计算渗透土壤表面的流动深度和速度；③泥沙运动模块，用于模拟泥沙沿植被缓冲带输移及沉积的过程；④水质/污染物输移模块，用于模拟污染物沿植被缓冲带迁移及削减的过程。模型结构见图2。

图2 VFSMOD模型结构示意

使用VFSMOD模型模拟植被缓冲带对泥沙拦截过程如下，利用地表径流子模块，计算出在农田源区产生的的地表径流量、径流深以及流速；泥沙运动模块在地表径流到达植被缓冲带后，会认为植被的存在而对地表径流产生阻力，减慢地表径流的速度，从而减少泥沙携带量，进而导致粗颗粒泥沙主要以推移质形式运动。泥沙运动模块由源区、植被缓冲带入口、楔形区、悬移质区和植被缓冲带出口组成，植被缓冲带进口泥沙层的厚度与植被的有效高度，决定了该部分拦截下来的泥沙及其堆积体的型态。每个时间步长的初始泥沙负荷与入流泥沙负荷的对比关系，决定了泥沙在楔形区的沉积与输移，计算过程中使用了改进的曼宁公式、连续方程和 Einstein 推移质运动公式[19]。泥沙在悬移质区的过滤算法是Tollner等提出的“基于概率方法的非淹没流湍流扩散方程”，该方程运用了数学中的概率理论对结果进行了处理[20]。

1.4 VFSMOD模型主要参数

通过实地调研考察和室内土工试验，得到中值粒径、土壤初始含水率等主要参数；以实地考察资料为基础，利用模型模拟了30 min时间长度，降雨强度为2 mm/mim，源区形成的地表径流及流量峰值。

模型参数中与大沽河实际相关的植被参数(长度、宽度、间距、高度等)和土壤参数(初始含水率、颗粒分级数、粒径等)以现场调研和试验结果进行设定，饱和导水率、湿润峰处平均吸力、饱和含水率等未直接获得的参数，根据模型研究者建议采用Rawls[21]等给出的Green-Ampt模型参考参数，其他相关模型计算等参数主要根据VFSMOD模型的参数设定规则确定，具体见表2—6。这样模拟结果既符合大沽河流域的实际情况，又满足模型的设定规则且有其他类似研究结果的验证[9]，可以较为合理的表现大沽河流域植被缓冲带各参数对泥沙拦截的影响。表2—6中取值范围以区间表达的即为本次研究所针对的对象参数，呈现4个不同参数的即为4处植被缓冲带的不同参数，从左向右依次为：北岔河村、仁兆镇拦河闸、程家小里村、后路家村。

表2 地表径流模拟参数的取值

表3 入渗模型土壤参数的取值

表4 泥沙过滤模型缓冲性能参数的取值

表5 泥沙过滤模型泥沙特性参数的取值

表6 入流参数的取值

2 结果与分析

使用VFSMOD模型研究了植被缓冲带便于人工控制的因素：宽度、长度、植被间距、坡度、植被糙率的敏感性，在分析各个参数的过程中，保持其他参数一致，以保证模拟结果不会受其他因素影响。

在此次分析中，以泥沙拦截率作为衡量标准，即被拦截在植被缓冲带的泥沙量占从源区随地表径流进入植被缓冲带的泥沙量的比例。在VFSMOD模型中植被缓冲带的泥沙拦截率是通过源区坡度、地表径流流量、泥沙中值粒径、降雨强度等来确定源区产生的泥沙量，由植被缓冲带的宽度、长度、植被间距、糙率等来确定植被缓冲带拦截的泥沙量，由后者比前者得出泥沙拦截率。

植被缓冲带宽度、长度越大，植被缓冲带拦截泥沙的面积越大，泥沙速度减缓的幅度越大，停留在植被缓冲带的泥沙越多，对泥沙的拦截效果也越显著[22]；植被是组成植被缓冲带的主体，植被间距和植被糙率直接影响了泥沙在植被缓冲带运动过程中的速率；植被缓冲带坡度会对径流的入流速度和通过植被缓冲带所需的时间产生直接影响，以至于影响植被缓冲带截留径流中泥沙的效率[23]。

2.1 植被缓冲带宽度对泥沙拦截率的影响

在植被缓冲带长度、植被间距、坡度、植被糙率等参数不变前提下，使用模型模拟宽度分别为1、3、5、7、9 m时，植被缓冲带对泥沙的拦截效果，结果见图3。

图3 植被缓冲带宽度对泥沙拦截效果的影响

从图3可以看出，植被缓冲带宽度与泥沙拦截率具有较强的相关性，具体表现为宽度对泥沙拦截率呈正相关，即泥沙拦截率随缓冲带宽度的增加而提高。

在不同的宽度范围内，宽度的增加对泥沙拦截率的影响率(拦截率变化/缓冲带宽度变化)不同，当植被缓冲带宽度达到5 m以后宽度对泥沙拦截率影响变化率会减缓。其中，北岔河植被缓冲带在宽度从1 m增加到5 m过程中，泥沙拦截率增加了33.90%，在宽度从5 m增加到9 m的过程中，泥沙拦截率仅仅增加了1.7%；仁兆镇拦河闸植被缓冲带，在宽度从1 m增加到5 m过程中，泥沙拦截率增加了50.6%，在宽度从5 m增加到9 m的过程中，泥沙拦截率仅增加7.4%；程家小里村植被缓冲带，在宽度从1 m增加到5 m过程中，泥沙拦截率增加了12.4%，在宽度从5 m增加到9 m的过程中，泥沙拦截率仅增加7.3%；后路家村植被缓冲带，在宽度从1 m增加到5 m过程中，泥沙拦截率增加了23.1%，在宽度从5 m增加到9 m的过程中，泥沙拦截率仅增加2.6%。充分说明了，其他参数不变的情况下，植被缓冲带宽度在达到一定程度后，其对泥沙拦截率的影响率将会下降，最后趋于稳定。

2.2 植被缓冲带长度对泥沙拦截率的影响

在植被缓冲带宽度、植被间距、坡度、植被糙率等参数相同的前提下，使用模型模拟北岔河村、仁兆镇拦河闸、程家小里村植被缓冲带长度为10、15、…、45、50 m时，后路家村10、20、…、90、100 m时植被缓冲带对泥沙的拦截效果，结果见图4。

a)北岔河、仁兆镇、程家小里村

从图4可以看出，植被缓冲带长度对泥沙拦截效果呈较强的正相关，表现为泥沙拦截率随植被缓冲带长度的增加而提高，但当长度增长到一定程度时，泥沙拦截率的增幅降低。

北岔河村、仁兆镇拦河闸、程家小李村植被缓冲带在长度达到20 m以后，泥沙拦截率增幅显著降低；相比较而言，后路家村植被缓冲带对泥沙的拦截效果，随着植被缓冲带长度的增加，尽管增幅也在降低，但呈现出一种较为稳定的增长，充分说明，其他参数不变的情况下，植被缓冲带长度达到一定程度后，其对泥沙拦截率的影响率将会下降，最后趋于稳定。

2.3 植被间距对泥沙拦截率的影响

在植被缓冲带宽度、长度、坡度、植被糙率等参数相同的前提下，使用模型模拟北岔河村、仁兆镇拦河闸、程家小里村植被间距为2、4、…、18、20 cm时，植被缓冲带对泥沙的拦截效果，结果见图5。

图5 植被间距对泥沙拦截率影响

从图5可以看出，泥沙拦截率与植被间距呈显著的负相关，表现为泥沙拦截率随植被间距的增大而降低，但植被间距增大到一定程度时，泥沙拦截率随植被间距的增大而降低的幅度减缓，具体表现为北岔河村、仁兆镇拦河闸、程家小里村、后路家村植被缓冲带植被间距分别在10、8、6、10 cm后泥沙拦截率减小幅度降低，充分说明，其他参数不变的情况下，植被间距达到一定程度后，其对泥沙拦截率的影响率将会下降，最后趋于稳定。

2.4 植被缓冲带坡度对泥沙拦截率的影响

在植被缓冲带宽度、长度、植被间距、植被糙率等参数相同的前提下，使用模型模拟北岔河村、仁兆镇拦河闸、程家小里村、后路家村植被缓冲带坡度为0.01、0.02、…、0.09、0.10时，植被缓冲带对泥沙的拦截效果，结果见图6。

图6 植被缓冲带坡度对泥沙拦截率影响

从图6可以看出，在其他参数不变的前提下，泥沙拦截率与植被缓冲带坡度呈负相关，即泥沙拦截率随植被缓冲带坡度的增大而降低，但坡度增大到一定程度时，泥沙拦截率随坡度的增大而减小的幅度降低，具体表现为北岔河村、仁兆镇拦河闸、程家小里村、后路家村植被缓冲带坡度分别在0.05、0.04、0.04、0.03后泥沙拦截率减小幅度降低，充分说明，其他参数不变的情况下，植被缓冲带坡度达到一定程度后，其对泥沙拦截率的影响率将会下降，最后趋于稳定。

2.5 植被糙率对泥沙拦截率的影响。

在植被缓冲带宽度、长度、植被间距、坡度等参数相同的前提下，使用模型模拟北岔河村、仁兆镇拦河闸、程家小里村、后路家村植被缓冲带植被糙率为0.01、0.014、…、0.022、0.026时，植被缓冲带对泥沙的拦截效果，结果见图7。

图7 植被糙率对泥沙拦截率影响

从图7可以看出，植被缓冲带的植被糙率对泥沙拦截率呈负相关，即泥沙拦截率随着植被缓冲带植被糙率的增加而降低，当植被糙率达到一定程度时，泥沙拦截率随植被缓冲带植被糙率的增大将不再显著变化。北岔河村和后路家村两处典型样区的泥沙拦截率对植被糙率不敏感，植被糙率从0.010增加到0.026，泥沙拦截率分别仅降低9.0%、6.2%；仁兆镇拦河闸和程家小里村两处典型样区对泥沙拦截率对植被糙率相对敏感，植被糙率从0.01增加到0.026，泥沙拦截率分别降低25.5%、19.9%。充分说明，其他参数不变的情况下，植被糙率达到一定程度后，其对泥沙拦截率的影响率将会下降，最后趋于稳定。

3 讨论

在2 mm/min的降雨强度，30 min的降雨时间的降雨条件下，大沽河流域的植被缓冲带设计的实际工程中，应考虑自然、经济等情况设计植被缓冲带的宽度、长度等参数，如果单纯的增加植被缓冲带的长度、宽度、减少植被间距，不仅会造成一定程度的土地浪费，而且将会抬高沟道洪水位，冲刷岸边，带来负效应[24]。

由于大沽河的主要部分位于青岛市，结合青岛市实际降雨情况，以下结论都是在青岛市正常自然状况下能达到的较大降雨强度下，所做出的各典型植被缓冲带拦截泥沙效果分析。得出的各项结论，基本能满足正常年份、正常降雨条件下，大沽河流域植被缓冲带对泥沙拦截的条件。

基于图3、4泥沙拦截率对植被缓冲带长度和宽度的敏感性,建议大沽河流域植被缓冲带设计时优先考虑植被缓冲带宽度，以北岔河村、仁兆镇拦河闸、程家小里村、后路家村为例，4处植被缓冲带分别设计为5、7、9、5 m为宜；以植被缓冲带宽度为5 m的前提下，植被缓冲带长度分别应设计为：15、30、20、100 m，以达到95%左右的泥沙拦截率。

分析图5可知，在4处典型样区中泥沙拦截率对植被间距敏感区间分别为：北岔河村10 cm以内，仁兆镇拦河闸8 cm以内，程家小里村6 cm以内，后路家村10 cm以内，结合成本、效益分析，大沽河植被缓冲带的植被间距设计在6～10 cm为宜。

基于图6泥沙拦截率对植被缓冲带坡度的敏感性，坡度在0.01～0.03时，泥沙拦截率对坡度的敏感性较强，建议当植被缓冲带坡度较大且施工较为方便时，先进行土地平整工程，当坡度在0.04之后泥沙拦截效率的变化将不会再随坡度的增大而降低。所以，当植被缓冲带的坡度较大且施工较为困难时，进行土地平整工程的代价若远远大于改善后植被缓冲带的拦截效率所带来的收益，建议采取其他方式改善植被缓冲带。建议大沽河流域植被缓冲带尽量设置在缓坡。

分析图7可知，植被缓冲带的植被糙率对泥沙拦截效率影响并不明显，而且本着以大沽河流域原生生物为植被缓冲带第一选择的原则，并不建议再引入其他植被。

综上分析可知，在设计大沽河植被缓冲带的过程中，考虑的先后次序是：宽度、植被间距、长度、坡度、植被糙率。影响植被缓冲带拦截泥沙的因素还有很多，例如植被缓冲带自身生长状况、地表径流入流水量、入流泥沙密度、缓冲带的实际地况等因素，都会直接影响植被缓冲带对泥沙的拦截。应以因地制宜作为设计植被缓冲带的根本原则，不需过度的追求长度、宽度的扩大，不需追求植被间距的过密，根据实地情况，统筹植被缓冲带各参数的主次，兼顾成本及可能产生的负面影响，合理设计植被缓冲带。