郭益銘，李　冉，姚立全

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)盆地水文過程與濕地生態(tài)恢復(fù)學(xué)術(shù)創(chuàng)新基地，湖北 武漢,430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致環(huán)境問題日益突出，其中農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重影響了水環(huán)境系統(tǒng)及環(huán)境健康，制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。世界上許多國家如美國、加拿大、英國、澳大利亞和德國等已對農(nóng)業(yè)面源污染的發(fā)生機(jī)理及其相應(yīng)的控制措施進(jìn)行了研究[3-5]。我國從20世紀(jì)80年代起認(rèn)識到農(nóng)業(yè)面源污染的危害[6-7]，雖然采取了一些防治措施，但該問題仍很嚴(yán)重。中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會提出了要加快水污染防治，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染防治，實(shí)施流域環(huán)境和近岸海域綜合治理。因此，如何科學(xué)、有效地控制農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國目前亟待解決的重大科學(xué)問題。

目前，國內(nèi)外有關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染防治的技術(shù)有很多，如減氮控磷技術(shù)、人工濕地凈化技術(shù)等[8-9]。植生濾帶(Vegetative Filter Strips,VFS)作為控制面源污染的有效措施，在歐美國家已得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的控制效果[10-12]。但是，在地下水水位明顯變化的條件下，如何更好地規(guī)劃岸邊植生濾帶是目前急需解決的問題。

數(shù)學(xué)模型是規(guī)劃植生濾帶以有效抑制面源污染傳輸?shù)闹匾ぞ?，其中VFSMOD模型能有效模擬植生濾帶對地表徑流污染物的削減效率以及描述沉積物(sediment)在植生濾帶的遷移過程，已被國外廣泛地關(guān)注及應(yīng)用[13-14]。

本文綜述了農(nóng)業(yè)面源污染的危害與現(xiàn)狀、植生濾帶的功能特性及其對控制農(nóng)業(yè)面源污染傳輸?shù)挠绊懗潭?，并介紹了VFSMOD模型的運(yùn)行原理及其在植生濾帶方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了其在我國的適用性，旨在為植生濾帶的規(guī)劃設(shè)計(jì)及控制農(nóng)業(yè)面源污染提供參考。

1　農(nóng)業(yè)面源污染的危害與現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，農(nóng)田中的營養(yǎng)鹽(氮磷等)[15]、農(nóng)藥(滴滴涕等)[16]、沉積物[17]、病原體(pathogens)(如沙門氏菌、致病性大腸桿菌及隱孢子蟲等)[18-20]及其他污染物，在降水或灌溉過程中，經(jīng)由農(nóng)田地表徑流、壤中流、農(nóng)田排水和地下滲流等途徑，進(jìn)入水體而形成的污染。其中，氮磷污染會引起藻華，部分藻類如微囊藻會分泌微囊藻毒素，對接觸水體的動植物和人類具有潛在的危害。

全球大約30%～50%的地表水受農(nóng)業(yè)面源污染的影響[21-22]。目前我國農(nóng)業(yè)面源污染問題也很嚴(yán)峻。2010年全國各類源總磷(TP)和總氮(TN)的總排放量分別為43.32萬t和472.89萬t，其中農(nóng)業(yè)源排放的總磷和總氮分別占其總排放量的67%和57%[23]。據(jù)報(bào)道[24]，2016年10月全國河流的1 655個監(jiān)測斷面中，化學(xué)需氧量(COD)、TP和TN超標(biāo)斷面?zhèn)€數(shù)分別為225個、205個和160個。

2　農(nóng)業(yè)面源污染防治—植生濾帶

最能因地制宜地解決農(nóng)業(yè)面源污染的根本途徑，即是適當(dāng)?shù)馗脑飚?dāng)?shù)丨h(huán)境的生態(tài)自然工程技術(shù)[25]。植生濾帶作為控制農(nóng)業(yè)面源污染的最佳管理措施，即生態(tài)自然工程技術(shù)的主要措施之一[26]，在國外已被廣泛應(yīng)用于削減農(nóng)業(yè)面源污染的傳輸，詳見表1。

表1　植生濾帶的特性及其削減面源污染效率的研究現(xiàn)狀Table 1　Summary of the characteristics and trapping efficiency of VFS

2. 1　植生濾帶的定義

由于認(rèn)識上的差異和看問題角度的不同，不同的研究者對植生濾帶的定義有不同的表述[37-38]。普遍的定義是，植生濾帶系指靠近水域邊并與水體發(fā)生作用的陸地植被區(qū)域，一般應(yīng)用于道路與河流邊坡、坡地果菜園及水庫保護(hù)緩沖濾帶。植生濾帶所處位置的特殊性及植被結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，使其在削減坡地農(nóng)業(yè)及觀光業(yè)所產(chǎn)生的面源污染物[39]、增加水分滲透力[40]及土壤抗侵蝕能力[41]和美化環(huán)境[42]等方面有著非常重要的意義，為集水區(qū)水土保持的重要方法之一。

2. 2　植生濾帶的影響因素

2.2.1土壤特性

植生濾帶可降低地表徑流的流速、增加水力停留時間，進(jìn)而削減沉積物、氮磷和有機(jī)物等污染物質(zhì)，這個過程主要受土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響。土壤飽和滲透系數(shù)可影響土壤滲透性及徑流出流，從而影響植生濾帶對面源污染物的削減效率。如砂壤土較粉砂壤土有較高的飽和滲透系數(shù)，能產(chǎn)生較多的入滲量，對污染物有更高的去除效率[28]。初始土壤含水量、飽和土壤含水量、土壤體積密度以及土壤對污染物吸附及解析等特性，也會影響植生濾帶削減農(nóng)業(yè)面源污染物傳輸?shù)男蔥19]。

2.2.2入流徑流中沉積物顆粒的尺寸

植生濾帶對地表徑流中沉積物的削減效率與沉積物顆粒的粒級有一定的關(guān)系。較大沉積物顆粒(直徑大于40 μm)大部分會在過濾帶的上部區(qū)域被捕獲，然而小尺寸顆粒較易懸浮在徑流中流出植生濾帶，難被植被截留在濾帶里[43]。較小的黏土顆粒需要更多的時間來沉淀，因此必須設(shè)置較長或較密的植生濾帶。

2.2.3植被特性

不同種類或生長期的植物對地表徑流中氮、磷和農(nóng)藥等污染物的攔截及吸附效率有較大的差異[44]。研究表明草本植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收及滯留效果優(yōu)于喬木植被[45]。Lambrechts等[33]研究發(fā)現(xiàn)僅4個月大的黑麥草對沉積物的攔截效率可達(dá)50%，比同時期的三葉草對沉積物的攔截效率高出約10%。此外，植被的疏密程度決定土壤表面粗糙度，也影響沉積物和氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)于植生濾帶傳輸?shù)某潭萚46]。

2.2.4植生濾帶的坡度

植生濾帶坡度是影響其工作性能的另一個關(guān)鍵因素[47]。植生濾帶坡度越大，地表水流速越大，徑流傳輸沉積物和污染物的動能也越大。因此，提高坡度會降低植生濾帶對沉積物和污染物傳輸?shù)囊种菩蔥48]。在美國弗吉尼亞州及印第安納州等區(qū)域的研究發(fā)現(xiàn)，坡度分別為3%和12%時，植生濾帶對沉積物的削減效率分別為97%和56%[49]。

2.2.5植生濾帶的有效寬度

植生濾帶的有效寬度會直接影響其對污染物的削減效率[50]，而對植生濾帶最適宜的有效寬度研究目前尚無定論。有些研究認(rèn)為，植生濾帶的有效寬度不應(yīng)小于10 m，有效寬度大于39 m時對污染物的削減效果最好，而小于7 m時效果最差[51]。而有的研究則表明有效寬度為3～8 m的植生濾帶就能夠攔截50%～80%的污染物，可以適應(yīng)大部分的污染情況[52]。

2.2.6降雨強(qiáng)度

降雨會產(chǎn)生徑流沖刷、溶出下墊面的地表污染物，并攜帶其進(jìn)入水體造成水環(huán)境污染[53]。同等強(qiáng)度的降雨比該強(qiáng)度的地表徑流對土壤侵蝕的影響更嚴(yán)重[54]。Kuo[31]研究發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度為60 mm/h時地表徑流中沉積物和總磷濃度為0.073 g/L和2.540 mg/L，分別是降雨強(qiáng)度為24 mm/h時的1.9和1.6倍。

2.2.7淺層地下水水位

河岸帶植生濾帶靠近水域邊，其周圍存在季節(jié)性淺層地下水水位或上層滯水面[55]。Dosskey[56]指出淺層地下水水位(<1.8 m)是影響植生濾帶性能的重要因子之一。薄砂含水層中地下水的流向及位置也會影響植生濾帶的削減效率[57]，這與淺層地下水水位引起的土壤飽和現(xiàn)象有關(guān)[58]。Lauvernet等[59]研究發(fā)現(xiàn)一定深度范圍內(nèi)，地下水水位的升降會改變影響植生濾帶性能的因子(植生濾帶長度、土壤特性等)的重要性。Fox等[60]通過室內(nèi)裝置模擬試驗(yàn)，研究了地下水水位對植生濾帶削減徑流流量的影響。然而，很少有研究量化分析不同淺層地下水水位對植生濾帶削減地表徑流污染物的影響。

在不同區(qū)域、水文地質(zhì)特征和氣候等條件下，僅通過現(xiàn)場試驗(yàn)很難快速及有效地設(shè)置植生濾帶及評估其對農(nóng)業(yè)面源污染物傳輸?shù)囊种菩省Ｈ欢⑥r(nóng)業(yè)面源污染物于植生濾帶傳輸?shù)哪Ｐ?，能協(xié)助設(shè)置植生濾帶并評估其工作性能，以便更好地推廣應(yīng)用植生濾帶。

3　植生濾帶模擬模型——VFSMOD模型

目前農(nóng)業(yè)面源污染控制機(jī)制已逐漸由最初的定性研究發(fā)展為定量化研究，污染物控制機(jī)制、轉(zhuǎn)化機(jī)理等研究也已得到一定的發(fā)展，而數(shù)學(xué)模型正逐步成為模擬評估農(nóng)業(yè)面源污染削減機(jī)制的重要手段。

3. 1　VFSMOD模型簡介

很多模型被研發(fā)用以模擬植生濾帶對地表徑流中污染物傳輸?shù)囊种菩蔥61]，但不能描述隨時間變化的滲透現(xiàn)象，因此不能準(zhǔn)確地描述沉積物流經(jīng)植生濾帶的徑流歷程及沉積物于植生濾帶的沉積過程。如CREAMS模型的水文模塊無法描述徑流流量及峰值速率的變化，不能模擬植生濾帶內(nèi)物質(zhì)運(yùn)移的物理過程，且適用性仍待商榷[62]。VFSMOD系美國佛羅里達(dá)大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)系Muoz-Carpena教授于1993年開發(fā)，用以模擬單場暴雨所產(chǎn)生的沉積物于植生濾帶的傳輸過程，是田間尺度及面向設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬系統(tǒng)，已于2005年被美國環(huán)保署(EPA)公告可用來評估集水區(qū)植生濾帶控制面源污染效率的模型[63]。該模型的核心是研究水文過程和沉積物通過植生濾帶的運(yùn)移過程，能夠計(jì)算植生濾帶在不同土壤類型、過濾帶植生粗糙度、有效寬度、長度及降雨強(qiáng)度等參數(shù)下的徑流出流量、下滲量和沉積物截留效率等。

3. 2　VFSMOD模型的組成

VFSMOD模型當(dāng)前可用的模塊主要有(見圖1)：①入滲模塊，用于計(jì)算土壤中的水量平衡；②地表徑流模塊，用于計(jì)算滲透性土壤表面徑流深度和速度；③水質(zhì)/污染物傳輸模塊，用于模擬污染物質(zhì)沿植生濾帶縱向的遷移及削減過程；④沉積物過濾模塊，用于模擬沉積物沿植生濾帶縱向的運(yùn)移及沉積過程[64]。

VFSMOD模型主要包括3個子模型程序，以實(shí)現(xiàn)所述模塊。地表徑流水文子模型基于改進(jìn)型Green-Ampt方程，耦合滲透子模塊于時變雨強(qiáng)條件下計(jì)算入滲量，并使用Saint-Vennant’s運(yùn)動波方程的Petrov-Galerkin有限元數(shù)值解計(jì)算徑流深度和流量。

圖1　VFSMOD模型組成Fig.1　Components of VFSMOD

沉積物運(yùn)移子模型是在室內(nèi)試驗(yàn)條件下，基于地表徑流水文動力學(xué)和沉積物的運(yùn)移沉積特征所求得的，以模擬與評估植被對懸浮固體的過濾截留作用[64]。沉積物運(yùn)移子模型的原理為當(dāng)?shù)乇韽搅鞯竭_(dá)過濾帶上邊緣時，植被的存在可增加水力阻力，導(dǎo)致水流流速減緩和挾沉積物運(yùn)移能力降低，造成主要以推移質(zhì)形式運(yùn)動的粗顆粒沉積物(粒徑dp>0.003 7 cm)的沉積。該模型的計(jì)算程序使用了改進(jìn)的曼寧明渠流方程、連續(xù)方程及Einstein推移質(zhì)運(yùn)動方程。

污染物傳輸捕獲子模型將VFSMOD模型與經(jīng)驗(yàn)捕獲效率方程結(jié)合，顯著提高了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯ξ廴疚锵鳒p效率之預(yù)測效果。

3. 3　VFSMOD模型的模擬評估

數(shù)值模型是基于多種不確定因素建立起來的(如復(fù)雜的輸入?yún)?shù)、模型算法或結(jié)構(gòu)和模型校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或邊界條件等，見表2)，這些不確定性因素的來源會影響模型的輸出結(jié)果，故需要對模型進(jìn)行全局敏感性和不確定性分析(見圖2)，以提高模型的科學(xué)性和價值。

表2　VFSMOD模型的模擬參數(shù)Table 2　Simulation parameters of VFSMOD

圖2　全局敏感性和不確定性分析的一般機(jī)制[65]Fig.2　　　　Schematic of the global sensitivity and uncertainty analysis[65]

3.3.1全局敏感性分析

對VFSMOD模型進(jìn)行全局敏感性分析能夠探討整個參數(shù)空間對模型結(jié)果的影響，通過檢驗(yàn)各輸入?yún)?shù)對模型模擬結(jié)果影響程度的大小，找出并校正影響較大的參數(shù)，固定影響較小(或無影響)的參數(shù)，減少模型校正工作量。分析模型的敏感度有傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法[66]，但這些分析方法適應(yīng)于較窄范圍值，具有局限性。而Morris于1991年提出的全局敏感性分析不僅可以針對各種輸出結(jié)果提供重要參數(shù)的排名，而且可以確定參數(shù)間的相互作用，該分析方法僅需少量的模擬量，且其結(jié)果很容易解釋[14,67]。該方法中，每一次輸入都假設(shè)一些離散值，且選擇在已分配好變化范圍內(nèi)的值作為參數(shù)，每一個參數(shù)都進(jìn)行兩個敏感性測試方法：①元素影響的均值(μ)，用于估計(jì)參數(shù)對輸出結(jié)果的整體影響；②影響的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)，用于評估參數(shù)的高階特性(如曲率或元素的相互作用)。

3.3.2全局不確定性分析

數(shù)學(xué)模型的不確定性分析方法有很多種，而最有效的方法是基于模型輸出結(jié)果的概率分布函數(shù)[68]，如一階線性逼近方法，即輸出結(jié)果的均值或期望值是基于輸入?yún)?shù)的方差或協(xié)方差和局部絕對敏感性指標(biāo)計(jì)算得到的。而Saltelli[69]提出的擴(kuò)展傅立葉振幅敏感性測試(Extended Fourier Analysis Sensitivity Test，EFAST)，是一種基于方差的分析方法，它可以應(yīng)用在通過Morris篩選方法得到重要輸入?yún)?shù)的子集來完成敏感度信息的定量分析。與一階線性逼近方法(First-Order-Approximation，F(xiàn)OA)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輸出概率分布函數(shù)的形式等，且可同時有效地評估多個參數(shù)的不確定性及敏感度，具有一定的優(yōu)越性。此外，EFAST分析方法的另一優(yōu)勢是，由于其結(jié)果來自一個隨機(jī)抽樣程序，它可作為通過構(gòu)建累計(jì)概率分布函數(shù)對每一個所選擇的輸出結(jié)果進(jìn)行不確定性分析的基礎(chǔ)。

3. 4　VFSMOD模型的實(shí)際應(yīng)用

3.4.1VFSMOD模型的應(yīng)用現(xiàn)狀

VFSMOD模型已在北卡羅來納州沿海平原[70]、美國中西部[71-72]和加拿大[73]等地被廣泛應(yīng)用于評估不同配置植生濾帶對污染物質(zhì)的削減效率，如削減地表徑流中農(nóng)藥[71]、磷等營養(yǎng)物質(zhì)[74]、糞便病原體[75]及沉積物[33]等。Muoz-Carpena等[70]于北卡羅來納州的海岸平原，試驗(yàn)了27場自然降雨事件下植生濾帶對沉積物的截留效率，并用VFSMOD模型進(jìn)行模擬預(yù)測，取得了良好的模擬效果。Fox等[60]使用VFSMOD模型評估在均勻流及集中流條件下，預(yù)測入滲量、沉積物及污染物削減量時輸入?yún)?shù)的重要性及不確定性，并通過實(shí)驗(yàn)室植生濾帶模擬試驗(yàn)為VFSMOD模型提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證淺層地下水水位變化對地表徑流的影響，結(jié)果顯示模型的擬合效果達(dá)99.5%，說明VFSMOD模型的模擬結(jié)果能成功地捕集地表徑流動力學(xué)。

在我國，楊寅群等[76]通過野外小區(qū)試驗(yàn)資料檢驗(yàn)VFSMOD模型對國內(nèi)植被過濾帶凈化效果的模擬情況，進(jìn)而分析其適用性，結(jié)果表明：出流徑流量和出流沉積物濃度模擬值與各自實(shí)測值的判定系數(shù)R2分別為0.995和0.889，說明VFSMOD模型具有較高的精度與較強(qiáng)的適應(yīng)性，可用于植生濾帶的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

3.4.2VFSMOD模型的應(yīng)用范例

Kuo[31]于佛羅里達(dá)州中部磷礦修復(fù)區(qū)試驗(yàn)植生濾帶對地表徑流中磷素傳輸?shù)南鳒p效率，并使用VFSMOD模型進(jìn)行了模擬評估。該研究共設(shè)置A和B兩個植生濾帶試驗(yàn)區(qū)，植生濾帶坡度分別為2.0%和4.3%，每個試驗(yàn)區(qū)皆有未種植植被的污染來源區(qū)，且各有兩個不同的濾帶長度，分別為A區(qū)的4.1 m及5.8 m和B區(qū)的6.8 m及13.4 m。本次研究共收集約20場有效降雨數(shù)據(jù)，記錄來自污染區(qū)及植生濾帶的地表徑流量、磷及沉積物的歷時變化，并應(yīng)用VFSMOD模型模擬植生濾帶的地表徑流、沉積物、總磷及顆粒態(tài)磷的歷時變化，結(jié)果顯示觀測值與模型預(yù)測值能達(dá)到良好的擬合，由于沉積物本身即富含磷灰石，因此植生濾帶對沉積物及總磷的削減效率皆高達(dá)98%?；贙uo[31]的研究結(jié)果，Muoz-Carpena等[65]利用Morris分析方法篩選出在VFSMOD模型中的重要參數(shù)如VKS、PD和FWIDTH進(jìn)行全局敏感性分析[見圖3(a)]，并結(jié)合EFSAT方法進(jìn)行不確定性分析，結(jié)果顯示：以5 m植生濾帶為例，在50年設(shè)計(jì)暴雨條件下，減少80%的地表徑流中沉積物的傳輸(SDR<0.20)的概率大約為90%[見圖3(b)]。

可見，VFSMOD模型能成功地預(yù)測植生濾帶對磷礦區(qū)地表徑流中污染物的削減效率。

圖3　　　　VFSMOD模型輸出值的全局敏感性分析(a)和 全局性不確定分析(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模型將地表徑流假設(shè)為均勻流，當(dāng)過濾帶沒有進(jìn)行正確的維護(hù)時，地表徑流在過濾帶內(nèi)會形成集中流，這時將集中流當(dāng)作均勻流來處理時可能會造成模擬誤差。而且當(dāng)過濾帶長度超過模型設(shè)計(jì)值時，就會違反運(yùn)動波假設(shè)。

由于描述植生濾帶中水文情況及沉積物運(yùn)移的參數(shù)變數(shù)大，所以試驗(yàn)場地的變異性是誤差的內(nèi)在來源。土壤飽和導(dǎo)水率參數(shù)的變化范圍對觀測數(shù)據(jù)和模擬的擬合是必不可少的，雖然這種變化可通過由于季節(jié)性及生物因素引起的土壤表層狀況的改變來解釋，但是這些變化在實(shí)地情況下是很難量化的。

4　研究展望

目前，有關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染的修復(fù)技術(shù)研究在不斷發(fā)展，植生濾帶作為抑制面源污染傳輸?shù)淖罴压芾泶胧驯粡V泛研究，但是還存在以下一些問題：

(1) 已有很多研究探討了植生濾帶的坡度、長度、有效寬度和植被類型等因素對地表徑流量、徑流中懸浮物和氮磷等營養(yǎng)物的截留效率，但是很少有研究從淺層地下水水位改變的角度，探討其對植生濾帶工作效率的影響。今后的研究可以探討在不同植被特性和降雨強(qiáng)度條件下，淺層地下水水位的升降對植生濾帶削減徑流中懸浮物、營養(yǎng)物及農(nóng)藥等的影響。

(2) 隨著研究的不斷深入，VFSMOD模型得到了逐步完善，但是還有需要改進(jìn)的問題。如現(xiàn)有的VFSMOD模型缺少子模塊來模擬吸附性污染物(如氮、磷及農(nóng)藥等)的遷移轉(zhuǎn)化。未來可以通過野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果建立污染物在植生濾帶中傳輸?shù)淖幽K，以對面源污染進(jìn)行最佳管理。

未來我國應(yīng)在研究植生濾帶對農(nóng)業(yè)面源污染物削減效率的同時，積極應(yīng)用VFSMOD模型并開發(fā)面源污染傳輸子模塊，以推廣植生濾帶技術(shù)，有效防治農(nóng)業(yè)面源污染。

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