植被過濾帶的污染物去除效率研究進展

庾從蓉，段佩怡

(1. 河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2. 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098)

植被過濾帶( vegetative filter strips，VFS)是設立在面源污染源與水體之間的一道攔截關卡，旨在減少降雨徑流中危害水質的污染物含量。國內外研究表明，VFS對泥沙[1]、氮磷[2]、農藥、微量元素[3]等污染物質有良好的攔截效果，對保護水體有著重要的作用。VFS的主要特征參數有長度(沿徑流方向)、寬度(垂直徑流方向)和植被類型，同時，坡度、土壤類型、污染物特性等也是重要影響因素。隨著我國對水環境保護的日益重視及《水污染防治行動計劃》的發布，VFS在海綿城市建設中得到應用[4]，VFS在我國水環境保護中的作用日益明顯[5-6]。為了對VFS在我國的應用提供理論指導，對其研究進展進行系統的歸納與總結十分有必要。

國內關于VFS研究進展的文獻中，王良民等[7]最先總結了VFS的發展歷史、結構、污染物控制機理；陶梅等[8]通過列舉的方式總結了VFS對污染物的凈化效果和VFS的最佳寬度；鄭瑞倫等[9]也采用了列舉的方式對VFS阻控除草劑的效果、影響因素進行了總結。這些研究雖然能加深對VFS的了解，但得到的結論不夠全面，不能對VFS的實際應用提供具體指導。國內的研究也缺乏對VFS去除效率經驗模型以及基于污染物在VFS中傳輸機理的數值模型的發展回顧。筆者首先統計分析室內以及野外實驗的結果，判定VFS特征參數(VFS長度、坡度以及植被種類)和污染物質的特性對污染物去除效率的影響；然后總結國內外關于VFS去除效率的經驗模型、物理模型，以期給VFS特征參數的設計提供參考。

1 VFS對污染物的去除方式

VFS的作用機理是增加下滲和減小流速。下滲的增加是由于植物的根系作用提高了土壤的水力傳導度，流速的減小則是因為植被增加了地表糙度。下滲的增加直接導致溶解態污染物的減少，而地表徑流速度的減小，會延長污染物的停滯時間，加強沉積和吸附等過程，從而減少污染物含量?；谧饔脵C理、污染物的性質，筆者把不同的污染物在VFS中的去除方式進行總結，見表1[10-13]。從表1中可看出，VFS對泥沙的主要去除方式是滯留，對氮、磷和農藥的主要去除方式為下滲，其次是吸附。

2 VFS污染物去除效率與各因素的關系

對應不同的研究方法[14]，VFS對污染物的去除效率計算有兩種方法：一種是VFS中污染物濃度變化值或進、出口的比值；另一種是研究區(有VFS)與對照區(無VFS，即裸地)出口的污染物濃度的比值。通過控制VFS的特征參數，可以使VFS的去除效率達到一定標準。筆者對文獻中已有的實驗結果進行統計，以更全面地分析VFS特征參數(長度、坡度、植被類型)、污染物特性和污染物去除效率之間的關系。

表1 各污染物在VFS中的去除方式

2.1 長 度

相比其他擬合關系，對數[21]或指數關系[22]更能從理論上解釋VFS污染物去除效率與長度的關系。因此，將從文獻[10, 11, 13, 15-20]中提取的數據(圖1(a)～(c))：VFS對總懸浮顆粒(TSS)、農藥、TN、TP去除效率及相應的VFS長度，進行對數擬合。這里把文獻中的泥沙和難溶的無機懸浮物、有機懸浮物一并考慮，將其統稱為總懸浮顆粒物(TSS)。圖1(d)為圖1(a)～(c)中3種擬合關系的對比圖。從圖1(d)可以發現，農藥對VFS長度的增加響應最靈敏，TSS和TN、TP的去除效率隨VFS長度的增加變化較緩慢。這是因為TSS主要去除方式是沉積，徑流中粒徑較大、容易去除的顆?；旧隙急唤亓粼谇? m，粒徑較小的泥沙顆粒比較難去除，因此在4 m之后，去除效率隨VFS長度增加不明顯；TN、TP主要的去除方式是下滲，從水文角度看，下滲量是隨著VFS長度增加而均勻增加的；農藥由于較大的吸附能力，VFS長度對其的影響比對TN、TP更明顯。

在實際應用中，需根據情況通過模擬得到合適的VFS長度，但圖1的結果可供參考。對TSS、農藥和TN、TP來說，要達到80%以上的去除效果，VFS長度分別需達到4 m，6 m和20 m。

2.2 坡 度

大部分研究認為坡度的增大會減弱VFS對污染物的去除效率，但也有研究認為坡度對VFS的污染物去除效率沒有影響。根據文獻[10, 11, 13, 15-20]中提取的數據得到坡度與污染物去除效率關系圖(圖2)，發現污染物去除效率和坡度的相關關系較弱，這和Yuan等[21-23]的結論相同。根據曼寧公式，明渠水流的流速與坡度成正相關(V～S0.5)，因此坡度增大，流速增大，減短滯留時間，且增大了TSS的臨界沉降數，從而減弱了VFS的污染物去除效果。但流速對坡度的改變響應較弱，如當坡度S增大10倍時，流速才增大3倍，因此在研究的坡度范圍之內(2%～15%)，坡度對污染物去除效果的影響不大?？傮w而言，坡度的增加會降低VFS對污染物質的去除效率，但是影響不明顯。

(a) TSS

(b) 農藥

(c) TN、TP

(d) 擬合關系對比

(a) TSS

(b) 農藥

(c) TN、TP

2.3 植被類型

植被類型通過植物形態、生物量及根系作用影響污染物去除效率。生物量越大，曼寧系數越大，則流速越小，根系作用越強，下滲量越大，越有利于污染物的去除。Fasching等[24]發現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]認為植被覆蓋面積會影響VFS對污染物的去除效率。這里的生物量是指與水流接觸的部分，如草本VFS效果優于沙棘灌木過濾帶[26]。有研究認為匍匐生長、莖干成網絡狀的植物形態污染物去除效果更好(如三葉草[27])，其次具有分蘗能力的植物(如黑麥草)污染物去除效果也較好[28]。此外，一些植物有特定功能，如柳枝稷能吸收氮磷等[29]，三葉草等植物的根系作用比較強。因此，在選擇植被類型時，應該優先選擇生物量大、根系作用強、形態復雜的植物，并結合需要去除的污染物加以選取，以提高污染物去除效率。

2.4 污染物特性

VFS對不同性質和類型污染物的去除效果不一樣。VFS對泥沙的去除效果優于其他污染物，且對TSS而言，平均粒徑較大的顆粒比粒徑較小的容易去除。相同平均粒徑下，粒徑分布越均勻，VFS對泥沙去除效果越好。從Sabbagh等[30]總結的農藥有機碳吸附系數(Koc)和農藥去除效率的關系(圖3)可以看出，Koc在0～220 L/kg的范圍內，Koc抑制農藥去除。Koc超越1 250 L/kg 后有促進作用[30-31]。

圖3 農藥有機碳吸附系數和去除效率

3 計算VFS污染物去除效率的經驗模型和物理模型

3.1 經驗模型

基于實驗數據，研究者和工程師建立了定量估算VFS污染物去除效率的經驗模型，本文選取了其中具有代表性的進行分析比較。

3.1.1 污染物去除效率和VFS長度關系的經驗模型

(1)

式中：y為污染物去除效率；x為VFS長度，m；a、b為經驗參數。

該模型[22，25]將其他因素(坡度、土壤類型等)的影響歸結到參數a和b中，適用于泥沙和溶解態污染物。模型提供不同條件下a、b的經驗值，見表2。該模型能計算不同長度的VFS的污染物去除效率，但依賴于經驗參數的獲取。

3.1.2 計算VFS對黏土、粉砂、礫石去除效率的經驗模型

表2 模型中a、b的經驗參數

注：0.5代表耕作，0.15代表不耕作表面覆蓋作物殘留。

除了能計算VFS對泥沙的總體攔截效果， SCVFS(sediment composition vegetative filter strip)模型[28]能分別計算流出VFS中的黏土、粉砂和礫石的含量，其計算公式分別為

(2)

(3)

Asand=Atotal-Aclay-Asilt

(4)

式中：Aclay、Asilt、Asand、Atotal分別為出口處的黏土、粉砂、礫石含量和泥沙總含量；A0clay、A0silt、A0sand、A0total分別為無VFS時出口處的黏土、粉砂、礫石含量和泥沙總含量；L、λ分別為VFS的長度和坡地的長度；Fclay、Fsilt分別為無VFS時黏土和粉砂占總輸沙量的比例；R為降雨條件下的侵蝕程度；c1～c10為經驗參數。

c1～c10的經驗值分別為0.006、1.253、-0.547、0.320、-0.384、0.006、1.283、0.854、0.387、-0.519，適用于土壤有機物含量為2%～21%，平均值為 3%，黏土和粉砂的比例范圍分別為5%～89%和10%～80%，平均值分別為33%和42%，平均空隙體積和孔隙度分別為1.16 mg/m3和53%，平均降雨強度為0.62 mm/h的情況。

3.1.3 基于去除方式建立的VFS污染物去除效率經驗模型

部分研究[30, 32-33]從污染物的去除方式出發，通過衡量不同去除方式的貢獻量，建立VFS對農藥、TP去除效率的經驗模型：

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分別為VFS對農藥和TP的去除效率，%；ΔQ、ΔE分別為流經VFS后流量和泥沙減小率，%；Fpb為農藥附著系數，表示溶解相和吸附到土壤顆粒的農藥質量的比值；C為黏土含量百分數，%；Cat為農藥種類。

公式(5)中，和ΔQ、ΔE成正相關，而溶解相農藥越高(Fpb越大)不利于吸附，黏土含量越高，由于黏土不易去除，即使農藥吸附于泥沙顆粒上也不容易被去除。公式(6)中的結果顯示ΔP和ΔQ、農藥種類與ΔQ/ΔE呈正相關，與其他因素呈負相關。公式(7)考慮了總磷的下滲和吸附。雖然3個模型(公式)對污染物去除效率有比較全面的估計，但需要已知ΔQ、ΔE，這也是不易得的參數，因此在應用時需要結合實驗才能使用。

3.2 物理模型

經驗模型有一定的局限性，尤其是經驗參數的本地化存在局限。物理模型適用性更強，模擬精度更高。目前已經有了對泥沙、溶解態氮磷物質的傳輸機理模型。將降雨、水流運動和污染物運動模型加以耦合，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、溶質、農藥傳輸模型的VFSMOD[34]，在國內外都有較廣泛的應用[23, 35]。常用的水文模型、泥沙以及溶質傳輸模型如下：

3.2.1 水文模型

VFS中的水流運動需考慮坡面流和下滲，坡面流用Saint-venant方程表示。由于VFS中的水流多為層流，Carpena等[34]用運動波來表示，Helmers等[36]考慮地形對VFS中徑流運動的影響，則用擴散波表示。一維運動波和擴散波方程分別見式(8)～(9)。VFS中的下滲則用Green-Ampt等來表示。

(8)

(9)

式中：h為水深，m；t為時間，s；q為流量，m3/s；x為水流方向的距離，m；r(x,t)為t時刻的降雨強度，m/s；f(x,t)為t時刻下滲率，m/s；S0為地面坡降；Sf為水力坡度。

3.2.2 泥沙運動模型

Kentucky模型描述了TSS在VFS中的運移過程，其概念模型見圖4[37]。TSS的運移區域分為楔形區和懸浮顆粒區，其中O(t)為TSS沉積區，較大的顆粒在該區沉積，形成三角形區域；A(t)區域不發生TSS沉積，進入該區的TSS直接進入到B(t)；在B(t)區，TSS隨距離發生均勻沉積，顆粒較大顆粒先沉積；在C(t)區的出口，推移質完全沉積；到達D(t)區TSS的粒徑較小，雖然也會沉積，但沉積量很少。

該模型對TSS的沉積有具體的計算公式，Carpena等[34]的VFSMOD用該模型模擬了TSS在VFS中的傳輸，Helmers等[36]也用該模型模擬泥沙在坡地中的運動。但是某些研究表明，該模型不太適合模擬粒徑較小的顆粒(如城市中的路面沙塵)[38]。

圖4 TSS在VFS中的運移概念圖

3.2.3 溶質運移模型

溶解態污染物的運動模型可以通過質量守恒定律得到，如Lee等[39]提出的磷在VFS中傳播的模型GRAPH，模型中磷的運動單元見圖5。該模型考慮了對流、下滲、吸附解吸[40]和生物攝取作用。通過對這一單元體進行物質守恒，列出如下等式：

(10)

式中各項代表的單元分別見圖5。

圖5 溶解磷在地表水單元中運動的單元圖

與磷的運動模型一樣，農藥和氮等物質的模型可以按照上面原則建立，但需要對氮、磷的生物化學反應過程、吸附過程有很好的了解與數學描述。由于這些過程復雜，目前這方面的研究還是不成熟的，這些模型的應用也存在一定的缺陷。

4 總結與展望

全面回顧了VFS對泥沙、氮、磷和農藥的去除效率研究，對實驗數據、經驗模型、傳輸機理模型的研究成果做了總結。VFS對污染物的去除效率和VFS長度呈對數或指數相關關系，坡度的影響不明顯，農藥的有機碳吸附系數對VFS污染物去除效率影響明顯。經驗模型能夠按照泥沙的組分計算污染物去除效率，氮、磷的主要去除方式是下滲。

利用VFS緩解農業面源污染，一方面應該加強對其他污染物的研究，如膠體狀的有機磷、大腸桿菌等，這類物質被忽視但影響明顯；另一方面，考慮到國內的農田分布和城市面源污染特點，VFS在流域尺度上的應用以及對污染物去除效率的定量化計算是新的需求。

[1]FLANAGAN K,BRANCHU P,RAMIER D,et al.Evaluation of the relative roles of a vegetative filter strip and a biofiltration swale in a treatment train for road runoff[J].Water Science and Technology,2017,75(4):987-997

[2]SCAVIA D,KALCIC M,LOGSDON R,et al.Multiple models guide strategies for agricultural nutrient reductions[J].The Ecological Society of America,2017,15(3):126-132

[3]LAMBRECHTS T,DE BRAEKELEER B C,FAUTSCH V,et al.Can vegetative filter strips efficiently trap trace elements during water erosion events?A flume experiment with contaminated sediments[J].Ecological Engineering,2014,68:60-64

[4]夏軍，石衛，王強，等.海綿城市建設中若干水文學問題的研討[J].水資源保護，2017，33(1):1-8.(XIA Jun,SHI Wei,WANG Qiang,et al.Discussion of several hydrological issues regarding sponge city construction [J].Water Resources Protection,2017,33(1):1-8.(in Chinese))

[5]章二子，易明珠，何華，等.塘壩整治上游水土攔截植被過濾帶適宜寬度的理論計算研究[J].江蘇水利，2017(9):28-33.(ZHANG Erzi,YI Mingzhu,HE Hua,et al.Theoretical calculation study on appropriate width of upstream soil and water conservation intercepting vegetative filter strips in dam regulation[J].Jiangsu Water Resources,2017(09):28-33.(in Chinese))

[6]姜仁貴，解建倉.城市內澇的集合應對體系[J].水資源保護，2017，33(1):17.(JIANG Rengui,XIE Jiancang.Urban waterlogging collection system [J].Water Resources Protection,2017，33(1):17.(in Chinese))

[7]王良民，王彥輝.植被過濾帶的研究和應用進展[J].應用生態學報，2008,19(9):2074-2080.(WANG Liangmin,WANG Yanhui.Research and application advances on vegetative filter strips[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2008,19(9):2074-2080.(in Chinese))

[8]陶梅，薩仁娜.植被過濾帶防治農業面源污染研究進展[J].山西農業科學，2012,40(1):91-94.(TAO Mei,SA Renna.Research progresses in control of agricultural non-point pollution by vegetative filter strips[J].Journa of Shanxi Agricultural Sciences，2012,40(1):91-94.(in Chinese))

[9]鄭瑞倫，龐卓，王慶海.植被過濾帶阻控除草劑污染的研究與應用進展[J].雜草學報，2017,35(1):1-7.(ZHENG Ruilun,PANG Zhuo,WANG Qinghai.Research and application advances on the control of pesticide pollution with a vegetative filter strip[J].Journal of Weed Science，2017,35(1):1-7.(in Chinese))

[10]GHARABAGHI B,RUDRA R P,GOEL P K.Effectiveness of vegetative filter strips in removal of sediments from overland flow[J].Journal of Water Quality Research,2006,41(3):275-282.

[11]VIANELLO M,VISCHETTI C,SCARPONI L,et al.Herbicide losses in runoff events from a field with a low slope:role of a vegetative filter strip[J].Chemosphere,2005,61(5):717-725.

[12]VIAUD V,MEROT P,BAUDRY J.Hydro chemical buffer assessment in agricultural landscapes:from local to catchment scale[J].Environmental Management,2004,34(4):559-573.

[13]KRUTZ L J,SENSEMAN S A,DOZIER M C,et al.Infiltration and adsorption of dissolved atrazine and atrazine metabolites in buffalograss filter strips[J].Journal of Environmental Quality,2003,32(6):2319.

[14]GIL J S K.Determination of removal efficiency using vegetative filter strips based on various efficiency evaluation methods[J].Environment of Earth Science,2015,73:6437-6444.

[15]DILLAHA T A,RENEAU R B,MOSTAGHIMI S,et al.Vegetative filter strips for agricultural nonpoint source pollution control[J].American Society of Agricultural Engineers,1989,32(2):513-519.

[16]DORIOZ J M,WANG D,POULENARD J,et al.The effect of grass buffer strips on phosphorus dynamics:a critical review and synthesis as a basis for application in agricultural landscapes in France[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2006,117:4-21.

[17]REICHENBERGERE S,BACH M,SKITSCHAK A,et al.Mitigation strategies to reduce pesticide inputs into ground and surface water and their effectiveness:a review[J].Science of The Total Environment,2007,384(1/2/3):1-35.

[18]PAN C,MA L,SHANGGUAN Z.Effectiveness of grass strips in trapping suspended sediments from runoff[J].Earth Surface Processes and Landforms,2010,35(9):1006-1013.

[19]ARORA K,MICKELSON S K,HELMERS M J,et al.Review of pesticide retention process occurring in buffer strips receiving agricultural runoff[J].Journal of the American Water Resources Association,2010,3(46):25-34.

[20]AL-WADAEY A,WORTMANN C S,FRANTI T G,et al.Effectiveness of grass filters in reducing phosphorus and sediment Runoff[J].Water,Air,and Soil Pollution,2012,223:5865-5875

[21]YUAN Y,BINGNER R L,LOCKE M A.A review of effectiveness of vegetative buffers on sediment trapping in agricultural areas[J].Ecohydrology,2009,2(3):321-336

[22]DOSSKEY M G,HELMERS M J,EISEHAUER D E.A design aid for determining width of filter strips[J].Journal of Soil and Water Conservation,2008,63(4):232-241

[23]ABU-ZREIG M.Factors affecting sediment trapping in vegetated filter strips:simulation study using VFSMOD[J].Hydrological Processes,2001,15(8):1477-1488

[24]FASCHING R A,BAUDER J W.Evaluation of agricultural sediment load reductions using vegetative filter strips of cool season grasses[J].Water Environment Research,2001,73(5):590-596

[25]YANG F,YANG Y,Li H,et al.Removal efficiencies of vegetation-specific filter strips on nonpoint source pollutants[J].Ecological Engineering,2015,82:145-158

[26]馬藝坤，楊方社，李懷恩，等.不同參數下植被過濾帶對徑流中農藥的凈化效果研究[J].生態環境學報，2017,26(5):876-882.(MA Yikun,YANG Fangshe,LI Huaien,et al.Experimental study on the purification effects of vegetative filter strips on the pesticide under the different parameters[J].Ecology and Environmental Sciences，2017,26(5):876-882.(in Chinese))

[27]LAMBRECHTS T,FRANCOIS S,LUTTS S,et al.Impact of plant growth and morphology and of sediment concentration on sediment retention efficiency of vegetative filter strips:flume experiments and VFSMOD modeling[J].Journal of Hydrology,2014,511:800-810

[28]LOBO G P,BONILLA C A.A modeling approach to determining the relationship between vegetative filter strip design and sediment composition[J].Agriculture,Ecosystems & Environment,2017,237:45-54

[29]孫彭成，高建恩，王顯文，等.柳枝稷植被過濾帶攔污增效試驗初步研究[J].農業環境科學學報，2016,35(2):314-321.(SUN Pengcheng,GAO Jianen,WANG Xianwen,et al.Effectiveness of switchgrass vegetative filter strip in intercepting pollutants and promoting plant biomass[J].Journal of Agro-Environment Science，2016,35(2):314-321.(in Chinese))

[30]SABBAGH G J,FOX G A,KAMANZI A,et al.Effectiveness of vegetative filter strips in reducing pesticide loading:quantifying pesticide trapping efficiency[J].Journal of Environment Quality,2009,38:762-771

[31]WATANABE H,GRISMER M E.Numerical modeling of diazinon transport through inter-row vegetative filter strips[J].Journal of Environmental Management,2003,69(2):157-168

[32]CHEN H,GRIENEISEN M L,ZHANG M.Predicting pesticide removal efficacy of vegetated filter strips:a meta-regression analysis[J].Science of the Total Environment,2016,548-549:122-130

[33]FOX G A,PENN C J.Empirical model for quantifying total phosphorus reduction by vegetative filter strips[J].American Society of Agricultural and Biological Engineers,2013,56(4):1461-1469

[34]OZ-CARPENA R M,PARSONSB J E,GILLIAM J W.Modeling hydrology and sediment transport in vegetative filter strips[J].Journal of Hydrology,1999,214:111-129

[35]潘岱立，趙西寧，高曉東，等.基于VFSMOD模型的黃土坡面生草帶產流產沙動態模擬[J].農業工程學報，2017,33(8):119-125.(PAN Daili,ZHAO Xining,GAO Xiaodong,et al.VFSMOD-based runoff and sediment yield simulation on loess slope with vegetation filter strips[J].Transactions of the Chinese Socity of Agricultural Engineering，2017,33(8):119-125.(in Chinese))

[36]HELMERS M J,EISENHAUER D E.Overland flow modeling in a vegetative filter considering non-planar topography and spatial variability of soil hydraulic properties and vegetation density[J].Journal of Hydrology，2006,328(1/2):267-282

[37]HAYES J C,BARFIELD B J,BARNHISEL R I.Performance of grass filters under laboratory and field conditions[J].Transactions of the ASAE，1984,27(5):1321-1331.

[38]DELETIC A.Sediment transport in urban runoff over grassed areas[J].Journal of Hydrology,2005,301:108-122.

[39]LEE D,DILLAHA T A,SHERRARD J H.Modeling phosphorus transport in grass buffer[J].Journal of Environmental Engineering,1989,115(2):409-427

[40]王曉宇,盛 晟,孔 進,等.河流植物群落下底泥中碳氮磷和重金屬富集效應分析[J].南京林業大學學報(自然科學版),2017,41(2):20-26.(WANG Xiaoyu,SHENG Sheng,KONG Jin,et al.Accumulation of carbon,nitrogen,phosphorus and heavy metals in sediment under plant communities in river[J].Journal of Nanjing Forestry University(Natural Science Edition),2017,41(2):20-26.(in Chinese))