植被緩沖帶對地表徑流阻控效果調查及模擬

張禹洋, 聶世豪, 蔡國強, 孫 政, 宗全利

(青島農業大學 資源與環境學院, 山東 青島 266109)

植被緩沖帶也稱植被過濾帶，是世界公認的阻控徑流、攔截泥沙的天然屏障，但是目前世界上對植被緩沖帶沒有明確的定義，從本質上來講就是通過“土壤—植被”生態體系將污染源與地表水體相分離的植被區域，而對地表徑流進行攔截，對泥沙的截留轉化主要是通過物理過程，即過濾、吸滲、滯留、沉積等作用實現的。目前，國內外學者對濱岸植被緩沖帶對地表徑流阻控機理已有不少研究。數學模型是研究植被緩沖帶阻控徑流、攔截泥沙的重要手段，其中VFSMOD模型能有效地描述地表徑流污染物攔截及泥沙沉積過程，已被國外廣泛的關注及應用[1-2]。如：Abu-Zreig等[3]利用VFSMOD模型研究了植被緩沖帶寬度、坡度、曼寧粗糙系數、土壤類型、源區來沙5個參數對泥沙攔截的影響；Lambrechts等[4]利用VFSMOD模型模擬了入流泥沙濃度對植被緩沖帶攔截泥沙的影響；Sabbagh等[5]在美國中西部以及Muoz-Carpena等[6]在北卡羅納州分別模擬了不同寬度的植被緩沖帶對攔截泥沙效果。

國內對于VFSMOD模型的應用研究較少，張壯[7]利用VFSMOD模型模擬了渾河沈撫段河岸緩沖帶對地表徑流泥沙攔截與徑流削減效果；楊方社等[8]應用VFSMOD模型對位于內蒙古的沙棘-灌草植被緩沖帶對地表徑流中泥沙攔截效果進行了模擬；潘岱立等[9]運用VFSMOD模型預測了不同草種生草帶后黃土坡面產流產沙動態特征；孫曉濤[10]基于VFSMOD模型對植被緩沖帶攔截效果的坡度、寬度、入流水量等因素的敏感性進行了分析；張鴻敏[11]運用VFSMOD模型模擬了植被緩沖帶對泥沙的攔截效果；楊寅群等[12]通過VFSMOD模型對植被過濾帶凈化效果的模擬與適應性分析，提出了VFSMOD模型具有較高的精度與較強的適應性，可用于植被緩沖帶的規劃設計。但在利用VFSMOD模型研究植被緩沖帶的項目當中，涉及到濱岸植被緩沖帶的數量較少，VFSMOD模型的Hydrology，Sediment Transport，Chemical Transport/Trapping模塊的土壤數據是Rawls等[13]1983年提供的Green-Ampt參數，植被數據是Haan等[14]于1994年提供的，這些數據是以北美等地區植被和土壤數據建立的，國內濱岸植被數據沒有涉及。

綜上，現有研究多集中在通過室內試驗和現場試驗，鮮有具體到某一河流域的現場調查和模擬結果。本文以大沽河流域為研究對象，針對植被緩沖帶對地表徑流的阻控效果進行初步分析，為進一步研究土壤-植被系統凈化污染物作用機理提供技術支持和理論保證。

1 研究區概況

大沽河位于山東省膠東半島西部，是膠東半島最大的河流，位于東經119°30′—121°00′，北緯35°35′—37°09′。大沽河自北向南從招遠阜山至膠州灣全長179.9 km，支流眾多，流域面積50 km2及以上入河支流(一級支流)15條，其中流域面積在300 km2以上的有南膠萊河、小沽河、五沽河、潴河、流浩河、桃源河。大沽河及其支流季節性明顯，流域內水資源短缺，每年斷流時間長。自招遠市老馬思家至萊西市巨家為大沽河流域上游，地形主要是山區和山丘陵區，河道彎曲較多，水土流失較為嚴重[15]；自巨家至望壁河口為中游，河道局部彎曲但弧度較大，水集鎮潭彪莊到院上鎮小清河口大部是平原，河道游蕩不定；平度縣南村以下為下游，大部分為平原地帶；山角底以下為河口段，河床變遷頻繁，弧度較大。

2012—2015年期間大沽河實施了生態治理工程，兩岸通過種植樹木及灌草等形成了植被緩沖帶，對地表徑流起到了一定的阻控效果。本文主要選擇了4處比較典型的植被緩沖帶作為研究對象，包括北岔河村(36°32′8″N,120°8′31″E)、仁兆鎮攔河閘(36°35′40″N,120°11′46″E)、程家小里村(36°43′21″N,120°18′12″E)和后路家村(37°9′44″N,120°27′10″E)。

2 材料與方法

2.1 植被緩沖帶對地表徑流阻控機理

植被緩沖帶對地表徑流的阻控效果是顯而易見的，尤其對流域周邊農業發達，但土壤侵蝕和水土流失嚴重的地區尤為重要。植被緩沖帶既減緩徑流運輸速度，促進泥沙沉積，又促進降雨入滲，減少徑流流量[16]。植被緩沖帶對地表徑流的阻控主要有過濾、吸滲、滯留、沉積等，見圖1。從圖中可以看出，植被緩沖帶是位于農田作物和河流之間具有一定坡度、層次的植被，通常由草本植物、灌木植物、喬木植物組成，且寬度一般不小于10 m[17]，地表徑流從源區經過植被緩沖帶的過濾后進入河流。植被緩沖帶阻控徑流、攔截泥沙是一個復雜的過程，徑流、泥沙經過植被緩沖帶，通過植被根系對土壤的固結纏繞作用、莖稈系統以及枯枝落葉的攔截作用，使得出流泥沙濃度和徑流量低于進入植被緩沖帶時。當上游攜帶泥沙的地表徑流到達植被緩沖帶后，流經大量植被對泥沙起到了過濾作用；同時植被增加了地表的粗糙率即增加了徑流阻力，對地表徑流起到了滯留作用，使水流速度減緩，促進泥沙沉積和土壤對地表徑流的吸滲作用。

圖1 植被緩沖帶對地表徑流阻控過程

例如，在大沽河流域后路家段兩岸植被緩沖帶主體為人工種植的楊樹(PopulusL.)其間距為3～5 m，雜亂生長其間的有野艾蒿(ArtemisialavandulaefoliaDC.)50～100 cm、狗尾草[Setariaviridis(L.) Beauv.]50～70 cm、茵陳蒿(ArtemisiacapillarisThunb.)90～120 cm、馬唐[Digitariasanguinalis(L.) Scop.]10～50 cm、小蓬草[Conyzacanadensis(L.) Cronq.]50～100 cm、艾草(ArtemisiaargyiLevl. et Van.)90～130 cm、蒼耳(XanthiumsibiricumPatrin ex Widder)40～80 cm、防風[Saposhnikoviadivaricata(Trucz.) Schischk.]50～80 cm、針茅(StipacapillataL.)40～80 cm、中華草沙蠶(Tripogonchinensis)30～50 cm、牛筋草[Eleusineindica(L.) Gaertn.]30～80 cm等雜草以及不便測量高度的葎草[Humulusscandens(Lour.) Merr.]等攀援草本植物，其莖稈間距不均勻但對地表覆蓋度較高，可有效攔截泥沙、保持土壤含水率、增加地表粗糙度，對地表徑流具有良好的阻控效果。需要指出，上述植被特征，僅是結合大沽河流域后路家段實際調研及實地測量情況，從植被緩沖帶對地表徑流阻控作用分析。針對更符合大沽河流域的植被緩沖帶阻控地表徑流的效果，需要依靠大沽河典型地區的植被參數、緩沖帶參數、土壤參數、源區參數、雨量參數等參數進行模擬計算等，這在后續進一步研究將會考慮。

2.2 植被緩沖帶對地表徑流阻控過程模擬方法

傳統植被緩沖帶設計方法，主要是依靠經驗。規劃部門在考慮設計農田與河道之間的植被緩沖帶時，多根據實地景觀和政策給出籠統的寬度范圍和物種選擇，很少將土壤、地形、植物本身性質等作為考慮因素[18]。利用數學模型設計植被緩沖帶，可調整緩沖帶寬度、地表坡度等控制參數，獲得不同參數下的阻控效果，為植被緩沖帶提供最適合當地土壤、地形、植物本身性質的各個可控參數。比較有代表性的數學模型主要有REMM模型和VFSMOD模型等，其中REMM模型對植被緩沖帶凈化過程描述較詳細，但該模型模擬需要氣象、田間、河岸帶及土壤、植被等160個指標數據，實際應用較困難。VFSMOD目前由以下模塊組成：(1) 入滲模塊infiltration module，用于計算土壤表面的水量平衡；(2) 坡面流模塊overland flow module，用于計算滲透土壤表面的流動深度和速度；(3) 泥沙運動模塊sediment filtration module，用于模擬泥沙沿植被緩沖帶輸移及沉積的過程；(4) 水質/污染物輸移模塊water quality/pollutant transport module，用于模擬污染物沿植被緩沖帶遷移及削減的過程。此次模擬主要利用其描述水流輸運和沉積物沉積的功能。首先，通過入滲模塊，根據輸入的不同時間節點及不同時間步長的降雨分布計算降雨量，并結合土壤入滲能力，計算緩沖帶土壤入滲情況；其次，坡面流模塊通過緩沖帶參數、源區進入緩沖帶的徑流和降雨超滲產流情況，描述不同位置的徑流流速和單寬流量；然后，泥沙運動模塊通過植被緩沖帶參數、源區進入緩沖帶的泥沙情況，計算不同粒徑泥沙運動情況；最后，模型輸出緩沖帶徑流及泥沙輸出情況。

通過REMM模型和VFSMOD模型相比較可以發現，VFSMOD模型所需的參數較少，可以模擬單次降雨徑流條件的水文過程及徑流產生的沉積物通過植被緩沖帶運移過程，因此更適用于我國濱岸植被緩沖帶設計的實際應用。

2.3 大沽河流域植被緩沖帶現狀調查

2020年7月17日、8月5日、8月13日3次到大沽河流域進行實地調查，收集了大沽河流域現狀等資料。對移風攔河閘、后路家等典型位置的地表土體和植被緩沖帶基本參數進行了現場取樣，共收集了16處不同位置的土體、8處緩沖帶參數，見表1。

3 結果與分析

3.1 大沽河植被緩沖帶調查結果及分析

采用室內土工試驗方法分析了大沽河地表土體密度、容重和含水率等基本力學特性。由表2可知，大沽河主要的土質類型是砂土，而砂土類土壤具有土壤顆粒孔隙大，小孔隙少，毛細管作用弱等特點，導致其保水性差，較容易發生水土流失；同時，試驗土樣土壤含水量較低，但從實地考察來看，仍能維持原生土著植被的正常生長。

表1 大沽河現場取樣情況

表2 大沽河地表土體力學性質

從圖2中可以看出，4個典型位置地表土體的中值粒徑分別為0.24，0.21，0.17，0.47 mm；北岔河的地表土級配不均勻、級配連續性不好，屬于不均勻土、級配不良的土；移風攔河閘的地表土級配均勻、級配連續性不好，屬于均勻土、級配不良的土；程家小里村的地表土級配不均勻、級配連續性不好，屬于不均勻土、級配不良的土；孫受鎮大壩的地表土級配不均勻、級配連續性好，屬于不均勻土、級配良好的土。

從大沽河地表土的實測結果來看，大沽河流域沿岸適宜植被生長，但由于砂土的特性限制，仍然會有水土流失現象，且沿岸農民為了獲得經濟效益而犧牲環境效益的心理，使得應屬于植被緩沖帶的區域日益減少，導致水土流失日益嚴重。可利用沿岸多砂土的特點，在沿岸種植垂柳、水杉等喬木加以點綴，在水岸種植蘆葦、蒲草等水生植物，在阻控地表徑流的同時，起到美化大沽河環境的作用。

實地調查發現，大沽河流域植被種類豐富，結構復雜，主要有楊樹、松樹、柳樹、梧桐、香椿、蘋果樹、桃樹、李樹、棗樹、櫻桃、小麥、玉米、花生、甘薯、白菜、土豆、大豆等人工植被，結縷草、羅布麻、堿蓬、蘆葦、葎草、野艾蒿、狗尾草等原生土著植被，見圖3。例如：后路家村附近河道植被緩沖帶主要由楊樹林及錯雜其中的野生植被構成，寬約100 m，其中數量較多的有野艾蒿、葎草、狗尾草等，左岸農田寬約30 m。總體來說，大沽河流域植被緩沖帶主要由楊樹、松樹等高大喬木，羅布麻、堿蓬等灌木植物和結縷草、野艾蒿等草本植物組成。

圖2 大沽河地表土體粒徑級配

3.2 大沽河流域地表徑流阻控效果模擬結果及分析

3.2.1 模型參數 運用VFSMOD模型對實地調研數據，對大沽河典型植被緩沖帶進行模擬。模型主要參數見表3。

3.2.2 對泥沙的阻控效果 模型模擬結果表示，在各種降雨強度下，在現有大沽河植被緩沖帶中，對泥沙的攔截率很高，基本都能完全攔截泥沙。對地表徑流的攔截效果略有差異，北岔河可以攔截0.8 mm/min以下降雨強度下產生的地表徑流，當降雨強度達到0.9 mm/min時，地表徑流攔截率為0.888；仁兆鎮攔河閘和程家小里村植被緩沖帶可以攔截0.7 mm/min以下降雨強度產生的地表徑流，當降雨強度達到0.9 mm/min時，地表徑流攔截率分別為0.769，0.767；后路家村植被緩沖帶可以攔截0.4 mm/min以下的降雨強度產生的地表徑流，地表徑流達到0.5 mm/min時，地表徑流攔截率為0.279。

圖3 大沽河流域典型植被緩沖帶

表3 VFSMOD模型參數取值

為了探究更適合源區的植被緩沖帶設置，模擬了2 mm/min降雨強度下，4處植被緩沖帶寬度和源區寬度動態變化(植被緩沖帶寬度減少一定距離，源區寬度增加一定距離)下，植被緩沖帶對泥沙的阻控效果，并用泥沙攔截率來表示，即被攔截在植被緩沖帶的泥沙量占從源區隨地表徑流進入植被緩沖帶的泥沙量的比例。在VFSMOD模型中植被緩沖帶的泥沙攔截率是通過源區坡度、地表徑流流量、泥沙中值粒徑、降雨強度等來確定源區產生的泥沙量，由植被緩沖帶的寬度、長度、植被間距、糙率等來確定植被緩沖帶攔截的泥沙量，由后者比前者得出泥沙攔截率。

模擬結果表明：北岔河處植被緩沖帶的寬度對泥沙攔截率影響較大，當植被緩沖帶寬度為10 m時，泥沙攔截率為0.982，植被緩沖帶寬度為1 m時泥沙攔截率減少到0.352；仁兆鎮攔河閘處植被緩沖帶寬度對泥沙攔截率不太顯著，當植被緩沖帶寬度為50 m時，泥沙攔截率為0.99，寬度為10 m時，泥沙攔截率為0.854，寬度為5 m時，泥沙攔截率為0.705，寬度為1 m時，泥沙攔截率為0.696；程家小里村處植被緩沖帶寬度對泥沙攔截效果影響極不顯著，植被緩沖帶寬度減少至1 m時，泥沙攔截率仍為0.97；后路家村處植被緩沖帶寬度對泥沙攔截效果影響也不太顯著，寬度減少至1 m時，泥沙攔截率為0.896。

3.2.3 緩沖帶寬度和間距變化對阻控效果影響 以北岔河植被緩沖帶為例，探究不同植被緩沖帶寬度以及不同寬度下植被間距對植被緩沖帶的影響，模擬結果分別如圖4—5所示。

圖4 北岔河不同緩沖帶寬度下泥沙攔截率

圖5 不同植被間距下的泥沙攔截率

由圖4可知，泥沙攔截率會隨著植被緩沖帶寬度的增加而提高，具體表現為在寬度在1～6 m時，泥沙攔截率變化較為顯著，從0.352增加到0.925；從6～10 m時，雖然泥沙攔截率也在增大但增幅很小。

從圖5可以看出，植被間距在一定范圍內的增大會顯著降低泥沙攔截率，但是增加到一定距離時，泥沙攔截率不再有顯著的變化，基本都會在植被間距為10 cm時，便減緩變化趨勢，當然這是建立在VFSMOD模型中，草帶內部不發生土壤侵蝕假設前提下。具體規律為：當寬度為7 m時，植被間距2 cm時會完全攔截泥沙，植被間距增大到10 cm時，攔截率為0.954；當寬度為4時，植被間距為2 cm時，攔截率為0.999，植被間距增大到10 cm時，攔截率減少到0.838；當寬度為2時，植被間距為2 cm時，攔截率為0.998，植被間距增大到10 cm時，攔截率減少到0.556。

顯然，植被緩沖帶的寬度在一定程度上是可以通過成本更小的減少植被間距來彌補的，例如，可以將植被緩沖帶寬度設為2 m，植被間距設為2 cm，來替代寬度為7 m時，植被間距為10 cm的植被緩沖帶。

4 討 論

植被緩沖帶的寬度可以在一定程度上通過植被間距的增大來減少，對于大沽河實地情況來說，建議成本較低的草本植被緩沖帶。在數據模擬過程中發現，植被高度僅需要4 cm便可對地表徑流起到阻控作用，但具體的植被緩沖帶寬度、植被間距等需要根據實地情況來確定。

不同的源區面積即使在相同的降雨強度下，其產生的泥沙量也是不同的。針對北岔河的實地情況來說，在2 mm/min的降雨強度下，當要求植被緩沖帶對泥沙的攔截率為0.95以上時，可以在植被間距為14 cm時，將植被緩沖帶寬度減少至8 m，此時泥沙攔截率為0.965；也可以通過減少植被間距為6 cm，將植被緩沖帶寬度減少至4 cm，此時泥沙攔截率為0.962。顯然，這兩種不同的措施，植被緩沖帶對泥沙的攔截效率近乎相同，這是因為植被緩沖帶是通過減緩地表徑流的速度，從而降低徑流的攜沙能力，在植被間距為14 cm時，地表徑流經過8 m，才能將徑流的攜沙能力減弱至0.035，而植被間距減少至6 cm時，由于植被密度的增加導致地表徑流的阻力增大，地表徑流的攜沙能力減弱，此時僅需4 m，便能將地表徑流的攜沙能力減弱至0.038。

可以看出，大沽河植被緩沖帶，可以對泥沙起到較好的阻控作用，但植被緩沖帶的建立仍有不足，在瀕臨河岸的農田，植被過少或種類單一，植被間距過大等問題能否使得植被緩沖帶發揮足夠的阻控徑流的效果在今后仍需關注。

在今后的研究中，應加強對大沽河典型地區地表土壤及植被緩沖帶各種參數定量監控，比較不同植被組成的緩沖帶的阻控效果，建立更加適合大沽河植被緩沖帶的模型，并用模型建立不同參數下植被緩沖帶對地表徑流的阻控效果，比較各個因素對大沽河植被緩沖帶的敏感性，找出主要影響因子，為大沽河管理者設計符合大沽河流域特征的植被緩沖帶提供合理的建議。

5 結 論

(1) 調查的4處植被緩沖帶對泥沙攔截效果都很好，基本能滿足當地降雨情況下對泥沙的完全攔截。

(2) 北岔河處植被緩沖帶可以攔截0.8 mm/min以下降雨強度產生的地表徑流，仁兆鎮攔河閘和程家小里村處植被緩沖帶可以攔截0.7 mm/min以下降雨強度產生的地表徑流，后路家村處植被緩沖帶可以攔截0.4 mm/min以下降雨強度產生的地表徑流。

(3) 在現有的植被緩沖帶條件下，緩沖帶寬度和源區寬度同時改變的情況下，且降雨強度達到2 mm/min時，北岔河村處僅需要8 m的寬度就能使得泥沙攔截率達到0.965；仁兆鎮攔河閘處需要20 m的寬度使泥沙攔截率達到0.975；程家小里村處僅需要1 m的寬度使泥沙攔截率達到0.97；后路家村處需要5 m的寬度使泥沙攔截率達到0.956。