雨水濾清凈水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

王顯文，高建恩，，3，張夢杰，李興華，高 哲

隨著退耕還林還草工程的實(shí)施，耕地資源緊張，糧食及用水安全矛盾突出，發(fā)展坡地高效農(nóng)業(yè)面臨著干旱與水土流失并存的問題［1－2］，特別是由于降雨侵蝕引起的徑流含沙量高且?guī)в忻嬖次廴疚?，傳統(tǒng)微型沉沙池效率低，清理困難，過濾水質(zhì)差，而發(fā)展高效農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)要求較高，因此降雨徑流所產(chǎn)生的污染水流進(jìn)行攔截凈化是生產(chǎn)急需。研究［3－5］表明，植被過濾帶可以有效攔截徑流中的污染物。國內(nèi)外對植被過濾帶攔截污染物的機(jī)理、影響因素等的研究表明，其可對徑流中的氮磷等面源污染的凈化方面發(fā)揮著重要作用。主要通過物理、化學(xué)和生物過程使進(jìn)入水體的懸浮物、氮磷、除草劑等污染物質(zhì)減少。而國內(nèi)對植被過濾帶在黃土高原水土資源高效利用方面的研究主要是通過放水試驗(yàn)對其攔截凈化效果進(jìn)行研究，而采用人工降雨試驗(yàn)對其進(jìn)行的模擬研究較少。柳枝稷（Panicum virgatum）生命力極強(qiáng)，能夠生長于干旱，排水不良的土壤，抗寒性能也較好，其還可用于提煉乙醇燃料，成為替代能源［6］，美國能源部和農(nóng)業(yè)部也將其作為纖維素乙醇轉(zhuǎn)化模式植物［7］。研究柳枝稷能否適合黃土高原丘陵溝壑區(qū)種植以及作為植被過濾帶能否對含沙污水產(chǎn)生凈化效果，為黃土高原水土資源高效利用提供一種有效的方法。本研究基于降雨徑流調(diào)控和水土資源高效利用的理念，設(shè)計(jì)了能源牧草植被濾清池系統(tǒng)，并在不同降雨強(qiáng)度情況下驗(yàn)證其對降雨徑流污染物的攔截效果，以期為黃土高原發(fā)展水土保持型高效農(nóng)業(yè)提供一種凈化灌溉水源的方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對黃土高原水土流失與干旱缺水并存的問題，設(shè)計(jì)一種能充分利用當(dāng)?shù)厮临Y源，又有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植被過濾濾清系統(tǒng)，對降雨徑流沖刷的高含沙污染水流攔截凈化。過濾系統(tǒng)包括了植被過濾帶和濾清池兩部分，植被過濾帶種植柳枝稷，濾清池內(nèi)鋪設(shè)不同粒徑的砂石，選定砂石粒徑分別為：＞20mm，10～20 mm，5～10mm，＜5mm等4種，每層厚度20cm，其中粒徑最小的鋪設(shè)在濾清池的最下層，依次往上鋪設(shè)，共計(jì)4層。植被過濾帶布置在濾清池前面，流經(jīng)植被過濾帶攔截凈化后的水流進(jìn)入濾清池。通過對污染水流的二次過濾，同時(shí)濾清池還可以有效攔截較大尺寸的柴草。經(jīng)過濾后水流進(jìn)入水窖，經(jīng)過長期沉淀，如果水質(zhì)達(dá)標(biāo)，可為人畜飲用，也可作為滴管灌溉用水，從而解決黃土高原地區(qū)高效農(nóng)業(yè)的干旱缺水問題。該系統(tǒng)利用植被過濾帶具有良好的攔截徑流泥沙和污染物的性能，沉降、過濾、稀釋、下滲和吸收地表徑流中的污染物［8］。經(jīng)過植被過濾帶凈化的水流中含沙量少，污染物含量也相對較低，但依然存在著一定的污染物，且隨著季節(jié)變化，柳枝稷過濾帶內(nèi)枯葉會(huì)進(jìn)入徑流，需對其進(jìn)行攔截。因此，設(shè)計(jì)鋪設(shè)不同粒徑的砂石濾清池主要利用砂石的阻攔吸附作用對水流中的小顆粒泥沙和污染物進(jìn)行吸附攔截，同時(shí)攔截大尺寸柴草及植被凋落產(chǎn)物。

2 試驗(yàn)方案及方法

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)場地位于西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水博覽園內(nèi)。采用陜北黃土（取自安塞縣）種植兩條植被過濾帶，種植抗寒，抗旱，耐水性能較好的柳枝稷。柳枝稷過濾帶出口布置濾清池。柳枝稷過濾帶布置在裸坡下，模擬實(shí)際產(chǎn)流產(chǎn)沙。在裸坡段表層鋪20cm厚的安塞縣黃土，坡面不種植任何作物，為6m×1m裸坡，坡度15°；平坡段種植5m×1m的柳枝稷過濾帶，播種量為1.5g／m2。試驗(yàn)初期柳枝稷植株平均高度22.9 cm，柳枝稷的平均莖稈覆蓋度為4 357株／m2。為保證柳枝稷成活進(jìn)行不定期灌水。每次試驗(yàn)前換掉裸坡段的土壤并施加尿素和磷酸二氫鉀模擬施肥土壤。每次降雨模擬試驗(yàn)完成后放水沖刷植被過濾帶和濾清池，使得植被過濾帶表層和濾清池滯留污染物被沖走。試驗(yàn)3d進(jìn)行1次，使土壤含水率接近初次試驗(yàn)狀態(tài)。在柳枝稷過濾帶的出口處設(shè)置濾清池，在其中由下往上分別鋪設(shè)5mm以下，5～10mm，10～20 mm以及20mm以上的砂石，每層厚度20cm，主要攔截實(shí)際中由暴雨徑流從植被過濾帶帶來枯葉和柴草。在過濾帶周圍布設(shè)3個(gè)高為8m的降雨器，進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)。

試驗(yàn)通過控制降雨器噴頭孔徑大小來控制雨強(qiáng)，采用噴頭墊片孔徑分別為12，11，10，9，8和6mm，由于降雨受風(fēng)速等影響，因此對噴頭孔徑和降雨強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行率定，率定后的降雨強(qiáng)度詳見表1。

表1 率定降雨強(qiáng)度結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)采集及測定方法

于2013年8—9月進(jìn)行了14場降雨試驗(yàn)。降雨對裸坡和植被過濾帶進(jìn)行沖刷，在裸坡段形成高含沙，高污染物濃度水流。取樣采用注射器，在過濾帶每隔1m取水樣，沿程共取7個(gè)水樣。在出流口開始出流時(shí)第1次取樣，隔30min第2次取樣。取樣后當(dāng)天測定泥沙含量、總磷、化學(xué)需氧量（COD）。

泥沙含量測定采用烘干法，對所取水樣用電子天平稱重后，放于烘箱中105℃情況下烘干8h；總磷（TP）濃度采用過硫酸鉀氧化—鉬銻抗比色法；化學(xué)需氧量濃度采用美國哈希公司生產(chǎn)的DR2800便攜式水質(zhì)分析儀進(jìn)行測定。

2.3 柳枝稷過濾系統(tǒng)攔截效果的評價(jià)指標(biāo)

柳枝稷過濾帶通過對降雨徑流的攔截，增加徑流及其水中溶解物在土壤中的入滲。通過茂盛的植被降低徑流流速，加速泥沙、總氮和總磷等污染物沉降。另外，植物本身具有吸收氮磷等污染物以促進(jìn)其生長的性能，反硝化作用和吸收是植被過濾帶減小NO－3—N含量的主要機(jī)理［9］。為了評價(jià)植被過濾帶和濾清池對降雨徑流中污染物的攔截效果，采用攔截率對其進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算公式為：

式中：R——污染物攔截率；C入——入流口污染物濃度；C出——出流口污染物濃度。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被過濾帶對降雨徑流中污染物的攔截效果

在降雨過程中，土壤中的氮、磷隨著雨滴擊打而被水流所攜帶。降雨徑流攜帶了農(nóng)田中顆粒態(tài)和水溶態(tài)的養(yǎng)分，帶走的氮磷富集在江河湖泊內(nèi)引發(fā)藻類的異常生長，引發(fā)水體的富營養(yǎng)化。因此而引起水體富營養(yǎng)化起關(guān)鍵作用的元素是氮和磷［10－11］，不僅使土壤肥力和化肥的利用效率降低，而且成為水體富營養(yǎng)化的非點(diǎn)源污染源，引起水質(zhì)惡化問題［12］。因此研究植被過濾帶對氮磷等營養(yǎng)物的攔截有其必要性。在降雨過程中，由于降雨侵蝕力作用，植被過濾帶前裸坡受到雨滴的擊打，使土團(tuán)分散，土壤顆粒濺到空中，并使得地表薄層水流產(chǎn)生紊動(dòng)，產(chǎn)生較大的沖刷，水流的挾沙能力增加［2］，土壤表層顆粒被降雨徑流攜帶，從而產(chǎn)生含沙濃度較高水流。而植被過濾帶段由于種植密度較大，植被能夠有效消減雨滴動(dòng)能、減緩?fù)寥狼治g［10］，植被段柳枝稷根系能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，從而增加土壤抗沖性能，因此，降雨徑流對該段土壤侵蝕較少。通過對所取水樣運(yùn)用烘干法測量其泥沙濃度。柳枝稷植被過濾帶對污染物的攔截效果如圖1所示。由圖1可以看出，植被過濾帶對泥沙的攔截效果非常顯著。在降雨強(qiáng)度為139，125，115，73，54和48mm／h條件下，柳枝稷過濾帶對泥沙的攔截效果分別為98.62%，99.41%，98.89%，97.60%，96.60%和93.82%，其攔截效果非常顯著。這與肖波等［13］人的研究成果相近，這主要是由于柳枝稷過濾帶增加了地表阻力，減小徑流流速，從而增加了泥沙的沉降，泥沙在柳枝稷過濾帶的沿程沉降，達(dá)到了過濾帶攔截泥沙的效果。圖1表明，柳枝稷過濾帶對總磷的攔截效果也很明顯，在6種雨強(qiáng)條件下，過濾帶對總磷的攔截效果分別達(dá)到93.6%，93%，91.9%，92.5%，87.5%和88.6%，這與李懷恩等［14］研究植被過濾帶對地表徑流中污染物的攔截效果結(jié)果一致，表明柳枝稷植被過濾帶可以有效攔截降雨徑流中的總磷。這是由于植被過濾帶能夠攔截徑流中的沉積物，降雨徑流中的磷伴隨著沉積物被攔截，滯留在過濾帶的總磷有些被植物所吸收，有些被土壤吸附［8］。泥沙是影響地表徑流中總磷質(zhì)量濃度的重要因素之一，水流中總磷含量與泥沙含量可以用線性關(guān)系模擬，泥沙的沉降伴隨著徑流中吸附態(tài)的有機(jī)磷和無機(jī)磷沉降。圖1顯示，柳枝稷過濾帶對COD的攔截效果不穩(wěn)定，對其攔截率其中最大值為56.07%，最小值為15.14%，柳枝稷過濾帶對COD具有攔截效果，但效果不明顯。降雨強(qiáng)度不同COD質(zhì)量濃度影響并不大。柳枝稷過濾帶的攔截效果是因?yàn)榻涤陱搅髦械挠袡C(jī)物主要是由于降雨對表層土壤擊打侵蝕攜帶而來的，攔截泥沙和阻滯水流是過濾帶減小徑流中COD的重要途徑［14］。綜上所述，柳枝稷植被過濾帶對降雨徑流中泥沙、總磷和COD具有攔截效果，并且攔截效果明顯。因此植被過濾帶是有效攔截降雨徑流中污染物有效措施，其運(yùn)行成本低，經(jīng)營管理簡單以及效益明顯等特點(diǎn)，是黃土高原地區(qū)防治水土流失和解決干旱缺水的有效生物措施。

圖1 植被過濾帶對污染物的攔截效果

3.2 濾清池的凈化效果

本試驗(yàn)濾清池布設(shè)在植被過濾帶的出水口，收集由柳枝稷植被過濾帶攔截凈化后水流。由于濾清池中鋪設(shè)不同粒徑的砂石，上層粒徑較大，而下層粒徑小，用以攔截水流中的小顆粒泥沙和吸附態(tài)的污染物，試驗(yàn)前期，對已經(jīng)篩分好的砂石進(jìn)行淘洗，使其表面干凈，從而不會(huì)導(dǎo)致砂石本身對水流的污染。在濾清池進(jìn)水口和出水口分別取水樣，并對其進(jìn)行測試分析，得出其對污染物的攔截效果（表2）。由表2可知，濾清池對泥沙的攔截效果一般，在139mm／h降雨強(qiáng)度情況下，濾清池出口濃度和入口濃度相比減小，對其攔截效果達(dá)到41.81%，而在其他降雨強(qiáng)度下，對泥沙質(zhì)量濃度沒有攔截效果，其泥沙質(zhì)量濃度反而增加。由于在139mm／h降雨強(qiáng)度時(shí)，其入口泥沙濃度較大，第一次試驗(yàn)，濾清池內(nèi)砂石本身對小顆粒泥沙具有吸附作用，使其質(zhì)量濃度減小，達(dá)到一定的攔截凈化效果。而經(jīng)過一場試驗(yàn)后，池內(nèi)砂石已被污染，其攔截效果也相應(yīng)降低。因此對泥沙攔截效果微弱。表2數(shù)據(jù)顯示，對總磷具有攔截效果，對總磷的最大攔截效果達(dá)到45.96%，隨著降雨場次的增加，其攔截效果明顯降低，主要是由于污染物對濾清池中砂石的污染，使得污染物吸附在砂石表面，再次試驗(yàn)時(shí)，水流會(huì)攜帶沙石表層的污染物，從而降低了其攔截效果。表2顯示，濾清池對COD沒有攔截效果，COD濃度反而增加，由此說明砂石本身表面吸附的有機(jī)質(zhì)被水流所攜帶，從而造成了其濃度增加。濾清池對植被凋零物具有良好的攔截效果，其可以有效攔截柴草。

表2 濾清池對徑流中的污染物攔截效果

3.3 濾清系統(tǒng)對污染物的攔截效果

整個(gè)植被過濾沉沙系統(tǒng)對污染物具有較好的攔截效果，主要是由于柳枝稷植被過濾帶對泥沙、總磷和COD的攔截。植被過濾帶增加了地表阻力，降低降雨徑流流速，加速污染物沉降。研究［15］表明，植被攔截污染物是多種原因造成的，比如植被莖稈可以阻滯水流流速，攔截徑流，減小徑流流速造成了徑流中大顆粒泥沙的沉降。在王曉青等［16］研究中顯示泥沙和總磷質(zhì)量濃度呈現(xiàn)線性關(guān)系，泥沙是影響地表徑流中的總磷質(zhì)量濃度的重要因素之一，因此柳枝稷過濾帶對泥沙和總磷的攔截效果明顯是有必然聯(lián)系的。柳枝稷過濾帶對COD具有一定攔截效果，其原因是阻滯水流，使得徑流流速變小，有機(jī)質(zhì)隨沉積物沉降。而濾清池對污染物攔截效果不明顯，其對柳枝稷過濾帶留下的采草具有良好的攔截效果，在第1次試驗(yàn)過程中，泥沙和污染物被吸附在濾清池內(nèi)砂石表面，隨著降雨場次的增加，濾清池內(nèi)污染物被吸附，其含量顯著增加，水流經(jīng)過池內(nèi)其污染物被再次攜帶，從而導(dǎo)致其攔截效果降低。

4 結(jié)論

（1）柳枝稷在黃土高原生長狀況良好，柳枝稷植被過濾帶可有效攔截降雨徑流中的污染物，其對泥沙和總磷的攔截效果非常明顯，可有效降低其質(zhì)量濃度。在不同的降雨強(qiáng)度下對泥沙的最大攔截率達(dá)到98.62%，而平均攔截率達(dá)到97.49%，對總磷的最大攔截率達(dá)到93.57%，平均攔截率達(dá)到91.18%，對COD的攔截效果相對較差，其最大攔截率為56.07%，而平均只有30.9%。

（2）鋪設(shè)不同粒徑砂石的濾清池，只需攔截植被過濾帶下來的柴草，系統(tǒng)布設(shè)可大大簡化，造價(jià)可大幅降低。該系統(tǒng)可廣泛用于黃土高原丘陵溝壑區(qū)坡地高效農(nóng)業(yè)水源凈化系統(tǒng)。

（3）經(jīng)驗(yàn)證整個(gè)植被過濾系統(tǒng)中對泥沙、總磷等污染物的攔截效果明顯，主要是由于柳枝稷植被過濾帶增加地表阻力，降低徑流流速引起的。而濾清池對植被過濾帶流出的柴草具有明顯的攔截效果，對污染物的攔截效果較弱。在以后的研究中需改進(jìn)濾清池的布設(shè)以及池內(nèi)材料設(shè)置。

致謝：感謝張星辰、婁現(xiàn)勇、白先發(fā)和賈立志在試驗(yàn)過程中給予的幫助，在此僅表謝意。

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