植被緩沖帶對地表徑流阻控效果調(diào)查及模擬

張禹洋, 聶世豪, 蔡國強(qiáng), 孫 政, 宗全利

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 山東 青島 266109)

植被緩沖帶也稱植被過濾帶，是世界公認(rèn)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(zhì)上來講就是通過“土壤—植被”生態(tài)體系將污染源與地表水體相分離的植被區(qū)域，而對地表徑流進(jìn)行攔截，對泥沙的截留轉(zhuǎn)化主要是通過物理過程，即過濾、吸滲、滯留、沉積等作用實(shí)現(xiàn)的。目前，國內(nèi)外學(xué)者對濱岸植被緩沖帶對地表徑流阻控機(jī)理已有不少研究。數(shù)學(xué)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(guān)注及應(yīng)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(shù)、土壤類型、源區(qū)來沙5個(gè)參數(shù)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(nèi)對于VFSMOD模型的應(yīng)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(yīng)用VFSMOD模型對位于內(nèi)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(jìn)行了模擬；潘岱立等[9]運(yùn)用VFSMOD模型預(yù)測了不同草種生草帶后黃土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙動(dòng)態(tài)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(jìn)行了分析；張鴻敏[11]運(yùn)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(yīng)性分析，提出了VFSMOD模型具有較高的精度與較強(qiáng)的適應(yīng)性，可用于植被緩沖帶的規(guī)劃設(shè)計(jì)。但在利用VFSMOD模型研究植被緩沖帶的項(xiàng)目當(dāng)中，涉及到濱岸植被緩沖帶的數(shù)量較少，VFSMOD模型的Hydrology，Sediment Transport，Chemical Transport/Trapping模塊的土壤數(shù)據(jù)是Rawls等[13]1983年提供的Green-Ampt參數(shù)，植被數(shù)據(jù)是Haan等[14]于1994年提供的，這些數(shù)據(jù)是以北美等地區(qū)植被和土壤數(shù)據(jù)建立的，國內(nèi)濱岸植被數(shù)據(jù)沒有涉及。

綜上，現(xiàn)有研究多集中在通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，鮮有具體到某一河流域的現(xiàn)場調(diào)查和模擬結(jié)果。本文以大沽河流域?yàn)檠芯繉ο螅槍χ脖痪彌_帶對地表徑流的阻控效果進(jìn)行初步分析，為進(jìn)一步研究土壤-植被系統(tǒng)凈化污染物作用機(jī)理提供技術(shù)支持和理論保證。

1 研究區(qū)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(jīng)119°30′—121°00′，北緯35°35′—37°09′。大沽河自北向南從招遠(yuǎn)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(jí)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(jié)性明顯，流域內(nèi)水資源短缺，每年斷流時(shí)間長。自招遠(yuǎn)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(qū)和山丘陵區(qū)，河道彎曲較多，水土流失較為嚴(yán)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(zhèn)潭彪莊到院上鎮(zhèn)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(shí)施了生態(tài)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(zhèn)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(jī)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(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，但土壤侵蝕和水土流失嚴(yán)重的地區(qū)尤為重要。植被緩沖帶既減緩徑流運(yùn)輸速度，促進(jìn)泥沙沉積，又促進(jìn)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(nóng)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(qū)經(jīng)過植被緩沖帶的過濾后進(jìn)入河流。植被緩沖帶阻控徑流、攔截泥沙是一個(gè)復(fù)雜的過程，徑流、泥沙經(jīng)過植被緩沖帶，通過植被根系對土壤的固結(jié)纏繞作用、莖稈系統(tǒng)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(jìn)入植被緩沖帶時(shí)。當(dāng)上游攜帶泥沙的地表徑流到達(dá)植被緩沖帶后，流經(jīng)大量植被對泥沙起到了過濾作用；同時(shí)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(jìn)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(fēng)[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(jié)合大沽河流域后路家段實(shí)際調(diào)研及實(shí)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(qū)的植被參數(shù)、緩沖帶參數(shù)、土壤參數(shù)、源區(qū)參數(shù)、雨量參數(shù)等參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算等，這在后續(xù)進(jìn)一步研究將會(huì)考慮。

2.2 植被緩沖帶對地表徑流阻控過程模擬方法

傳統(tǒng)植被緩沖帶設(shè)計(jì)方法，主要是依靠經(jīng)驗(yàn)。規(guī)劃部門在考慮設(shè)計(jì)農(nóng)田與河道之間的植被緩沖帶時(shí)，多根據(jù)實(shí)地景觀和政策給出籠統(tǒng)的寬度范圍和物種選擇，很少將土壤、地形、植物本身性質(zhì)等作為考慮因素[18]。利用數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)植被緩沖帶，可調(diào)整緩沖帶寬度、地表坡度等控制參數(shù)，獲得不同參數(shù)下的阻控效果，為植被緩沖帶提供最適合當(dāng)?shù)赝寥馈⒌匦?、植物本身性質(zhì)的各個(gè)可控參數(shù)。比較有代表性的數(shù)學(xué)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(xì)，但該模型模擬需要?dú)庀?、田間、河岸帶及土壤、植被等160個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用較困難。VFSMOD目前由以下模塊組成：(1) 入滲模塊infiltration module，用于計(jì)算土壤表面的水量平衡；(2) 坡面流模塊overland flow module，用于計(jì)算滲透土壤表面的流動(dòng)深度和速度；(3) 泥沙運(yùn)動(dòng)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(zhì)/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(yùn)和沉積物沉積的功能。首先，通過入滲模塊，根據(jù)輸入的不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)及不同時(shí)間步長的降雨分布計(jì)算降雨量，并結(jié)合土壤入滲能力，計(jì)算緩沖帶土壤入滲情況；其次，坡面流模塊通過緩沖帶參數(shù)、源區(qū)進(jìn)入緩沖帶的徑流和降雨超滲產(chǎn)流情況，描述不同位置的徑流流速和單寬流量；然后，泥沙運(yùn)動(dòng)模塊通過植被緩沖帶參數(shù)、源區(qū)進(jìn)入緩沖帶的泥沙情況，計(jì)算不同粒徑泥沙運(yùn)動(dòng)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(fā)現(xiàn)，VFSMOD模型所需的參數(shù)較少，可以模擬單次降雨徑流條件的水文過程及徑流產(chǎn)生的沉積物通過植被緩沖帶運(yùn)移過程，因此更適用于我國濱岸植被緩沖帶設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用。

2.3 大沽河流域植被緩沖帶現(xiàn)狀調(diào)查

2020年7月17日、8月5日、8月13日3次到大沽河流域進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，收集了大沽河流域現(xiàn)狀等資料。對移風(fēng)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(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場取樣，共收集了16處不同位置的土體、8處緩沖帶參數(shù)，見表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 大沽河植被緩沖帶調(diào)查結(jié)果及分析

采用室內(nèi)土工試驗(yàn)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(xué)特性。由表2可知，大沽河主要的土質(zhì)類型是砂土，而砂土類土壤具有土壤顆?？紫洞?，小孔隙少，毛細(xì)管作用弱等特點(diǎn)，導(dǎo)致其保水性差，較容易發(fā)生水土流失；同時(shí)，試驗(yàn)土樣土壤含水量較低，但從實(shí)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(xiàn)場取樣情況

表2 大沽河地表土體力學(xué)性質(zhì)

從圖2中可以看出，4個(gè)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(jí)配不均勻、級(jí)配連續(xù)性不好，屬于不均勻土、級(jí)配不良的土；移風(fēng)攔河閘的地表土級(jí)配均勻、級(jí)配連續(xù)性不好，屬于均勻土、級(jí)配不良的土；程家小里村的地表土級(jí)配不均勻、級(jí)配連續(xù)性不好，屬于不均勻土、級(jí)配不良的土；孫受鎮(zhèn)大壩的地表土級(jí)配不均勻、級(jí)配連續(xù)性好，屬于不均勻土、級(jí)配良好的土。

從大沽河地表土的實(shí)測結(jié)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(huì)有水土流失現(xiàn)象，且沿岸農(nóng)民為了獲得經(jīng)濟(jì)效益而犧牲環(huán)境效益的心理，使得應(yīng)屬于植被緩沖帶的區(qū)域日益減少，導(dǎo)致水土流失日益嚴(yán)重?？衫醚匕抖嗌巴恋奶攸c(diǎn)，在沿岸種植垂柳、水杉等喬木加以點(diǎn)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(shí)，起到美化大沽河環(huán)境的作用。

實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大沽河流域植被種類豐富，結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)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(cuò)雜其中的野生植被構(gòu)成，寬約100 m，其中數(shù)量較多的有野艾蒿、葎草、狗尾草等，左岸農(nóng)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(jié)縷草、野艾蒿等草本植物組成。

圖2 大沽河地表土體粒徑級(jí)配

3.2 大沽河流域地表徑流阻控效果模擬結(jié)果及分析

3.2.1 模型參數(shù) 運(yùn)用VFSMOD模型對實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，對大沽河典型植被緩沖帶進(jìn)行模擬。模型主要參數(shù)見表3。

3.2.2 對泥沙的阻控效果 模型模擬結(jié)果表示，在各種降雨強(qiáng)度下，在現(xiàn)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(qiáng)度下產(chǎn)生的地表徑流，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到0.9 mm/min時(shí)，地表徑流攔截率為0.888；仁兆鎮(zhèn)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(qiáng)度產(chǎn)生的地表徑流，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到0.9 mm/min時(shí)，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(qiáng)度產(chǎn)生的地表徑流，地表徑流達(dá)到0.5 mm/min時(shí)，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(shù)取值

為了探究更適合源區(qū)的植被緩沖帶設(shè)置，模擬了2 mm/min降雨強(qiáng)度下，4處植被緩沖帶寬度和源區(qū)寬度動(dòng)態(tài)變化(植被緩沖帶寬度減少一定距離，源區(qū)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(qū)隨地表徑流進(jìn)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(qū)坡度、地表徑流流量、泥沙中值粒徑、降雨強(qiáng)度等來確定源區(qū)產(chǎn)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(jié)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(dāng)植被緩沖帶寬度為10 m時(shí)，泥沙攔截率為0.982，植被緩沖帶寬度為1 m時(shí)泥沙攔截率減少到0.352；仁兆鎮(zhèn)攔河閘處植被緩沖帶寬度對泥沙攔截率不太顯著，當(dāng)植被緩沖帶寬度為50 m時(shí)，泥沙攔截率為0.99，寬度為10 m時(shí)，泥沙攔截率為0.854，寬度為5 m時(shí)，泥沙攔截率為0.705，寬度為1 m時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(jié)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(huì)隨著植被緩沖帶寬度的增加而提高，具體表現(xiàn)為在寬度在1～6 m時(shí)，泥沙攔截率變化較為顯著，從0.352增加到0.925；從6～10 m時(shí)，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(nèi)的增大會(huì)顯著降低泥沙攔截率，但是增加到一定距離時(shí)，泥沙攔截率不再有顯著的變化，基本都會(huì)在植被間距為10 cm時(shí)，便減緩變化趨勢，當(dāng)然這是建立在VFSMOD模型中，草帶內(nèi)部不發(fā)生土壤侵蝕假設(shè)前提下。具體規(guī)律為：當(dāng)寬度為7 m時(shí)，植被間距2 cm時(shí)會(huì)完全攔截泥沙，植被間距增大到10 cm時(shí)，攔截率為0.954；當(dāng)寬度為4時(shí)，植被間距為2 cm時(shí)，攔截率為0.999，植被間距增大到10 cm時(shí)，攔截率減少到0.838；當(dāng)寬度為2時(shí)，植被間距為2 cm時(shí)，攔截率為0.998，植被間距增大到10 cm時(shí)，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(bǔ)的，例如，可以將植被緩沖帶寬度設(shè)為2 m，植被間距設(shè)為2 cm，來替代寬度為7 m時(shí)，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(shí)地情況來說，建議成本較低的草本植被緩沖帶。在數(shù)據(jù)模擬過程中發(fā)現(xiàn)，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(jù)實(shí)地情況來確定。

不同的源區(qū)面積即使在相同的降雨強(qiáng)度下，其產(chǎn)生的泥沙量也是不同的。針對北岔河的實(shí)地情況來說，在2 mm/min的降雨強(qiáng)度下，當(dāng)要求植被緩沖帶對泥沙的攔截率為0.95以上時(shí)，可以在植被間距為14 cm時(shí)，將植被緩沖帶寬度減少至8 m，此時(shí)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(shí)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?yàn)橹脖痪彌_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(shí)，地表徑流經(jīng)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(shí)，由于植被密度的增加導(dǎo)致地表徑流的阻力增大，地表徑流的攜沙能力減弱，此時(shí)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(nóng)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(fā)揮足夠的阻控徑流的效果在今后仍需關(guān)注。

在今后的研究中，應(yīng)加強(qiáng)對大沽河典型地區(qū)地表土壤及植被緩沖帶各種參數(shù)定量監(jiān)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(shù)下植被緩沖帶對地表徑流的阻控效果，比較各個(gè)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(shè)計(jì)符合大沽河流域特征的植被緩沖帶提供合理的建議。

5 結(jié) 論

(1) 調(diào)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(dāng)?shù)亟涤昵闆r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(qiáng)度產(chǎn)生的地表徑流，仁兆鎮(zhèn)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(qiáng)度產(chǎn)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(qiáng)度產(chǎn)生的地表徑流。

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