植生濾帶對農業(yè)面源污染防治及VFSMOD模型的研究與應用進展

郭益銘，李　冉，姚立全

(1.中國地質大學(武漢)盆地水文過程與濕地生態(tài)恢復學術創(chuàng)新基地，湖北 武漢,430074;2.中國地質大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074)

隨著全球經濟的快速發(fā)展，導致環(huán)境問題日益突出，其中農業(yè)面源污染嚴重影響了水環(huán)境系統(tǒng)及環(huán)境健康，制約著農業(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業(yè)面源污染的發(fā)生機理及其相應的控制措施進行了研究[3-5]。我國從20世紀80年代起認識到農業(yè)面源污染的危害[6-7]，雖然采取了一些防治措施，但該問題仍很嚴重。中國共產黨第十九次全國代表大會提出了要加快水污染防治，加強農業(yè)面源污染防治，實施流域環(huán)境和近岸海域綜合治理。因此，如何科學、有效地控制農業(yè)面源污染已成為我國目前亟待解決的重大科學問題。

目前，國內外有關農業(yè)面源污染防治的技術有很多，如減氮控磷技術、人工濕地凈化技術等[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。

數學模型是規(guī)劃植生濾帶以有效抑制面源污染傳輸的重要工具，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，已被國外廣泛地關注及應用[13-14]。

本文綜述了農業(yè)面源污染的危害與現狀、植生濾帶的功能特性及其對控制農業(yè)面源污染傳輸的影響程度，并介紹了VFSMOD模型的運行原理及其在植生濾帶方面的應用現狀，探討了其在我國的適用性，旨在為植生濾帶的規(guī)劃設計及控制農業(yè)面源污染提供參考。

1　農業(yè)面源污染的危害與現狀

農業(yè)面源污染是指在農業(yè)生產活動中，農田中的營養(yǎng)鹽(氮磷等)[15]、農藥(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，經由農田地表徑流、壤中流、農田排水和地下滲流等途徑，進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%的地表水受農業(yè)面源污染的影響[21-22]。目前我國農業(yè)面源污染問題也很嚴峻。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]。據報道[24]，2016年10月全國河流的1 655個監(jiān)測斷面中，化學需氧量(COD)、TP和TN超標斷面?zhèn)€數分別為225個、205個和160個。

2　農業(yè)面源污染防治—植生濾帶

最能因地制宜地解決農業(yè)面源污染的根本途徑，即是適當地改造當地環(huán)境的生態(tài)自然工程技術[25]。植生濾帶作為控制農業(yè)面源污染的最佳管理措施，即生態(tài)自然工程技術的主要措施之一[26]，在國外已被廣泛應用于削減農業(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狀Table 1　Summary of the characteristics and trapping efficiency of VFS

2. 1　植生濾帶的定義

由于認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，一般應用于道路與河流邊坡、坡地果菜園及水庫保護緩沖濾帶。植生濾帶所處位置的特殊性及植被結構等特點，使其在削減坡地農業(yè)及觀光業(yè)所產生的面源污染物[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，進而削減沉積物、氮磷和有機物等污染物質，這個過程主要受土壤結構及理化性質的影響。土壤飽和滲透系數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，能產生較多的入滲量，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業(yè)面源污染物傳輸的效率[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)物質的吸收及滯留效果優(yōu)于喬木植被[45]。Lambrechts等[33]研究發(fā)現僅4個月大的黑麥草對沉積物的攔截效率可達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)物質于植生濾帶傳輸的程度[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的抑制效率[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，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。有些研究認為，植生濾帶的有效寬度不應小于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，可以適應大部分的污染情況[52]。

2.2.6降雨強度

降雨會產生徑流沖刷、溶出下墊面的地表污染物，并攜帶其進入水體造成水環(huán)境污染[53]。同等強度的降雨比該強度的地表徑流對土壤侵蝕的影響更嚴重[54]。Kuo[31]研究發(fā)現降雨強度為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象有關[58]。Lauvernet等[59]研究發(fā)現一定深度范圍內，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]通過室內裝置模擬試驗，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、水文地質特征和氣候等條件下，僅通過現場試驗很難快速及有效地設置植生濾帶及評估其對農業(yè)面源污染物傳輸的抑制效率。然而建立農業(yè)面源污染物于植生濾帶傳輸的模型，能協(xié)助設置植生濾帶并評估其工作性能，以便更好地推廣應用植生濾帶。

3　植生濾帶模擬模型——VFSMOD模型

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

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的抑制效率[61]，但不能描述隨時間變化的滲透現象，因此不能準確地描述沉積物流經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物質運移的物理過程，且適用性仍待商榷[62]。VFSMOD系美國佛羅里達大學生物與農業(yè)工程學系Muoz-Carpena教授于1993年開發(fā)，用以模擬單場暴雨所產生的沉積物于植生濾帶的傳輸過程，是田間尺度及面向設計的數值模擬系統(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移過程，能夠計算植生濾帶在不同土壤類型、過濾帶植生粗糙度、有效寬度、長度及降雨強度等參數下的徑流出流量、下滲量和沉積物截留效率等。

3. 2　VFSMOD模型的組成

VFSMOD模型當前可用的模塊主要有(見圖1)：①入滲模塊，用于計算土壤中的水量平衡；②地表徑流模塊，用于計算滲透性土壤表面徑流深度和速度；③水質/污染物傳輸模塊，用于模擬污染物質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移及沉積過程[64]。

VFSMOD模型主要包括3個子模型程序，以實現所述模塊。地表徑流水文子模型基于改進型Green-Ampt方程，耦合滲透子模塊于時變雨強條件下計算入滲量，并使用Saint-Vennant’s運動波方程的Petrov-Galerkin有限元數值解計算徑流深度和流量。

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

沉積物運移子模型是在室內試驗條件下，基于地表徑流水文動力學和沉積物的運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]。沉積物運移子模型的原理為當地表徑流到達過濾帶上邊緣時，植被的存在可增加水力阻力，導致水流流速減緩和挾沉積物運移能力降低，造成主要以推移質形式運動的粗顆粒沉積物(粒徑dp>0.003 7 cm)的沉積。該模型的計算程序使用了改進的曼寧明渠流方程、連續(xù)方程及Einstein推移質運動方程。

污染物傳輸捕獲子模型將VFSMOD模型與經驗捕獲效率方程結合，顯著提高了經驗模型對污染物削減效率之預測效果。

3. 3　VFSMOD模型的模擬評估

數值模型是基于多種不確定因素建立起來的(如復雜的輸入參數、模型算法或結構和模型校準數據或邊界條件等，見表2)，這些不確定性因素的來源會影響模型的輸出結果，故需要對模型進行全局敏感性和不確定性分析(見圖2)，以提高模型的科學性和價值。

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

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

3.3.1全局敏感性分析

對VFSMOD模型進行全局敏感性分析能夠探討整個參數空間對模型結果的影響，通過檢驗各輸入參數對模型模擬結果影響程度的大小，找出并校正影響較大的參數，固定影響較小(或無影響)的參數，減少模型校正工作量。分析模型的敏感度有傳統(tǒng)數學方法[66]，但這些分析方法適應于較窄范圍值，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果提供重要參數的排名，而且可以確定參數間的相互作用，該分析方法僅需少量的模擬量，且其結果很容易解釋[14,67]。該方法中，每一次輸入都假設一些離散值，且選擇在已分配好變化范圍內的值作為參數，每一個參數都進行兩個敏感性測試方法：①元素影響的均值(μ)，用于估計參數對輸出結果的整體影響；②影響的標準偏差(σ)，用于評估參數的高階特性(如曲率或元素的相互作用)。

3.3.2全局不確定性分析

數學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果的概率分布函數[68]，如一階線性逼近方法，即輸出結果的均值或期望值是基于輸入參數的方差或協(xié)方差和局部絕對敏感性指標計算得到的。而Saltelli[69]提出的擴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，它可以應用在通過Morris篩選方法得到重要輸入參數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，FOA)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的形式等，且可同時有效地評估多個參數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，由于其結果來自一個隨機抽樣程序，它可作為通過構建累計概率分布函數對每一個所選擇的輸出結果進行不確定性分析的基礎。

3. 4　VFSMOD模型的實際應用

3.4.1VFSMOD模型的應用現狀

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]等地被廣泛應用于評估不同配置植生濾帶對污染物質的削減效率，如削減地表徑流中農藥[71]、磷等營養(yǎng)物質[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模型進行模擬預測，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，預測入滲量、沉積物及污染物削減量時輸入參數的重要性及不確定性，并通過實驗室植生濾帶模擬試驗為VFSMOD模型提供試驗數據，以驗證淺層地下水水位變化對地表徑流的影響，結果顯示模型的擬合效果達99.5%，說明VFSMOD模型的模擬結果能成功地捕集地表徑流動力學。

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

3.4.2VFSMOD模型的應用范例

Kuo[31]于佛羅里達州中部磷礦修復區(qū)試驗植生濾帶對地表徑流中磷素傳輸的削減效率，并使用VFSMOD模型進行了模擬評估。該研究共設置A和B兩個植生濾帶試驗區(qū)，植生濾帶坡度分別為2.0%和4.3%，每個試驗區(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場有效降雨數據，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，結果顯示觀測值與模型預測值能達到良好的擬合，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98%?；贙uo[31]的研究結果，Muoz-Carpena等[65]利用Morris分析方法篩選出在VFSMOD模型中的重要參數如VKS、PD和FWIDTH進行全局敏感性分析[見圖3(a)]，并結合EFSAT方法進行不確定性分析，結果顯示：以5 m植生濾帶為例，在50年設計暴雨條件下，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為均勻流，當過濾帶沒有進行正確的維護時，地表徑流在過濾帶內會形成集中流，這時將集中流當作均勻流來處理時可能會造成模擬誤差。而且當過濾帶長度超過模型設計值時，就會違反運動波假設。

由于描述植生濾帶中水文情況及沉積物運移的參數變數大，所以試驗場地的變異性是誤差的內在來源。土壤飽和導水率參數的變化范圍對觀測數據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，但是這些變化在實地情況下是很難量化的。

4　研究展望

目前，有關農業(yè)面源污染的修復技術研究在不斷發(fā)展，植生濾帶作為抑制面源污染傳輸的最佳管理措施，已被廣泛研究，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，但是還有需要改進的問題。如現有的VFSMOD模型缺少子模塊來模擬吸附性污染物(如氮、磷及農藥等)的遷移轉化。未來可以通過野外試驗數據結果建立污染物在植生濾帶中傳輸的子模塊，以對面源污染進行最佳管理。

未來我國應在研究植生濾帶對農業(yè)面源污染物削減效率的同時，積極應用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，有效防治農業(yè)面源污染。

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