植被過濾帶邊坡水土流失綜合治理技術研究

付龍飛，穆小剛

(陜西華正生態(tài)建設設計監(jiān)理有限公司，西安 710100)

隨著城市化進程加快，工業(yè)化水平不斷提高，建筑業(yè)、化工業(yè)、找礦業(yè)等行業(yè)迅速發(fā)展，同時也出現(xiàn)了更多的垃圾及污染物[1]。根據土地利用情況調查結果發(fā)現(xiàn)，一些地區(qū)的邊坡地帶存在水土流失等問題，加上上述行業(yè)產生的污染物被地表徑流帶入到河流或水庫中，嚴重影響城市居民用水和工農業(yè)用水，因此研究植被過濾帶邊坡水土流失綜合治理技術[2]十分必要。

1 植被過濾帶邊坡水土流失綜合治理技術

1.1 構建AnnAGNPS模型模擬水土流失及污染狀態(tài)

利用GIS技術采集與處理邊坡水土流失數(shù)據，構建AnnAGNPS模型，模擬邊坡水土流失及污染狀態(tài)。對邊坡地區(qū)進行矢量化處理，利用ArcGIS將處理后的數(shù)據生成DEM，設定柵格尺寸為30 m×30 m。根據擴展模塊的功能填充洼地，生成無洼地的數(shù)字高程模型。為滿足邊坡地區(qū)水土流失以及污染負荷模擬需要，根據分類系統(tǒng)將邊坡地區(qū)進行類型劃分，然后經ArcGIS的矢量化處理得到不同格式的土壤類型?？臻g數(shù)據處理完畢后，提取地理參數(shù)。該過程利用TopAGNPS模塊處理DEM，實現(xiàn)對邊坡流域的集水單元劃分，得到坡度、坡長因子、邊界、面積、水系分布和海拔等參數(shù)，為邊坡水土流失率和污染負荷等計算模塊的運行提供基礎輸入數(shù)據。模型的集水單元參數(shù)包括集水單元的坡向、坡度、坡長因子和高程等；集水區(qū)參數(shù)則包括集水區(qū)的坡向、坡度、坡長因子等內容，通過Input Editor模塊直接導入數(shù)據計算模塊[3]。利用AnnAGNPS模型的Arc View界面空間疊加運算集水區(qū)參數(shù)和流域土壤、土地利用等數(shù)據，得到各集水單元的土壤類型和土地利用類型，最后利用Input Editor導入至模型的文件中?？紤]到泥沙、氮等參數(shù)在單位數(shù)值上的差異，歸一化處理模型輸出參數(shù)：

(1)

當泥沙、總氮等負荷變化趨于穩(wěn)定時，說明模型與模擬邊坡地區(qū)的契合度最高。同時根據土壤質地及其養(yǎng)分含量的參考資料，提取治理地區(qū)的土壤參數(shù)，確定治理地區(qū)的土壤水文類型組，根據不同土壤的可蝕性因子實際值，計算治理地區(qū)的降雨侵蝕因子，計算表達式為：

(2)

式中：Q為全年降雨侵蝕力；n為月份，實際值為12；a、b分別為對應的土壤參數(shù)和土壤可蝕性因子；Pi為月降雨量。

根據上述計算結果，得到治理區(qū)域的環(huán)境因子，實現(xiàn)AnnAGNPS模型對邊坡水土流失及污染狀態(tài)的模擬[5-6]。

1.2 計算水土流失和污染的影響因子

此次的研究目的是設計一個用于水土流失的綜合防治技術，根據構建模型的輸出參數(shù)，計算水土流失和污染的影響因子。目前的修正通用土壤流失方程是上世紀60年代提出的，具有極好的使用性，該方程的計算公式為：

L=Q·B·C·Z·Dα

(3)

式中：L為年平均土壤流失量；Q為降雨侵蝕力；B為土壤可蝕性因子；C為植被覆蓋面積；Z為水土保持因子；Dα為坡長與坡度的乘積，為地形因子[7]。

根據式(2)已知Q、B的具體取值，根據《水土保持遙感監(jiān)測技術規(guī)范》(SL 592-2012)計算坡度坡長因子，其中坡度因子計算公式為：

(4)

式中：c1、c2、c3為不同的地貌類型；β為坡面坡度；γ1、γ2、γ3為對應的改變量[8]。

而坡長因子的計算公式為：

(5)

式中：φ為坡面水平投影長度；k為投影面土地參數(shù)；M為坡度因子影響下的空間指標。

植被覆蓋參數(shù)屬于影響因子[9]。根據一些存在水土流失與污染的流域邊坡來說，由于當?shù)氐倪^度開采、垃圾堆放等行為，導致當?shù)氐牡乇碇脖槐黄茐模虼死没貧w方程，計算地表植被覆蓋度、坡面產流產沙之間的相關關系，公式為：

(6)

式中：A為治理地區(qū)的植被覆蓋度。

而水土保持因子屬于背景因子，用來描述水土保持狀態(tài)下，水土流失量的減緩效果。但由于該因素具有復雜性和多變性，因此沒有一個實際的計算公式來得到實際結果，通常情況下將該影響因子的取值設置在0～1范圍內。當取值為0時，則表示水土流失防治效果極好；當取值為1時，則表明治理地區(qū)的水土流失防治技術無效果。將所有數(shù)據代入到式(3)中，實現(xiàn)對水土流失和污染的影響因子的計算[10]。

1.3 選擇與配置邊坡植被過濾帶

根據上述計算結果，分析治理地區(qū)的水土流失狀態(tài)和污染指標，選擇與配置邊坡植被過濾帶。已知植被過濾帶位于邊坡區(qū)域，因此除了考慮植物的適應性和功能性效果以外，還要利用喬木、灌木等植物的顏色、形態(tài)等特征進行搭配，增加坡植被過濾帶的總體過濾性能。

因此選擇與配置邊坡植被過濾帶植物時，首先要考慮植物耐旱性、抗雨水沖刷等能力，同時設置的植被過濾帶的坡度應與邊坡保持一致，在2%～15%之間。當出現(xiàn)較強的降水天氣時，雨水徑流急速沖向植被過濾帶，而此時的植物需要具備抗沖刷能力。還要選擇根系發(fā)達、抗污染能力強的深根系植物[11-12]。大量地表徑流的沖擊，會使淺埋的植物根系快速裸露出地面，造成植被過濾帶部分位置缺失植物，從而出現(xiàn)水土流失的問題，因此要選擇深根系植物。同時在強降水的影響下，大量垃圾以及其他污染物經由邊坡流入河流或水庫中，而深根系植物的阻攔作用更好，不僅可以保持水土，還可以將垃圾等污染物從地表徑流中過濾出去，防止大量污染物涌入河流中，造成大面積的污染[13]。最后選擇的植物需要有很強的適應性，不會輕易受當?shù)貥O端天氣的影響，高成活率和壽命的植物，也降低了補栽的次數(shù)，從而減少植被過濾帶的維護費用。在進行植物配置時，將植被過濾帶距離邊坡的最遠位置作為制高點，種植根系極深的高大類型植被，用于大型污染物的過濾，同時用該層植被抵抗地表徑流的沖擊；在第二層種植次高的植被，同樣用于過濾尺寸稍小的污染物質，并在第一層植被的保護下，控制邊坡地區(qū)的水土含量，降低水土流失率；在第三層設置稍矮一些、但枝葉極密的植被，用于對污染物進行最后的過濾，同時也阻隔細小的泥沙，防止水土流失過量。最后在植被過濾帶的土坑中，填埋不同的過濾填料，包括無煙煤、陶粒、沸石等材料，實現(xiàn)對污染物的降解與過濾[14]。

為了實時檢查該技術對水土流失的防治情況，利用下列公式計算植被過濾帶的泥沙吸附效果：

(7)

式中：X為泥沙吸附指標；Y1為預期吸附值；Y2為實際監(jiān)測值。

同時根據進水的污染物濃度F0、t時刻出水的污染物濃度Ft，計算植被過濾帶對面源污染物濃度的去除效果，公式為：

(8)

式中：μ為污染物濃度的去除率。

通過上述計算分析水土流失和污染物狀態(tài)，至此實現(xiàn)植被過濾帶邊坡水土流失綜合治理技術[15]。

2 實驗與分析

此次提出的綜合治理技術是在植被過濾帶常規(guī)治理技術的基礎上進行的，不僅優(yōu)化了處理單元尺寸，還通過填料的物理和化學作用，加強植被過濾帶的凈化作用，實現(xiàn)對水土流失問題的綜合治理。選擇一個邊坡水土流失嚴重的地區(qū)作為實驗測試對象，該地區(qū)的水土流失狀態(tài)、周邊污染物堆積情況見圖1。

根據圖1中的實際調查結果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域邊坡植被覆蓋較差，邊坡地區(qū)水土流失嚴重，同時大量的滯留垃圾嚴重影響河道的水質。因此，根據該區(qū)域內的各項基本參數(shù)，搭建仿真實驗測試環(huán)境，從兩個不同的角度出發(fā)，測試本文提出的綜合治理技術對邊坡水土流失情況的處理效果。

圖1 河流邊坡地區(qū)植被覆蓋情況和垃圾堆砌情況

2.1 流量對植被過濾帶污染物削減效果的影響

選擇植被過濾帶的填料為沸石，直徑為80 cm；設置三級暴雨強度，分別為25、35及455 mm/h；設置對應的進水流量分別為1.32、1.69和2.05 L/min；設置進水濃度為高濃度，實驗仿真降雨時間為2.5 h，模擬過濾帶對地表徑流中不同污染物的過濾效果。高濃度進水污染物具體濃度見表1。

表1 高濃度進水污染物濃度表 /mg·L-1

根據表1中的數(shù)據，分析不同流量下出水污染物濃度隨時間的變化過程，結果見圖2。

圖2 不同流量下污染物濃度隨時間的變化過程

根據圖2的測試結果可知，COD和TP濃度隨時間的增加而增加。導致這一問題的原因是進水初期，過濾帶土壤和填料都未飽和，此時吸附污染物的能力最強，所以初期污染物濃度最低，但隨著測試時間的增加，土壤和填料逐漸達到飽和狀態(tài)，吸附容量逐漸被限制，因此污染物濃度開始小幅度增加。氨氮濃度一直處于一個較低的值。硝氮濃度雖然較高，但同樣能夠在2h測試時間內維持穩(wěn)定的狀態(tài)，說明本文提出的綜合治理技術對于高濃度進水污染物有較好的控制效果。

等待3組實驗測試結束后，計算不同流量下綜合治理技術對污染物的去除率，測試結果見圖3。

圖3 不同流量下污染物的削減率

已知隨著時間延長，污染物濃度有一定的變化規(guī)律，但該值的變化幅度不大，因此根據整個測試過程中4組測試的平均濃度計算去除率，比較植被過濾帶的污染物去除效果。根據圖3中的測試結果可知，不同流量下的COD濃度削減率之間沒有過大差異，最大值和最小值分別為23%和21%；TP濃度削減率則隨著流量的減小而略有增加，最大值和最小值分別為43%和19%；3個流量條件下，氨氮濃度削減率則均超過87%，硝氮的濃度削減率則在25%～31%。綜合上述4組計算結果發(fā)現(xiàn)，此次提出的植被過濾帶邊坡水土流失綜合治理技術，無論面對何種類型的流量，對于水體中的COD、TP、氨氮和硝氮污染物，均有較好的去除效果。

2.2 填料配比對植被過濾帶污染物削減效果的影響

保留同樣的實驗測試指標，分析提出的綜合治理技術的填料層的吸附和降解作用。表2為該技術應用下需要設置的填料配比。

表2 植被過濾帶的填料配比

采用本文提出的綜合治理技術，按照表2所示的值進行填料配比。保持進水濃度為高濃度，隨著實驗測試時間的增加，不同填料配比下的出水COD、TP、氨氮和硝氮濃度變化過程見圖4。

圖4 不同填料配比下污染物濃度隨時間的變化過程

根據圖4中可以看出，3種填料配比的COD濃度和TP濃度，隨著實驗測試時間的增加而較緩慢提高，可見充分發(fā)揮了填料的降解、吸附作用。盡管后期稍微提升，但總體來說有較好的污染物吸附效果。氨氮濃度與硝氮濃度的第三組測試組中，由于沸石的減少導致植被過濾帶對氨氮的吸附能力下降，因此該技術的第三組測試中，對于氨氮濃度的過濾并不理想。而硝氮濃度隨著實驗測試時間的增加略有小幅度的上升，這是由于填料發(fā)揮一段時間的吸附作用后，能夠吸附的污染物變少導致的，但總體來看在一定時間內，可以有效處理水體中的污染物。

同樣等待上述3組實驗全部測試完畢后，計算污染物在不同配比下的去除率結果見圖5。

圖5 不同填料配比下污染物的去除率

根據圖5中的測試結果可以看出，3組填料配比下，COD濃度的削減率在22%～23%之間；TP濃度的削減率在80%～97%之間；氨氮濃度的削減率在77%～59%之間；硝氮濃度的削減率在9%～16%之間。根據3組填料配比的污染物的去除率計算結果可知，當無煙煤、陶粒、沸石3種填料的配比為5∶12∶3時，該治理技術能夠發(fā)揮其最好的分解與吸附作用。

2.3 水土流失治理效果分析

根據上述測試結果，分析不同流量及不同填料配比條件下，本文提出的綜合治理技術對于邊坡水土流失的處理效果，結果見表3。

表3 植被過濾帶水土流失治理效果

綜合上述測試結果可知，面對不同流量時，該技術應用下，圖1所示地區(qū)的邊坡水土流失率均被控制在5%以下；而在近似的水土流失率下，將填料配比設置為5∶12∶3時，該治理技術將污染物濃度控制在最低值，能夠發(fā)揮該項綜合治理技術的水土保持、污染過濾效果，因此按照該配比調整植被過濾帶綜合治理技術的填料用量。

3 結 語

此次研究的綜合治理技術充分考慮了水土流失與污染問題，設計出全新的植被過濾帶綜合治理技術，通過一個區(qū)域的植被過濾帶的設計，實現(xiàn)對水土流失和污染物的治理，為邊坡地區(qū)的土地穩(wěn)定和水質安全，提供一定的技術支持。但此次研究還存在不足之處，首先是實驗方案還可以加以改進，可以將傳統(tǒng)治理技術作為對照組，比較不同植被過濾帶之間的配置差異性；同時此次研究著重探討了對水土流失和污染的綜合治理，沒有對水土流失與其他問題之間的關聯(lián)性進行分析，可以說存在一定局限。今后的研究工作中，可以就水土流失與土地沙漠化、鹽堿化或者荒漠化等問題進行分析，從多個角度論述綜合治理技術的必要性。