植被过滤带对地表径流中污染物的净化效果

第 26 卷 第 7 期 2010 年 7月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE
Vol.26 No.7 Jul. 2010
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植被过滤带对地表径流中污染物的净化效果
李怀恩 1，邓 娜 1,2，杨寅群 1,3，史冬庆 1
（1．西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，西安 710048； 2．湖南农业大学资源环境学院，长沙 410126； 3．武汉大学资源与环境科学学院，武汉 430079） 摘 要：植被过滤带是控制非点源污染的“最佳管理措施”之一。为了探讨植被过滤带在中国西北地区的实际应用，该 文作者在陕西小华山水库岸坡地建设了 3 条不同配置方式的植被过滤带，通过试验测定了植被过滤带对地表径流中几种 污染物的净化效果，并分析其影响因素。结果表明，植被过滤带对地表径流中的颗粒态氮、颗粒态磷、总氮、总磷和化 学需氧量浓度削减率分别达到 82.02%、77.13%、46.05%、 73.28%和 60.48%以上，负荷削减率分别达到 89.98%、 87.25%、 69.93%、85.11%和 77.97%以上，并能有效地削减溶解态氮和溶解态磷的负荷量；自然草地过滤带和沙棘-草本过滤带对 地表径流中这几种污染物的削减主要发生在前 10 m。过滤带内的植被条件、入流流量和入流污染物浓度是影响过滤带净 化效果的重要因素。 关键词：净化，污染控制，径流，植被过滤带，非点源污染物，野外试验 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.07.014 中图分类号：X171.1 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2010)-07-0081-06 李怀恩，邓 娜，杨寅群，等. 植被过滤带对地表径流中污染物的净化效果[J]. 农业工程学报，2010，26(7)：81－86. Li Huaien, Deng Na, Yang Yinqun, et al. Clarification efficiency of vegetative filter strips to several pollutants in surface runoff[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(7): 81－86. (in Chinese with English abstract)
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50979090） ； 国家水体污染控制 与治理科技重大专项资助（2009ZX07212-002-004-002） 作者简介：李怀恩（1960－） ，男，陕西商南人，教授，博士生导师，主要 从事生态水文与水资源保护方面的科研与教学工作。 西安 西安理工大学西 北水资源与环境生态教育部重点实验室， 710048。 Email: huaienl@
2.1 植被过滤带对氮（N） 、磷（P）素的净化效果 2.1.1 植被过滤带对颗粒态 N 和颗粒态 P 的净化效果 氮、磷素包括颗粒态和溶解态，它们性质不同，所 以本研究分别分析植被过滤带对颗粒态氮、磷素（PN、 PP）和水溶性氮、磷素（DN、DP）的削减效果。3 条植 被过滤带在不同试验方案下（1～8 号试验）对 PN、PP 的削减结果如表 2 所示。 由表 2 可知， 植被过滤带对地表径流中 PN、 PP 的削 减效果较好， PN、 PP 的质量浓度削减率分别达到 82.02% 和 77.13%以上，负荷削减率分别达到 89.98%和 87.25% 以上；3 条过滤带的削减效果从大到小的顺序为：3#草地 过滤带＞1# 灌草混合带＞2#灌草混合带。颗粒态氮、磷
流污染物质量浓度， mg/L； C 出——出流污染物质量浓度， mg/L；V 进——入流水量，m3；V 出——出流水量，m3。
2
结果与分析
RL
C进V进 C出V出 C进V进 V进 V出 V进
100%
（2 ） （3 ）
RW
100%
式中：RC ——污染物质量浓度削减率，%；RL——污染 物负荷削减率，%；RW ——水量削减率，%；C 进——入
表 1 放水试验方案和入流参数 Inflow parameters and the experimental scheme for discharging water test
土壤体积 含水率/% 20.6 41.8 42.0 43.0 43.0 43.0 43.0 43.0 入流质量浓度/(mg·L-1) 比较方案 SS 1630 1645 1735 1670 1675 1580 2845 2700 TN 5.389 5.554 5.586 5.531 5.459 5.405 7.820 7.730 PN 3.348 3.565 3.718 3.661 3.426 3.426 5.724 5.428 TP 1.075 1.080 1.125 1.060 1.180 1.033 1.830 1.780 PP 1.032 1.043 1.093 1.045 1.056 1.010 1.764 1.692 COD 78.0 88.0 85.0 85.5 83.5 83.5 133.0 118.5 不同入流流量试验比较 （4，8 号和 2，7 号） 不同入流浓度试验比较 （3，6 号和 2，5 号） 不同植被条件试验比较（2～8 号） 土壤干湿试验比较（1，2 号）
0
引
言
植被过滤带（vegetative filter strip，VFS）是控制非 点源污染的“最佳管理措施” （best management practices， BMPs）之一，在美欧等国家得到了较多的研究和应用， 效果良好[1-3]。由于各个地区气候、土壤、地形地貌和植 被不同，植被过滤带的净化效果具有极大的空间差异 性[3-6]。在国外许多研究是监测具体自然条件和具体功能 要求下植被过滤带的有效性[3-9]，包括植被过滤带功能的 时效性[6-7]，以及以试验为基础的机理模型研究[8-9]等，为 植被过滤带的实际应用和管理提供科学依据。而在中 国，目前仅有少量植被过滤带的试验研究报道，如上海 环境科学院黄沈发等在苏州河上游东风港试验基地开展 的农田径流面源污染防治试验，主要针对上海地区滨岸 缓冲带植被的选择和种植[10]，坡度、带宽、配置方式的 设计[10-12]，草皮生物量影响[13]等，表明滨岸缓冲带能有 效截留径流水中的悬浮物质和降解渗流水中的氮、磷营 养物质[10]。然而缺乏在不同地区具体条件下的植被过滤 带对坡面地表径流水质净化作用的研究，而且对各种植 被过滤带的有效性影响指标试验及机理研究较少，制约 了植被过滤带这种重要生态措施的推广。中国西北是严 重的土壤侵蚀区域，如何有效控制非点源污染备受关注，
通过放水试验，采集过滤带入流和出流水样，同时 记录蓄水池和集水池的水位-时间关系。水质分析方法: 悬浮固体（SS）和化学需氧量（COD）的浓度（质量体 积比，mg/L）采用美国 HACH 公司生产的 DR2800 便携 式水质分析仪进行测定；总氮（TN）浓度采用碱性过硫 酸钾氧化-紫外分光光度法；总磷（TP）浓度采用过硫酸 钾氧化-钼锑抗比色法； 水样经 0.45 μ m 微孔滤膜过滤后， 滤液测定与 TN、TP 同法，得溶解态氮（DN） 、溶解态磷 （DP）浓度。颗粒态氮（PN） 、颗粒态磷（PP）浓度是 由 TN、TP 与 DN、DP 浓度的差值得到。 查阅相关研究认为：植被过滤带的单宽流量一般为 0.0004 ～ 0.004 m3/(s· m) ， 宽 度 为 3 m 的 流 量 范 围 为 0.0012～0.012 m3/s。根据具体试验条件，设定入流流量 为 0.0023 m3/s 和 0.0038 m3/s。 试验的入流水质参数范围， 是参考陕西关中地区黑河流域非点源污染的监测结果确 定的。考虑到配制过高含沙量的试验用水需要大量泥沙， 不利于泥沙与水的充分混合，本研究在试验时采用 1 500～3 000 mg/L 作为试验入流泥沙质量浓度。在配制 试验用水后，实测入流参数如表 1 所示，PN 占 TN 比例 为 67.2%左右， PP 占 TP 比例为 95.7%左右， 颗粒态是氮、 磷素随地表径流迁移的主要方式。
因此，本研究通过试验探讨不同情况下植被过滤带对地 表径流中几种主要非点源污染物质的净化效果，分析植 被条件、土壤初始含水率、入流流量、入流各污染物浓 度以及过滤带带宽对植被过滤带净化效果的影响，以期 为西北地区植被过滤带的设计与应用提供依据。
1
1.1
试验设计
收稿日期：2010-01-08
修订日期：2010-06-8
试验场地及过滤带设计 试验是在处于陕西华县小华山水库左岸坡地的西安 理工大学野外试验基地开展的。按照“接近自然、成本 低廉、宜于推广”的设计原则，本试验采用的过滤带植 被为自然萌生的野生草本植物和灌木：水土保持先锋树 种 在 中 国 西 北 地 区 广 泛 种 植 的 中 国 沙 棘 （ Hippophae rhamnoides sub.sinensis） 。在试验场内设计了 3 条植被过 滤带，坡度均为 2%，过滤带之间修建有隔水墙。把各植 被过滤带按 1～3 进行编号，1#、2#过滤带均为灌草混合 带（沙棘-草本过滤带） ，尺寸为 10 m×3 m：1#过滤带在 2～6 m 段处种植有 5 排沙棘， 2#过滤带 2～9 m 段处种植 有 8 排沙棘；尺寸为 15 m×3 m 的 3#草地过滤带是自然 草本过滤带。种植沙棘的时间为 2006 年 5 月，均采用行 列交错的梅花型方式种植，于 2007 实行封育。植被过滤 带平面布置情况如图 1 所示。 1.2 试验方法 试验设施主要包括:蓄水池，消力池，1#、2#、3#过 滤带，出口集水池。蓄水池的水流通过消力池平稳地流 入过滤带，在过滤带出口集水池收集径流。其中在 3#草 地过滤带的 10 m 断面和 15 m 断面分别设置了集水池， 以同时收集 2 个断面的出流。
Table 1
试验序号 (VFS 编号) 1(3#) 2(3#) 5(1#) 7(2#) 4(3#) 8(2#) 3(3#) 6(1#) 设计水量/ m3 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 入流流量/ (m3·s-1) 0.0023 0.0023 0.0023 0.0023 0.0038 0.0038 0.0023 0.0023