植被過濾帶的凈化效果研究及數(shù)學(xué)模擬.pdf

1、要從根本上解決水污染問題，必須高度重視非點源污染的控制和治理。雖然控制非點源污染的辦法很多，但國內(nèi)外實踐證明:治理非點源污染的基本途徑之一是生態(tài)技術(shù)。植被過濾帶便是目前比較通用的控制和治理非點源污染的主要生態(tài)工程措施之一。
　　植被過濾帶是位于污染源區(qū)與受納水體之間的植被區(qū)域，可以有效地攔截滯留泥沙和泥沙吸附態(tài)污染物，也能有效地削減污染物的負(fù)荷量，顯著減少非點源污染的影響。植被過濾帶已是控制非點源污染的“最佳管理措施”之一。本研究

2、通過野外條件下的徑流模擬試驗、輔以理論分析的方法，探索植物物種及其配置方式、入流流量、帶寬、坡度、入流污染物濃度及土壤初始含水率等因素對植被過濾帶凈化效果的影響，建立凈化效果與主要影響因素之間的定量關(guān)系，提出植被過濾帶對泥沙和非點源污染物凈化效果的模擬模型，總結(jié)植被過濾帶設(shè)計的適宜方法。
　　本研究得出以下主要結(jié)論:
　　(1)對植被過濾帶凈化效果及其影響因素進(jìn)行了研究。
　?、僭诒疚脑囼灄l件下，植被過濾帶對地表徑流中

3、懸浮固體、顆粒態(tài)氮、顆粒態(tài)磷、總氮和總磷的削減效果都較好，削減主要是物理攔截過程。植被過濾帶能有效地削減溶解態(tài)氮、溶解態(tài)磷的負(fù)荷量;但過濾帶對地表徑流中溶解態(tài)氮、磷的濃度變化影響較小，當(dāng)徑流中溶解態(tài)氮、磷濃度較高時，通過表層土壤的吸附溶解態(tài)氮、磷濃度有所削減。
　　②不同植被配置下的植被過濾帶凈化效果排序為:草地過濾帶＞灌草植被過濾帶＞灌草植被過濾帶（灌木較多）＞空白帶。三種草地過濾帶的凈化效果排序為:野生自然草本＞白三葉草過濾帶

4、＞紫苜蓿過濾帶，人工植被的植株密度較小，其對非點源污染物的凈化效果較差。
　?、鄹髦脖贿^濾帶對地表徑流中非點源污染物的凈化效果均隨入流流量的增大而降低，且流量的變化對草本群落欠發(fā)達(dá)的沙棘-草本植物過濾帶和坡度較大的植被過濾帶的凈化效果影響較大。進(jìn)行模擬暴雨徑流過程試驗，定性定量分析了徑流量與植被過濾帶凈化效果的關(guān)系。比較恒定入流與自然放水入流條件，知各植被過濾帶在恒定入流條件下的凈化效果優(yōu)于自然放水情況下的去除效果。
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5、隨著帶寬的增加，植被過濾帶對污染物的削減率增大，但增加帶寬與削減效果并不成比例。坡度為2％的植被過濾帶主要在前10m攔截泥沙和顆粒態(tài)污染物。
　?、莘治隽酥脖贿^濾帶非點源污染及其對凈化效果的影響。植被過濾帶內(nèi)坡面和表層土壤的初始情況（污染物量和干濕度）以及入流流量是植被過濾帶產(chǎn)生非點源污染的主要因素;非點源污染的產(chǎn)生是植被過濾帶凈化效果降低的主要原因。對于坡度為2％的植被過濾帶，入流單寬流量控制在0.004m3/(s·m)內(nèi)是較為

6、合理的。
　　⑥隨著坡度的增加，植被過濾帶對非點源污染物的凈化效果降低，且在大流量入流時，凈化效應(yīng)降低更加明顯。
　?、咴谝欢ǚ秶鷥?nèi)，污染物的濃度越高，植被過濾帶的凈化效果越好;但入流污染物濃度越大，出流污染物濃度也相應(yīng)的增加。
　?、嗤寥篮瘦^低時能削減較多的地表徑流量，但加大了徑流中污染物的濃度。
　　(2)定量分析了植被過濾帶凈化效果與影響因素之間的關(guān)系。植被過濾帶影響因子的關(guān)聯(lián)度由大到小排序為:流量因素

7、＞帶寬因素＞植被條件＞入流濃度因素＞土壤初始含水量因素。植被過濾帶凈化效果與其帶寬的關(guān)系方程為對數(shù)形式;植被過濾帶對非點源污染物的濃度削減率與入流流量的擬合公式為冪函數(shù)的形式。利用多元非線性回歸模型和灰色系統(tǒng)模擬植被過濾帶的凈化效果，結(jié)果表明:統(tǒng)計模型率定誤差較小，而檢驗誤差較大，但能模擬出植被過濾帶對污染物的濃度削減率隨影響因素的變化趨勢，且模擬植被過濾帶對污染物負(fù)荷削減率的誤差比污染物濃度削減率的誤差要小。利用逐步回歸對影響因素變量

8、篩選結(jié)果顯示，濃度削減率方程中剔除了土壤初始含水量變量;負(fù)荷削減率方程中剔除了土壤初始含水量、入流濃度因子;負(fù)荷削減率較大程度地取決于水量的削減量，入流濃度對其影響較小。
　　(3)數(shù)學(xué)模型是植被過濾帶研究與規(guī)劃設(shè)計的重要手段?；诜治鲋脖贿^濾帶進(jìn)出口水流中泥沙粒徑的特征，揭示了植被過濾帶對徑流中懸浮固體的凈化機理，構(gòu)建了植被過濾帶對懸浮固體凈化效果的模擬模型，即利用MUSLE模型與植被過濾帶機理模型VFSMOD耦合模擬。由野外試

9、驗實測數(shù)據(jù)驗證知，該耦合模型對植被過濾帶出流懸浮固體濃度的模擬精度絕大多數(shù)在±20％以內(nèi)，模擬值與實測值的判定系數(shù)R2為0.98，且耦合模型精度優(yōu)于VFSMOD模型，能夠滿足植被過濾帶規(guī)劃設(shè)計的要求，可用于國內(nèi)植被過濾帶的規(guī)劃設(shè)計。另外，基于植被過濾帶對徑流中顆粒態(tài)和溶解態(tài)污染物的凈化機理，構(gòu)建了植被過濾帶對顆粒態(tài)和溶解態(tài)污染物凈化效果的模擬模型，驗證其模擬偏差大部分在±20％之內(nèi)，其中對顆粒態(tài)污染物的模擬精度較高，可用于植被過濾帶設(shè)計

10、的參考。
　　(4)對植被過濾帶的設(shè)計方法進(jìn)行了探討:植被過濾帶宜采用喬灌草相結(jié)合的立體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)固河岸的植被宜選用當(dāng)?shù)貑坦鄻浞N，攔截顆粒態(tài)污染物的植被宜選擇當(dāng)?shù)氐淖匀徊荼?，或者近地面密集度較高的草本。帶寬的設(shè)計宜采用數(shù)學(xué)模型的方法。試驗統(tǒng)計模型是針對西北地區(qū)的試驗結(jié)果而統(tǒng)計出的經(jīng)驗方程，可為西北區(qū)域的植被過濾帶的設(shè)計提供量化依據(jù)，但不適用于其他區(qū)域。VFSMOD和MUSLE耦合模型能夠較好地模擬植被過濾帶對泥沙的削減效果，因此可據(jù)