植被缓冲带对地表径流阻控效果调查及模拟

张禹洋, 聂世豪, 蔡国强, 孙 政, 宗全利

(青岛农业大学 资源与环境学院, 山东 青岛 266109)

植被缓冲带也称植被过滤带，是世界公认的阻控径流、拦截泥沙的天然屏障，但是目前世界上对植被缓冲带没有明确的定义，从本质上来讲就是通过“土壤—植被”生态体系将污染源与地表水体相分离的植被区域，而对地表径流进行拦截，对泥沙的截留转化主要是通过物理过程，即过滤、吸渗、滞留、沉积等作用实现的。目前，国内外学者对滨岸植被缓冲带对地表径流阻控机理已有不少研究。数学模型是研究植被缓冲带阻控径流、拦截泥沙的重要手段，其中VFSMOD模型能有效地描述地表径流污染物拦截及泥沙沉积过程，已被国外广泛的关注及应用[1-2]。如：Abu-Zreig等[3]利用VFSMOD模型研究了植被缓冲带宽度、坡度、曼宁粗糙系数、土壤类型、源区来沙5个参数对泥沙拦截的影响；Lambrechts等[4]利用VFSMOD模型模拟了入流泥沙浓度对植被缓冲带拦截泥沙的影响；Sabbagh等[5]在美国中西部以及Muoz-Carpena等[6]在北卡罗纳州分别模拟了不同宽度的植被缓冲带对拦截泥沙效果。

国内对于VFSMOD模型的应用研究较少，张壮[7]利用VFSMOD模型模拟了浑河沈抚段河岸缓冲带对地表径流泥沙拦截与径流削减效果；杨方社等[8]应用VFSMOD模型对位于内蒙古的沙棘-灌草植被缓冲带对地表径流中泥沙拦截效果进行了模拟；潘岱立等[9]运用VFSMOD模型预测了不同草种生草带后黄土坡面产流产沙动态特征；孙晓涛[10]基于VFSMOD模型对植被缓冲带拦截效果的坡度、宽度、入流水量等因素的敏感性进行了分析；张鸿敏[11]运用VFSMOD模型模拟了植被缓冲带对泥沙的拦截效果；杨寅群等[12]通过VFSMOD模型对植被过滤带净化效果的模拟与适应性分析，提出了VFSMOD模型具有较高的精度与较强的适应性，可用于植被缓冲带的规划设计。但在利用VFSMOD模型研究植被缓冲带的项目当中，涉及到滨岸植被缓冲带的数量较少，VFSMOD模型的Hydrology，Sediment Transport，Chemical Transport/Trapping模块的土壤数据是Rawls等[13]1983年提供的Green-Ampt参数，植被数据是Haan等[14]于1994年提供的，这些数据是以北美等地区植被和土壤数据建立的，国内滨岸植被数据没有涉及。

综上，现有研究多集中在通过室内试验和现场试验，鲜有具体到某一河流域的现场调查和模拟结果。本文以大沽河流域为研究对象，针对植被缓冲带对地表径流的阻控效果进行初步分析，为进一步研究土壤-植被系统净化污染物作用机理提供技术支持和理论保证。

1 研究区概况

大沽河位于山东省胶东半岛西部，是胶东半岛最大的河流，位于东经119°30′—121°00′，北纬35°35′—37°09′。大沽河自北向南从招远阜山至胶州湾全长179.9 km，支流众多，流域面积50 km2及以上入河支流(一级支流)15条，其中流域面积在300 km2以上的有南胶莱河、小沽河、五沽河、潴河、流浩河、桃源河。大沽河及其支流季节性明显，流域内水资源短缺，每年断流时间长。自招远市老马思家至莱西市巨家为大沽河流域上游，地形主要是山区和山丘陵区，河道弯曲较多，水土流失较为严重[15]；自巨家至望壁河口为中游，河道局部弯曲但弧度较大，水集镇潭彪庄到院上镇小清河口大部是平原，河道游荡不定；平度县南村以下为下游，大部分为平原地带；山角底以下为河口段，河床变迁频繁，弧度较大。

2012—2015年期间大沽河实施了生态治理工程，两岸通过种植树木及灌草等形成了植被缓冲带，对地表径流起到了一定的阻控效果。本文主要选择了4处比较典型的植被缓冲带作为研究对象，包括北岔河村(36°32′8″N,120°8′31″E)、仁兆镇拦河闸(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 材料与方法

2.1 植被缓冲带对地表径流阻控机理

植被缓冲带对地表径流的阻控效果是显而易见的，尤其对流域周边农业发达，但土壤侵蚀和水土流失严重的地区尤为重要。植被缓冲带既减缓径流运输速度，促进泥沙沉积，又促进降雨入渗，减少径流流量[16]。植被缓冲带对地表径流的阻控主要有过滤、吸渗、滞留、沉积等，见图1。从图中可以看出，植被缓冲带是位于农田作物和河流之间具有一定坡度、层次的植被，通常由草本植物、灌木植物、乔木植物组成，且宽度一般不小于10 m[17]，地表径流从源区经过植被缓冲带的过滤后进入河流。植被缓冲带阻控径流、拦截泥沙是一个复杂的过程，径流、泥沙经过植被缓冲带，通过植被根系对土壤的固结缠绕作用、茎秆系统以及枯枝落叶的拦截作用，使得出流泥沙浓度和径流量低于进入植被缓冲带时。当上游携带泥沙的地表径流到达植被缓冲带后，流经大量植被对泥沙起到了过滤作用；同时植被增加了地表的粗糙率即增加了径流阻力，对地表径流起到了滞留作用，使水流速度减缓，促进泥沙沉积和土壤对地表径流的吸渗作用。

图1 植被缓冲带对地表径流阻控过程

例如，在大沽河流域后路家段两岸植被缓冲带主体为人工种植的杨树(PopulusL.)其间距为3～5 m，杂乱生长其间的有野艾蒿(ArtemisialavandulaefoliaDC.)50～100 cm、狗尾草[Setariaviridis(L.) Beauv.]50～70 cm、茵陈蒿(ArtemisiacapillarisThunb.)90～120 cm、马唐[Digitariasanguinalis(L.) Scop.]10～50 cm、小蓬草[Conyzacanadensis(L.) Cronq.]50～100 cm、艾草(ArtemisiaargyiLevl. et Van.)90～130 cm、苍耳(XanthiumsibiricumPatrin ex Widder)40～80 cm、防风[Saposhnikoviadivaricata(Trucz.) Schischk.]50～80 cm、针茅(StipacapillataL.)40～80 cm、中华草沙蚕(Tripogonchinensis)30～50 cm、牛筋草[Eleusineindica(L.) Gaertn.]30～80 cm等杂草以及不便测量高度的葎草[Humulusscandens(Lour.) Merr.]等攀援草本植物，其茎秆间距不均匀但对地表覆盖度较高，可有效拦截泥沙、保持土壤含水率、增加地表粗糙度，对地表径流具有良好的阻控效果。需要指出，上述植被特征，仅是结合大沽河流域后路家段实际调研及实地测量情况，从植被缓冲带对地表径流阻控作用分析。针对更符合大沽河流域的植被缓冲带阻控地表径流的效果，需要依靠大沽河典型地区的植被参数、缓冲带参数、土壤参数、源区参数、雨量参数等参数进行模拟计算等，这在后续进一步研究将会考虑。

2.2 植被缓冲带对地表径流阻控过程模拟方法

传统植被缓冲带设计方法，主要是依靠经验。规划部门在考虑设计农田与河道之间的植被缓冲带时，多根据实地景观和政策给出笼统的宽度范围和物种选择，很少将土壤、地形、植物本身性质等作为考虑因素[18]。利用数学模型设计植被缓冲带，可调整缓冲带宽度、地表坡度等控制参数，获得不同参数下的阻控效果，为植被缓冲带提供最适合当地土壤、地形、植物本身性质的各个可控参数。比较有代表性的数学模型主要有REMM模型和VFSMOD模型等，其中REMM模型对植被缓冲带净化过程描述较详细，但该模型模拟需要气象、田间、河岸带及土壤、植被等160个指标数据，实际应用较困难。VFSMOD目前由以下模块组成：(1) 入渗模块infiltration module，用于计算土壤表面的水量平衡；(2) 坡面流模块overland flow module，用于计算渗透土壤表面的流动深度和速度；(3) 泥沙运动模块sediment filtration module，用于模拟泥沙沿植被缓冲带输移及沉积的过程；(4) 水质/污染物输移模块water quality/pollutant transport module，用于模拟污染物沿植被缓冲带迁移及削减的过程。此次模拟主要利用其描述水流输运和沉积物沉积的功能。首先，通过入渗模块，根据输入的不同时间节点及不同时间步长的降雨分布计算降雨量，并结合土壤入渗能力，计算缓冲带土壤入渗情况；其次，坡面流模块通过缓冲带参数、源区进入缓冲带的径流和降雨超渗产流情况，描述不同位置的径流流速和单宽流量；然后，泥沙运动模块通过植被缓冲带参数、源区进入缓冲带的泥沙情况，计算不同粒径泥沙运动情况；最后，模型输出缓冲带径流及泥沙输出情况。

通过REMM模型和VFSMOD模型相比较可以发现，VFSMOD模型所需的参数较少，可以模拟单次降雨径流条件的水文过程及径流产生的沉积物通过植被缓冲带运移过程，因此更适用于我国滨岸植被缓冲带设计的实际应用。

2.3 大沽河流域植被缓冲带现状调查

2020年7月17日、8月5日、8月13日3次到大沽河流域进行实地调查，收集了大沽河流域现状等资料。对移风拦河闸、后路家等典型位置的地表土体和植被缓冲带基本参数进行了现场取样，共收集了16处不同位置的土体、8处缓冲带参数，见表1。

3 结果与分析

3.1 大沽河植被缓冲带调查结果及分析

采用室内土工试验方法分析了大沽河地表土体密度、容重和含水率等基本力学特性。由表2可知，大沽河主要的土质类型是砂土，而砂土类土壤具有土壤颗粒孔隙大，小孔隙少，毛细管作用弱等特点，导致其保水性差，较容易发生水土流失；同时，试验土样土壤含水量较低，但从实地考察来看，仍能维持原生土著植被的正常生长。

表1 大沽河现场取样情况

表2 大沽河地表土体力学性质

从图2中可以看出，4个典型位置地表土体的中值粒径分别为0.24，0.21，0.17，0.47 mm；北岔河的地表土级配不均匀、级配连续性不好，属于不均匀土、级配不良的土；移风拦河闸的地表土级配均匀、级配连续性不好，属于均匀土、级配不良的土；程家小里村的地表土级配不均匀、级配连续性不好，属于不均匀土、级配不良的土；孙受镇大坝的地表土级配不均匀、级配连续性好，属于不均匀土、级配良好的土。

从大沽河地表土的实测结果来看，大沽河流域沿岸适宜植被生长，但由于砂土的特性限制，仍然会有水土流失现象，且沿岸农民为了获得经济效益而牺牲环境效益的心理，使得应属于植被缓冲带的区域日益减少，导致水土流失日益严重。可利用沿岸多砂土的特点，在沿岸种植垂柳、水杉等乔木加以点缀，在水岸种植芦苇、蒲草等水生植物，在阻控地表径流的同时，起到美化大沽河环境的作用。

实地调查发现，大沽河流域植被种类丰富，结构复杂，主要有杨树、松树、柳树、梧桐、香椿、苹果树、桃树、李树、枣树、樱桃、小麦、玉米、花生、甘薯、白菜、土豆、大豆等人工植被，结缕草、罗布麻、碱蓬、芦苇、葎草、野艾蒿、狗尾草等原生土著植被，见图3。例如：后路家村附近河道植被缓冲带主要由杨树林及错杂其中的野生植被构成，宽约100 m，其中数量较多的有野艾蒿、葎草、狗尾草等，左岸农田宽约30 m。总体来说，大沽河流域植被缓冲带主要由杨树、松树等高大乔木，罗布麻、碱蓬等灌木植物和结缕草、野艾蒿等草本植物组成。

图2 大沽河地表土体粒径级配

3.2 大沽河流域地表径流阻控效果模拟结果及分析

3.2.1 模型参数 运用VFSMOD模型对实地调研数据，对大沽河典型植被缓冲带进行模拟。模型主要参数见表3。

3.2.2 对泥沙的阻控效果 模型模拟结果表示，在各种降雨强度下，在现有大沽河植被缓冲带中，对泥沙的拦截率很高，基本都能完全拦截泥沙。对地表径流的拦截效果略有差异，北岔河可以拦截0.8 mm/min以下降雨强度下产生的地表径流，当降雨强度达到0.9 mm/min时，地表径流拦截率为0.888；仁兆镇拦河闸和程家小里村植被缓冲带可以拦截0.7 mm/min以下降雨强度产生的地表径流，当降雨强度达到0.9 mm/min时，地表径流拦截率分别为0.769，0.767；后路家村植被缓冲带可以拦截0.4 mm/min以下的降雨强度产生的地表径流，地表径流达到0.5 mm/min时，地表径流拦截率为0.279。

图3 大沽河流域典型植被缓冲带

表3 VFSMOD模型参数取值

为了探究更适合源区的植被缓冲带设置，模拟了2 mm/min降雨强度下，4处植被缓冲带宽度和源区宽度动态变化(植被缓冲带宽度减少一定距离，源区宽度增加一定距离)下，植被缓冲带对泥沙的阻控效果，并用泥沙拦截率来表示，即被拦截在植被缓冲带的泥沙量占从源区随地表径流进入植被缓冲带的泥沙量的比例。在VFSMOD模型中植被缓冲带的泥沙拦截率是通过源区坡度、地表径流流量、泥沙中值粒径、降雨强度等来确定源区产生的泥沙量，由植被缓冲带的宽度、长度、植被间距、糙率等来确定植被缓冲带拦截的泥沙量，由后者比前者得出泥沙拦截率。

模拟结果表明：北岔河处植被缓冲带的宽度对泥沙拦截率影响较大，当植被缓冲带宽度为10 m时，泥沙拦截率为0.982，植被缓冲带宽度为1 m时泥沙拦截率减少到0.352；仁兆镇拦河闸处植被缓冲带宽度对泥沙拦截率不太显著，当植被缓冲带宽度为50 m时，泥沙拦截率为0.99，宽度为10 m时，泥沙拦截率为0.854，宽度为5 m时，泥沙拦截率为0.705，宽度为1 m时，泥沙拦截率为0.696；程家小里村处植被缓冲带宽度对泥沙拦截效果影响极不显著，植被缓冲带宽度减少至1 m时，泥沙拦截率仍为0.97；后路家村处植被缓冲带宽度对泥沙拦截效果影响也不太显著，宽度减少至1 m时，泥沙拦截率为0.896。

3.2.3 缓冲带宽度和间距变化对阻控效果影响 以北岔河植被缓冲带为例，探究不同植被缓冲带宽度以及不同宽度下植被间距对植被缓冲带的影响，模拟结果分别如图4—5所示。

图4 北岔河不同缓冲带宽度下泥沙拦截率

图5 不同植被间距下的泥沙拦截率

由图4可知，泥沙拦截率会随着植被缓冲带宽度的增加而提高，具体表现为在宽度在1～6 m时，泥沙拦截率变化较为显著，从0.352增加到0.925；从6～10 m时，虽然泥沙拦截率也在增大但增幅很小。

从图5可以看出，植被间距在一定范围内的增大会显著降低泥沙拦截率，但是增加到一定距离时，泥沙拦截率不再有显著的变化，基本都会在植被间距为10 cm时，便减缓变化趋势，当然这是建立在VFSMOD模型中，草带内部不发生土壤侵蚀假设前提下。具体规律为：当宽度为7 m时，植被间距2 cm时会完全拦截泥沙，植被间距增大到10 cm时，拦截率为0.954；当宽度为4时，植被间距为2 cm时，拦截率为0.999，植被间距增大到10 cm时，拦截率减少到0.838；当宽度为2时，植被间距为2 cm时，拦截率为0.998，植被间距增大到10 cm时，拦截率减少到0.556。

显然，植被缓冲带的宽度在一定程度上是可以通过成本更小的减少植被间距来弥补的，例如，可以将植被缓冲带宽度设为2 m，植被间距设为2 cm，来替代宽度为7 m时，植被间距为10 cm的植被缓冲带。

4 讨 论

植被缓冲带的宽度可以在一定程度上通过植被间距的增大来减少，对于大沽河实地情况来说，建议成本较低的草本植被缓冲带。在数据模拟过程中发现，植被高度仅需要4 cm便可对地表径流起到阻控作用，但具体的植被缓冲带宽度、植被间距等需要根据实地情况来确定。

不同的源区面积即使在相同的降雨强度下，其产生的泥沙量也是不同的。针对北岔河的实地情况来说，在2 mm/min的降雨强度下，当要求植被缓冲带对泥沙的拦截率为0.95以上时，可以在植被间距为14 cm时，将植被缓冲带宽度减少至8 m，此时泥沙拦截率为0.965；也可以通过减少植被间距为6 cm，将植被缓冲带宽度减少至4 cm，此时泥沙拦截率为0.962。显然，这两种不同的措施，植被缓冲带对泥沙的拦截效率近乎相同，这是因为植被缓冲带是通过减缓地表径流的速度，从而降低径流的携沙能力，在植被间距为14 cm时，地表径流经过8 m，才能将径流的携沙能力减弱至0.035，而植被间距减少至6 cm时，由于植被密度的增加导致地表径流的阻力增大，地表径流的携沙能力减弱，此时仅需4 m，便能将地表径流的携沙能力减弱至0.038。

可以看出，大沽河植被缓冲带，可以对泥沙起到较好的阻控作用，但植被缓冲带的建立仍有不足，在濒临河岸的农田，植被过少或种类单一，植被间距过大等问题能否使得植被缓冲带发挥足够的阻控径流的效果在今后仍需关注。

在今后的研究中，应加强对大沽河典型地区地表土壤及植被缓冲带各种参数定量监控，比较不同植被组成的缓冲带的阻控效果，建立更加适合大沽河植被缓冲带的模型，并用模型建立不同参数下植被缓冲带对地表径流的阻控效果，比较各个因素对大沽河植被缓冲带的敏感性，找出主要影响因子，为大沽河管理者设计符合大沽河流域特征的植被缓冲带提供合理的建议。

5 结 论

(1) 调查的4处植被缓冲带对泥沙拦截效果都很好，基本能满足当地降雨情况下对泥沙的完全拦截。

(2) 北岔河处植被缓冲带可以拦截0.8 mm/min以下降雨强度产生的地表径流，仁兆镇拦河闸和程家小里村处植被缓冲带可以拦截0.7 mm/min以下降雨强度产生的地表径流，后路家村处植被缓冲带可以拦截0.4 mm/min以下降雨强度产生的地表径流。

(3) 在现有的植被缓冲带条件下，缓冲带宽度和源区宽度同时改变的情况下，且降雨强度达到2 mm/min时，北岔河村处仅需要8 m的宽度就能使得泥沙拦截率达到0.965；仁兆镇拦河闸处需要20 m的宽度使泥沙拦截率达到0.975；程家小里村处仅需要1 m的宽度使泥沙拦截率达到0.97；后路家村处需要5 m的宽度使泥沙拦截率达到0.956。