植被过滤带对泥沙和磷削减效率及VFSMOD-W模型模拟

植被过滤带是有效削减面源污染的生态管理措施,其削减效果受很多因素的影响。该文通过植被过滤带试验,探讨不同坡度和浅层地下水埋深对植被过滤带削减地表径流、泥沙和磷的影响,结合VFSMOD-W模型和简单磷运移经验模型评估污染物在植被过滤带的传输。结果表明,植被过滤带对地表径流、泥沙和TP的削减效率范围分别为25%~72%、43%~82%和39%~80%。在同一浅层地下水埋深条件下,当过滤带坡度分别为2%、5%和15%时,坡度越缓,植被过滤带削减效率越高。在同一坡度条件下,当浅层地下水埋深分别为0.08、0.22和0.36 m时,浅层地下水埋深越深,植被过滤带的削减效率越高。VFSMOD-W模型模拟结果显示,该模型能够较好地模拟地表径流和泥沙在植被过滤带的传输。VFSMOD-W模型结合简单磷运移经验模型对削减效果进行模拟评估,发现整体拟合效果较好(C_(eff)>0.85)。VFSMOD-W能较好地用于预测地表径流、泥沙和磷在植被过滤带的传输。

流速对胶体在植被过滤带中迁移的影响

为探讨流速导致的流态变化对胶体在植被过滤带中迁移产生的影响,结合地表水水槽室内试验和COMSOL数值模型,观测和模拟不同流速下胶体在植被过滤带中的迁移过程。实验发现胶体在流速0.017~0.029m/s内,随着流速的增加,胶体的去除效率先增大,后减小。这与胶体过滤理论不一致。通过COMOSOL模拟胶体在稳态和瞬态的水流流态发现,卡门涡街的存在会增大胶体在植被过滤带中的去除效率,并且随着流速的增加,去除效率与实验结果一致,先增加后降低,说明流速的增加导致流态的变化,是影响胶体迁移的主导因素。研究还发现在2m长的植被过滤带中,单位植被长度去除效率随迁移距离的增加而减小。研究结果可以为设计植被过滤带去除胶体的工程设计提供理论依据。

植被过滤带对地表径流中污染物的净化效果

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10m。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。

植被过滤带的定量计算方法

植被过滤带(VFS)因其能有效地滞缓径流、沉降泥沙、控制非点源污染,在美国已作为重要的最佳管理措施(BMP)得到应用。本文在简述国外植被过滤带设计方面的有关研究和应用的基础上,重点介绍了3种典型的过滤带带宽的计算方法,并对其进行了比较与讨论。最后,指出了今后需进一步研究的问题。

不同宽度模拟植被过滤带对农田径流、泥沙以及氮磷的拦截效果

化肥的大量使用在提高作物产量的同时,也导致了严重的环境污染。该研究通过在土槽上进行浑水冲刷试验,定量研究了模拟植被过滤带对径流、泥沙、总氮、以及总磷的拦截效果。结果表明,在进水流量(0.173 L·s-1)和流速(0.7 m·s-1)一定的条件下,模拟植被过滤带的宽度对污染物的拦截效果影响较大。当宽度分别为1、2、3 m时,模拟植被过滤带对径流的拦截率分别为32%、51%、69%;对泥沙的拦截率分别为78%、88%、92%;对总氮的拦截率分别为65%、75%、84%;对总磷的拦截率分别为80%、93%、95%。同时,3种宽度下的泥沙量、总氮量、总磷量均与径流量呈显著线性正相关关系(泥沙量:r1=0.69,r2=0.84,r3=0.63;总氮量:r1=0.98,r2=0.89,r3=0.95;总磷量:r1=0.62,r2=0.47,r3=0.41),表明径流量在一定程度上决定了流经植被过滤带后出流的泥沙量、总氮量以及总磷量。研究证实,茎秆密集的草本植被过滤带能有效拦截径流、泥沙、总氮以及总磷,对农田水土流失和农业面源污染具有较好的防治效果。

草本植被过滤带对径流中泥沙和除草剂的去除效果

除草剂阿特拉津的大量使用在提高农业生产效率、增加作物产量的同时,也导致了严重的环境污染。该研究通过在土槽上进行浑水冲刷试验,定量研究了禾本科草本植被过滤带(狼尾草Pennisetum alopecuroides (Linn.)Spreng和野古草Arundinella hirta (Thunb.)C.Tanaka)对径流、泥沙、以及阿特拉津的拦截效果。结果表明,禾本科草本植被过滤带能有效拦截径流,拦截率可达88%;并显著降低泥沙和阿特拉津流失量,但其作用效果受泥沙和阿特拉津的进水浓度影响较大。当进水泥沙浓度为20、40、60g/L时,植被过滤带对泥沙的拦截率分别为95%、93%、85%;当进水阿特拉津浓度为0.3、0.6、0.9mg/L时,植被过滤带对阿特拉津的拦截率分别为95%、92%、91%。另外,植被过滤带对泥沙和阿特拉津的拦截率随时间延长呈逐渐降低趋势,试验开始后第1、10、20、40、60分钟的泥沙拦截率分别为97%、95%、93%、91%、87%,阿特拉津拦截率分别为97%、93%、90%、86%、84%;同时,阿特拉津出流浓度与径流量有显著相关关系(r1=0.88,r2=0.93,r3=0.94),表明径流量在一定程度上决定了阿特拉津出流浓度和出流量。研究证实,植被过滤带能有效降低阿特拉津随径流流失量,对阿特拉津引起的农业面源污染具有较好防治效果。

径流流量对植被过滤带净化效果的影响

植被过滤带净化效果的影响因素较多,1次降雨径流过程中植被过滤带的净化效果也会随时间变化。该文通过野外小区试验,分析了暴雨径流过程中流量对植被过滤带净化效果的影响。结果表明:在1场暴雨径流过程中的不同时间段,即不同入流流量下,植被过滤带对悬浮固体、总氮、总磷、颗粒态氮和颗粒态磷的净化效果变化较大,随着入流流量的减小,植被过滤带的净化效果更为显著,其中草地过滤带的净化效果最好;对植被过滤带进出口水流中的颗粒粒径分析也表明植被过滤带对粗颗粒的净化效果较好,植被阻滞水流使粗颗粒沉积是植被过滤带净化的主要方式之一。该研究可为我国西北地区植被过滤带技术的应用提供参考依据。

植被过滤带拦截径流和泥沙效果的模型研究

植被过滤带可显著减少农田径流及其携带的污染物,是流域农业面源污染治理的最佳管理措施,而数学模型是设计植被过滤带的有效工具。本研究通过浑水模拟冲刷试验研究了不同宽度(1 m、2 m、3 m)和不同坡度(3.3%、6.7%、10%)的草本植被过滤带对径流和泥沙的拦截效果,并对VFSMOD模型的适用性进行了验证,最后基于该模型对植被过滤带拦截效果中坡度和宽度二因素的敏感性进行了分析。结果表明,VFSMOD模型对径流和泥沙浓度的模拟偏差在8%和12%以内,Nash-Sutcliffe-Effi ciency系数分别为0.85和0.93,表明该模型可对植被过滤带拦截径流和泥沙的效果进行较好的模拟;同时,模拟结果显示植被过带宽度与其径流和泥沙的拦截率成线性正相关关系(径流:R12=0.992、R22=0.994、R32=0.993;泥沙:R12=0.366、R22=0.374、R32=0.379),植被过滤带坡度与其径流和泥沙的拦截率成线性负相关关系(径流:R12=0.720、R22=0.761、R32=0.709;泥沙:R12=0.771、R22=0.804、R32=0.7 78)。与坡度相比,植被过滤带宽度因素对于植被过滤带拦截径流和泥沙的效果更为敏感,是植被过滤带设计中应着重考虑的因素。

不同植被过滤带对农田径流泥沙和氮磷拦截效果与途径

在我国农业面源污染已经成为水环境质量恶化和湖泊富营养化的重要原因,其中氮磷对地表水富营养化的贡献超过了50%。通过浑水冲刷试验,研究了3种禾本科植被过滤带((黑麦草Lolium perenne Linn.)、偃麦草((京草2号)Elytrigia repens(L.)Nevski)、无芒雀麦(Bromus inermis Leyss.)对径流、泥沙以及氮磷的拦截效果,同时分析了3种植被过滤带拦截氮磷的主要途径。结果表明:(1)与裸地相比,3种植被过滤带均能显著提高径流与氮磷的拦截率。3种植被过滤带之间对径流、氮磷拦截率没有显著差异。黑麦草过滤带泥沙流失量显著低于无芒雀麦过滤带;同时径流、泥沙与氮磷拦截率之间存在显著正相关关系,表明植被对径流和泥沙的拦截一定程度上决定对氮磷的拦截量;(2)径流过程中磷的流失量均低于氮的流失量。氮的流失主要以溶解态氮为主,占总氮流失量的90%以上;磷的流失则主要以颗粒态磷为主;(3)植被过滤带拦截氮磷的途径不同,氮主要通过增加土壤入渗的途径来拦截,磷则主要通过植物茎秆基部进行物理拦截;(4)京草2号对氮的拦截效果优于黑麦草和无芒雀麦,而黑麦草则在磷的拦截方面表现突出。因此在植被过滤带的优化设计方面可以考虑黑麦草与京草2号2者混播以达到最佳的拦截吸附效果。

植被过滤带的研究和应用进展

水资源的人为污染日趋严重.植被过滤带被认为是降低水体污染、特别是非点源污染的最佳措施之一.植被过滤带是位于污染源和水体之间的带状植被区域,其可以使地表径流中的污染物被沉降、过滤、稀释、下渗和吸收.本文综述了植被过滤带的发展历史、结构、污染控制机理和在实际应用当中的设计、经营管理及效益等方面的研究进展.我国对植被过滤带的研究还处于初始阶段,试验或应用结果都很少,因此,需要扩展和加深这方面的研究,取得相关的试验数据,以使这一生态技术更有效地在我国推广和应用.

基于数学模型的陕西黑河水源区植被过滤带效果评估

为探讨运用数学模型进行植被过滤带效果评估的方法,以陕西黑河水源区为例,通过植被过滤带水文及泥沙输移模型,分析了植被过滤带的带宽及坡度对入流泥沙净化效果的影响,确定适宜的植被过滤带设置方法,并采用污染负荷～泥沙关系法对植被过滤带的流域非点源污染负荷削减效果进行估算。结果表明:草地植被过滤带带宽以3～5 m为宜,且应设置于坡度小于60°的河岸岸坡;在黑河水源区内的可设带区域全部设置植被过滤带后,将削减泥沙负荷的21.7%,TP负荷的12.4%和TN负荷的14.3%,植被过滤带能够在黑河水源区的水质保护中起到重要作用。

植被过滤带非点源污染及其对净化效果的影响

利用野外小区试验,探讨了植被过滤带非点源污染的产生及其对净化效果的影响。结果表明:总氮、总磷在植被过滤带初始出流中呈现出较高的浓度;在入流单宽流量大于0.004 m3/(s.m)的大流量冲刷下,植被过滤带出流悬浮固体的浓度大多增加;当植被过滤带内土壤初始氮浓度较高时,径流会再次受到氮污染。植被过滤带内坡面和表层土壤的初始情况(污染物量和干湿度)以及入流流量是植被过滤带产生非点源污染的主要因素;非点源污染的产生是植被过滤带净化效果降低的主要原因。

坡面产流产沙过程对植被过滤带响应的试验研究

为探讨植被过滤带在坡面产流产沙过程中对水沙的拦截效果及其水动力学机理,通过在室内土槽上设置模拟植被过滤带并进行浑水冲刷试验,得到有无模拟植被过滤带情况下的产流产沙情况及相关水动力学参数,定量分析了植被过滤带对径流、泥沙的拦截效果并探讨了坡面产沙率与水动力学参数之间的关系。结果表明,植被过滤带在放水冲刷试验中能有效拦截径流和泥沙,且在较小流量下,径流和泥沙的拦截效果更好,在200L/h流量下,拦截率分别可达33.2%和96.9%;在冲刷过程中,有无模拟植被过滤带产沙率与水流剪切力、水流功率都具有显著的相关关系,分别呈指数函数(R2=0.67,R2=0.83)和幂函数(R2=0.70,R2=0.87)增大关系;采用含水流剪切力和水流功率的非线性回归方程Rs=1.184×10-6τ-4.114ω3.839(R2=0.73)预测产沙率效果较好。

植被过滤带阻控径流污染的机制及研究进展

植被过滤带是阻控径流污染的有效措施,其可通过滞留、下渗、吸附、吸收以及降解等机制截留径流中的污染物。文章综述了植被过滤带的发展历程,介绍了过滤带阻控径流中污染物的主要机制,归纳了植被过滤带的构成因素以及影响截留效率的因素,并概述了植被过滤带模型模拟的研究进展。最后,结合当前国内外研究成果及现状,归纳分析了今后还应继续深入研究的方向。

基于水文和土壤侵蚀模型评估植被过滤带净化径流中氮磷的效果

为了方便快速地评估单次径流条件下植被过滤带对污染物氮、磷的净化效果,该文设计了地表径流的模拟放水试验,分析了泥沙与颗粒态污染物的相关性,依据土壤混合层概念简化了土壤污染物的输移,建立了植被过滤带对污染物作用效果的估算模型。结果表明:径流中颗粒态氮、磷含量与泥沙含量有显著相关性(P<0.05),据此建立线性相关方程,估算出植被过滤带对颗粒态污染物的净化效果,其86%以上样本的颗粒态氮、磷质量浓度模拟偏差均在±20%之内;溶解态氮、磷的迁移分两部分,即发生于坡面地表径流中和土壤混合层中,分别根据质量平衡原理建立方程对溶解态污染物的迁移进行了模拟,验证得到83%以上样本的溶解态氮质量浓度模拟偏差在±20%之内,67%以上样本的溶解态磷质量浓度模拟偏差也在±20%之内,研究表明,可以基于土壤混合层概念和水文及土壤侵蚀模型对植被过滤带净化效果进行评估。

植被过滤带的污染物去除效率研究进展

探讨植被过滤带(vegetative filter strips,VFS)污染物去除效率与VFS特征参数(长度、坡度、植被类型)、污染物特性之间的关系,归纳了计算VFS污染物去除效率的经验模型和物理模型。结果表明,VFS长度与污染物去除效率呈一定的相关关系,坡度改变对污染物去除效率无明显影响,农药的有机碳吸附系数对污染物去除效率有较大的影响;VFS去除效率经验模型可以依据VFS的长度来估算污染物质的去除效率,同时可以计算不同粒径泥沙的去除效率,针对氮、磷、农药也能估算不同去除方式(如下渗、吸附等过程)的贡献率;耦合了水文模型与污染物去除机制的物理模型也在逐步完善中,VFSMOD就是代表。未来需要加强VFS对其他面源污染物如胶体、纳米颗粒物去除效率的研究,关注VFS在流域尺度上的污染物去除效率。

植被过滤带阻控除草剂污染的研究与应用进展

除草剂等农药在农业生产上作出了极大的贡献,但未被利用的农药因雨水和灌溉随地表径流进入水体,破坏了水生态系统,对人类健康构成威胁。本文对植被过滤带阻控除草剂污染的作用进行了阐述,综述了植被过滤带阻控除草剂污染的机理及影响其功能的主要因素,指出目前研究的局限和应用中应该考虑的问题,并对下一步研究方向进行展望。

荷兰有关利用植被过滤带控制径流中污染物的研究

牲畜废弃物及其积存处是地表径流中硝态氮污染物的重要来源。植被过滤带 (VFS)能有效地减少牲畜饲养区域地表径流中的营养沉积物和固体悬浮物 ,然而 ,其控制径流中的水溶性营养物和细菌的效果还不十分清楚。对羊茅草过滤带研究表明 ,上游施粪肥的植被过滤带 ,1997年减少径流中硝态氮 (NO3-N)流失 97% ,1998年减少99% ;在两次径流观测中 ,大肠杆菌的数量也有显著减少 ,分别为 6 4 % (19970 7)、87% (19980 8)。

植被过滤带水土保持和水质净化效益研究

植被过滤带是水土保持和面源污染防控的重要措施之一。本研究于2016年8月在鹫峰人工降雨大厅通过土槽植草冲刷试验,观测不同宽度和坡度的植被过滤带(高羊茅)对地表径流、总悬浮物(TSS)以及污染物(TN、TP、K)的削减效果,定量分析植被过滤带宽度、坡度及入流流量大小等因素对植被过滤带径流拦蓄、TSS拦截和水质净化效益的影响。结果表明:植被过滤带的宽度对径流拦蓄效益影响较大,宽度为1、3和5 m植被过滤带的径流削减率分别为25.9%、79.6%、79.7%;污染物(TN、TP、K)削减率随着宽度逐渐增大,分别为51.7%~92.9%、44.4%~98.8%、31.7%~97.9%;TSS削减率分别为97.6%、99.4%和77.4%。随着坡度的增加(3°、7°和10°),径流和TSS的削减率呈逐渐减小趋势。对于同一个植被过滤带而言,较小的入流流量所对应的径流和TSS削减率较大,而污染物负荷削减率较小。研究表明,植被过滤带能有效拦蓄径流、拦截悬浮固体等污染物质,具有较好水土保持和水质净化效益。

不同参数下植被过滤带对径流中农药的净化效果研究

陕西眉县地区在农业生产时使用的新型农药高效氯氟氰菊酯随着径流流入受纳水体,对河虾和鱼危害极大。植被过滤带作为生物工程措施主要集中在对泥沙、氮、磷、COD等污染物的净化效果研究方面,但是对径流中农药的净化效果研究较少。该研究旨在为西北地区应用植被过滤带控制径流中主要农药残留物提供理论依据与参考。通过野外水流试验,研究了在不同参数条件下,植被过滤带(沙棘灌木(Hippophae rhamnoides L.)、草本植被)对径流中农药的净化效果。结果表明:当流量为0.85 L·s^(-1),质量浓度为0.3 mg·L^(-1),土壤初始含水率分别为20%、50%、70%时,土壤初始含水率越低,浓度削减率越高;当质量浓度为0.3 mg·L^(-1),土壤初始含水率为20%,入流流量分别为0.85、1.5、7.1 L·s^(-1)时,入流流量越小,净化效果越好,当入流流量为0.85 L·s^(-1)时,沙棘过滤带的浓度削减率、负荷削减率高达62%、86.02%,草本过滤带的浓度削减率、负荷削减率高达62.67%、87.69%;当流量为0.85 L·s^(-1),土壤初始含水率为20%,入流污染物质量浓度分别为0.3、0.6、0.9 mg·L^(-1)时,入流浓度越大,净化效果越好,当入流农药质量浓度为0.9 mg·L^(-1)时,沙棘过滤带浓度削减率、负荷削减率分别高达83%、91.38%,草本过滤带的浓度削减率、负荷削减率分别达84.33%、95.43%。此外,通过对比和计算可知,草本植被过滤袋净化效果优于沙棘灌木过滤带。