植被過濾帶阻控農業徑流污染特性與機制進展

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來源：《環境科學與技術》2018年2期

作者：吳鵬，付永勝*，彭勃，王鴻斌

單位：西南交通大學地球科學與環境工程學院

摘要

植被過濾帶作為一種防治農業面源污染的有效措施，在截留泥沙侵蝕、保護河道水質等方面效果顯著。該文主要綜述分析了國外中試實驗（小區實驗）研究過濾帶截留農業徑流污染物（沉積物、N、P營養物、農藥等）的效能與機制及其有效運行的影響因素，介紹了污染物在過濾帶中遷移轉化的數學模型；探討分析了小區實驗與實際田間過濾帶的差異；概述了國內過濾帶的研究情況。結合目前過濾帶的研究不足點以及國內研究現狀提出了今後的重點研究方向。

植被過濾帶（vegetative filter strips, VFS）又被稱為過濾帶、濱岸緩衝帶、緩衝帶和濱岸區域等，本文將植被過濾帶簡稱為過濾帶。過濾帶一般構建於河道、溪流沿岸以及湖泊、水庫等水體周圍，上端毗鄰農作物種植區域。其主要承擔功能有：（1）減少上游農業耕作區泥沙侵蝕；（2）截留上游污染物，保護河道、水庫等水體水質；（3）防洪固堤；（4）生態景觀功能。由於農業耕作區的地表徑流已列為地表水的主要污染源，因此，水環境工作者對過濾帶截留上游農作物區在降雨徑流下的污染物，緩解以及保護下遊河道、水庫等水體水質的功能尤為關注。

植被過濾帶作為防治非點源污染的水處理自然設施，相比人工處理設施，更易於管理維護和價格低廉。國外（如美國、加拿大和法國等）對植被過濾帶截留污染物的機制及其影響因素、模型構建方面研究較早，已把過濾帶列為防治非點源污染進入河道等水體的最佳管理措施（best management practice, BMPs），並頒布了相應的設計指南。

目前國內對過濾帶的研究主要集中於小試及中試實驗報道，考察內容主要為過濾帶截留污染物效率及影響因素定性比較分析等。影響過濾帶有效運行的因素眾多且複雜，而國內綜述文獻大多從流域和生態景觀等宏觀層面對過濾帶進行分析，缺乏從小尺度的微觀角度綜述過濾帶的研究進展情況。因此有必要從小尺度層面對過濾帶截留污染物效率、機制以及影響因素進行全面綜述分析，利於今後研究者更加全面準確地設計過濾帶實驗以及研究其性能。本文主要通過對國外中試實驗（小區實驗）研究過濾帶截留農業徑流污染物（沉積物、N、P營養物、農藥等）的成果進行了總結分析，並概述了國內過濾帶的研究情況。針對目前過濾帶的研究不足點提出了今後的重點研究方向。

1 阻控污染物的效能與機制

1.1 阻控效能

上游農業耕作源區的降雨徑流污染輸移至過濾帶內，在過濾帶內被有效攔截、滯留以及降解，經處理後的出水排入下游水體。過濾帶截留徑流污染的運行過程可概化為圖1所示，本文主要分析過濾帶處理單元的研究情況。關於過濾帶實驗方法，Krutz等在過濾帶截留農藥化合物綜述文章中根據實驗降雨類型，主要分為3類，如表1。常用的小區過濾帶模擬徑流實驗方法不能解釋降雨對污染物濃度的稀釋作用以及降雨導致污染物遷移能力的增大因素。

過濾帶截留污染物能力採用截留效率表示，污染物截留物效率（trapping efficiency,TE）定量計算一般採用以下計算方法：（1）直接根據實驗過濾帶和對照區（無植被或雜草等）的徑流出流水質水量計算過濾帶截留污染物效率。該方法由於無徑流入流水質水量數據，不能定量區分過濾帶截留污染物的具體機制。（2）根據過濾帶徑流入流與出流水質水量數據計算其截留污染物效率。該方法可根據質量均衡原則，定量分析下滲、吸附等具體截留機制，在文獻報道中最為常見。對於實驗的多條過濾帶，有時並不逐一監測各條過濾帶的入流水質，而近似認為各實驗過濾帶的上游產流源區在自然降雨或模擬降雨下的出流水質相同，只需監測某塊過濾帶的上游無植被的產流區出流水質。（3）為區分實驗過濾帶的凈截留效率，Blanco Canqui等在第2種計算方法基礎上，將實驗過濾帶截留負荷和入流負荷都減去對比過濾帶的污染負荷削減量。各效率計算方法見表2。

由於過濾帶具有很大的徑流削減能力，污染物質量截留效率一般高於濃度截留效率。Al Wadaey等報道認為草本過濾帶削減P（TP: total phosphorous、DRP: dissolved reactive phosphrous、PP: particulate phosphrous）濃度是沒有效果的，但通過削減徑流，占排水源區1%~1.5%的植被過濾帶可削減50%以上的污染負荷（徑流、沉積物和P）；而春季融雪事件中，過濾帶土壤表面由於被凍融，導致徑流削減量因下滲能力減弱而減小，過濾帶內融雪徑流出流DRP（dissolved reactive P）濃度相比降雨徑流高58%。表3列出了近15年國外主要報道的植被過濾帶在各實驗條件下的截污效率，文獻作者採用的效率計算方法為上文中的第2種。整體上，過濾帶對徑流量、沉積物SS、N、P營養物以及農藥化合物等都具有較高的截留效率，平均約70%以上。

1.2 阻控機制

過濾帶對徑流污染物負荷的削減主要歸因於流量削減和濃度削減。流量削減主要表現為下滲作用，下滲作用機制並不能削減污染物濃度。濃度削減則為徑流污染物先被過濾帶植被和土壤吸附/沉降快速阻滯，被滯留的部分污染物再被植物吸收和土壤微生物代謝降解作用而去除。植物吸收和微生物代謝過程相比下滲、吸附/沉降過程所需時間更長。相比普通農作物區以及裸露地表，由於過濾帶地表植被覆蓋稠密、糙率大，導致徑流與過濾帶接觸時間延長，從而增強徑流下滲削減和濃度削減，使污染物得以有效截留去除。過濾帶阻控污染物的機制主要有沉降、下滲、吸附、吸收以及污染物本身揮發、徑流蒸發等機制。

1.2.1 沉降

如上文所述，植被過濾帶表面糙率相對增加，攜沉積物運移的徑流流速可減小至部分沉積物沉降的臨界速率。沉積物遷移能力的減弱以及沉積物的沉降作用共同導致大粒徑沉積物以及沉積物附著型污染物（sediment-bound nutrients）沉降至過濾帶內，從而得以截留去除。徑流沉積物沉降過程主要位於在過濾帶前端，Blanco Canqui等研究表明8m寬高羊茅過濾帶截留沉積物效率97%，其中前4m段截留效率高達93%。

徑流中的沉積物在過濾帶內遷移具有選擇性。大粒徑沉積物較小粒徑優先沉降，而小粒徑沉積物更易保持懸浮態出流過濾帶進入下遊河道等水體。此外，過濾帶土壤（細粒徑）吸附徑流污染物，其中，過濾帶土壤的有機質及黏土經降雨沖刷可優先通過過濾帶，污染物出流濃度反而增大。Lee等研究指出，7.1m寬柳枝稷過濾帶對細沙、粉土截留效率分別為82、71%，而黏土截留效率只有15%；經柳枝稷過濾帶（7.1m）以及其與灌木、喬木組成的混合過濾帶（16.3m）處理上游裸露莊稼地的徑流污染物，沉積物中顆粒物（>20μm）粒徑分布比例明顯減少，而顆粒（

1.2.2 下滲

過濾帶通過增強徑流下滲作用可阻滯溶解性污染物進入下遊河道水體。下滲能力隨寬度增大而增加，相應的，去除溶解性污染物能力也增加。過濾帶下滲能力與寬度呈非線性關係，徑流進入過濾帶前半段由於流速較小、接觸時間較長，其下滲能力高於後半段過濾帶。

較深的根莖系統、濃密的植被殘骸以及蚯蚓等動物的出現會增強土壤孔隙，均可促進下滲作用。但植物殘骸富積物質可能存在再溶析出營養物質、增大出流污染物濃度的風險，因此，有學者建議通過及時收割植被來減少營養物在過濾帶中的富積。

Lee等實驗研究草本過濾帶與草本-灌木-喬木混合帶發現：下滲率（徑流下滲百分比）與黏土、NO3--N質量削減率具有很高的線性相關性，相關係數R2分別達到0.97和0.95；模擬雨強69mm/h降雨1h的過濾帶下滲率比雨強25mm/h降雨2h小20%。Krutz等報道在土壤含水率相對飽和情況下，仍有大量阿特拉津及其代謝產物被下滲去除，平均下滲去除負荷約佔總截留負荷的64%。Mankin等報道認為下滲作為過濾帶去除污染物的主要機制，寬度為8.3~16.1m的草本、草灌混合過濾帶中TSS（total suspended solids）、TP和TN（total nitrogen）下滲去除負荷分別佔到各自總截留效應的75%、90%和90%以上。

1.2.3 吸附

過濾帶徑流污染物質量削減率一般高於濃度削減率的現象，表明了過濾帶土壤及植被吸附作用存在的可能性及其重要性，並且也在相關研究中得到了驗證。Schmitt等報道生長齡為2a的柳枝稷和高羊茅組成的混合草本過濾帶截留模擬降雨、徑流實驗中，阿特拉津在過濾帶出流濃度高於入流濃度，但質量截留效率約30%。

過濾帶吸附機制主要與污染物類型及土壤特性有關，一般認為高溶解度物質的遷移流動性更強，吸附性更小。Bhattarai等報道雀麥草和黑麥草混合組成的過濾帶截留牛養殖場徑流污水，PO43-由於強吸附性易吸附累積於土壤，在牲畜離開養殖場後，從而引起場區排出徑流污水減少的時段：降雨過程中，泥沙侵蝕會增大過濾帶PO43-入流濃度，而NO3-由於其較強流動性，入流濃度則隨之降低；當牲畜返回養殖場後，NO3-濃度迅速升高，而強吸附性PO43-，需要一段時間來緩衝響應後濃度才會升高。Popov等報道：中等溶解度的阿特拉津（溶解度~33mg/L）和高溶解度的異丙甲草胺（溶解度~520mg/L）在草本過濾帶模擬徑流深度較低（

Mayer等統計分析得出在過濾帶入流NO3--N濃度較低時，更易出現負削減率。但Chung等研究表明植被過濾NO3--N濃度截留效率遠高於NH4+-N，除了在原有自然生長的草-木過濾帶外，其他構建的草本、灌木過濾帶截留NH4+-N都為負效率。這與大多文獻報道的結論不一致。筆者分析認為：除了作者分析存在反硝化現象外，更多可能是因為模擬徑流NH4+-N入流濃度太低，以及沖洗過濾帶土壤導致NH4+解析溶出，從而截留效率遠低於NO3--N。其實驗NH4+入流濃度（4+背景濃度（~0.3mg/L）一致，遠低於其他文獻實驗中的NH4+入流濃度~3mg/L（徑流55.3~62.8mm，NH4+負荷1.77~2.02kg/hm2）以及~9mg/L。

1.2.4 吸收

過濾帶內植被以及微生物能夠對徑流污染物吸收同化。Mankin等報道1m×15m草本過濾帶徑流停留10min時，反硝化脫氮估算約佔TN削減的2%。Chung等研究表明相比構建的生長齡為3a的草本、灌木植被過濾帶，10a生長齡的稠密自然喬木-灌木植被帶具有更為發達的根系，能促進植被吸收和微生物固定NH4+-N和NO3--N，這一過程在土壤表層30~50cm表現最為活躍。文獻報道植物對營養元素吸收率為：15%~22%N、13%NH4+、-9%（N+N）：（NO3-+NO2-）和2.5%P。Bhattarai等通過連續3a監測過濾帶截留養殖場徑流發現，過濾帶土壤NO3--N和Bray P1隨處理徑流污水轉入而增大，但運行期間並無大量累積，兩者濃度都隨土壤深度增大而減小，其中前者減小程度較小。筆者分析認為其主要歸因於植物吸收及微生物代謝降解作用。

1.2.5 其他

過濾帶除了以上4種主要截留污染物機制外，污染物還能夠通過降雨稀釋、徑流蒸發以及自身揮發等機制削減。降雨可稀釋過濾帶污染物出流濃度，但對不能削減質量負荷。Schmitt等通過設計的過濾帶阻控模擬降雨、徑流實驗，表明污染物濃度的降雨稀釋能力線性於過濾帶寬度。Mankin等報道在常溫下小區過濾帶模擬徑流實驗NH4+-N揮發量

2 影響植被過濾帶有效運行的主要因素

植被過濾帶截留上游農業產流區的污染物效率主要受過濾帶的物理特性、水文條件和污染物類型影響。過濾帶物理特性(physical characteristics)主要根據其組成分為其所在位置的地形特徵、土壤特性和植被構成等，具體表現參數為過濾帶寬度、坡度、植被蓋度、植被糙率等。水文條件主要包括當地降雨情況及降雨事件強度、過濾帶徑流水力特性等。污染物根據溶解性和吸附性主要分為溶解性污染物與沉積物附型性污染物。

2.1 物理特性

2.1.1 地形特徵

過濾帶土壤坡度越大，徑流流速增大，會降低沉積物截留效率。Dillaha等研究坡度為11%的4.6、9.1m過濾帶截污效率分別為73%、93%，坡度16%下的同樣寬度過濾帶，相應污染物截留效率則為49%和65%。

通常認為過濾帶寬度與阻控污染物效率正相關。但影響污染物削減因素較多，只有在較大寬度尺寸上，這種趨勢才明顯。Mayer等統計分析公開發表的89個草本、林木、濕地林木、濕地以及草-木過濾帶發現，過濾帶寬度>50m去除N效率明顯高於寬度4+-N、TKN、PO43-和TP超過9m後的截留效率都無明顯增加。Dosskey等通過模型分析指出過濾帶截留溶解性污染物相比截留等效率的沉積物，需要更大寬度。過濾帶寬度並不是截留農藥化合物的顯著影響因素，Fox等認為過濾帶飽和垂直導水率為影響徑流下滲及截留沉積物與農藥化合物效果的主要控制因素。

過濾帶沉積物出流負荷一般隨過濾帶寬度增大呈指數降低（y=aex），但在過濾帶前端若因徑流積水沉降或設置植物籬等導致沉降截留效率太高，則不滿足該關係。也有報道N、P等營養物出流負荷隨過濾帶寬度增大而呈指數關係降低。AbuZreig等研究得出，草本過濾帶TP質量削減效率與寬度呈冪函數關係增加（y=axb）；增加過濾帶寬度對提高TP質量截留效率比沉積物更明顯，過濾帶寬度由2m增至15m對TP截留效率提高了47%，而對沉積物效率只提高25%。目前文獻報道的過濾帶小區實驗形狀都主要為規整的矩形，與實際野外工程有差異。

2.1.2 土壤特性

土壤特性主要影響徑流下滲能力以及對污染物的吸附能力。影響農藥化合物的吸附去除主要為土壤有機質含量以及黏土含量，其含量越高越有利於農藥化合物吸附。此外，PO43-也很可能吸附於過濾帶土壤有機質或黏土從而被滯留固定。

過濾帶土壤為高滲透性的細沙土壤時，截留徑流流量高；而黏土含量較高時，即使在適中的徑流負荷情況下，也可能無徑流截留效果。細質地土壤具有較低下滲能力，徑流輸運過程也易造成二次泥沙侵蝕，導致徑流污染物截留效率降低。

土壤前期含水量越大，過濾帶下滲能力越低。目前文獻一般採用2種實驗方法探討含水量對下滲能力影響。一是測定計量過濾帶實驗前不同降雨量或者模擬降雨量、模擬徑流量；二是測定過濾帶實驗前土壤含水率，然後實驗比較過濾帶截留污染物效率。前者認為降雨前各實驗過濾帶含水量幾乎一致，實驗過程較後者簡便。此外，土壤壓實度也影響下滲能力以及徑流水力路徑。

2.1.3 植被特性

一般認為，草地過濾帶截留徑流沉積物和徑流量效果顯著，但由於植被生物量小和根系淺，在攔截地下側向流及營養物方面不如林木過濾帶。林木過濾帶由於具備較深根莖系統，對NO3--N等營養物吸收去除效果更好。因此，在濱岸植被過濾帶設計中，可構建草本-灌木-喬木混合過濾帶來有效截留徑流污染。Popov等認為相比農作物種植區，實際工程中過濾帶內分布的稠密植被具有廣泛的根莖系統，使水分年蒸發量增大，可減小過濾帶內土壤含水率，從而促進徑流下滲量。

蓋度對草本過濾帶截留污染物影響較大。一般蓋度越大，過濾帶能更有效的截留徑流污染。Abu Zreig等對黑麥草、豆科植物與高羊茅混合帶、當地植被研究指出過濾帶截留TP質量效率與蓋度呈線性增加關係。P?tzold等研究表明12m寬蓋度為40%的保護性耕作區截留3種農藥化合物效率整體為80%~83%，而6m寬蓋度為75%~100%的草本過濾帶截留效率達到80%~88%。

植被對營養物的吸收與其生長齡相關。有研究表明植物生長初期對N、P營養物吸收高於成熟期。Schmitt等研究表明生長齡為25a的草本過濾帶污染物出流濃度始終低於生長齡為2a的草本過濾帶及草-灌-木混合過濾帶。

2.2 水文條件

實際田間工程中水文條件的影響是最為普遍和不可避免的，相比其他因素的研究，水文條件對過濾帶截留污染物的影響機制報道相對較少。本文主要從當地降雨情況以及過濾帶入流污染物負荷、徑流為薄層均勻流與集中流等水力條件、過濾帶地下流截留污染物等方面進行闡述分析。

2.2.1 降雨及入流負荷

通常認為，降雨強度越大對土壤侵蝕也更嚴重，即產生更多污染物入流負荷，污染物在過濾帶中質量輸運負荷會增加，導致其截留效率減小。徑流量對污染物負荷在過濾帶中的截留效率影響顯著，降雨徑流量越小，則水流在過濾帶內停留時間越長，下滲率則越高，利於污染物被截留。Abu Zreig等對坡度為2.3%和5%、寬度為2~15m的多種類型草本過濾帶實驗研究得到，TP濃度為2.37mg/L的模擬徑流入流流量從0.65L/s減小至0.3L/s，平均TP質量削減效率由54%增至78%。實驗研究表明，草本過濾帶截留污染物效率隨入流污染濃度增大而變差。

2.2.2 薄層均勻流與集中流

集中流是限制過濾帶截留污染物效率的主要因素，對於小區過濾帶的實驗報道都主要研究其在薄層均勻流條件下的高截留性能，對徑流為集中流的研究很少。過濾帶入流徑流為集中流時，較大的水流流速降低了細顆粒的沉降作用以及徑流下滲作用，過濾帶截留污染物效率顯著降低。集中流主要來源有：（1）過濾帶截留多次降雨事件下的徑流沉積物以及較高的入流量和沉積物濃度事件所引起的沉積物在過濾帶上的累積分布不均勻。（2）過濾帶內土壤表面地形的不平整以及入流為集中流。

Blanco Canqui等報道指出，高羊茅過濾帶截留沉積物受徑流水力條件影響顯著，徑流水力條件對沉積物截留效率的影響隨過濾帶寬度增加而減小。其中，徑流入流分別為侵蝕流和集中流時0.7m寬高羊茅過濾帶截留沉積物效率分別為80%和72%；增大過濾帶寬度可減小效率差異，當過濾帶為8m寬時，沉積物截留效率則分別為98%和94%。

草籬與過濾帶組合被認為能夠有效削減坡度較大的易受泥沙侵蝕區域的沉積物。產流區徑流為集中流時，可在草籬前分布形成臨時積水區域，便於沉積物沉降，增大沉積物和營養物截留效率。Blanco Canqui等報道，同樣8m寬的高羊茅過濾帶，將前端0.7m段設置為柳枝稷籬後，阻控集中流時沉積物截留效率由94%提高至99%，NO3--N效率由63%提高至73%；前端0.7m的高羊茅過濾帶和柳枝稷籬截留沉積效率分別為72%和93%。可見，集中流條件下，過濾帶去除沉積物也仍為過濾帶前端。

2.2.3 其他因素

氣象、季節以及溫度等變化會影響過濾帶中土壤特性（如導水率）、植被以及微生物的吸收代謝活動，從而一定程度上影響污染物截留效率。寒冷冬季，植物吸收N、P營養元素能力減弱。在融雪徑流事件，由於土壤凍融，徑流下滲能力降低，截留污染物效率減弱，DP濃度可能會增高。

此外，Bhattarai等實驗研究表明NO3-由於其在土壤中的高流動性和氨化作用常導致其濃度削減較低。尤其在過濾帶地下排水滲慮中，多數情況下NO3-出流濃度高於入流濃度。但Mayer等分析指出過濾帶地下流削減N比地表徑流更為有效。這是由於相比地表徑流，地下流能夠更直接地受土壤類別、潛流路徑和地下土壤生化特性等因素影響。

2.3 污染物類型

一般認為，過濾帶對沉積物具有較高的截留效率，White等通過統計22篇科技文獻發現過濾帶對沉積物截留效率平均83%以上。Fox等認為薄層均勻流和集中流條件下，粒徑大小對過濾帶截留沉積物都具有重要影響。沉積物TSS質量及濃度削減率都高於其他污染物，尤其是溶解性污染物，如N+N（NO3-+NO2-）、TDP、Br-等；沉積物附著型污染物（如TP、BAP等）濃度削減介於TSS與溶解性污染物之間。與溶解性NO3-相比，NH4+-N具有較大吸附性和揮發性，過濾帶對其截留效率更大。

對於農藥化合物，強吸附性農藥化合物（有機碳吸附係數KOC>1000L/kg）截留效率更高，截留機制更多與沉積物類似；弱到中度吸附性農藥化合物主要通過徑流下滲作用去除，截留效率相對較低。

3 植被過濾帶中污染物的遷移模型

植被過濾帶數值模型為流域規劃者預測過濾帶寬度與污染物截留效率的定量關係提供了依據。由於過濾帶截留污染物受當地具體因素影響，如降雨事件、土壤初始含水量和植被蓋度等。很多簡化模型都只是通過部分過濾帶的物理特性參數來反映污染物截留效率變化，如SWAT中各污染物截留效率只與寬度聯繫。污染物截留效率與寬度的簡單擬合關係只適合大尺度的過濾帶截留污染物效率評價，並不足以描述過濾帶運行中各變數因素的相互影響，也就不能預測特定位置的污染物截留效率。因此，對複雜的非線性機制模型研究與開發是十分必要的。

基於田間尺度的物理特性機制的數值模型主要有GRASSF、CREAMS和VFSMOD等，其中VFSMOD為大多數研究者採用，曾於2005年被美國環保局用來評價過濾帶在最佳管理措施（BMPs）中的效率。該模型是在GRASSF基礎上開發的田間尺度單次降雨事件的有限元模型。該模型非穩態降雨徑流出流、下滲和沉積沉降分別採用Saint-Vennant方程、Green-Ampt方程和GRASSF模型計算來模擬田間的徑流、沉積物的輸移和滯留情況。但該模型不能描述溶解性污染物遷移截留情況以及污染物的吸附解析機制，也未考慮徑流在分層土壤或土壤出現含水層情況下的下滲差異。Fox等採用VFSMODW基於摩爾斯分類篩選法the screening method of Morris）和擴展傅立葉振幅靈敏度分析（extended Fourier amplitude sensitivity test，FAST）評價了過濾帶入流為薄層均勻流和集中流條件下，輸入因素對徑流、沉積物和農藥的截留效率的影響。

針對簡化模型（經驗模型）預測精度較差，而複雜數值模型操作冗雜、需要較深專業理論知識的問題。Dosskey等基於VFSMOD模型提出了圖形輔助設計來簡化定量計算污染物（徑流和沉積物）截留效率與過濾帶寬度之間的關係，圖形共7條線包含了全部可能的截留效率隨寬度變化情況，通過考慮植被覆蓋管理、坡度和土壤質地等因素簡化選擇線條規則，該圖形輔助設計為水域規劃者提供了一種易使用、具有較高精度的新方法來確定VFS寬度設計。

由於VFSMOD不能描述N、P營養物以及農藥化合物等污染物，許多研究提出了關於這些污染物截留效率的經驗模型，並與VFSMOD耦合可達到較理想的預測效果。Sabbagh等通過多元線性回歸方法提出了將過濾帶水文響應參數、沉積學參數以及特定農藥化合物化學參數相結合來反映農藥化合物截留效率的經驗方程。具體參數為：徑流截留率、沉積物截留率、相分配係數以及沉積物黏土含量百分比等。

通過VFSMOD預測徑流量和沉積物截留效率，可顯著提高該經驗方程預測農藥化合物的截留效率。Whitet等為簡化流域規模上野外過濾帶截污效率模型並使其具備一定預測精度，提出了SWAT中的過濾帶截污子模型，將其簡化認為沉積物、N和P污染物的截留效率都主要與徑流削減有關。基於VFSMOD模擬，採用線性回歸擬合徑流截留效率與徑流負荷及導水率的對數值。認為沉積物截留效率主要與徑流負荷截留率和沉積物負荷線性相關，TN和TP截留效率與沉積物截留效率有關，而NO3-和DP主要與徑流截留效率線性相關。

4 小區實驗與田間環境的差異性

小區實驗中如何將影響過濾帶的各因素設計與實際田間野外工程一致十分重要。只有較準確地模擬實際田間影響因素，才能更好地將實驗研究結果應用于田間野外過濾帶的設計與管理。小區實驗由於過濾帶較窄，徑流通過過濾帶流程較短，與植被、土壤接觸反應時間較短，導致截留效率可能低於實際田間野外工程。Abu Zreig等認為過濾帶截留沉積物和營養物累積後可能導致其截留性能減小，尤其是對較短的小區實驗過濾帶更容易出現截污飽和累積。

但也有研究認為小區實驗過濾帶截留效率高于田間野外規模過濾帶，主要由於田間過濾帶，薄層均勻流水流較難維持，易產生溝流（集中流）。White等通過GIS與SWAT耦合研究10塊農業耕作區域，驗證了野外規模過濾帶中非均勻流的存在，平均10%過濾帶面積處理約50%的徑流負荷。Dosskey等認為許多實驗研究中，相比實際田間過濾帶，小區過濾帶設計相對較大以及徑流負荷相對較小導致其截留污染物效率被高估。但許多小區實驗採用很大的降雨強度進行單次降雨事件模擬，這在某種程度上，可能會抵消與田間過濾帶截污效率的差異。可見過濾帶截留污染物效率受當地具體因素（如地形和上游耕作情況等）影響較大，並不能直接簡單進行比較。

5 國內主要研究現狀

近年來，國內一些科研機構對過濾帶開展了較為系統的實驗研究，但都主要為模擬薄層均勻流條件下的過濾帶截污特性，未有對集中流的實驗報道。上海市環科院採用野外現場工程尺度的過濾帶（19m），研究其在模擬徑流條件的不同污染負荷（泥沙、N、P污染物濃度）、地形坡度、過濾帶寬度和草皮種類等影響因素下的截留污染物規律。吳建強等還通過土槽實驗，研究了5種草皮過濾帶在模擬徑流條件下截留N、P污染物及泥沙的特性，認為N、P污染負荷的變化對截留效率的影響明顯弱於草皮種類和生物量；其中，草皮生物量與截污效果呈正相關，泥沙截留效率與草皮生物量具有顯著線性關係。西安理工大學李懷恩課題組採用野外小區實驗（10~15m）研究了西北地區野生草本植物和灌木過濾帶截留泥沙、N、P營養物等的截留效應，認為草本群落髮達的草地過濾帶截留SS更有效；入流流量越大，污染物凈化效率變差；過濾帶徑流攜帶土壤表層細顆粒沉積物（

過濾帶截留泥沙以及N、P營養物定量計算方面的報道主要為介紹或驗證國外模型的適用性。李懷恩等分析比較了3種國外過濾帶寬度計算方法的特點及不足，認為應從小尺度方面加強污染物在過濾帶中的遷移轉化生態模型定量研究。楊寅群等檢驗了VFSMOD模型對國內植被過濾帶截留徑流和泥沙效率（小區實驗數據）的模擬情況，結果表明該模型具有較高的模擬精度，並運用該模型及污染負荷與泥沙的相應關係評估了陝西黑河水源區設置適宜過濾帶寬度後的污染負荷削減效果。鄧娜等耦合VFSMOD和MULSE模擬野外小區實驗過濾帶截留泥沙效率，其模擬精度高於VFSMOD。此外，鄧娜等根據土壤混合層理論和水文及泥沙輸移模型，構建了一個參數較少的植被過濾帶截留顆粒態和溶解態N、P污染物效率的估算模型。

過濾帶截留農藥化合物方面的報道相比截留N、P營養物較少。霍煒潔考察了2種不同吸附強度的典型農藥化合物（阿特拉津和百菌清）在過濾帶中的截留規律，通過土槽模擬徑流實驗表明草地過濾帶能有效截留強吸附態農藥化合物（百菌清）；通過現場小區模擬人工降雨徑流實驗表明過濾帶對農藥化合物吸附後的解析釋放可能是導致農藥化合物出流濃度在其實驗過程中逐次升高的主要原因。肖波等採用土槽實驗研究狼尾草和野古草混合過濾帶截留模擬徑流中泥沙和阿特拉津，結果表明隨實驗運行時間的延長，截留效率逐漸減小。

6 結論與展望

植被過濾帶能夠有效截留上游耕作區徑流污染，其運行效率受自身構成特性（物理特性）、污染物類型以及水文條件等共同影響，不同類型污染物的主要截留機制以及截留效率差異很大。鑒於已有研究成果，本文認為今後應主要從以下幾個方面進行深入研究。

（1）植被過濾帶實驗設計研究方面，應重視水文條件對過濾帶運行的影響，加強開展集中流以及地下流條件下污染物在過濾帶中的遷移轉化規律研究。此外，除了報道較多的過濾帶地形特點和地表植被特性對截留效率的影響外，土壤特性因素也是不容忽視的。最後，收集田間過濾帶污染物截留效率資料與小區實驗數據比較分析，也是十分必要的。

（2）植被過濾帶截留污染物機制方面，應加強各阻控機制定量研究以及污染化合物轉化歸趨研究。已有文獻主要根據質量均衡原則，將截留機制概化為吸附與下滲來定量計算兩者的相對貢獻率，缺乏其他截留機制定量計算方法。

（3）植被過濾帶截留污染物效率模型計算方面，除研究較多的徑流量和沉積物截留外，還應加強沉積物附著型污染物以及溶解性污染物在過濾帶中的遷移轉化數學模型研究。前者截留機制兼有徑流與沉積物削減特點，後者截留機制主要與徑流削減有關。此外，除了考慮過濾帶地表徑流截污外，還應加強地下側向流的截污模型研究。地表徑流大量下滲導致污染物遷移進入地下水可能性的存在，同時污染物也會通過地下側向進入天然受納水體。因此，開發具有較高精度的地下側向流截污模型，利於更準確系統地評價過濾帶的截污效能以及天然受納水體的入河污染負荷。

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