付龍飛，穆小剛

(陜西華正生態(tài)建設(shè)設(shè)計(jì)監(jiān)理有限公司，西安 710100)

隨著城市化進(jìn)程加快，工業(yè)化水平不斷提高，建筑業(yè)、化工業(yè)、找礦業(yè)等行業(yè)迅速發(fā)展，同時(shí)也出現(xiàn)了更多的垃圾及污染物[1]。根據(jù)土地利用情況調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一些地區(qū)的邊坡地帶存在水土流失等問(wèn)題，加上上述行業(yè)產(chǎn)生的污染物被地表徑流帶入到河流或水庫(kù)中，嚴(yán)重影響城市居民用水和工農(nóng)業(yè)用水，因此研究植被過(guò)濾帶邊坡水土流失綜合治理技術(shù)[2]十分必要。

1 植被過(guò)濾帶邊坡水土流失綜合治理技術(shù)

1.1 構(gòu)建AnnAGNPS模型模擬水土流失及污染狀態(tài)

利用GIS技術(shù)采集與處理邊坡水土流失數(shù)據(jù)，構(gòu)建AnnAGNPS模型，模擬邊坡水土流失及污染狀態(tài)。對(duì)邊坡地區(qū)進(jìn)行矢量化處理，利用ArcGIS將處理后的數(shù)據(jù)生成DEM，設(shè)定柵格尺寸為30 m×30 m。根據(jù)擴(kuò)展模塊的功能填充洼地，生成無(wú)洼地的數(shù)字高程模型。為滿足邊坡地區(qū)水土流失以及污染負(fù)荷模擬需要，根據(jù)分類系統(tǒng)將邊坡地區(qū)進(jìn)行類型劃分，然后經(jīng)ArcGIS的矢量化處理得到不同格式的土壤類型。空間數(shù)據(jù)處理完畢后，提取地理參數(shù)。該過(guò)程利用TopAGNPS模塊處理DEM，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡流域的集水單元?jiǎng)澐?，得到坡度、坡長(zhǎng)因子、邊界、面積、水系分布和海拔等參數(shù)，為邊坡水土流失率和污染負(fù)荷等計(jì)算模塊的運(yùn)行提供基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)。模型的集水單元參數(shù)包括集水單元的坡向、坡度、坡長(zhǎng)因子和高程等；集水區(qū)參數(shù)則包括集水區(qū)的坡向、坡度、坡長(zhǎng)因子等內(nèi)容，通過(guò)Input Editor模塊直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)計(jì)算模塊[3]。利用AnnAGNPS模型的Arc View界面空間疊加運(yùn)算集水區(qū)參數(shù)和流域土壤、土地利用等數(shù)據(jù)，得到各集水單元的土壤類型和土地利用類型，最后利用Input Editor導(dǎo)入至模型的文件中?？紤]到泥沙、氮等參數(shù)在單位數(shù)值上的差異，歸一化處理模型輸出參數(shù)：

(1)

當(dāng)泥沙、總氮等負(fù)荷變化趨于穩(wěn)定時(shí)，說(shuō)明模型與模擬邊坡地區(qū)的契合度最高。同時(shí)根據(jù)土壤質(zhì)地及其養(yǎng)分含量的參考資料，提取治理地區(qū)的土壤參數(shù)，確定治理地區(qū)的土壤水文類型組，根據(jù)不同土壤的可蝕性因子實(shí)際值，計(jì)算治理地區(qū)的降雨侵蝕因子，計(jì)算表達(dá)式為：

(2)

式中：Q為全年降雨侵蝕力；n為月份，實(shí)際值為12；a、b分別為對(duì)應(yīng)的土壤參數(shù)和土壤可蝕性因子；Pi為月降雨量。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，得到治理區(qū)域的環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)AnnAGNPS模型對(duì)邊坡水土流失及污染狀態(tài)的模擬[5-6]。

1.2 計(jì)算水土流失和污染的影響因子

此次的研究目的是設(shè)計(jì)一個(gè)用于水土流失的綜合防治技術(shù)，根據(jù)構(gòu)建模型的輸出參數(shù)，計(jì)算水土流失和污染的影響因子。目前的修正通用土壤流失方程是上世紀(jì)60年代提出的，具有極好的使用性，該方程的計(jì)算公式為：

L=Q·B·C·Z·Dα

(3)

式中：L為年平均土壤流失量；Q為降雨侵蝕力；B為土壤可蝕性因子；C為植被覆蓋面積；Z為水土保持因子；Dα為坡長(zhǎng)與坡度的乘積，為地形因子[7]。

根據(jù)式(2)已知Q、B的具體取值，根據(jù)《水土保持遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL 592-2012)計(jì)算坡度坡長(zhǎng)因子，其中坡度因子計(jì)算公式為：

(4)

式中：c1、c2、c3為不同的地貌類型；β為坡面坡度；γ1、γ2、γ3為對(duì)應(yīng)的改變量[8]。

而坡長(zhǎng)因子的計(jì)算公式為：

(5)

式中：φ為坡面水平投影長(zhǎng)度；k為投影面土地參數(shù)；M為坡度因子影響下的空間指標(biāo)。

植被覆蓋參數(shù)屬于影響因子[9]。根據(jù)一些存在水土流失與污染的流域邊坡來(lái)說(shuō)，由于當(dāng)?shù)氐倪^(guò)度開(kāi)采、垃圾堆放等行為，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐牡乇碇脖槐黄茐模虼死没貧w方程，計(jì)算地表植被覆蓋度、坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的相關(guān)關(guān)系，公式為：

(6)

式中：A為治理地區(qū)的植被覆蓋度。

而水土保持因子屬于背景因子，用來(lái)描述水土保持狀態(tài)下，水土流失量的減緩效果。但由于該因素具有復(fù)雜性和多變性，因此沒(méi)有一個(gè)實(shí)際的計(jì)算公式來(lái)得到實(shí)際結(jié)果，通常情況下將該影響因子的取值設(shè)置在0～1范圍內(nèi)。當(dāng)取值為0時(shí)，則表示水土流失防治效果極好；當(dāng)取值為1時(shí)，則表明治理地區(qū)的水土流失防治技術(shù)無(wú)效果。將所有數(shù)據(jù)代入到式(3)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)水土流失和污染的影響因子的計(jì)算[10]。

1.3 選擇與配置邊坡植被過(guò)濾帶

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，分析治理地區(qū)的水土流失狀態(tài)和污染指標(biāo)，選擇與配置邊坡植被過(guò)濾帶。已知植被過(guò)濾帶位于邊坡區(qū)域，因此除了考慮植物的適應(yīng)性和功能性效果以外，還要利用喬木、灌木等植物的顏色、形態(tài)等特征進(jìn)行搭配，增加坡植被過(guò)濾帶的總體過(guò)濾性能。

因此選擇與配置邊坡植被過(guò)濾帶植物時(shí)，首先要考慮植物耐旱性、抗雨水沖刷等能力，同時(shí)設(shè)置的植被過(guò)濾帶的坡度應(yīng)與邊坡保持一致，在2%～15%之間。當(dāng)出現(xiàn)較強(qiáng)的降水天氣時(shí)，雨水徑流急速?zèng)_向植被過(guò)濾帶，而此時(shí)的植物需要具備抗沖刷能力。還要選擇根系發(fā)達(dá)、抗污染能力強(qiáng)的深根系植物[11-12]。大量地表徑流的沖擊，會(huì)使淺埋的植物根系快速裸露出地面，造成植被過(guò)濾帶部分位置缺失植物，從而出現(xiàn)水土流失的問(wèn)題，因此要選擇深根系植物。同時(shí)在強(qiáng)降水的影響下，大量垃圾以及其他污染物經(jīng)由邊坡流入河流或水庫(kù)中，而深根系植物的阻攔作用更好，不僅可以保持水土，還可以將垃圾等污染物從地表徑流中過(guò)濾出去，防止大量污染物涌入河流中，造成大面積的污染[13]。最后選擇的植物需要有很強(qiáng)的適應(yīng)性，不會(huì)輕易受當(dāng)?shù)貥O端天氣的影響，高成活率和壽命的植物，也降低了補(bǔ)栽的次數(shù)，從而減少植被過(guò)濾帶的維護(hù)費(fèi)用。在進(jìn)行植物配置時(shí)，將植被過(guò)濾帶距離邊坡的最遠(yuǎn)位置作為制高點(diǎn)，種植根系極深的高大類型植被，用于大型污染物的過(guò)濾，同時(shí)用該層植被抵抗地表徑流的沖擊；在第二層種植次高的植被，同樣用于過(guò)濾尺寸稍小的污染物質(zhì)，并在第一層植被的保護(hù)下，控制邊坡地區(qū)的水土含量，降低水土流失率；在第三層設(shè)置稍矮一些、但枝葉極密的植被，用于對(duì)污染物進(jìn)行最后的過(guò)濾，同時(shí)也阻隔細(xì)小的泥沙，防止水土流失過(guò)量。最后在植被過(guò)濾帶的土坑中，填埋不同的過(guò)濾填料，包括無(wú)煙煤、陶粒、沸石等材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的降解與過(guò)濾[14]。

為了實(shí)時(shí)檢查該技術(shù)對(duì)水土流失的防治情況，利用下列公式計(jì)算植被過(guò)濾帶的泥沙吸附效果：

(7)

式中：X為泥沙吸附指標(biāo)；Y1為預(yù)期吸附值；Y2為實(shí)際監(jiān)測(cè)值。

同時(shí)根據(jù)進(jìn)水的污染物濃度F0、t時(shí)刻出水的污染物濃度Ft，計(jì)算植被過(guò)濾帶對(duì)面源污染物濃度的去除效果，公式為：

(8)

式中：μ為污染物濃度的去除率。

通過(guò)上述計(jì)算分析水土流失和污染物狀態(tài)，至此實(shí)現(xiàn)植被過(guò)濾帶邊坡水土流失綜合治理技術(shù)[15]。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

此次提出的綜合治理技術(shù)是在植被過(guò)濾帶常規(guī)治理技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，不僅優(yōu)化了處理單元尺寸，還通過(guò)填料的物理和化學(xué)作用，加強(qiáng)植被過(guò)濾帶的凈化作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)水土流失問(wèn)題的綜合治理。選擇一個(gè)邊坡水土流失嚴(yán)重的地區(qū)作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象，該地區(qū)的水土流失狀態(tài)、周邊污染物堆積情況見(jiàn)圖1。

根據(jù)圖1中的實(shí)際調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域邊坡植被覆蓋較差，邊坡地區(qū)水土流失嚴(yán)重，同時(shí)大量的滯留垃圾嚴(yán)重影響河道的水質(zhì)。因此，根據(jù)該區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)基本參數(shù)，搭建仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，從兩個(gè)不同的角度出發(fā)，測(cè)試本文提出的綜合治理技術(shù)對(duì)邊坡水土流失情況的處理效果。

圖1 河流邊坡地區(qū)植被覆蓋情況和垃圾堆砌情況

2.1 流量對(duì)植被過(guò)濾帶污染物削減效果的影響

選擇植被過(guò)濾帶的填料為沸石，直徑為80 cm；設(shè)置三級(jí)暴雨強(qiáng)度，分別為25、35及455 mm/h；設(shè)置對(duì)應(yīng)的進(jìn)水流量分別為1.32、1.69和2.05 L/min；設(shè)置進(jìn)水濃度為高濃度，實(shí)驗(yàn)仿真降雨時(shí)間為2.5 h，模擬過(guò)濾帶對(duì)地表徑流中不同污染物的過(guò)濾效果。高濃度進(jìn)水污染物具體濃度見(jiàn)表1。

表1 高濃度進(jìn)水污染物濃度表 /mg·L-1

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，分析不同流量下出水污染物濃度隨時(shí)間的變化過(guò)程，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同流量下污染物濃度隨時(shí)間的變化過(guò)程

根據(jù)圖2的測(cè)試結(jié)果可知，COD和TP濃度隨時(shí)間的增加而增加。導(dǎo)致這一問(wèn)題的原因是進(jìn)水初期，過(guò)濾帶土壤和填料都未飽和，此時(shí)吸附污染物的能力最強(qiáng)，所以初期污染物濃度最低，但隨著測(cè)試時(shí)間的增加，土壤和填料逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，吸附容量逐漸被限制，因此污染物濃度開(kāi)始小幅度增加。氨氮濃度一直處于一個(gè)較低的值。硝氮濃度雖然較高，但同樣能夠在2h測(cè)試時(shí)間內(nèi)維持穩(wěn)定的狀態(tài)，說(shuō)明本文提出的綜合治理技術(shù)對(duì)于高濃度進(jìn)水污染物有較好的控制效果。

等待3組實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)束后，計(jì)算不同流量下綜合治理技術(shù)對(duì)污染物的去除率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同流量下污染物的削減率

已知隨著時(shí)間延長(zhǎng)，污染物濃度有一定的變化規(guī)律，但該值的變化幅度不大，因此根據(jù)整個(gè)測(cè)試過(guò)程中4組測(cè)試的平均濃度計(jì)算去除率，比較植被過(guò)濾帶的污染物去除效果。根據(jù)圖3中的測(cè)試結(jié)果可知，不同流量下的COD濃度削減率之間沒(méi)有過(guò)大差異，最大值和最小值分別為23%和21%；TP濃度削減率則隨著流量的減小而略有增加，最大值和最小值分別為43%和19%；3個(gè)流量條件下，氨氮濃度削減率則均超過(guò)87%，硝氮的濃度削減率則在25%～31%。綜合上述4組計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此次提出的植被過(guò)濾帶邊坡水土流失綜合治理技術(shù)，無(wú)論面對(duì)何種類型的流量，對(duì)于水體中的COD、TP、氨氮和硝氮污染物，均有較好的去除效果。

2.2 填料配比對(duì)植被過(guò)濾帶污染物削減效果的影響

保留同樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)，分析提出的綜合治理技術(shù)的填料層的吸附和降解作用。表2為該技術(shù)應(yīng)用下需要設(shè)置的填料配比。

表2 植被過(guò)濾帶的填料配比

采用本文提出的綜合治理技術(shù)，按照表2所示的值進(jìn)行填料配比。保持進(jìn)水濃度為高濃度，隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間的增加，不同填料配比下的出水COD、TP、氨氮和硝氮濃度變化過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4 不同填料配比下污染物濃度隨時(shí)間的變化過(guò)程

根據(jù)圖4中可以看出，3種填料配比的COD濃度和TP濃度，隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間的增加而較緩慢提高，可見(jiàn)充分發(fā)揮了填料的降解、吸附作用。盡管后期稍微提升，但總體來(lái)說(shuō)有較好的污染物吸附效果。氨氮濃度與硝氮濃度的第三組測(cè)試組中，由于沸石的減少導(dǎo)致植被過(guò)濾帶對(duì)氨氮的吸附能力下降，因此該技術(shù)的第三組測(cè)試中，對(duì)于氨氮濃度的過(guò)濾并不理想。而硝氮濃度隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間的增加略有小幅度的上升，這是由于填料發(fā)揮一段時(shí)間的吸附作用后，能夠吸附的污染物變少導(dǎo)致的，但總體來(lái)看在一定時(shí)間內(nèi)，可以有效處理水體中的污染物。

同樣等待上述3組實(shí)驗(yàn)全部測(cè)試完畢后，計(jì)算污染物在不同配比下的去除率結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同填料配比下污染物的去除率

根據(jù)圖5中的測(cè)試結(jié)果可以看出，3組填料配比下，COD濃度的削減率在22%～23%之間；TP濃度的削減率在80%～97%之間；氨氮濃度的削減率在77%～59%之間；硝氮濃度的削減率在9%～16%之間。根據(jù)3組填料配比的污染物的去除率計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)無(wú)煙煤、陶粒、沸石3種填料的配比為5∶12∶3時(shí)，該治理技術(shù)能夠發(fā)揮其最好的分解與吸附作用。

2.3 水土流失治理效果分析

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，分析不同流量及不同填料配比條件下，本文提出的綜合治理技術(shù)對(duì)于邊坡水土流失的處理效果，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 植被過(guò)濾帶水土流失治理效果

綜合上述測(cè)試結(jié)果可知，面對(duì)不同流量時(shí)，該技術(shù)應(yīng)用下，圖1所示地區(qū)的邊坡水土流失率均被控制在5%以下；而在近似的水土流失率下，將填料配比設(shè)置為5∶12∶3時(shí)，該治理技術(shù)將污染物濃度控制在最低值，能夠發(fā)揮該項(xiàng)綜合治理技術(shù)的水土保持、污染過(guò)濾效果，因此按照該配比調(diào)整植被過(guò)濾帶綜合治理技術(shù)的填料用量。

3 結(jié) 語(yǔ)

此次研究的綜合治理技術(shù)充分考慮了水土流失與污染問(wèn)題，設(shè)計(jì)出全新的植被過(guò)濾帶綜合治理技術(shù)，通過(guò)一個(gè)區(qū)域的植被過(guò)濾帶的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水土流失和污染物的治理，為邊坡地區(qū)的土地穩(wěn)定和水質(zhì)安全，提供一定的技術(shù)支持。但此次研究還存在不足之處，首先是實(shí)驗(yàn)方案還可以加以改進(jìn)，可以將傳統(tǒng)治理技術(shù)作為對(duì)照組，比較不同植被過(guò)濾帶之間的配置差異性；同時(shí)此次研究著重探討了對(duì)水土流失和污染的綜合治理，沒(méi)有對(duì)水土流失與其他問(wèn)題之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，可以說(shuō)存在一定局限。今后的研究工作中，可以就水土流失與土地沙漠化、鹽堿化或者荒漠化等問(wèn)題進(jìn)行分析，從多個(gè)角度論述綜合治理技術(shù)的必要性。