植被过滤带边坡水土流失综合治理技术研究

付龙飞，穆小刚

(陕西华正生态建设设计监理有限公司，西安 710100)

随着城市化进程加快，工业化水平不断提高，建筑业、化工业、找矿业等行业迅速发展，同时也出现了更多的垃圾及污染物[1]。根据土地利用情况调查结果发现，一些地区的边坡地带存在水土流失等问题，加上上述行业产生的污染物被地表径流带入到河流或水库中，严重影响城市居民用水和工农业用水，因此研究植被过滤带边坡水土流失综合治理技术[2]十分必要。

1 植被过滤带边坡水土流失综合治理技术

1.1 构建AnnAGNPS模型模拟水土流失及污染状态

利用GIS技术采集与处理边坡水土流失数据，构建AnnAGNPS模型，模拟边坡水土流失及污染状态。对边坡地区进行矢量化处理，利用ArcGIS将处理后的数据生成DEM，设定栅格尺寸为30 m×30 m。根据扩展模块的功能填充洼地，生成无洼地的数字高程模型。为满足边坡地区水土流失以及污染负荷模拟需要，根据分类系统将边坡地区进行类型划分，然后经ArcGIS的矢量化处理得到不同格式的土壤类型。空间数据处理完毕后，提取地理参数。该过程利用TopAGNPS模块处理DEM，实现对边坡流域的集水单元划分，得到坡度、坡长因子、边界、面积、水系分布和海拔等参数，为边坡水土流失率和污染负荷等计算模块的运行提供基础输入数据。模型的集水单元参数包括集水单元的坡向、坡度、坡长因子和高程等；集水区参数则包括集水区的坡向、坡度、坡长因子等内容，通过Input Editor模块直接导入数据计算模块[3]。利用AnnAGNPS模型的Arc View界面空间叠加运算集水区参数和流域土壤、土地利用等数据，得到各集水单元的土壤类型和土地利用类型，最后利用Input Editor导入至模型的文件中。考虑到泥沙、氮等参数在单位数值上的差异，归一化处理模型输出参数：

(1)

当泥沙、总氮等负荷变化趋于稳定时，说明模型与模拟边坡地区的契合度最高。同时根据土壤质地及其养分含量的参考资料，提取治理地区的土壤参数，确定治理地区的土壤水文类型组，根据不同土壤的可蚀性因子实际值，计算治理地区的降雨侵蚀因子，计算表达式为：

(2)

式中：Q为全年降雨侵蚀力；n为月份，实际值为12；a、b分别为对应的土壤参数和土壤可蚀性因子；Pi为月降雨量。

根据上述计算结果，得到治理区域的环境因子，实现AnnAGNPS模型对边坡水土流失及污染状态的模拟[5-6]。

1.2 计算水土流失和污染的影响因子

此次的研究目的是设计一个用于水土流失的综合防治技术，根据构建模型的输出参数，计算水土流失和污染的影响因子。目前的修正通用土壤流失方程是上世纪60年代提出的，具有极好的使用性，该方程的计算公式为：

L=Q·B·C·Z·Dα

(3)

式中：L为年平均土壤流失量；Q为降雨侵蚀力；B为土壤可蚀性因子；C为植被覆盖面积；Z为水土保持因子；Dα为坡长与坡度的乘积，为地形因子[7]。

根据式(2)已知Q、B的具体取值，根据《水土保持遥感监测技术规范》(SL 592-2012)计算坡度坡长因子，其中坡度因子计算公式为：

(4)

式中：c1、c2、c3为不同的地貌类型；β为坡面坡度；γ1、γ2、γ3为对应的改变量[8]。

而坡长因子的计算公式为：

(5)

式中：φ为坡面水平投影长度；k为投影面土地参数；M为坡度因子影响下的空间指标。

植被覆盖参数属于影响因子[9]。根据一些存在水土流失与污染的流域边坡来说，由于当地的过度开采、垃圾堆放等行为，导致当地的地表植被被破坏，因此利用回归方程，计算地表植被覆盖度、坡面产流产沙之间的相关关系，公式为：

(6)

式中：A为治理地区的植被覆盖度。

而水土保持因子属于背景因子，用来描述水土保持状态下，水土流失量的减缓效果。但由于该因素具有复杂性和多变性，因此没有一个实际的计算公式来得到实际结果，通常情况下将该影响因子的取值设置在0～1范围内。当取值为0时，则表示水土流失防治效果极好；当取值为1时，则表明治理地区的水土流失防治技术无效果。将所有数据代入到式(3)中，实现对水土流失和污染的影响因子的计算[10]。

1.3 选择与配置边坡植被过滤带

根据上述计算结果，分析治理地区的水土流失状态和污染指标，选择与配置边坡植被过滤带。已知植被过滤带位于边坡区域，因此除了考虑植物的适应性和功能性效果以外，还要利用乔木、灌木等植物的颜色、形态等特征进行搭配，增加坡植被过滤带的总体过滤性能。

因此选择与配置边坡植被过滤带植物时，首先要考虑植物耐旱性、抗雨水冲刷等能力，同时设置的植被过滤带的坡度应与边坡保持一致，在2%～15%之间。当出现较强的降水天气时，雨水径流急速冲向植被过滤带，而此时的植物需要具备抗冲刷能力。还要选择根系发达、抗污染能力强的深根系植物[11-12]。大量地表径流的冲击，会使浅埋的植物根系快速裸露出地面，造成植被过滤带部分位置缺失植物，从而出现水土流失的问题，因此要选择深根系植物。同时在强降水的影响下，大量垃圾以及其他污染物经由边坡流入河流或水库中，而深根系植物的阻拦作用更好，不仅可以保持水土，还可以将垃圾等污染物从地表径流中过滤出去，防止大量污染物涌入河流中，造成大面积的污染[13]。最后选择的植物需要有很强的适应性，不会轻易受当地极端天气的影响，高成活率和寿命的植物，也降低了补栽的次数，从而减少植被过滤带的维护费用。在进行植物配置时，将植被过滤带距离边坡的最远位置作为制高点，种植根系极深的高大类型植被，用于大型污染物的过滤，同时用该层植被抵抗地表径流的冲击；在第二层种植次高的植被，同样用于过滤尺寸稍小的污染物质，并在第一层植被的保护下，控制边坡地区的水土含量，降低水土流失率；在第三层设置稍矮一些、但枝叶极密的植被，用于对污染物进行最后的过滤，同时也阻隔细小的泥沙，防止水土流失过量。最后在植被过滤带的土坑中，填埋不同的过滤填料，包括无烟煤、陶粒、沸石等材料，实现对污染物的降解与过滤[14]。

为了实时检查该技术对水土流失的防治情况，利用下列公式计算植被过滤带的泥沙吸附效果：

(7)

式中：X为泥沙吸附指标；Y1为预期吸附值；Y2为实际监测值。

同时根据进水的污染物浓度F0、t时刻出水的污染物浓度Ft，计算植被过滤带对面源污染物浓度的去除效果，公式为：

(8)

式中：μ为污染物浓度的去除率。

通过上述计算分析水土流失和污染物状态，至此实现植被过滤带边坡水土流失综合治理技术[15]。

2 实验与分析

此次提出的综合治理技术是在植被过滤带常规治理技术的基础上进行的，不仅优化了处理单元尺寸，还通过填料的物理和化学作用，加强植被过滤带的净化作用，实现对水土流失问题的综合治理。选择一个边坡水土流失严重的地区作为实验测试对象，该地区的水土流失状态、周边污染物堆积情况见图1。

根据图1中的实际调查结果发现，该区域边坡植被覆盖较差，边坡地区水土流失严重，同时大量的滞留垃圾严重影响河道的水质。因此，根据该区域内的各项基本参数，搭建仿真实验测试环境，从两个不同的角度出发，测试本文提出的综合治理技术对边坡水土流失情况的处理效果。

图1 河流边坡地区植被覆盖情况和垃圾堆砌情况

2.1 流量对植被过滤带污染物削减效果的影响

选择植被过滤带的填料为沸石，直径为80 cm；设置三级暴雨强度，分别为25、35及455 mm/h；设置对应的进水流量分别为1.32、1.69和2.05 L/min；设置进水浓度为高浓度，实验仿真降雨时间为2.5 h，模拟过滤带对地表径流中不同污染物的过滤效果。高浓度进水污染物具体浓度见表1。

表1 高浓度进水污染物浓度表 /mg·L-1

根据表1中的数据，分析不同流量下出水污染物浓度随时间的变化过程，结果见图2。

图2 不同流量下污染物浓度随时间的变化过程

根据图2的测试结果可知，COD和TP浓度随时间的增加而增加。导致这一问题的原因是进水初期，过滤带土壤和填料都未饱和，此时吸附污染物的能力最强，所以初期污染物浓度最低，但随着测试时间的增加，土壤和填料逐渐达到饱和状态，吸附容量逐渐被限制，因此污染物浓度开始小幅度增加。氨氮浓度一直处于一个较低的值。硝氮浓度虽然较高，但同样能够在2h测试时间内维持稳定的状态，说明本文提出的综合治理技术对于高浓度进水污染物有较好的控制效果。

等待3组实验测试结束后，计算不同流量下综合治理技术对污染物的去除率，测试结果见图3。

图3 不同流量下污染物的削减率

已知随着时间延长，污染物浓度有一定的变化规律，但该值的变化幅度不大，因此根据整个测试过程中4组测试的平均浓度计算去除率，比较植被过滤带的污染物去除效果。根据图3中的测试结果可知，不同流量下的COD浓度削减率之间没有过大差异，最大值和最小值分别为23%和21%；TP浓度削减率则随着流量的减小而略有增加，最大值和最小值分别为43%和19%；3个流量条件下，氨氮浓度削减率则均超过87%，硝氮的浓度削减率则在25%～31%。综合上述4组计算结果发现，此次提出的植被过滤带边坡水土流失综合治理技术，无论面对何种类型的流量，对于水体中的COD、TP、氨氮和硝氮污染物，均有较好的去除效果。

2.2 填料配比对植被过滤带污染物削减效果的影响

保留同样的实验测试指标，分析提出的综合治理技术的填料层的吸附和降解作用。表2为该技术应用下需要设置的填料配比。

表2 植被过滤带的填料配比

采用本文提出的综合治理技术，按照表2所示的值进行填料配比。保持进水浓度为高浓度，随着实验测试时间的增加，不同填料配比下的出水COD、TP、氨氮和硝氮浓度变化过程见图4。

图4 不同填料配比下污染物浓度随时间的变化过程

根据图4中可以看出，3种填料配比的COD浓度和TP浓度，随着实验测试时间的增加而较缓慢提高，可见充分发挥了填料的降解、吸附作用。尽管后期稍微提升，但总体来说有较好的污染物吸附效果。氨氮浓度与硝氮浓度的第三组测试组中，由于沸石的减少导致植被过滤带对氨氮的吸附能力下降，因此该技术的第三组测试中，对于氨氮浓度的过滤并不理想。而硝氮浓度随着实验测试时间的增加略有小幅度的上升，这是由于填料发挥一段时间的吸附作用后，能够吸附的污染物变少导致的，但总体来看在一定时间内，可以有效处理水体中的污染物。

同样等待上述3组实验全部测试完毕后，计算污染物在不同配比下的去除率结果见图5。

图5 不同填料配比下污染物的去除率

根据图5中的测试结果可以看出，3组填料配比下，COD浓度的削减率在22%～23%之间；TP浓度的削减率在80%～97%之间；氨氮浓度的削减率在77%～59%之间；硝氮浓度的削减率在9%～16%之间。根据3组填料配比的污染物的去除率计算结果可知，当无烟煤、陶粒、沸石3种填料的配比为5∶12∶3时，该治理技术能够发挥其最好的分解与吸附作用。

2.3 水土流失治理效果分析

根据上述测试结果，分析不同流量及不同填料配比条件下，本文提出的综合治理技术对于边坡水土流失的处理效果，结果见表3。

表3 植被过滤带水土流失治理效果

综合上述测试结果可知，面对不同流量时，该技术应用下，图1所示地区的边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，将填料配比设置为5∶12∶3时，该治理技术将污染物浓度控制在最低值，能够发挥该项综合治理技术的水土保持、污染过滤效果，因此按照该配比调整植被过滤带综合治理技术的填料用量。

3 结 语

此次研究的综合治理技术充分考虑了水土流失与污染问题，设计出全新的植被过滤带综合治理技术，通过一个区域的植被过滤带的设计，实现对水土流失和污染物的治理，为边坡地区的土地稳定和水质安全，提供一定的技术支持。但此次研究还存在不足之处，首先是实验方案还可以加以改进，可以将传统治理技术作为对照组，比较不同植被过滤带之间的配置差异性；同时此次研究着重探讨了对水土流失和污染的综合治理，没有对水土流失与其他问题之间的关联性进行分析，可以说存在一定局限。今后的研究工作中，可以就水土流失与土地沙漠化、盐碱化或者荒漠化等问题进行分析，从多个角度论述综合治理技术的必要性。