雨水濾清凈水系統的設計與試驗驗證

王顯文，高建恩，，3，張夢杰，李興華，高 哲

隨著退耕還林還草工程的實施，耕地資源緊張，糧食及用水安全矛盾突出，發展坡地高效農業面臨著干旱與水土流失并存的問題［1－2］，特別是由于降雨侵蝕引起的徑流含沙量高且帶有面源污染物，傳統微型沉沙池效率低，清理困難，過濾水質差，而發展高效農業灌溉用水水質要求較高，因此降雨徑流所產生的污染水流進行攔截凈化是生產急需。研究［3－5］表明，植被過濾帶可以有效攔截徑流中的污染物。國內外對植被過濾帶攔截污染物的機理、影響因素等的研究表明，其可對徑流中的氮磷等面源污染的凈化方面發揮著重要作用。主要通過物理、化學和生物過程使進入水體的懸浮物、氮磷、除草劑等污染物質減少。而國內對植被過濾帶在黃土高原水土資源高效利用方面的研究主要是通過放水試驗對其攔截凈化效果進行研究，而采用人工降雨試驗對其進行的模擬研究較少。柳枝稷（Panicum virgatum）生命力極強，能夠生長于干旱，排水不良的土壤，抗寒性能也較好，其還可用于提煉乙醇燃料，成為替代能源［6］，美國能源部和農業部也將其作為纖維素乙醇轉化模式植物［7］。研究柳枝稷能否適合黃土高原丘陵溝壑區種植以及作為植被過濾帶能否對含沙污水產生凈化效果，為黃土高原水土資源高效利用提供一種有效的方法。本研究基于降雨徑流調控和水土資源高效利用的理念，設計了能源牧草植被濾清池系統，并在不同降雨強度情況下驗證其對降雨徑流污染物的攔截效果，以期為黃土高原發展水土保持型高效農業提供一種凈化灌溉水源的方法。

1 系統設計

針對黃土高原水土流失與干旱缺水并存的問題，設計一種能充分利用當地水土資源，又有經濟價值的植被過濾濾清系統，對降雨徑流沖刷的高含沙污染水流攔截凈化。過濾系統包括了植被過濾帶和濾清池兩部分，植被過濾帶種植柳枝稷，濾清池內鋪設不同粒徑的砂石，選定砂石粒徑分別為：＞20mm，10～20 mm，5～10mm，＜5mm等4種，每層厚度20cm，其中粒徑最小的鋪設在濾清池的最下層，依次往上鋪設，共計4層。植被過濾帶布置在濾清池前面，流經植被過濾帶攔截凈化后的水流進入濾清池。通過對污染水流的二次過濾，同時濾清池還可以有效攔截較大尺寸的柴草。經過濾后水流進入水窖，經過長期沉淀，如果水質達標，可為人畜飲用，也可作為滴管灌溉用水，從而解決黃土高原地區高效農業的干旱缺水問題。該系統利用植被過濾帶具有良好的攔截徑流泥沙和污染物的性能，沉降、過濾、稀釋、下滲和吸收地表徑流中的污染物［8］。經過植被過濾帶凈化的水流中含沙量少，污染物含量也相對較低，但依然存在著一定的污染物，且隨著季節變化，柳枝稷過濾帶內枯葉會進入徑流，需對其進行攔截。因此，設計鋪設不同粒徑的砂石濾清池主要利用砂石的阻攔吸附作用對水流中的小顆粒泥沙和污染物進行吸附攔截，同時攔截大尺寸柴草及植被凋落產物。

2 試驗方案及方法

2.1 試驗方案

試驗場地位于西北農林科技大學節水博覽園內。采用陜北黃土（取自安塞縣）種植兩條植被過濾帶，種植抗寒，抗旱，耐水性能較好的柳枝稷。柳枝稷過濾帶出口布置濾清池。柳枝稷過濾帶布置在裸坡下，模擬實際產流產沙。在裸坡段表層鋪20cm厚的安塞縣黃土，坡面不種植任何作物，為6m×1m裸坡，坡度15°；平坡段種植5m×1m的柳枝稷過濾帶，播種量為1.5g／m2。試驗初期柳枝稷植株平均高度22.9 cm，柳枝稷的平均莖稈覆蓋度為4 357株／m2。為保證柳枝稷成活進行不定期灌水。每次試驗前換掉裸坡段的土壤并施加尿素和磷酸二氫鉀模擬施肥土壤。每次降雨模擬試驗完成后放水沖刷植被過濾帶和濾清池，使得植被過濾帶表層和濾清池滯留污染物被沖走。試驗3d進行1次，使土壤含水率接近初次試驗狀態。在柳枝稷過濾帶的出口處設置濾清池，在其中由下往上分別鋪設5mm以下，5～10mm，10～20 mm以及20mm以上的砂石，每層厚度20cm，主要攔截實際中由暴雨徑流從植被過濾帶帶來枯葉和柴草。在過濾帶周圍布設3個高為8m的降雨器，進行模擬降雨試驗。

試驗通過控制降雨器噴頭孔徑大小來控制雨強，采用噴頭墊片孔徑分別為12，11，10，9，8和6mm，由于降雨受風速等影響，因此對噴頭孔徑和降雨強度關系進行率定，率定后的降雨強度詳見表1。

表1 率定降雨強度結果

2.2 數據采集及測定方法

于2013年8—9月進行了14場降雨試驗。降雨對裸坡和植被過濾帶進行沖刷，在裸坡段形成高含沙，高污染物濃度水流。取樣采用注射器，在過濾帶每隔1m取水樣，沿程共取7個水樣。在出流口開始出流時第1次取樣，隔30min第2次取樣。取樣后當天測定泥沙含量、總磷、化學需氧量（COD）。

泥沙含量測定采用烘干法，對所取水樣用電子天平稱重后，放于烘箱中105℃情況下烘干8h；總磷（TP）濃度采用過硫酸鉀氧化—鉬銻抗比色法；化學需氧量濃度采用美國哈希公司生產的DR2800便攜式水質分析儀進行測定。

2.3 柳枝稷過濾系統攔截效果的評價指標

柳枝稷過濾帶通過對降雨徑流的攔截，增加徑流及其水中溶解物在土壤中的入滲。通過茂盛的植被降低徑流流速，加速泥沙、總氮和總磷等污染物沉降。另外，植物本身具有吸收氮磷等污染物以促進其生長的性能，反硝化作用和吸收是植被過濾帶減小NO－3—N含量的主要機理［9］。為了評價植被過濾帶和濾清池對降雨徑流中污染物的攔截效果，采用攔截率對其進行評價，計算公式為：

式中：R——污染物攔截率；C入——入流口污染物濃度；C出——出流口污染物濃度。

3 結果與分析

3.1 植被過濾帶對降雨徑流中污染物的攔截效果

在降雨過程中，土壤中的氮、磷隨著雨滴擊打而被水流所攜帶。降雨徑流攜帶了農田中顆粒態和水溶態的養分，帶走的氮磷富集在江河湖泊內引發藻類的異常生長，引發水體的富營養化。因此而引起水體富營養化起關鍵作用的元素是氮和磷［10－11］，不僅使土壤肥力和化肥的利用效率降低，而且成為水體富營養化的非點源污染源，引起水質惡化問題［12］。因此研究植被過濾帶對氮磷等營養物的攔截有其必要性。在降雨過程中，由于降雨侵蝕力作用，植被過濾帶前裸坡受到雨滴的擊打，使土團分散，土壤顆粒濺到空中，并使得地表薄層水流產生紊動，產生較大的沖刷，水流的挾沙能力增加［2］，土壤表層顆粒被降雨徑流攜帶，從而產生含沙濃度較高水流。而植被過濾帶段由于種植密度較大，植被能夠有效消減雨滴動能、減緩土壤侵蝕［10］，植被段柳枝稷根系能夠有效改善土壤結構，從而增加土壤抗沖性能，因此，降雨徑流對該段土壤侵蝕較少。通過對所取水樣運用烘干法測量其泥沙濃度。柳枝稷植被過濾帶對污染物的攔截效果如圖1所示。由圖1可以看出，植被過濾帶對泥沙的攔截效果非常顯著。在降雨強度為139，125，115，73，54和48mm／h條件下，柳枝稷過濾帶對泥沙的攔截效果分別為98.62%，99.41%，98.89%，97.60%，96.60%和93.82%，其攔截效果非常顯著。這與肖波等［13］人的研究成果相近，這主要是由于柳枝稷過濾帶增加了地表阻力，減小徑流流速，從而增加了泥沙的沉降，泥沙在柳枝稷過濾帶的沿程沉降，達到了過濾帶攔截泥沙的效果。圖1表明，柳枝稷過濾帶對總磷的攔截效果也很明顯，在6種雨強條件下，過濾帶對總磷的攔截效果分別達到93.6%，93%，91.9%，92.5%，87.5%和88.6%，這與李懷恩等［14］研究植被過濾帶對地表徑流中污染物的攔截效果結果一致，表明柳枝稷植被過濾帶可以有效攔截降雨徑流中的總磷。這是由于植被過濾帶能夠攔截徑流中的沉積物，降雨徑流中的磷伴隨著沉積物被攔截，滯留在過濾帶的總磷有些被植物所吸收，有些被土壤吸附［8］。泥沙是影響地表徑流中總磷質量濃度的重要因素之一，水流中總磷含量與泥沙含量可以用線性關系模擬，泥沙的沉降伴隨著徑流中吸附態的有機磷和無機磷沉降。圖1顯示，柳枝稷過濾帶對COD的攔截效果不穩定，對其攔截率其中最大值為56.07%，最小值為15.14%，柳枝稷過濾帶對COD具有攔截效果，但效果不明顯。降雨強度不同COD質量濃度影響并不大。柳枝稷過濾帶的攔截效果是因為降雨徑流中的有機物主要是由于降雨對表層土壤擊打侵蝕攜帶而來的，攔截泥沙和阻滯水流是過濾帶減小徑流中COD的重要途徑［14］。綜上所述，柳枝稷植被過濾帶對降雨徑流中泥沙、總磷和COD具有攔截效果，并且攔截效果明顯。因此植被過濾帶是有效攔截降雨徑流中污染物有效措施，其運行成本低，經營管理簡單以及效益明顯等特點，是黃土高原地區防治水土流失和解決干旱缺水的有效生物措施。

圖1 植被過濾帶對污染物的攔截效果

3.2 濾清池的凈化效果

本試驗濾清池布設在植被過濾帶的出水口，收集由柳枝稷植被過濾帶攔截凈化后水流。由于濾清池中鋪設不同粒徑的砂石，上層粒徑較大，而下層粒徑小，用以攔截水流中的小顆粒泥沙和吸附態的污染物，試驗前期，對已經篩分好的砂石進行淘洗，使其表面干凈，從而不會導致砂石本身對水流的污染。在濾清池進水口和出水口分別取水樣，并對其進行測試分析，得出其對污染物的攔截效果（表2）。由表2可知，濾清池對泥沙的攔截效果一般，在139mm／h降雨強度情況下，濾清池出口濃度和入口濃度相比減小，對其攔截效果達到41.81%，而在其他降雨強度下，對泥沙質量濃度沒有攔截效果，其泥沙質量濃度反而增加。由于在139mm／h降雨強度時，其入口泥沙濃度較大，第一次試驗，濾清池內砂石本身對小顆粒泥沙具有吸附作用，使其質量濃度減小，達到一定的攔截凈化效果。而經過一場試驗后，池內砂石已被污染，其攔截效果也相應降低。因此對泥沙攔截效果微弱。表2數據顯示，對總磷具有攔截效果，對總磷的最大攔截效果達到45.96%，隨著降雨場次的增加，其攔截效果明顯降低，主要是由于污染物對濾清池中砂石的污染，使得污染物吸附在砂石表面，再次試驗時，水流會攜帶沙石表層的污染物，從而降低了其攔截效果。表2顯示，濾清池對COD沒有攔截效果，COD濃度反而增加，由此說明砂石本身表面吸附的有機質被水流所攜帶，從而造成了其濃度增加。濾清池對植被凋零物具有良好的攔截效果，其可以有效攔截柴草。

表2 濾清池對徑流中的污染物攔截效果

3.3 濾清系統對污染物的攔截效果

整個植被過濾沉沙系統對污染物具有較好的攔截效果，主要是由于柳枝稷植被過濾帶對泥沙、總磷和COD的攔截。植被過濾帶增加了地表阻力，降低降雨徑流流速，加速污染物沉降。研究［15］表明，植被攔截污染物是多種原因造成的，比如植被莖稈可以阻滯水流流速，攔截徑流，減小徑流流速造成了徑流中大顆粒泥沙的沉降。在王曉青等［16］研究中顯示泥沙和總磷質量濃度呈現線性關系，泥沙是影響地表徑流中的總磷質量濃度的重要因素之一，因此柳枝稷過濾帶對泥沙和總磷的攔截效果明顯是有必然聯系的。柳枝稷過濾帶對COD具有一定攔截效果，其原因是阻滯水流，使得徑流流速變小，有機質隨沉積物沉降。而濾清池對污染物攔截效果不明顯，其對柳枝稷過濾帶留下的采草具有良好的攔截效果，在第1次試驗過程中，泥沙和污染物被吸附在濾清池內砂石表面，隨著降雨場次的增加，濾清池內污染物被吸附，其含量顯著增加，水流經過池內其污染物被再次攜帶，從而導致其攔截效果降低。

4 結論

（1）柳枝稷在黃土高原生長狀況良好，柳枝稷植被過濾帶可有效攔截降雨徑流中的污染物，其對泥沙和總磷的攔截效果非常明顯，可有效降低其質量濃度。在不同的降雨強度下對泥沙的最大攔截率達到98.62%，而平均攔截率達到97.49%，對總磷的最大攔截率達到93.57%，平均攔截率達到91.18%，對COD的攔截效果相對較差，其最大攔截率為56.07%，而平均只有30.9%。

（2）鋪設不同粒徑砂石的濾清池，只需攔截植被過濾帶下來的柴草，系統布設可大大簡化，造價可大幅降低。該系統可廣泛用于黃土高原丘陵溝壑區坡地高效農業水源凈化系統。

（3）經驗證整個植被過濾系統中對泥沙、總磷等污染物的攔截效果明顯，主要是由于柳枝稷植被過濾帶增加地表阻力，降低徑流流速引起的。而濾清池對植被過濾帶流出的柴草具有明顯的攔截效果，對污染物的攔截效果較弱。在以后的研究中需改進濾清池的布設以及池內材料設置。

致謝：感謝張星辰、婁現勇、白先發和賈立志在試驗過程中給予的幫助，在此僅表謝意。

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