基于VFSMOD模型的植被緩沖帶泥沙攔截效果模擬分析

張禹洋，孫 政，蔡國強，聶世豪，張 良，宗全利*

(1.青島農業大學 資源與環境學院，山東 青島 266109；2.青島市大沽河管理服務中心，山東 青島 266232)

中國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一，根據第二次全國土壤普查 (1979—1985 年)，中國耕地水土流失面積達 4.54×107hm2，占耕地總面積的35%[1]。水土流失導致了土地生產力的破壞，嚴重制約了中國社會和經濟的進步，為了順利推進中國生態文明建設，水土流失和水環境污染問題是所需要解決的關鍵問題[2]。植被緩沖帶是一種防治水土流失的生物措施，通常是指位于水體和農業源區之間的植被，當地表徑流流經植被緩沖帶時，通過植被的攔截作用使泥沙速度減緩并將其截留在植被緩沖帶，從而使進入水體的泥沙減少。國內外研究表明，植被緩沖帶對地表徑流中的泥沙有較好的攔截作用，是保護水源的重要措施[3]。植被緩沖帶在歐美國家已得到了廣泛應用，并取得了良好的控制效果[4-5]。Wilson等[6]的試驗研究表明，植被緩沖帶寬度與沉積物量、沉積物顆粒粒徑成負相關關系。國內對植被緩沖帶的研究開始較晚，但目前已經進行了一定程度的研究，李懷恩等[7]對植被緩沖帶的定量計算進行研究時，介紹了植被緩沖帶的概念及其應用。

VFSMOD主要用于模擬植被過濾帶對坡面地表徑流中泥沙和污染物的凈化效果，得到廣泛應用與認可。Thomas等[8]利用VFSMOD模型模擬植物的生長和形態以及入流泥沙濃度對植被緩沖帶攔截泥沙的影響，研究指出植物的形態會影響泥沙濃度，泥沙濃度越大，植被緩沖帶攔截泥沙的作用減弱；孫曉濤等[9]利用VFSMOD模型分析了植被緩沖帶攔截效果的坡度、寬度、入流水量等因素的敏感性。

植被緩沖帶主要由植被緩沖帶的形狀尺寸、坡度大小及植被特性構成，分別影響污染物的下滲速度、徑流入流速度及緩沖帶的吸收、吸附能力[10]。植被緩沖帶對攔截泥沙的能力隨植被緩沖帶的不同而有明顯差異[11]。由植被緩沖帶中植物構成不同，可將其分為草地緩沖帶、灌木緩沖帶、喬木緩沖帶以及由至少2種類型植被組成的復合型植被緩沖帶[12]，其中，草地緩沖帶對泥沙的攔截效果最為顯著[13]。Moset等[14]研究指出，草地緩沖帶整體高度較低、葉片面積較小，使得生物量產量較小，且存在根系淺及壽命短等問題，人們對草地過濾帶的截污性能是否長期有效而存在質疑。Chung等[15]研究指出由于草地緩沖帶根莖較淺、生物量較少，截污性能不如根莖較深、生物量較高的灌木、喬木緩沖帶。

目前國內對植被緩沖帶的研究主要集中在室內試驗和現場試驗，研究內容主要為植被緩沖帶截留污染物效率及影響因素定性比較分析等[16]，鮮有具體到某一河流的實際工程的應用，本文以實地調查為基礎，針對大沽河流域的現實情況，利用VFSMOD模型進行了植被緩沖帶寬度、長度、坡度、植被間距、植被糙率的敏感性分析，為大沽河管理者提供了設計植被緩沖帶的數據參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源

大沽河流域地處膠東沿海，是膠東半島最大河流，屬海洋性氣候，流域內雨量較充沛，降雨量年際變化較大。流域面積(不包括南膠萊河流域)為 4 631.3 km2，包括煙臺、青島2市的9個縣市(區)。大沽河流域青島市轄區內，約1/3面積屬于泛低山丘陵強度侵蝕區， 2/3的面積屬于平原微度侵蝕區，均須加強水土保持和進行規劃治理。本文以大沽河流域(圖1)的北岔河村(36°32′8″N,120°8′31″E)、仁兆鎮攔河閘(36°35′40″N,120°11′46″E)、程家小里村(36°43′21″N,120°18′12″E)、后路家村(37°9′44″N,120°27′10″E)4處較為典型的植被緩沖帶的實測數據作為研究對象，使用VFSMOD模型模擬大沽河流域植被緩沖帶對泥沙的攔截效果。

圖1 大沽河流域及典型取樣點分布

1.2 大沽河流域植被緩沖帶

2020年7月17日，對大沽河進行了現場考察和調研，并于7—8月3次到大沽河流域進行實地調查，收集了大沽河流域現狀等資料。對北岔河村、移風攔河閘、程家小里村、后路家村典型位置的地表土體和植被緩沖帶基本參數進行了現場取樣，共收集了8處不同位置的土體、4處緩沖帶參數，見表1。

表1 大沽河現場取樣一覽

1.3 VFSMOD模型簡介

VFSMOD模型是是由美國Florida大學的Carpena 等人于1999年提出的一個基于降雨田間尺度機制的數學模型，可用來預測植被緩沖帶對坡面地表徑流中泥沙凈化效果、地表徑流攔截效果以及污染攔截效果[17]。2005年VFSMOD模型被美國環保局(USEPA)用來評價植被過濾帶在最佳管理措施( best management practice，BMPs)中的效率[18]。

VFSMOD模型由以下4個模塊構成：①入滲模塊，用于計算土壤表面的水量平衡；②坡面流模塊，用于計算滲透土壤表面的流動深度和速度；③泥沙運動模塊，用于模擬泥沙沿植被緩沖帶輸移及沉積的過程；④水質/污染物輸移模塊，用于模擬污染物沿植被緩沖帶遷移及削減的過程。模型結構見圖2。

圖2 VFSMOD模型結構示意

使用VFSMOD模型模擬植被緩沖帶對泥沙攔截過程如下，利用地表徑流子模塊，計算出在農田源區產生的的地表徑流量、徑流深以及流速；泥沙運動模塊在地表徑流到達植被緩沖帶后，會認為植被的存在而對地表徑流產生阻力，減慢地表徑流的速度，從而減少泥沙攜帶量，進而導致粗顆粒泥沙主要以推移質形式運動。泥沙運動模塊由源區、植被緩沖帶入口、楔形區、懸移質區和植被緩沖帶出口組成，植被緩沖帶進口泥沙層的厚度與植被的有效高度，決定了該部分攔截下來的泥沙及其堆積體的型態。每個時間步長的初始泥沙負荷與入流泥沙負荷的對比關系，決定了泥沙在楔形區的沉積與輸移，計算過程中使用了改進的曼寧公式、連續方程和 Einstein 推移質運動公式[19]。泥沙在懸移質區的過濾算法是Tollner等提出的“基于概率方法的非淹沒流湍流擴散方程”，該方程運用了數學中的概率理論對結果進行了處理[20]。

1.4 VFSMOD模型主要參數

通過實地調研考察和室內土工試驗，得到中值粒徑、土壤初始含水率等主要參數；以實地考察資料為基礎，利用模型模擬了30 min時間長度，降雨強度為2 mm/mim，源區形成的地表徑流及流量峰值。

模型參數中與大沽河實際相關的植被參數(長度、寬度、間距、高度等)和土壤參數(初始含水率、顆粒分級數、粒徑等)以現場調研和試驗結果進行設定，飽和導水率、濕潤峰處平均吸力、飽和含水率等未直接獲得的參數，根據模型研究者建議采用Rawls[21]等給出的Green-Ampt模型參考參數，其他相關模型計算等參數主要根據VFSMOD模型的參數設定規則確定，具體見表2—6。這樣模擬結果既符合大沽河流域的實際情況，又滿足模型的設定規則且有其他類似研究結果的驗證[9]，可以較為合理的表現大沽河流域植被緩沖帶各參數對泥沙攔截的影響。表2—6中取值范圍以區間表達的即為本次研究所針對的對象參數，呈現4個不同參數的即為4處植被緩沖帶的不同參數，從左向右依次為：北岔河村、仁兆鎮攔河閘、程家小里村、后路家村。

表2 地表徑流模擬參數的取值

表3 入滲模型土壤參數的取值

表4 泥沙過濾模型緩沖性能參數的取值

表5 泥沙過濾模型泥沙特性參數的取值

表6 入流參數的取值

2 結果與分析

使用VFSMOD模型研究了植被緩沖帶便于人工控制的因素：寬度、長度、植被間距、坡度、植被糙率的敏感性，在分析各個參數的過程中，保持其他參數一致，以保證模擬結果不會受其他因素影響。

在此次分析中，以泥沙攔截率作為衡量標準，即被攔截在植被緩沖帶的泥沙量占從源區隨地表徑流進入植被緩沖帶的泥沙量的比例。在VFSMOD模型中植被緩沖帶的泥沙攔截率是通過源區坡度、地表徑流流量、泥沙中值粒徑、降雨強度等來確定源區產生的泥沙量，由植被緩沖帶的寬度、長度、植被間距、糙率等來確定植被緩沖帶攔截的泥沙量，由后者比前者得出泥沙攔截率。

植被緩沖帶寬度、長度越大，植被緩沖帶攔截泥沙的面積越大，泥沙速度減緩的幅度越大，停留在植被緩沖帶的泥沙越多，對泥沙的攔截效果也越顯著[22]；植被是組成植被緩沖帶的主體，植被間距和植被糙率直接影響了泥沙在植被緩沖帶運動過程中的速率；植被緩沖帶坡度會對徑流的入流速度和通過植被緩沖帶所需的時間產生直接影響，以至于影響植被緩沖帶截留徑流中泥沙的效率[23]。

2.1 植被緩沖帶寬度對泥沙攔截率的影響

在植被緩沖帶長度、植被間距、坡度、植被糙率等參數不變前提下，使用模型模擬寬度分別為1、3、5、7、9 m時，植被緩沖帶對泥沙的攔截效果，結果見圖3。

圖3 植被緩沖帶寬度對泥沙攔截效果的影響

從圖3可以看出，植被緩沖帶寬度與泥沙攔截率具有較強的相關性，具體表現為寬度對泥沙攔截率呈正相關，即泥沙攔截率隨緩沖帶寬度的增加而提高。

在不同的寬度范圍內，寬度的增加對泥沙攔截率的影響率(攔截率變化/緩沖帶寬度變化)不同，當植被緩沖帶寬度達到5 m以后寬度對泥沙攔截率影響變化率會減緩。其中，北岔河植被緩沖帶在寬度從1 m增加到5 m過程中，泥沙攔截率增加了33.90%，在寬度從5 m增加到9 m的過程中，泥沙攔截率僅僅增加了1.7%；仁兆鎮攔河閘植被緩沖帶，在寬度從1 m增加到5 m過程中，泥沙攔截率增加了50.6%，在寬度從5 m增加到9 m的過程中，泥沙攔截率僅增加7.4%；程家小里村植被緩沖帶，在寬度從1 m增加到5 m過程中，泥沙攔截率增加了12.4%，在寬度從5 m增加到9 m的過程中，泥沙攔截率僅增加7.3%；后路家村植被緩沖帶，在寬度從1 m增加到5 m過程中，泥沙攔截率增加了23.1%，在寬度從5 m增加到9 m的過程中，泥沙攔截率僅增加2.6%。充分說明了，其他參數不變的情況下，植被緩沖帶寬度在達到一定程度后，其對泥沙攔截率的影響率將會下降，最后趨于穩定。

2.2 植被緩沖帶長度對泥沙攔截率的影響

在植被緩沖帶寬度、植被間距、坡度、植被糙率等參數相同的前提下，使用模型模擬北岔河村、仁兆鎮攔河閘、程家小里村植被緩沖帶長度為10、15、…、45、50 m時，后路家村10、20、…、90、100 m時植被緩沖帶對泥沙的攔截效果，結果見圖4。

a)北岔河、仁兆鎮、程家小里村

從圖4可以看出，植被緩沖帶長度對泥沙攔截效果呈較強的正相關，表現為泥沙攔截率隨植被緩沖帶長度的增加而提高，但當長度增長到一定程度時，泥沙攔截率的增幅降低。

北岔河村、仁兆鎮攔河閘、程家小李村植被緩沖帶在長度達到20 m以后，泥沙攔截率增幅顯著降低；相比較而言，后路家村植被緩沖帶對泥沙的攔截效果，隨著植被緩沖帶長度的增加，盡管增幅也在降低，但呈現出一種較為穩定的增長，充分說明，其他參數不變的情況下，植被緩沖帶長度達到一定程度后，其對泥沙攔截率的影響率將會下降，最后趨于穩定。

2.3 植被間距對泥沙攔截率的影響

在植被緩沖帶寬度、長度、坡度、植被糙率等參數相同的前提下，使用模型模擬北岔河村、仁兆鎮攔河閘、程家小里村植被間距為2、4、…、18、20 cm時，植被緩沖帶對泥沙的攔截效果，結果見圖5。

圖5 植被間距對泥沙攔截率影響

從圖5可以看出，泥沙攔截率與植被間距呈顯著的負相關，表現為泥沙攔截率隨植被間距的增大而降低，但植被間距增大到一定程度時，泥沙攔截率隨植被間距的增大而降低的幅度減緩，具體表現為北岔河村、仁兆鎮攔河閘、程家小里村、后路家村植被緩沖帶植被間距分別在10、8、6、10 cm后泥沙攔截率減小幅度降低，充分說明，其他參數不變的情況下，植被間距達到一定程度后，其對泥沙攔截率的影響率將會下降，最后趨于穩定。

2.4 植被緩沖帶坡度對泥沙攔截率的影響

在植被緩沖帶寬度、長度、植被間距、植被糙率等參數相同的前提下，使用模型模擬北岔河村、仁兆鎮攔河閘、程家小里村、后路家村植被緩沖帶坡度為0.01、0.02、…、0.09、0.10時，植被緩沖帶對泥沙的攔截效果，結果見圖6。

圖6 植被緩沖帶坡度對泥沙攔截率影響

從圖6可以看出，在其他參數不變的前提下，泥沙攔截率與植被緩沖帶坡度呈負相關，即泥沙攔截率隨植被緩沖帶坡度的增大而降低，但坡度增大到一定程度時，泥沙攔截率隨坡度的增大而減小的幅度降低，具體表現為北岔河村、仁兆鎮攔河閘、程家小里村、后路家村植被緩沖帶坡度分別在0.05、0.04、0.04、0.03后泥沙攔截率減小幅度降低，充分說明，其他參數不變的情況下，植被緩沖帶坡度達到一定程度后，其對泥沙攔截率的影響率將會下降，最后趨于穩定。

2.5 植被糙率對泥沙攔截率的影響。

在植被緩沖帶寬度、長度、植被間距、坡度等參數相同的前提下，使用模型模擬北岔河村、仁兆鎮攔河閘、程家小里村、后路家村植被緩沖帶植被糙率為0.01、0.014、…、0.022、0.026時，植被緩沖帶對泥沙的攔截效果，結果見圖7。

圖7 植被糙率對泥沙攔截率影響

從圖7可以看出，植被緩沖帶的植被糙率對泥沙攔截率呈負相關，即泥沙攔截率隨著植被緩沖帶植被糙率的增加而降低，當植被糙率達到一定程度時，泥沙攔截率隨植被緩沖帶植被糙率的增大將不再顯著變化。北岔河村和后路家村兩處典型樣區的泥沙攔截率對植被糙率不敏感，植被糙率從0.010增加到0.026，泥沙攔截率分別僅降低9.0%、6.2%；仁兆鎮攔河閘和程家小里村兩處典型樣區對泥沙攔截率對植被糙率相對敏感，植被糙率從0.01增加到0.026，泥沙攔截率分別降低25.5%、19.9%。充分說明，其他參數不變的情況下，植被糙率達到一定程度后，其對泥沙攔截率的影響率將會下降，最后趨于穩定。

3 討論

在2 mm/min的降雨強度，30 min的降雨時間的降雨條件下，大沽河流域的植被緩沖帶設計的實際工程中，應考慮自然、經濟等情況設計植被緩沖帶的寬度、長度等參數，如果單純的增加植被緩沖帶的長度、寬度、減少植被間距，不僅會造成一定程度的土地浪費，而且將會抬高溝道洪水位，沖刷岸邊，帶來負效應[24]。

由于大沽河的主要部分位于青島市，結合青島市實際降雨情況，以下結論都是在青島市正常自然狀況下能達到的較大降雨強度下，所做出的各典型植被緩沖帶攔截泥沙效果分析。得出的各項結論，基本能滿足正常年份、正常降雨條件下，大沽河流域植被緩沖帶對泥沙攔截的條件。

基于圖3、4泥沙攔截率對植被緩沖帶長度和寬度的敏感性,建議大沽河流域植被緩沖帶設計時優先考慮植被緩沖帶寬度，以北岔河村、仁兆鎮攔河閘、程家小里村、后路家村為例，4處植被緩沖帶分別設計為5、7、9、5 m為宜；以植被緩沖帶寬度為5 m的前提下，植被緩沖帶長度分別應設計為：15、30、20、100 m，以達到95%左右的泥沙攔截率。

分析圖5可知，在4處典型樣區中泥沙攔截率對植被間距敏感區間分別為：北岔河村10 cm以內，仁兆鎮攔河閘8 cm以內，程家小里村6 cm以內，后路家村10 cm以內，結合成本、效益分析，大沽河植被緩沖帶的植被間距設計在6～10 cm為宜。

基于圖6泥沙攔截率對植被緩沖帶坡度的敏感性，坡度在0.01～0.03時，泥沙攔截率對坡度的敏感性較強，建議當植被緩沖帶坡度較大且施工較為方便時，先進行土地平整工程，當坡度在0.04之后泥沙攔截效率的變化將不會再隨坡度的增大而降低。所以，當植被緩沖帶的坡度較大且施工較為困難時，進行土地平整工程的代價若遠遠大于改善后植被緩沖帶的攔截效率所帶來的收益，建議采取其他方式改善植被緩沖帶。建議大沽河流域植被緩沖帶盡量設置在緩坡。

分析圖7可知，植被緩沖帶的植被糙率對泥沙攔截效率影響并不明顯，而且本著以大沽河流域原生生物為植被緩沖帶第一選擇的原則，并不建議再引入其他植被。

綜上分析可知，在設計大沽河植被緩沖帶的過程中，考慮的先后次序是：寬度、植被間距、長度、坡度、植被糙率。影響植被緩沖帶攔截泥沙的因素還有很多，例如植被緩沖帶自身生長狀況、地表徑流入流水量、入流泥沙密度、緩沖帶的實際地況等因素，都會直接影響植被緩沖帶對泥沙的攔截。應以因地制宜作為設計植被緩沖帶的根本原則，不需過度的追求長度、寬度的擴大，不需追求植被間距的過密，根據實地情況，統籌植被緩沖帶各參數的主次，兼顧成本及可能產生的負面影響，合理設計植被緩沖帶。

4 結論

在降雨強度2 mm/min、降雨時間為30 min的降雨及大沽河實地特征條件下，使用VFSMOD模型對大沽河植被緩沖帶模擬，得出以下結論。

a)泥沙攔截率隨緩沖帶寬度、長度的增加而提高，且長度、寬度達到一定程度時，泥沙攔截率趨向于平穩。

b)泥沙攔截率隨植被間距、坡度和植被糙率的增加而降低，且植被間距、坡度和植被糙率達到一定程度時，泥沙攔截率趨向于平穩。

c)大沽河植被緩沖帶設計過程中應先后考慮的參數依次為：寬度、植被間距、長度、坡度、植被糙率。

大沽河植被緩沖帶的設計，應結合實際情況，綜合考慮經濟、環境、社會等因素，爭取以最低的成本，獲得最大收益。