南方地区水源塘坝保护的植被措施综合评价

作者:未知

  摘要 在野外實地建立了高羊茅+小叶女贞的植被组合条件下的3种不同过滤带宽度(2、3、4 m)和过滤带宽度为3 m条件下的5种不同植被组合(高羊茅+小叶女贞、三叶草+小叶女贞、高羊毛+火棘、三叶草+火棘、高羊茅+小叶女贞+碎石覆盖)以及空白对照组共8组试验小区,监测了2017年6月—2018年3月共计5场不同强度的自然降雨(23.0~100.2 mm/h)条件下每次降雨后的出流水量、出流泥沙量、出流总氮浓度以及出流总磷浓度。结果表明,在过滤带宽度一致时,高羊茅+小叶女贞的植被配置模式净化效果最好。高羊茅+小叶女贞的植被组合过滤带的宽度为4 m时,相比于宽度为2和3 m的情况下,出流水量、出流泥沙量、出流总氮浓度以及出流总磷浓度均为最低。通过建立塘坝复合植被过滤带工程评价指标体系,分别对不同植被组合配置模式进行打分,结果表明,5种植被过滤带不同植被组合配置模式中高羊茅+小叶女贞+碎石覆盖(C5)总得分最高(91.5分),明显高于其他类型的配置模式,说明在拦沙截污、生态、经济等方面综合效果作用最好,在该研究区复合植被过滤带工程中值得优选。该研究结果可为植被过滤带技术的应用和推广提供理论依据。
  关键词 植被过滤带;植物种类;宽度;综合评价;定量计算
  中图分类号 S714.7 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2020)11-0100-04
  Abstract Three different filter bandwidth (2, 3, 4 m) of the tall fescue and ligustrum microphylla vegetation combination, and five different vegetation combinations (tall fescue + Ligustrum microphylla, clover +Ligustrum microphylla, tall fescue + pyracantha,clover + pyracantha,tall fescue + Ligustrum microphylla + gravel mulch) and control group were established in the field. The outflow water, outflow sediment, outflow total nitrogen concentration and outflow total phosphorus concentration after each rainfall were measured during five different intensities (23.0-100.2 mm/h) of natural rainfall  from June 2017 to March 2018. The results showed that the tall fescue combined with Ligustrum lucidum was most effective among all the tested vegetation combinations at reducing soil loss and intercepting pollutants when the filter bandwidth was the same. When the width of the combined filter belt of tall fescue and Ligustrum lucidum was 4 m, the effluent water, sediment, nitrogen and phosphorus concentration were lower than the conditions that the width was 2 m or 3 m. Through establishing an evaluation index system of the vegetative filter strips of ponds and dams, the different vegetation filter strips were scored. The results showed that the score of tall fescue combined with Ligustrum microphylla and gravel cover was significantly higher than the other four different vegetation combination allocation modes in the filtered zone. The results indicated that this filter belt had the best comprehensive effects on soil interception, ecology and economy benefits, and it deserved to be optimized in the project of the composite vegetation filter zone in the study area. This study can provide a theoretical basis for the application and popularization of vegetation filter belt technology.
  Key words Vegetative filter strips;Plant species;Width;Comprehensive evaluation;Quantitative design   
  我国南方地区塘坝是极为常见的贮存和拦蓄地表径流的蓄水设施,其具有农业灌溉、调蓄雨洪资源、防止水土侵蚀及拦截面源污染物等重要功能。随着塘坝的上游农业活动的发展,泥沙、氮磷污染物和生活垃圾随径流汇水进入塘坝的污水而增长,引起塘坝淤塞、水体环境恶化乃至生态功能丧失等问题。植被过滤带是位于污染源和水体之间的由乔木、灌木、草或农作物构成的带状植被[1],它可促进地表径流中污染物的沉降、过滤、稀释和吸收,在防治塘坝遭受泥沙淤积和水体面源污染等方面作用显著[2-3],目前已被欧美国家推荐为流域治理的一种有效措施[4-5]。不同植物种类的过滤带对水土和养分流失防护和污染物的净化效果差异极大,有的植被拦截效率不到30%,有的则可达90%以上[4-5]。草地过滤带可以有效地减少径流量和截留径流沉积物,但由于草本植物生物量小且根系浅,其在拦截地下侧向流及营养物方面的效果则低于林木过滤带。林木过滤带由于根茎系统深,能更好地吸收去除氮磷等营养物[6-11]。植被过滤带的宽度对污染物去除效果具有显著影响,一般而言,污染物拦截效果随宽度的增加而增强[8-13]。因此确定最适宽度可以在增强去污效果与减少占地面积之间达到平衡,是设计植被过滤带时首先考虑的问题,但目前相关研究存在较大争议。Dhondt等[14]研究表明植被过滤带宽度达到5~8 m即可去除径流中的全部硝态氮,但Dosskey[15]认为宽度至少应增至30 m。分析已有研究可知,植被过滤带最适宽度是目前研究最多、同时也是争议最大的问题,相关研究结果存在数倍、甚至数十倍的差异,基本不具有可比性。這一状况可能与不同研究区的气候特征、土壤类型、所选植物种类、所需去除污染物等因素有关。因此在某一特定地区,应综合考虑上述因素,根据当地气候、土壤性质等条件确定该区植被过滤带的最适植被类型和最适宽度,同时完善植被过滤带的综合评价体系。该研究通过试验研究,探索和评估不同植被种类组合与不同宽度的植被过滤带对泥沙淤积和氮磷污染物的防治效果,为植被过滤带技术的应用和推广提供理论依据。
  1 材料与方法
  1.1 研究区概况
  试验选在南京市江宁区,区内地质条件复杂,地势南北高而中间低,丘陵岗地面积最大。境内有大小山丘400个,山体高度都在海拔400 m以下,属典型的丘陵、平原地貌。江宁区属北亚热带季风气候区,气候温和,年平均气温15.7 ℃;无霜期长,平均无霜期为224 d;雨水充沛,年平均降水量为1 072.9 mm。雨热同季,天气的变化比较复杂,常出现春秋季低温冷害、雨涝、台风、寒潮、干旱、冰雹、雷雨大风等灾害性天气。年极端最低气温-13.3℃,年极端最高气温为40.4 ℃。
  1.2 野外小区试验
  对复合植被过滤带的植物配置模式与植被过滤带的宽度进行了相应的选取与计算,配置模式包括高羊茅+小叶女贞、三叶草+小叶女贞、高羊毛+火棘、三叶草+火棘、高羊茅+小叶女贞+碎石覆盖,在试验区所选取坡地上设置相对应的5种不同的植被过滤带配置模式的径流小区,对典型配置高羊茅+小叶女贞模式设置3个不同宽度,分别为2、3、4 m,其余配置模式宽度皆为3 m,每0.5 m设置一种植物,另外设置一个空白对照,共8个植被过滤带。相邻的2条植被过滤带之间均铺设了防渗膜,分隔为8个小区,每个小区水平方向的宽度皆为1.5 m,具体布置方式及配置模式编号如表1所示。在每条植被过滤带出流处修建一个沉砂池,沉砂池(带盖以避免降雨落入产生水量)出口处设置阀门,连接水表,用以观测每次降雨前后各个小区产流量、产沙量及径流污染物浓度比较。
   每次降雨前对沉砂池进行清理,保证沉砂池内无干燥、无泥沙及污染物。在每次降雨过程中关闭所有沉砂池出口处阀门,降雨完成后,待沉砂池内泥沙沉淀完成,按编号依次收集各沉砂池内250  mL上层清液、过滤,用以测定总氮、总磷浓度。待取完待测液后,打开全部出流阀门,沉砂池内液体全部经阀门与水表流出,待全部流出后,依次记录各水表示数,得到各沉砂池内的水量。收集沉砂池内沉淀下来的泥沙,烘干称重,计算得到各个小区在一次降雨完成后所产生的泥沙量。
  1.3 塘坝复合植被过滤带配置模式综合评价与优选
  1.3.1 塘坝复合植被过滤带工程评价指标体系的构建。
  为科学引导江宁区塘坝复合植被过滤带的建设,科学评估复合植被过滤带,建立江宁区经济发展和环境保护相适宜的复合植被过滤带评价指标体系,其各层次指标见下表2。
   塘坝复合植被过滤带工程评价指标体系分为一级指标和二级指标。一级指标分别为拦沙截污效益(B1)、经济效益(B2)和生态效益(B3)。一级指标拦沙截污效益(B1)包括泥沙拦截率(C1)、总氮拦截率(C2)和总磷拦截率(C3)3个二级指标;一级指标经济效益(B2)包含工程成本(C4)、环保经济效益(C5)和施工工艺(C6)3个二级指标;一级指标生态效益(B3)包括生物多样性(C7)和景观效益(C8)2个二级指标。根据已测得的数据,利用层次分析法(AHP)计算求得各一级指标和二级指标的权重值(表3)。根据专家和有关学者的意见,采用标度法将同一层次中指标之间进行两两比较,各专家运用1~9标度法来构建判断矩阵。
  1.3.2 塘坝复合植被过滤带配置模式综合评价与优选。
  将江宁区塘坝复合植被过滤带工程评价指标体系的各种指标分为4个等级(很好、好、一般、差),而且这4个分别用100、80、60、40来代替。达到目标值为很好,其余与参考值作比较求隶属度,其指标标准如表4所示。根据计算结果,植被过滤带宽度在3 m比较适宜,为控制变量,所以以上复合植被过滤带的宽度保持一致,均为3 m。通过Triangular Fuzzy(三角模糊)模型中模糊函数的方法确定具体每个指标的隶属度函数值。利用Matlab程序和指标的最低值、基准值分别求出每个指标相对应V={v1,v2,v3,v4,}={很好,好,一般,差},指标的标准值分别为{d1,d2,d3,d4},实际值为X,此过程和结果由数值表示。然后按照Triangular Fuzzy模型求出每个指标的隶属度。   2 结果与分析
  2.1 野外小区观测试验
  在野外小区的试验中,共进行了5次降雨径流观测试验。在2017年6月6日、2017年8月28日、2017年9月25日、2018年1月4日、2018年3月15日各次监测的降雨强度分别为35.1、27.8、100.2、23.0、51.2 mm/h。各次监测得到8个过滤带在每次降雨后的出流水量、出流泥沙量、出流总氮浓度以及出流总磷浓度。按照降雨强度由大到小的排序,产沙量与总磷浓度随过滤带长度与植被组合的变化分别如图1所示。
  
  由5次降雨后的观测结果,通过对8个小区出流结果的比较,可以发现不同植被配置模式及同一植被配置模式下不同宽度植被过滤带对地表径流、泥沙、总氮以及总磷的拦截效果皆有差异。在5次观测试验中,通过比较1#、2#、3#小区的出流情况发现,宽度为4 m的3#小区在5次观测试验中出流水量、泥沙量、泥沙浓度及总氮、总磷浓度都比宽度为2 m和3 m的小区小,说明宽度为4 m的3#植被过滤带小区对地表径流、泥沙及总氮、总磷的拦截效果要优于另外2个宽度的小区。在2017年8月28日(降雨强度27.8 mm/h)的观测试验中,3#小区出流泥沙量非常微弱,不足以取样,基本为0,可以证明在此次观测试验中长度为4 m的高羊茅+小叶女贞的配置模式过滤带对泥沙的拦截效果非常好,接近于100%,原因可能在于此次观测试验中的降雨量较小,导致出流水量及其所携泥沙含量都较小。此外,宽度为3 m的2#植被過滤带小区对地表径流、泥沙及总氮、总磷的拦截效果优于宽度为2 m的1#小区。由此可见,在该研究野外小区降雨径流观测试验中,植被过滤带宽度越大,对径流、泥沙及氮磷污染物的拦截效果越好。
   比较8个径流小区的拦截效果,出流水量、出流泥沙浓度、出流总氮、总磷浓度从大到小均依次为8#、1#、7#、6#、5#、4#、2#、3#,表明在该研究的野外小区径流观测试验中,8个小区对于径流、泥沙及氮磷污染物的拦截效果从大到小依次为3#、2#、4#、5#、6#、7#、1#、8#。在过滤带宽度一致时,高羊茅+小叶女贞的植被配置模式净化效果最好。对于同种配置模式,植被过滤带宽度越大,净化效果越好。但是,示范区的局限性只能确定在设置的3种宽度中,宽度与净化效果呈正相关,并不能确定宽度大小是否存在一个阈值,还有待深入研究。
  2.2 塘坝复合植被过滤带配置模式综合评价及优选
  通过上述所求的一级和二级模糊综合评价值,分别对准则层和目标层进行打分。塘坝复合植被过滤带工程准则层的隶属度及得分情况如表5所示。从隶属度及得分情况可以得出,5种不同的配置模式中高羊茅+小叶女贞+碎石覆盖(7#)的拦沙截污效果最好,总得分为96分,而三叶草+火棘(6#)的拦沙截污效果最差,得分最低。其他3种不同的植被配置模式相较于无植被过滤带则均有不同程度的拦沙截污效果。
   借助模糊综合评价法,建立二级模糊评价模型,综合考虑三大因素(防渗效益、经济效益、生态效益),从而进行打分并优选生态防渗渠道。对江宁区塘坝复合植被过滤带实现目标的程度进行综合评判,结果如表6所示。从表6可以得出,考虑综合因素,统筹兼顾,5种不同配置模式中高羊茅+小叶女贞+碎石覆盖(C5)总得分最高,总得分为91.5,相比其他类型的配置模式无疑处在优级,这说明在拦沙截污、生态、经济等方面综合效果作用非常好,在复合植被过滤带工程中值得优选。此外,植被过滤带的宽度也是影响其作用的一个因素,这里只是讨论了配置模式的优选,对于其宽度的优选需要根据实际应用情况来进行选择。
  3 结论
  (1)过滤带宽度为3 m条件下的5种不同植被组合(高羊茅+小叶女贞、三叶草+小叶女贞、高羊毛+火棘、三叶草+火棘、高羊茅+小叶女贞+碎石覆盖)条件下,高羊茅+小叶女贞的植被配置模式的出流水量、出流泥沙量、出流总氮浓度以及出流总磷浓度均为最低,净化效果最好。高羊茅+小叶女贞的植被组合条件下的3种不同过滤带宽度(2、3、4 m)条件下,出流水量、出流泥沙量、出流总氮浓度以及出流总磷浓度随过滤带宽度的增加而降低,过滤带的宽度为4 m时,净化效果最好。
  (2)通过建立塘坝复合植被过滤带工程评价指标体系,分别对不同植被组合配置模式进行打分。结果表明,5种植被过滤带不同植被组合配置模式中高羊茅+小叶女贞+碎石覆盖(C5)总得分最高,总得分为91.5,明显高于其他类型的配置模式,说明在拦沙截污、生态、经济等方面综合效果作用最好,在本研究区复合植被过滤带工程中值得优选。
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