雨水滤清净水系统的设计与试验验证

针对黄土高原发展坡地高效农业面临的缺水及水源水质差而传统微型沉沙池效率低,清淤困难等问题,基于调控降雨径流,高效利用水土资源的理念,根据生物与物理净化的不同特点,设计出一套生态环保型高效滤清净水系统并进行了试验验证。结果表明,能源牧草柳枝稷作为植被过滤带与滤清池组合系统,对泥沙和总磷最大拦截效果分别达到98.62%和93.6%,对化学需氧量(COD)的最大拦截效果达到56%,说明柳枝稷植被过滤带对泥沙和污染物的拦截效果明显。并在此基础上再铺设不同粒径砂石的滤清池,只需拦截植被过滤带下来的柴草,使布置大幅简化,造价大幅降低。该系统可广泛应用于黄土高原坡地高效农业水源净化系统。     

农牧业交错区禾本植被过滤带过滤效果模拟

为探究内蒙古岱海流域农牧业交错区禾本植被过滤带截流减沙效果对入流强度和泥沙含量的响应。在内蒙古中部农牧业交错区的巨宝庄镇试验区设置不同来水流量(0.77,0.9,1.08,1.26 L/s)和泥沙含量(0.04,0.06,0.08,0.1 g/cm³),共计16个处理,研究不同来水条件下植被过滤带的截流减沙效果。基于VFSMOD模型模拟,并优化该地区植被过滤带参数。结果表明:VFSMOD模型可以较好地对冰草、羊草混播植被过滤带泥沙和径流出流量进行模拟。植被过滤带前期对径流拦蓄主要依靠入渗,入流强度增加缩短了径流出流时间,0.77 L/s入流强度水流经过过滤带后出流时间分别为0.9,1.08,1.26 L/s入流强度下出流时间的1.3,1.6,1.6倍。0.77,0.9 L/s入流强度下泥沙出流量趋于稳定,而1.08,1.26 L/s入流强度下泥沙出流量随时间推移而增加。入流泥沙含量和入流强度对出流泥沙量影响显著(p＜0.05)。     

关于河岸缓冲带拦截泥沙和养分效果的研究

河岸缓冲带被广泛地应用于拦截农地中流失的非点源污染物质。美国学者K.H.Lee等人通过设置田间试验对复合缓冲带在天然降雨条件下从农地上拦截氮、磷和泥沙的能力进行了研究。实验结果表明,设置7.1m宽的柳枝稷缓冲带拦截了径流中95％的泥沙、80％的总氮、62％的硝基氮、78％的总磷和58％的PO4-P。设置16.3 m宽的柳枝稷/林木复合缓冲带拦截了径流中97％的泥沙、94％的总氮、85％的硝基氮、91％的总磷和80％的PO4-P。缓冲带的拦截能力与降雨强度和总降雨量呈显著的负相关关系。虽然7.1 m宽的柳枝稷缓冲带在拦截营养物质方面的效果较好,但若其加宽到16.3 m的柳枝稷/林木复合的缓冲带拦截可溶解营养物质的效力将增加20％。运用浓密的、本地的暖季草与木本植物相结合的缓冲带,拦截非点源污染物质的效力将更高。     

植物过滤带对农地径流泥沙的影响

植物过滤带能减小径流挟沙力。该项研究设计了2个试验小区,坡度为7%、12%,主要植物种类为无芒草,在试区内安装了集流设备及雨量器。并测量降雨量、雨强、休闲带边缘的径流量、土壤流失量。测试结果表明:植物过滤带拦截泥沙达85％以上。不仅减小径流挟带泥沙力,加快了泥沙的沉积,且延缓了径流速度,增加了土壤结构的稳定性,有利于径流的入渗。     

坡面产流产沙过程对植被过滤带响应的试验研究

为探讨植被过滤带在坡面产流产沙过程中对水沙的拦截效果及其水动力学机理,通过在室内土槽上设置模拟植被过滤带并进行浑水冲刷试验,得到有无模拟植被过滤带情况下的产流产沙情况及相关水动力学参数,定量分析了植被过滤带对径流、泥沙的拦截效果并探讨了坡面产沙率与水动力学参数之间的关系。结果表明,植被过滤带在放水冲刷试验中能有效拦截径流和泥沙,且在较小流量下,径流和泥沙的拦截效果更好,在200L/h流量下,拦截率分别可达33.2%和96.9%;在冲刷过程中,有无模拟植被过滤带产沙率与水流剪切力、水流功率都具有显著的相关关系,分别呈指数函数(R2=0.67,R2=0.83)和幂函数(R2=0.70,R2=0.87)增大关系;采用含水流剪切力和水流功率的非线性回归方程Rs=1.184×10-6τ-4.114ω3.839(R2=0.73)预测产沙率效果较好。     

植被过滤带对坡地径流泥沙浓度的影响（译文）

植被过滤带（ＶＦＳ）在控制来自坡地土壤侵蚀地表径流的输沙量有效性方面,很少有人进行研究和评价。本文以７％和１２％坡度小区研究为基础,研究了ＶＦＳ对来自１８．３ｍ连续休闲地带泥沙浓度,径流量和土壤流失的影响,同时设计了一个径流收集分流箱设备,来收集ＶＦＳ不同地段的径流样品。在ＶＦＳ地段安置一套６个相同的分流箱,在观测期内共收集１３次降雨产流样品。在３．０ｍＶＦＳ处能截留７０％的径流泥沙,同时,在９．     

草本植被过滤带对径流中泥沙和除草剂的去除效果

除草剂阿特拉津的大量使用在提高农业生产效率、增加作物产量的同时,也导致了严重的环境污染。该研究通过在土槽上进行浑水冲刷试验,定量研究了禾本科草本植被过滤带（狼尾草Pennisetum alopecuroides (Linn.) Spreng和野古草Arundinella hirta (Thunb.) C. Tanaka）对径流、泥沙、以及阿特拉津的拦截效果。结果表明,禾本科草本植被过滤带能有效拦截径流,拦截率可达88%;并显著降低泥沙和阿特拉津流失量,但其作用效果受泥沙和阿特拉津的进水浓度影响较大。当进水泥沙浓度为20、40、60 g/L时,植被过滤带对泥沙的拦截率分别为95%、93%、85%;当进水阿特拉津浓度为0.3、0.6、0.9 mg/L时,植被过滤带对阿特拉津的拦截率分别为95%、92%、91%。另外,植被过滤带对泥沙和阿特拉津的拦截率随时间延长呈逐渐降低趋势,试验开始后第1、10、20、40、60分钟的泥沙拦截率分别为97%、95%、93%、91%、87%,阿特拉津拦截率分别为97%、93%、90%、86%、84%;同时,阿特拉津出流浓度与径流量有显著相关关系（r1=0.88,r2=0.93,r3=0.94）,表明径流量在一定程度上决定了阿特拉津出流浓度和出流量。研究证实,植被过滤带能有效降低阿特拉津随径流流失量,对阿特拉津引起的农业面源污染具有较好防治效果。     

森林过滤带减沙作用研究

植被过滤带通常能够阻止80%以上的泥沙进入径流。美国佐治亚大学的研究生W.J.W h ite等在格鲁吉亚皮埃蒙特原状森林过滤带和搅动森林过滤带上对径流进行模拟试验。森林过滤带分为五个坡度级别,模拟径流中土壤颗粒包括黏粒、沙粒和团聚体。总泥沙拦截率为53%~96%,平均为72%。直径大于20μm的沙粒大部分被2m长的过滤带所截获,直径小于2μm的沙粒质量浓度未受到过滤带的影响,但是渗透过程中部分被拦截。过滤带中2~20μm粒径的拦截量与水流距离呈相关性。原状森林覆被地区,森林覆被深度和泥沙拦截量呈现相关性。去除森林覆被会降低泥沙的拦截量,但在去除森林覆被的地区试验中所添加的泥沙大部分被拦截。试验研究表明:窄的过滤带能有效地转移直径大于20μm的粗质泥沙,16 m长的过滤带能转移径流中大部分直径为2~20μm的泥沙。     

放水冲刷条件下工程边坡产流产沙及氮磷输出特征

为揭示工程堆积体平台汇流造成的水沙及氮磷养分流失特征,以矿区堆土场为研究对象,采用室内放水冲刷试验,研究不同上方来水流量(1.7,2.3,2.9 L/min)和坡度(25°,30°,35°)下地表径流、壤中流及侵蚀泥沙产生过程,分别测定氮磷养分浓度并计算流失量及贡献占比。结果表明:蒙东地区覆土排土场边坡产流方式主要为地表径流,随坡度和冲刷流量的增大,地表径流量增大,壤中流量减小。产沙量随坡度的增大先增大后减小,侵蚀产沙的临界坡度在30°附近。地表径流中铵态氮及磷酸盐流失浓度均大于壤中流,硝态氮浓度在冲刷流量较大(2.9 L/min)时低于壤中流。径流中磷酸盐及侵蚀泥沙中氮磷损失均随坡度的增大先增大后减小。冲刷流量越大,地表径流及侵蚀泥沙中的氮、磷流失量越多。径流中养分流失量表现为硝态氮＞铵态氮＞磷酸盐。侵蚀泥沙是磷酸盐的主要输出途径,占流失总量的59.69%以上;氮素流失量仅在坡度30°时表现为侵蚀泥沙中最大,在25°,35°坡面,地表径流为氮素的主要流失途径,小流量(1.7,2.3 L/min)时壤中流输出的氮素次之。     

煤矸石松散堆置体坡面侵蚀规律研究

采用室内模拟径流冲刷试验,对煤矸石堆置体水土流失规律进行了研究。结果表明:(1)在20,°25,°30,°35°4个坡度、放水流量为2 L/min,2.5 L/min,3 L/min,3.5 L/min的情况下,煤矸石堆置体的侵蚀产沙过程存在明显的差异:在较小坡度和流量下,侵蚀的脉动性、随机性、间歇性明显,径流体积含沙量变化幅度很大;在较大坡度和流量下,侵蚀呈现明显的突发性,泥沙移动具有类似泥石流移动的特征,在冲刷初期含沙量便达到最大值,随着时间的延续,含沙量逐渐降低,最后趋于稳定。(2)集中径流对煤矸石堆置体具有很强的冲刷作用,会造成严重的侵蚀,总侵蚀量的大小与设计流量呈线性关系,与坡面坡度呈幂函数关系。     

不同植被过滤带对农田径流中泥沙和氮磷的拦截效果与途径

在我国农业面源污染已经成为水环境质量恶化和湖泊富营养化的重要原因,其中氮磷对地表水富营养化的贡献超过了50%。通过浑水冲刷试验,研究了3种禾本科植被过滤带((黑麦草Lolium perenne Linn.)、偃麦草((京草2号)Elytrigia repens(L.)Nevski)、无芒雀麦(Bromus inermis Leyss.)对径流、泥沙以及氮磷的拦截效果,同时分析了3种植被过滤带拦截氮磷的主要途径。结果表明:(1)与裸地相比,3种植被过滤带均能显著提高径流与氮磷的拦截率。3种植被过滤带之间对径流、氮磷拦截率没有显著差异。黑麦草过滤带泥沙流失量显著低于无芒雀麦过滤带;同时径流、泥沙与氮磷拦截率之间存在显著正相关关系,表明植被对径流和泥沙的拦截一定程度上决定对氮磷的拦截量;(2)径流过程中磷的流失量均低于氮的流失量。氮的流失主要以溶解态氮为主,占总氮流失量的90%以上;磷的流失则主要以颗粒态磷为主;(3)植被过滤带拦截氮磷的途径不同,氮主要通过增加土壤入渗的途径来拦截,磷则主要通过植物茎秆基部进行物理拦截;(4)京草2号对氮的拦截效果优于黑麦草和无芒雀麦,而黑麦草则在磷的拦截方面表现突出。因此在植被过滤带的优化设计方面可以考虑黑麦草与京草2号2者混播以达到最佳的拦截吸附效果。     

紫色土坡耕地植物篱的水土保持效应研究

在四川盆地紫色土区通过标准径流小区试验,研究新银合欢(Leucaena leucocephala,豆科银合欢属)植物篱、香根草(Vetiveria zizanioides,禾本科香根草属)植物篱对坡耕地水土流失和微地形的影响.结果表明:10.,15.坡耕地上,新银合欢植物篱和香根草植物篱均表现出一定的水土保持效应,此效应需要约2年时间才开始显现.据2010年和2011年径流小区的水土流失监测数据知,植物篱对泥沙的控制效应优于对径流的控制效应;同坡度时,香根草植物篱对径流泥沙的拦截效应优于新银合欢植物篱;定植时间较长时,植物篱的减流减沙效益较好,尤其表现在固土减沙方面;坡度对径流泥沙的影响显著于植物篱对径流泥沙的影响,但定植植物篱2年,二者对径流泥沙的影响差距缩小.此外,定植植物篱2年,植物篱改变坡耕地微地形的效应开始显现,篱带前出现泥沙淤积带,篱带间农地坡度变缓,篱带下出现土坎,此种现象以15.坡耕地比10.坡耕地、香根草植物篱小区比新银合欢植物篱小区、底行植物篱带处比中行及顶行植物篱带处稍明显.     

不同植被过滤带对农田径流泥沙和氮磷拦截效果与途径

在我国农业面源污染已经成为水环境质量恶化和湖泊富营养化的重要原因,其中氮磷对地表水富营养化的贡献超过了50%。通过浑水冲刷试验,研究了3种禾本科植被过滤带((黑麦草Lolium perenne Linn.)、偃麦草((京草2号)Elytrigia repens(L.)Nevski)、无芒雀麦(Bromus inermis Leyss.)对径流、泥沙以及氮磷的拦截效果,同时分析了3种植被过滤带拦截氮磷的主要途径。结果表明:(1)与裸地相比,3种植被过滤带均能显著提高径流与氮磷的拦截率。3种植被过滤带之间对径流、氮磷拦截率没有显著差异。黑麦草过滤带泥沙流失量显著低于无芒雀麦过滤带;同时径流、泥沙与氮磷拦截率之间存在显著正相关关系,表明植被对径流和泥沙的拦截一定程度上决定对氮磷的拦截量;(2)径流过程中磷的流失量均低于氮的流失量。氮的流失主要以溶解态氮为主,占总氮流失量的90%以上;磷的流失则主要以颗粒态磷为主;(3)植被过滤带拦截氮磷的途径不同,氮主要通过增加土壤入渗的途径来拦截,磷则主要通过植物茎秆基部进行物理拦截;(4)京草2号对氮的拦截效果优于黑麦草和无芒雀麦,而黑麦草则在磷的拦截方面表现突出。因此在植被过滤带的优化设计方面可以考虑黑麦草与京草2号2者混播以达到最佳的拦截吸附效果。     

黄土丘陵区缓坡地不同土地利用方式的产流效应

探讨缓坡土地利用方式与水土流失之间的作用机制,对于黄土丘陵沟壑区水土流失治理具有积极意义。利用中国科学院安塞水土保持综合试验站2009—2011年间小区定位监测数据,探讨缓坡谷子地(F)、柳枝稷地(S)、撂荒地(A)、2/3谷子-1/3柳枝稷地(FS)、2/3谷子-1/3撂荒地(FA)5种土地利用方式的产流效应,结果表明:1)缓坡谷子地(F)的径流量最大,受短历时高强度降雨影响显著;2)7月是产生径流的敏感时期;3)土地利用方式S、A、FS、FA与F相比,具有不同程度的减流效应,减流效应大小顺序为A>S>FA>FS;4)植被覆盖度的增加对减少缓坡产流量起到积极作用,但当降雨量、降雨强度较大时,植被覆盖削减径流的作用会被减弱。     

黄土坡面径流能耗与土壤剥蚀率影响因子

为研究黄土坡面径流能耗与土壤剥蚀率的影响因子,采用人工径流冲刷的方法,研究黄土坡面小区在不同出流量、不同坡度下的土壤侵蚀量、径流能耗和土壤剥蚀率。结果表明：20°坡面径流小区土壤侵蚀量随出流量的增加而增加,1.0 L/min出流量时的稳定土壤侵蚀量是5.0和7.5 L/min出流量时的1%左右,而3.0 L/min出流量时的稳定土壤侵蚀量是二者的20%左右;相同出流量时,10°坡面径流小区的稳定土壤侵蚀量只有20°、30°坡面的1/10;不同出流量时坡面径流能耗相差很大,1.0 L/min出流量时黄土坡面的径流能耗为16.6 J/min,约是3.0 L/min出流量时坡面径流能耗的1/3,是5.0 L/min出流量时的1/5,是7.5 L/min出流量时的1/8;相同条件下,20°与30°坡面的径流能耗基本相差不大,都约比10°坡面径流能耗小0.3 J/min;5.0和7.5 L/min出流量时的土壤剥蚀率比较接近,是3.0 L/min出流量时稳定剥蚀率的2.5倍,是1.0 L/min时的50倍左右;20°和30°坡面的土壤剥蚀率比较接近,是10°坡面稳定剥蚀率的40倍。研究成果可为黄土高原治理提供技术依据及数据支撑。     

华南地区草被过滤带对菜地径流、泥沙和磷阻控效果及影响因素

通过人工模拟降雨试验,定量研究了香根草草本植被过滤带对径流、泥沙、以及全磷和溶解性磷的拦截效果。结果表明:在不同的雨强(210,120 mm/h)和不同坡度下(2°,5°),香根草过滤带能够有效拦截径流、泥沙、磷,拦截率分别可达到12.18%～43.11%,16.00%～70.38%,27.53%～49.35%。与120 mm/h雨强相比,210 mm/h雨强下,2种坡度下香根草过滤带小区内,径流、泥沙流失量都呈现出减少趋势,并均达到显著水平(p0.05)。在210 mm/h雨强下,与裸坡对照相比,不同坡度处理下香根草过滤带全磷、颗粒态磷流失量都呈现出减少趋势,且二者减少程度达到显著水平,不同坡度间的流失量,存在显著差异。在不同的宽度下,香根草表现出不同的拦截效率,当宽度达到2 m时,拦截效率显著,总体上随着宽度的增加而增加。利用最优尺度回归法,对不同处理间的水文条件、坡度、带宽等影响因素进行了分析,可以发现影响植被过滤带拦截效率的主要因素包括带宽、坡度、雨强,各因子对径流、泥沙、磷流失量贡献大小分别为雨强带宽坡度,这表明华南地区降雨是径流、泥沙、磷流失的主要控制因子,同时,带宽对径流、泥沙、全磷的流失量也可以起到一定的积极作用。     

2种扰动土壤工程堆积体坡面泥沙运移特征比对研究

为探究不同土壤类型对工程堆积体坡面侵蚀泥沙搬运的影响,选取构筑堆积体的2种扰动土壤,设定4个放水梯度(8,12,16,20 L/min)在32°条件下进行野外冲刷试验。结果表明:2种坡面产流产沙率均随冲刷延时呈"多峰多谷"变化;较扰动风沙土堆积体,扰动红壤堆积体产流产沙率均随流量增加上升速率较缓;流量20 L/min时,重力在扰动风沙土堆积体坡面侵蚀中发挥主导作用;各放水梯度下2种堆积体坡面累积产沙量与累积径流量均呈极显著线性关系(P0.01,R~20.99);随流量增大,搬运泥沙颗粒组成均接近原状土,扰动风沙土坡面径流搬运泥沙颗粒以砂粒为主( 60%),扰动红壤坡面径流搬运泥沙颗粒各组分比例相对均匀(各组分含量为24%～41%)。该研究结果可为不同土壤类型堆积体坡面水土流失防控措施科学配置提供理论依据。     

东北黑土区不同垄作坡面产流产沙过程

起垄种植是东北黑土区普遍的耕作模式,不同垄作坡面产流产沙规律尚不明晰、亟需研究。为此,基于野外放水冲刷试验,设计3个冲刷流量(30 L/min,60 L/min,90 L/min)和4种处理坡面(横坡垄作、斜坡垄作、无垄作、顺坡垄作),探究东北黑土区不同垄作坡面的土壤侵蚀差异。结果表明:(1)3种冲刷流量产流率和含沙量均随垄作措施改变呈持续波动趋势,但受冲刷流量影响二者变化规律不同。(2)4种垄作措施状况下,产流时间与冲刷流量均不相关,含沙量与产流时间均呈负相关; 其他试验条件下,因冲刷流量和垄作措施的差异出现不同相关性。(3)30 L/min,60 L/min两种冲刷流量下,侵蚀强弱表现为:顺坡垄作>无垄作>斜坡垄作>横坡垄作。冲刷流量90 L/min时,侵蚀规律变为:横坡垄作>顺坡垄作>斜坡垄作>无垄作,且横坡垄作与斜坡垄作的累积产沙量较30 L/min冲刷流量比分别增加了12.78倍和10.11倍。综上,小流量冲刷条件下横垄和斜垄可有效控制径流和水土流失,当冲刷强度增大后二者发生断垄恰是径流和泥沙发生变异的最主要因素。     

不同草本植被过滤带对径流中氮磷的生态阻控效果

为明确在不同条件下植被过滤带对地表径流氮、磷的阻控规律,分别构建百慕大、马尼拉、高羊茅、玉龙草等4种植被过滤带和裸地对照组过滤带,通过模拟3种污染物浓度和3种水力负荷强度的径流,探讨不同草本植被过滤带对表流和渗流中的氮、磷的阻控效果。结果表明,与对照组相比,植被过滤带显著提高土壤系统对径流以及来水中的氮、磷等污染物的拦截能力,在3种水力负荷强度下,百慕大、马尼拉、高羊茅、玉龙草和裸地对照组的平均径流拦截率分别为56.10%,54.28%,63.16%,60.53%和39.10%,4种植被的径流拦截率均显著高于对照组(p＜0.05);4种植被覆盖均显著降低表渗流量比,提高土壤的入渗能力;水力负荷强度的提高降低植被过滤带对NH₄⁺—N和TP的去除效率,但植被过滤带去除率降低的幅度小于对照组;在一定范围内,渗流中TN、NO₃^-—N和TP的去除率随着来水中氮、磷浓度增加而提高;在一定的水力负荷下,根冠比越低的植被削减径流的能力越强。     

放水冲刷对红壤坡面侵蚀过程及溶质迁移特征的影响研究

坡面薄层水流侵蚀不仅造成土壤养分流失,土壤质量恶化,同时对水体污染等环境问题造成一定影响。为了分析上方来水流量对红壤坡面径流侵蚀过程中泥沙的迁移规律及土壤溶质运移特征的影响,本试验利用室内放水冲刷试验,采用3个不同上方来水流量（10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1）对第四纪黏土发育红壤坡面径流侵蚀过程中坡面径流泥沙和径流中非吸附性离子（Br-）迁移过程进行了研究。结果表明：不同上方来水条件下,放水初期产流量迅速增大,后期趋于稳定,累积径流量与产流时间成显著的线性关系,10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1三种上方来水流量下累积径流量分别为263.2 L、295.1 L、291.04 L;上方来水流量越大,薄层径流冲刷作用越强烈,径流含沙量随时间变化波动越剧烈,累积泥沙量随产流时间呈幂函数变化,15 L min-1、20 L min-1流量下累积泥沙量分别为10 L min-1流量下累积泥沙量的1.42倍、4.25倍;径流Br-浓度随产流时间呈幂函数衰减,反映了土壤溶质随径流迁移量变化主要受水流与土壤接触时间和作用程度的影响。研究表明放水冲刷对土壤侵蚀及溶质运移有重要作用,试验结果对有效预测与控制红壤坡面侵蚀及养分流失具有重要实际意义。