河岸缓冲带宽度确定方法研究综述

河岸缓冲带宽度确定方法研究综述侯利萍1,2，何萍1,3*，钱金平2，贾俊艳1,2，徐杰1,3(1.中国环境科学研究院，北京100012；2.河北师范大学资源与环境科学学院,河北石家庄050024；3.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京100012)摘要：河岸缓冲带的滞缓径流、沉降泥沙和控制面源污染等功能存在着明显的宽度效应。在简述国外河岸缓冲带政策和管理的基础上，重点综述了基于复杂数学模型、简单数学模型的河岸缓冲带宽度确定方法和其他确定方法，介绍了这些方法的原理和参数，评述了它们的优缺点；对中国河岸缓冲带的研究方向进行了展望，以期为中国河流滨岸带生态系统管理、缓冲带规划和建设提供参考和借鉴。关键词：河岸缓冲带；宽度；确定方法中图分类号：X52文献标识码：A文章编号：1672-5948(2012)04-500-07收稿日期：2012-04-25；修订日期：2012-11-16基金项目：环保公益性行业科研专项项目(201209027)资助。作者简介：侯利萍(1985-)，女，河北省邢台人，硕士研究生，主要从事水生态、环境影响评价与规划方面的研究。E-mail：[e-mail]*通讯作者：何萍，研究员。E-mail：[e-mail]河岸缓冲带是一种典型的水陆交错带，是河流与陆地生态系统的连接带和过渡区，具有保持物种多样性、调节河流微气候、提供生物栖息地、稳定河岸、连接廊道、提供景观观赏资源、净化水体和涵养水源等生态功能，具有独特的生物化学循环特征和生态水文功能。20世纪80年代，环境学家发现，流域的水质与农田边缘地表水和地下水的水质相差较大[1,2]。基于这个发现，美国和加拿大学者迅速展开了河岸缓冲带的相关研究，欧洲一些国家也开展了河岸缓冲带的研究[3]。1997年，美国农业部国家资源保护局(NaturalResourc-esConservationService，NRCS)提出了国家保护性缓冲带动议(NationalConservationBufferInitia-tive)，采取国家收购、租用土地、经济补偿和技术援助等方式，实现到2002年恢复320×104km河岸缓冲带的目标[4,5]。此动议再次吸引了相关领域学者对河岸缓冲带的关注。河岸缓冲带是保护河流水质的一道天然屏障，也是流域保护的一项重要措施[6]。在美国，作为治理面源污染物进入河流之前的最佳管理措施(BMPs)得到了广泛应用。它通过渗透、过滤、吸收、滞留和沉积等作用能有效地截留地表和地下径流中的沉积物和污染物，发挥净化水体的作用。河岸缓冲带对水体的净化效率与其宽度密切相关，宽度越宽，截留污染物和沉积物的效率越高。国外对河岸缓冲带的宽度效应以及应用于规划管理的案例已有大量的研究。国内对河岸缓冲带的研究还主要停留在对其概念、宽度、功能和管理等方面的定性描述和综述上[7~11]，针对不同滨岸带进行滨岸缓冲带规划和重建的实际应用宽度主要采用的是经验值[12]，定量研究甚少，仅罗坤[13]应用Phillips的水文模型与时间模型对崇明岛南、北横引河缓冲带进行了定量规划。本文综述了河岸缓冲带宽度的确定方法，以期为中国河流滨岸带生态系统管理和缓冲带的宽度确定研究提供参考和借鉴。1河岸缓冲带宽度确定方法河岸缓冲带宽度确定方法可以大致分为：基于复杂数学模型的宽度确定方法、基于简单数学模型的宽度确定方法和其他确定方法。基于复杂数学模型的宽度确定方法，通过模拟河岸缓冲带的物理过程确定其宽度，基于简单数学模型的宽度确定方法根据各自考虑的参数列出了不同第10卷第4期湿地科学Vol.10No.42012年12月WETLANDSCIENCEDec.2012的河岸缓冲带宽度计算公式，其他确定方法根据不同的应用目的和应用对象确定河岸缓冲带的宽度。1.1基于复杂数学模型的河岸缓冲带宽度确定方法河岸缓冲带研究中较成熟、应用较广的REMM模型(RiparianEcosystemManagementModel)[14]、CREAMS模型(TheChemicals，Runoff，andErosionfromAgriculturalManagementSys-tems)[15]和VFSMOD模型(TheVegetativeFilterStripModel)[16]都是基于物理过程的模拟模型，通过模拟沉积物和污染物沉积与迁移的全过程，得出达到预期沉积物和污染物去除效率的河岸缓冲带宽度，但这3个模型各自具有不同的优缺点和适用范围(表1)。表1基于复杂数学模型的河岸缓冲带宽度确定方法Table1Thebufferstrips'widthdeterminationmethodsbasedoncomplexmathematicalmodels模型名称REMM模型CREAMS模型VFSMOD模型优点已经得到检验，可精确预测缓冲带的多种过程采用拼装式程序结构，提高了使用的灵活性；在模型的若干部分可根据资料的好坏选择模拟计算方式已经过校准与测试，在模拟沉积物去除效率方面最先进和全面缺点需要大量数据，没有考虑河流纵向上的连接性和过滤效率的季节变化需要大量数据，各参数之间存在相互影响；其水文模型没有考虑缓冲带引起的流量和峰值的变化需要大量数据，没有考虑泥沙吸附态污染物在河岸缓冲带中的消减情况适用范围自然坡面缓冲径流条件下的河流缓冲带土壤与降雨均匀、土地利用与耕作措施单一的“田块尺度”坡面地表径流中沉积物净化效果的模拟典型案例LowranceR等应用REMM模型模拟了不同植被结构和宽度的缓冲带面源污染去除率[14]WilliamsRD等应用CREAMS模型研究了河岸缓冲带宽度与去除效率的关系[15]Munoz-CarpenaR等在北卡罗莱纳州研究了不同宽度缓冲带的泥沙去除率[16]河岸带生态系统管理模型(REMM)是美国农业部农业研究所开发的针对河岸带管理的模型，是目前河岸缓冲带研究领域中最为详细和真实的计算机模拟模型。REMM模型的运行需要气候数据、田间数据、河岸带与土壤数据和植被数据4类数据，多达160个指标，可以模拟河岸缓冲带的水文特征，碳、氮、磷营养物质的迁移和植被的生长过程，也可以模拟不同缓冲带的宽度、坡度、土壤类型和植被类型对水质的影响[14]。因此，在植被组成类型、坡度大小和土壤类型相对固定的前提下，通过REMM模型的模拟分析，可以找到最佳缓冲带的宽度[17]。LowranceR等利用REMM模型来模拟不同植被结构和宽度的河岸带对面源污染的去除效率，并作出缓冲带宽度与污染物拦截效率的关系图[14]。REMM模型适用于自然坡面缓冲径流条件下的河岸缓冲带，在城市区域或建设有管网的地区应用效果不明显。农田管理系统化合物、径流及侵蚀模型(CREAMS)是美国农业部农业研究所20世纪70年代建立的适用于田块尺度的模拟模型。CREAMS模型包括水文模型、侵蚀模型和化合物转化模型3个模块，水文模型可根据降雨量计算径流量，侵蚀模型根据水文模型的输出结果以及降雨量的大小、土壤可蚀性等计算侵蚀量，化合物模型根据水文模型和侵蚀模型的输出结果以及化合物的特性估算化合物流失量。CREAMS模型可依据降雨、土壤和植被特性应用水文、侵蚀和化合物转化3个模块模拟田块径流、侵蚀和农用化合物流失过程，评价不同耕作措施对面源污染负荷的影响，确定河岸缓冲带宽度与沉积物、污染物去除率的关系。WilliamsRD使用了CREAMS模型,研究了河岸缓冲带宽度与去除效率的关系[15]。Flana-ganDC等基于CREAMS模型导出了颗粒沉淀方程，计算出了水流输移能力和泥沙负荷突变时的距离，可以计算达到预期泥沙去除率的河岸缓冲带最小宽度[18,19]。CREAMS模型只适用于土壤与降雨均匀、土地利用与耕作措施单一的“田块尺度”[20]，不能在大尺度范围有效应用。植被过滤带模型(VFSMOD)是美国Florida大学于1999年开发的计算河岸缓冲带对坡面地3期侯利萍等：河岸缓冲带宽度确定方法研究综述501表径流中泥沙净化效果的数学模型，包括水文子模型和泥沙输移子模型。输入进入河岸缓冲带的流量和泥沙过程值，VFSMOD模型能够计算缓冲带的出流水量、下渗水量和泥沙截留效果[21]。Munoz-CarpenaR等在北卡罗莱纳州皮埃蒙特地区对VFSMOD模型进行了校准和测试，并对不同宽度缓冲带的泥沙过滤效果进行了模拟研究[16]。VFSMOD模型仅能模拟缓冲带的水量和泥沙，不能模拟泥沙吸附态污染物消减情况。1.2基于简单数学模型的河岸缓冲带宽度确定方法Phillips水文模型、Phillips时间模型、Mander模型、Nieswand模型和SWAT模型中的回归方程应用含有不同参数的数学公式来简单定量地确定河岸缓冲带的宽度(表2)。表2基于简单数学模型的河岸缓冲带宽度确定方法Table2Thebufferstrips'widthdeterminationmethodsbasedonthesimplemathematicalmodels模型名称Phillips水文模型Phillips时间模型Mander模型Nieswand模型SWAT模型中的回归方程模型方程Bb/Br=Pb/Pr=(nb/nr)0.6(Lb/Lr)0.4(Kb/Kr)(Sb/Sr)-1.3Bb/Br=Tb/Tr=(nb/nr)0.6(Lb/Lr)2(Kb/Kr)0.4(Sb/Sr)-0.7(Cb/Cr)P=(tqfi1/2)/(mKin)W=k(s1/2)Et=a×Wb×Sc符号注解B是除污效率，P是能量损失情况，n是曼宁系数，L是宽度，K是饱和导水率，S是坡度，b和r分别是目标和参照缓冲带T是滞留时间，C是土壤储水能力，其他符号注解同Phillips水文模型P是宽度，t是转换常数(0.00069)，q是地表流的平均强度，f是河流到流域边界的距离或流域面积与河流段长度比值，i是坡度，m是粗糙度系数，Ki是水的入渗速率，n土壤吸附量W是宽度，k是常数(50ft)，S是百分坡度Et是污染物去除率，a、b、c是在不同植被、宽度和坡度的缓冲带的变化系数，W是缓冲带宽度，S是缓冲带平均坡度模型说明水文模型只考虑河岸缓冲带拦截地表径流中的沉积物和污染物的物理过程，除污效率较低时间模型综合考虑地表径流与地下径流的水文过程，既考虑了拦截、吸附等物理过程，也考虑了土壤微生物对污染物的化学作用，除污效率较高Mander模型中的坡长因子是一个纯粹的经验值，不能说明地表径流和侵蚀过程的变化，因此，Mander模型中引入了特定坡长因子遇到坡度大于15%的坡面和不透水表面需加宽缓冲带宽度该方程需先用现场实测数据校正不同植被、宽度和坡度下回归方程中的变化常数、宽度变化指数和坡度变化指数典型案例罗坤[13]在崇明岛南、北横引河应用Phillips水文模型与时间模型计算了河岸缓冲带的宽度；XiangWeining在北卡罗来纳州的卡贝勒斯县和山岛湖流域把Phillips时间模型整合到GIS框架下进行了缓冲带宽度的研究[22,23]ManderU等在爱沙尼亚河岸缓冲带研究中应用了此公式[24]NieswandGH在美国新泽西州SpruceRun流域应用该方法计算了缓冲带宽度[25]Chia-Ling应用SWAT模型中的回归方程在台湾北部的翡翠水库和石门水库研究了缓冲带的宽度[26,27]PhillipsJD针对固体颗粒状的悬浮态污染物和离子状的溶解污染物的不同去除机理，建立了计算河岸缓冲带宽度的水文模型和时间模型[28,29]。这两个模型的原理都是先设立参考缓冲带，再将现实条件与参考缓冲带进行比较得出规划缓冲带的宽度。Phillips水文模型是针对移除河岸缓冲带内悬浮态污染物的数学模型，是通过河流两侧坡度、饱和导水率、曼宁系数、污染物去除率与能量损失的相关性建立的数学公式，从坡面漫流水文过程中的能量损失来衡量河岸缓冲带的除污效率；Phillips时间模型是针对移除河岸缓冲带内溶解态污染物的数学模型，是通过河流两侧坡度、饱和导水率、土壤储水能力、曼宁系数、污染物去除率与滞留时