基于VFSMOD模型的河岸植被缓冲带划定方法

张静慧, 袁鹏, 刘瑞霞, 孙菲, 李晓洁, 郝润昕, 高红杰. 基于VFSMOD模型的河岸植被缓冲带划定方法[J]. 环境工程学报, 2022, 16(1): 40-46. doi: 10.12030/j.cjee.202103180
引用本文: 张静慧, 袁鹏, 刘瑞霞, 孙菲, 李晓洁, 郝润昕, 高红杰. 基于VFSMOD模型的河岸植被缓冲带划定方法[J]. 环境工程学报, 2022, 16(1): 40-46. doi: 10.12030/j.cjee.202103180
ZHANG Jinghui, YUAN Peng, LIU Ruixia, SUN Fei, LI Xiaojie, HAO Runxin, GAO Hongjie. Demarcation method of riparian vegetation buffer zone based on VFSMOD model[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(1): 40-46. doi: 10.12030/j.cjee.202103180
Citation: ZHANG Jinghui, YUAN Peng, LIU Ruixia, SUN Fei, LI Xiaojie, HAO Runxin, GAO Hongjie. Demarcation method of riparian vegetation buffer zone based on VFSMOD model[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(1): 40-46. doi: 10.12030/j.cjee.202103180

基于VFSMOD模型的河岸植被缓冲带划定方法

    作者简介: 张静慧(1982—),女,博士,高级工程师,jhzhang06@126.com
    通讯作者: 高红杰(1981—),男,博士,研究员,gaohj@craes.org.cn
  • 基金项目:
    生态环境部业务专项(22110302005)
  • 中图分类号: X522

Demarcation method of riparian vegetation buffer zone based on VFSMOD model

    Corresponding author: GAO Hongjie, gaohj@craes.org.cn
  • 摘要: 河岸植被缓冲带的划定是河流生态缓冲带建设和管理的基础。从面源污染阻控角度出发,根据河岸的土地利用类型,将各河流所处河段划分为堤防型河段、城镇型河段、农田型河段、村落型河段和林草型河段。采用植被过滤带模型(VFSMOD),并结合现有生态红线、河湖管理范围、城市蓝线等空间管控要求,提出了各类型缓冲带的划定方法,以期为我国河岸植被缓冲带的划定工作提供参考。
  • 医疗废物是指医疗卫生机构在医疗、预防、保健以及其他相关活动中产生的具有直接或者间接感染性、毒性以及其他危害性的废物[1],主要包括感染性废物、损伤性废物、病理性废物、药物性废物、化学性废物5大类[2]。医疗废物中具有感染特性的部分占比可达80%~90%,消除其感染性危害是医疗废物处置的主要目的。我国规模化、规范化的医疗废物处置工作始于“非典”疫情。2004年,原国家环保总局印发了《全国危险废物和医疗废物处置设施建设规划》[3],以地级市为单位逐步构建了覆盖全国的医疗废物集中处置体系,有力保障了医疗废物的安全处置。然而,现行的医疗废物集中处置体系在运行过程中逐渐暴露出处置能力提升滞后、农村及偏远地区未能覆盖、应急处置功能欠缺、管理制度尚不健全等问题[4-6],且新型冠状病毒肺炎(简称“新冠肺炎”)疫情使得这些问题进一步凸显[7-10]。因此,医疗废物集中处置体系亟需优化升级。

    自2004年以来,医疗废物集中处置体系经历了不断完善的过程,在不同发展阶段对医疗废物无害化处置的要求有所不同(见表1)。2004年印发的《全国危险废物和医疗废物处置设施建设规划》[3]提出,2006年底前医疗废物基本实现安全处置。但实际上,医疗废物集中处置体系2010年才基本建立。2012年发布的《“十二五”危险废物污染防治规划》[11]提出,设市城市医疗废物基本实现无害化处置,该规划的实施推动了城市建成区的医疗废物收集处置体系进一步完善。《“十三五”生态环境保护规划》[12]要求,医疗废物集中处置范围向农村地区延伸,同时要求加强医疗废物规范化管理;《关于提升危险废物环境监管能力、利用处置能力和环境风险防范能力的指导意见》[13]提出,每个县(市)都须建成医疗废物收集转运处置体系;“十三五”期间,农村医疗废物的无害化处置得到越来越多的关注。新冠肺炎疫情发生后,医疗废物集中处置工作得到了大力推进,疫情期间印发的《医疗机构废弃物综合治理工作方案》[14]《医疗废物集中处置设施能力建设实施方案》[15]等文件进一步明确了“十四五”期间医疗废物治理的目标。基于上述原因,我国医疗废物集中处置体系必将迎来新一轮提升。

    表 1  不同时期相关管理文件对医疗废物无害化处置的要求
    Table 1.  Requirements of relevant management documents in different periods for the harmless disposal of medical waste
    文件名称发布时间具体要求
    《全国危险废物和医疗废物处置设施建设规划》[3]2004年1月新增医疗废物集中处置设施300个,新增医疗废物日处置能力2080 t,到2006年,全国医疗废物基本实现安全处置。
    《“十二五”危险废物污染防治规划》[11]2012年10月设市城市(包括县级市、地级市和直辖市)医疗废物基本实现无害化处置。
    《“十三五”生态环境保护规划》[12]2016年12月因地制宜推进农村、乡镇和偏远地区医疗废物安全处置,提高医疗废物的规范化管理水平。
    《关于提升危险废物环境监管能力、利用处置能力和环境风险防范能力的指导意见》[13](环固体〔2019〕92号)2019年10月2020年年底前设区市的医疗废物处置能力满足本地区实际需求;2022年6月底前各县(市)具有较为完善的医疗废物收集转运处置体系。
    《关于印发医疗机构废弃物综合治理工作方案的通知》[14](国卫医发〔2020〕3号)2020年2月2020年底前实现每个地级以上城市至少建成1个符合运行要求的医疗废物集中处置设施;2022年6月底前,每个县(市)都建成医疗废物收集转运处置体系。
    《关于印发<医疗废物集中处置设施能力建设实施方案>的通知》[15](发改环资〔2020〕696号)2020年4月争取1~2年内尽快实现大城市、特大城市具备充足应急处理能力;每个地级以上城市至少建成1个符合运行要求的医疗废物集中处置设施;每个县(市)都建成医疗废物收集转运处置体系,实现县级以上医疗废物全收集、全处理,并逐步覆盖到建制镇,争取农村地区医疗废物得到规范处置。
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    近年来,我国医疗废物的产生量呈线性增加趋势(见图1),从2014年的68.7×104 t增长到2018年的98.0×104 t,年均增长率达到9.3%。其中,上海、北京、广州、杭州、武汉等超大、特大城市增长尤为显著[7]。由于人口及医疗资源主要集中在大城市,故其医疗废物处置需求也更为迫切。根据《关于调整城市规模划分标准的通知》[16],按城区常住人口数量将城市划分为5类7档(见表2)。2018年,28个超大城市、特大城市、Ⅰ型大城市共产生的医疗废物分别占全国医疗废物产生总量的17.9%、15.5%、15.3%;每百万人口医疗废物产生强度范围依次为3~9、4~10、5~10 t·d−1。按照现有趋势,常态下2025年全国医疗废物产生量将达到150×104 t,约为2018年产生量的1.5倍。

    图 1  2014~2018年医疗废物产生量变化情况
    Figure 1.  Changes for medical waste generated from 2014 to 2018
    表 2  城市规模划分标准[16]
    Table 2.  Classification standards of city[16]
    城市类型城区常住人口数量
    超大城市1 000万以上
    特大城市500~1 000万
    大城市Ⅰ型大城市:300~500万
    Ⅱ型大城市:100~300万
    中等城市50~100万
    小城市Ⅰ型小城市:20~50万
    Ⅱ型小城市:20 万以下
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    全国医疗废物集中处置设施数量和处置能力近年来不断提升[17](见图2)。2018年,全国医疗废物集中处置设施核准经营规模达到129×104 t·a−1,医疗废物处置设施的整体负荷率为76.0%,全国共有407个医废集中处置设施。其中,128个为焚烧设施,255个为高温蒸汽、微波消毒、化学消毒、高温干热等消毒处理设施,24个为危险废物处置设施协同处置医疗废物。超大城市、特大城市、Ⅰ型大城市医疗废物处置能力分别占全国医疗废物处置能力的10.2%、14.0%、13.3%,共计37.5%,较这几类城市医疗废物产生量的占比低11.2%。全国集中处置设施单体处置能力普遍较小,焚烧设施中规模小于10 t·d−1的设施数量占比为61%。焚烧和高温蒸汽为主要医疗废物处理处置技术[18-19],2018年焚烧设施处置医疗废物58.8×104 t,占处置总量的60%;高温蒸汽处理医疗废物33.2×104 t,占处置总量的33.9%。医疗废物产生量较大的城市主要采取焚烧技术,超大城市中仅有重庆、特大城市中仅有杭州采用非焚烧处理技术。

    图 2  2013—2018年医疗废物处置设施数量
    Figure 2.  Number of medical waste disposal facilities in 2013—2018

    为推动《全国危险废物和医疗废物处置设施建设规划》[3]的实施,2003-2006年接连出台了一系列医疗废物相关法规标准,在一段时期内较好地规范了医疗废物集中处置活动。进入“十三五”时期,相关部委系统推进了医疗废物管理体系的完善工作,开展了多项医疗废物相关标准的修订。新增并完善了《国家危险废物名录》豁免管理清单[20-21],涉及多项医疗废物管理内容;2020年12月发布了《医疗废物处理处置污染控制标准》[22](GB 39707-2020);尤其是在新冠肺炎疫情爆发的促动下,2020年4月29日全国人大审议通过的《固体废物污染环境防治法(2020年修订)》[23]进一步明确了医疗废物处置责任,医疗废物制度框架已基本成型(见表3)。同时,《生活垃圾填埋污染控制标准》[24](GB 16889-2008)、《生活垃圾焚烧污染控制标准》[25](GB 18485-2014)等标准中明确了感染性医疗废物按照高温蒸汽、微波消毒、化学消毒等集中处理工程技术规范要求消毒处理后,可以直接进入生活垃圾焚烧炉及填埋场进行处置,在医疗废物集中处置管理上形成了较好的衔接机制。

    表 3  医疗废物集中处置相关法规标准
    Table 3.  Relevant regulations and standards for the centralized disposal of medical waste
    名称类别状态
    《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》[23]法律2020年第二次修订
    《医疗废物管理条例》[1](中华人民共和国国务院令第588号)法规
    《国家危险废物名录》[21](2021版)法规2020年11月印发
    《医疗废物分类目录》[2](卫医发〔2003〕287号)法规正在修订,已发布征求意见稿
    《医疗废物处理处置污染控制标准》[22](GB 39707-2020)标准2020年12月印发
    《医疗废物集中处置技术规范(试行)》[26](环发〔2003〕206号)技术规范正在修订
    《医疗废物集中焚烧处置工程建设技术规范》[27](HJ/T 177-2005)技术规范正在修订
    《医疗废物高温蒸汽集中处理工程技术规范(试行)》[28](HJ/T 276-2006)技术规范正在修订,已发布征求意见稿
    《医疗废物微波消毒集中处理工程技术规范(试行)》[29](HJ/T 229-2006)技术规范正在修订,已发布征求意见稿
    《医疗废物化学消毒集中处理工程技术规范(试行)》[30](HJ/T 228-2006)技术规范正在修订,已发布征求意见稿
    《医疗废物集中焚烧处置设施运行监督管理技术规范(试行)》[31](HJ 516-2009)技术规范
    《医疗废物消毒处理设施运行管理技术规范》技术规范正在制定
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    1)部分城市的医疗废物集中处置能力建设滞后。相对医疗废物产生量的快速增加,部分城市集中处置能力的提升较为迟缓。截至2018年,全国仍有6个地级市尚未建成医疗废物集中处置设施,超过1/3城市的医疗废物集中处置设施的负荷率高于90%,1/5城市的医疗废物集中处置设施处于满负荷或超负荷运行状态[6]。医疗废物集中处置能力不足的情况在大型城市尤为突出,28个超大城市、特大城市、Ⅰ型大城市医疗废物集中处置设施的负荷率高达98.4%。其中,13个城市的医疗废物集中处置设施处于超负荷运行状态,22个城市的医疗废物集中处置设施负荷率高于90%。此外,我国医疗废物处置设施运营管理水平整体不高[32],部分《全国危险废物和医疗废物处置设施建设规划》[3]规划建设的项目运行时间超过10年;规模小于10 t·d−1的小型焚烧设施的烟气难以实现达标排放,亟需进行升级改造。

    2)部分农村及偏远地区的医疗废物未妥善处置。我国的医疗废物集中处置体系基本覆盖了城市建成区及大部分东部农村区域,中西部农村及偏远地区的医疗废物由于产生源分散、产生量小、运输距离远、交通不便等原因,尚未纳入医疗废物集中处置体系。这些集中处置体系尚未覆盖的地区通常采用简易消毒、简易焚烧等方式就地处置医疗废物[3],因而对人群健康和生态环境造成了较大的风险。另有部分偏远地区已建成医疗废物集中处置设施,但因未能匹配当地地区人口及医疗资源分布,故并未较好地发挥效用。例如,青海、西藏等省份的处置设施负荷率极低,分别为17.2%、27.7%;青海省果洛州、海西州、玉树州等地的设施负荷率甚至低于10%;西藏的多个处置设施建成后长期未能投入运营。

    3)应急处置能力未纳入集中处置体系统筹考虑。应急处置是医疗废物集中处置体系不可或缺的组成部分,尤其大城市的人口密度较大、流动频繁,一旦疫情发生,蔓延的规模和速度都较为可观,极易引发医疗废物产生量的快速攀升。新冠肺炎疫情最为严重的武汉市,疫情高峰时期医疗废物的日产生量达到常态下的5~6倍[33]。然而,我国的医疗废物集中处置体系虽因“非典”疫情而建,但直至新冠肺炎疫情发生之前并未经历大规模疫情冲击。在现行相关指导文件中,医疗废物集中处置设施规模的设定主要依据服务区域常态下的医疗废物产生情况,并未对突发疫情状况下医疗废物处置的应急能力储备、应急物资储备等进行系统设计,这导致新冠疫情爆发之后,部分城市无法快速响应医疗废物应急处置,从而造成医疗废物在一段时间内无法得到及时处置[34]

    4)现行管理制度不适应集中处置体系的运行实际需求。一是医疗废物集中处置的污染控制缺乏针对性标准。医疗废物的主要危险特性为感染性,与工业危险废物的危险特性差异较大,然而长期以来医疗废物贮存、处置等环节的污染控制主要执行《危险废物贮存污染控制标准》[35](GB 18597-2001)、《危险废物焚烧污染控制标准》[36](GB 18484-2001)等工业危险废物相关标准;与此同时,医疗废物中占比较少的药物性、化学性废物的危险特性为化学毒性,与感染性废物的管理也未明确区分。二是《医疗废物管理条例》[1]《医疗废物分类目录》[2]等法规沿用多年,部分要求缺乏可操作性。如《医疗废物管理条例》[1]规定,医疗废物暂时贮存的时间不得超过2 d,而实际中,大多农村和偏远地区医疗废物产生量小、收运距离远,集中处置企业的收集频次很难达到上述时限要求。三是制度体系的相关要求未能衔接一致,如《医疗废物高温蒸汽集中处理工程技术规范(试行)》[28](HJ/T 276-2006)规定,高温蒸汽技术的适用对象不包括病理性废物,而《医疗废物微波消毒集中处理工程技术规范(试行)》[29](HJ/T 229-2006)、《医疗废物化学消毒集中处理工程技术规范(试行)》[30](HJ/T 228-2005)规定微波消毒、化学消毒技术的适用对象包括部分不可辨识的病理性废物。从技术角度而言,非焚烧技术适宜处理的医疗废物种类相同,这个貌似细小的差异导致全国220多家高温蒸汽集中处理设施在实际操作中存在诸多不便。

    1)有序增强城市医疗废物集中处置能力水平。地方政府应综合考虑经济、人口、交通、医疗卫生等状况对医疗废物收集处置量的影响,全面评估现有设施医疗废物处置能力,以近3 a医疗废物集中处置设施运行负荷率高于50%的城市为重点,有序推进医疗废物集中处置能力建设。各个城市可依据地区医疗废物集中处置设施布局和能力情况,统筹规划布局县(市)医疗废物集中处置设施。以处理规模小于10 t·d−1且运行时间大于10 a的焚烧设施为重点,开展医疗废物集中处置设施运行情况评估,对难以稳定达标排放的焚烧设施开展技术升级改造或采用非焚烧替代技术。协同推进医疗废物和生活垃圾处置能力建设工作,新建、改建医疗废物集中处置设施宜与危险废物焚烧设施、生活垃圾处置设施合并或毗邻建设。各地应基于医疗废物集中处置设施所采用的技术路线,明确不同类别医疗废物的收集方式及处置去向,确保各类医疗废物得到规范收集、处置。

    2)重点推进农村及偏远地区医疗废物收集处置。距离集中处置设施路程较近的农村及偏远地区,可纳入集中处置范围,医疗废物经“小箱进大箱”逐级收集后集中处置[37]。医疗废物产生量在5 t·d−1以上或距离集中处置设施100 km以上的县(市),可考虑以县为单位布局集中处置设施、贮存设施,或采用移动式处置设施进行就地处理,并鼓励相邻县(市)共建共享医疗废物集中处置设施。农村及偏远地区的医疗废物集中处置设施宜依托县级医疗机构建设,采用成熟稳定的非焚烧技术及易于操控的小型设备,医疗废物经消毒、毁形处理后送至生活垃圾处置设施处置或在指定地点掩埋。医疗废物贮存设施宜依托各县级医院及乡镇卫生院建设,应具备冷藏功能,并能够进行消毒操作。贮存的医疗废物应在《医疗废物处理处置污染控制标准》[22]规定的时间限制内送至集中处置设施进行处置,或者由移动式设施进行就地处置。确实难以实现集中处置医疗废物的偏远地区,如海岛区域,可由医疗机构自行就地处置其产生的医疗废物[6,38]

    3)加快构建集中处置体系应急响应能力。以城区常住人口300万以上的超大城市、特大城市、Ⅰ型大城市为重点,提升医疗废物集中处置体系的应急响应能力。一方面,常态下集中处置设施的运行负荷不宜高于75%,集中处置设施可通过配置备用生产线、备用设备等方式,保有一定的应急能力储备;另一方面,可将危险废物焚烧、生活垃圾焚烧、水泥窑等协同处置设施纳入医疗废物集中处置体系应急能力的组成部分[7,39-41]。地方政府可根据自身状况确定集中处置体系应急能力配置的形式,确保每百万人口的应急处置能力不低于10 t·d−1。省级或区域层面应建立健全疫情期间医疗废物处置的应急调度机制,依托医疗废物集中处置设施,形成医疗废物应急处置的物资储备和专业队伍储备[42]

    4)不断完善医疗废物集中处置管理制度。在国家层面,应从不同类型医疗废物的风险防控要求出发,结合农村及偏远地区的医疗废物收集处置需求,健全医疗废物集中处置管理制度。启动《医疗废物管理条例》[1]修订工作,加快《医疗废物分类目录》[2]修订工作,动态更新《国家危险废物名录》[21];加快焚烧、高温蒸汽、微波消毒、化学消毒等集中处置工程技术规范的修订工作;尽快研究出台移动式及小型医疗废物处置设施的工程技术规范。同时,确保医疗废物管理制度相关要求之间的协调统一,以及与生活垃圾处置、危险废物处置污染控制相关要求的过渡衔接。

  • 图 1  植被缓冲带的划定技术流程

    Figure 1.  Technical process of demarcation of vegetation buffer zone

    图 2  坡度为1%、3.5%、9%、30%时农田型河段的模型模拟结果

    Figure 2.  Model simulation results of farmland river reach with slope of 1%, 3.5%, 9% and 30%

    图 3  坡度为1%、3.5%、9%、30%时村落型河段的模型模拟结果

    Figure 3.  The model simulation results of village-type river reach with slope of 1%, 3.5%, 9% and 30%

    图 4  坡度为1%、3.5%、9%、30%时林草型河段的模型模拟结果

    Figure 4.  The model simulation results of forest-grass river reach with slope of 1%, 3.5%, 9% and 30%

    表 1  不同径流拦截率目标下农田型河段植被缓冲带最小宽度的推荐值

    Table 1.  Recommended minimum buffer width of cropland reach

    坡度/%植被缓冲带最小宽度/m
    径流拦截率40%径流拦截率50%径流拦截率60%径流拦截率70%径流拦截率80%
    12535456075
    3.530405575105
    930406080120
    30355080125
    坡度/%植被缓冲带最小宽度/m
    径流拦截率40%径流拦截率50%径流拦截率60%径流拦截率70%径流拦截率80%
    12535456075
    3.530405575105
    930406080120
    30355080125
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    表 2  不同径流拦截率目标下村落型河段植被缓冲带最小宽度的推荐值

    Table 2.  Recommended minimum buffer width of village reach

    坡度/%植被缓冲带最小宽度/m
    径流拦截率40%径流拦截率50%径流拦截率60%径流拦截率70%径流拦截率80%
    11015202535
    3.51520253545
    91520304060
    301520304070
    坡度/%植被缓冲带最小宽度/m
    径流拦截率40%径流拦截率50%径流拦截率60%径流拦截率70%径流拦截率80%
    11015202535
    3.51520253545
    91520304060
    301520304070
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-26
  • 录用日期:  2021-07-07
  • 刊出日期:  2022-01-10
张静慧, 袁鹏, 刘瑞霞, 孙菲, 李晓洁, 郝润昕, 高红杰. 基于VFSMOD模型的河岸植被缓冲带划定方法[J]. 环境工程学报, 2022, 16(1): 40-46. doi: 10.12030/j.cjee.202103180
引用本文: 张静慧, 袁鹏, 刘瑞霞, 孙菲, 李晓洁, 郝润昕, 高红杰. 基于VFSMOD模型的河岸植被缓冲带划定方法[J]. 环境工程学报, 2022, 16(1): 40-46. doi: 10.12030/j.cjee.202103180
ZHANG Jinghui, YUAN Peng, LIU Ruixia, SUN Fei, LI Xiaojie, HAO Runxin, GAO Hongjie. Demarcation method of riparian vegetation buffer zone based on VFSMOD model[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(1): 40-46. doi: 10.12030/j.cjee.202103180
Citation: ZHANG Jinghui, YUAN Peng, LIU Ruixia, SUN Fei, LI Xiaojie, HAO Runxin, GAO Hongjie. Demarcation method of riparian vegetation buffer zone based on VFSMOD model[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2022, 16(1): 40-46. doi: 10.12030/j.cjee.202103180

基于VFSMOD模型的河岸植被缓冲带划定方法

    通讯作者: 高红杰(1981—),男,博士,研究员,gaohj@craes.org.cn
    作者简介: 张静慧(1982—),女,博士,高级工程师,jhzhang06@126.com
  • 1. 中国环境科学研究院,北京 100012
  • 2. 北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044
基金项目:
生态环境部业务专项(22110302005)

摘要: 河岸植被缓冲带的划定是河流生态缓冲带建设和管理的基础。从面源污染阻控角度出发,根据河岸的土地利用类型,将各河流所处河段划分为堤防型河段、城镇型河段、农田型河段、村落型河段和林草型河段。采用植被过滤带模型(VFSMOD),并结合现有生态红线、河湖管理范围、城市蓝线等空间管控要求,提出了各类型缓冲带的划定方法,以期为我国河岸植被缓冲带的划定工作提供参考。

English Abstract

  • 河流生态缓冲带(后简称“缓冲带”)是河流生态系统的重要组成部分。河岸植被缓冲带(后简称“植被缓冲带”)范围划定是其建设和管理的基础。国内外学者已从不同角度提出了多种植被缓冲带的宽度划定方法。经验值法(固定宽度法)是较早界定植被缓冲带宽度的方法。以保护水质为目的,DOSSKEY等[1]采用经验值法为美国某小尺度河流划定了宽度为9~35 m的植被缓冲带。数学模型法是最常使用的植被缓冲带宽度划定方法,包括单因子、多因子回归模型法、基于GIS的数学模型法,以及河岸生态系统管理模型(riparian ecosystem management model, REMM)、农田管理系统化合物径流及侵蚀模型(the chemicals,runoff,and erosion from agricultural management systems, CREAMS)、植被过滤带模型(the vegetative filter strip model, VFSMOD)等为复杂机理模型法[2-8]。2008年,美国农业部发布了《保护缓冲带:缓冲带、廊道和绿色通道设计指南》,根据不同区域的各参数特征,应用植被过滤带模型(vegetative filter strips model,VFSMOD)估算了植被缓冲带所需要的宽度,并提供了基于不同功能考虑的植被缓冲带建议宽度[9]。由于各项管理规定的差异,国外的植被缓冲带宽度划定方法不宜直接在我国应用。

    国内学者亦开展了植被缓冲带划定方面的研究。左俊杰[10]以滴水湖汇水区为例,定量模拟了汇水区的面源污染负荷、汇流路径,并确定了植被缓冲带的空间格局、宽度、植被种类和数量组成;夏继红等[11]根据河岸带结构特征,分析了河岸带水文、水动力、生态及溶质迁移等主要动态过程,提出了河岸带最小、最大和最优的不同宽度要求。2016年,国家林业局发布了《华北地区河溪植被缓冲带建设技术规程》(LY/T 2639-2016),其中考虑了河溪规模、土壤渗透能力、径流控制带是否与其他林带发挥协同防护作用,并直接给出了多种情况下的无干扰林带、人工乔灌林带和径流控制带3类植被缓冲区的建议宽度范围[12]。上述植被缓冲带宽度划定方法各有优缺点及适用范围。经验值法和简单数学模型法所需流域的基础资料少,但不同区域应用的普适性较差,准确度欠佳。复杂机理模型法以及基于GIS的数学模型准确度较好,但所需数据资料较多,且仅依据模型计算结果划定缓冲带宽度,往往在缓冲带划定的实践中无法落地实施[13-14]

    2017年1月,中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《省级空间规划试点方案》指出,以主体功能区规划为基础,全面摸清并分析国土空间本地条件,划定城镇、农业、生态空间以及生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界。2006年3月,住建部发布《城市蓝线管理办法》(建设部令第145号),明确城市蓝线是指城市规划确定的江、河、湖、库、渠和湿地等城市地表水体保护和控制的地域界线。这些都为我国河流缓冲带的划定提供了政策依据。

    本研究从面源污染阻控的角度出发,根据河岸土地利用类型,将河流划分为堤防型河段、城镇型河段、农田型河段、村落型河段和林草型河段,兼顾现有生态红线、河湖管理范围、城市蓝线等空间管控要求,确定基于VFSMOD模型的植被缓冲带划定方法,以期为我国缓冲带的构建提供参考。

    • 在开展植被缓冲带划定工作时,应首先确定优先区域。本研究确定的优先区域包括:1)水体水质下降、氮磷超标、水体富营养化较严重的河流及其主要支流;2)不满足水功能区水质目标要求的河流及其主要支流;3)重点生态环境保护区域,如自然保护区、饮用水源地保护区、重要湿地、水产种质资源保护区、鱼类“三场”(产卵场、索饵场、越冬场)及洄游通道等保护区域等。

      本研究从提升植被缓冲带的养分截留、污染物拦截的角度出发,本着与我国自然资源、环境保护的有关法律、法规、政策和标准相协调一致的原则,统筹衔接生态保护红线、永久基本农田、城市蓝线、河湖管理范围等空间管控要求,建立植被缓冲带的划定方法。植被缓冲带划定的技术流程如图1所示。在河岸带调查与分析的基础上,按照河岸的土地利用类型,对河段进行分类,根据各类性河段的特点和各种空间管控要求,并结合VFSMOD模型计算,得出农田型和村落型河段缓冲带宽度和其径流拦截率的对应关系,给出各类型河段植被缓冲带在一定径流拦截率下的宽度值。

    • 调查形式包括资料调研和现场调查。通过调查,从河岸带周边生产生活干扰、河岸带生态空间挤占、生境条件破坏等方面进行问题诊断与分析,识别河岸带主要问题,为河流河段的划分及植被缓冲带的划定提供依据。

      1)资料调研。资料调研应收集以下信息:河流基本信息,包括流域水系分布、河流长度、主要支流等;河流水质监测数据、水功能区与水质目标要求等;河流两岸遥感影像、土地利用调查基础数据、植被类型分布、土壤质地及类型、区域DEM高程图;河流水文、水位、水量及其变化规律;河流入河排污口及主要污染物排放情况;目标河流是否属于生态保护红线、自然保护区、饮用水水源保护区、水产种质资源保护区、鱼类“三场”及洄游通道、重要湿地等特殊保护区域范围,是否存在独特的土著种或珍稀物种以及保护物种需要的生境条件;目标河流的保护规划、治理方案及相关研究报告,水利工程有关资料、数据、河道养护资料等。

      2)河岸带现场调查。以河流多年平均最低水位线为起点,重点对河流岸线、河流两岸土地利用情况、土壤类型、地形坡度及特殊保护区域等进行调查。具体要求如下:调查河流河岸线类型及占用情况,包括是否具有防洪堤、自然岸线和人工岸线分布、河滩地分布及基底情况;采用高分辨率卫星遥感数据或航拍数据,依据《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017),对河流两岸土地利用现状或生态系统类型调查分析[15];调查河岸带土壤情况,根据土壤颗粒粒径及渗透力将其划分为砂土、壤土和黏土3个主要类型;调查河流两岸植被(非农作物)覆盖率及优势植物种类与群落特征;在DEM高程图基础上确定河流两岸地形坡度,并进行现场踏勘核实;依据《土地利用现状调查技术规程》,将坡度等级将河岸带地形划分为平原(0°~0.5°,1%)、微斜坡(0.5°~2°,1%~3.5%)、缓斜坡(2°~5°,3.5%~9%)、斜坡(5°~15°,9%~30%)和陡坡(>15°,>30%)[16]

    • 根据2018年12月水利部发布的《水利部关于加快推进河湖管理范围划定工作的通知》中的河流划定方法,河流被划分为有堤防的河流和无堤坊的河流2种。因此,本研究将河段划分为堤防型河段和非堤防型河段2大类。堤防型河段具有防洪堤,且堤坝高于岸边,河段不受周边面源污染直接影响;非堤防型河段指河段岸边不存在堤坝的河段,理论上可认为此类型河段周边的面源污染能通过径流汇入河流。

      《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)中将土地利用情况共分为一级类12个,包括耕地、园地、林地、草地、商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地、交通运输用地、水域及设施用地、其他用地等。本研究将该分类的一级类作为岸边土地利用类型分类的依据。按照岸边的土地利用情况,非堤防型河段可分为城镇型河段、农田型河段、村落型河段和林草型河段。其中,城镇型河段岸边的土地利用类型包括商服用地、工矿仓储用地、城镇住宅用地、公共管理与公共服务用地或其他建设用地;农田型河段岸边的土地利用类型包括耕地和园地;村落型河段岸边的土地利用类型包括农村住宅用地;林草型河段岸边的土地利用类型为林地、草地、天然湿地的河段,此类河段面源污染主要来自水土流失,设置植被缓冲带以保护、自然恢复为主。

      植被缓冲带的划定需先按照河流周边土地利用类型将河流河段进行划分。河段划分时,以河流多年平均最低水位线为基线,对岸边土地利用情况进行解译,尽量将岸边为同一连续土地利用类型的河段划分为一个,同一河段涉及多种土地利用类型的,以区域内面积占比最高的土地利用类型来确定。

    • 植被缓冲带截流污染物和沉淀物的效果与其宽度密切相关 [17-20]。本研究从植被缓冲带面源污染阻控角度出发,采用VFSMOD模型,统筹考虑水利部门河道管理范围、城市规划河湖蓝线管控线以及生态红线等空间管控要求,确定各类型河段植被缓冲带的最小宽度。

    • 堤防型河段是具有防洪堤且堤坝高于河岸带、不受面源污染直接影响的河段。依据《河道管理条例》和《堤防工程设计规范》(GB 50286),将两岸堤防之间的沙洲、滩地、行洪区和堤防及护堤地,以及堤防背水侧护堤地范围全部划为缓冲带。堤防背水侧护堤地宽度按照堤防工程级别为5~30 m。

    • 城镇型河段区域排水系统基本完善,面源污染主要通过排水系统入河。植被缓冲带阻控面源污染功能有限,缓冲带设置主要以提供河流生态空间、减少生产、生活活动对河流的负面影响为主。根据《城市蓝线管理办法》,城市蓝线是城市规划确定的江、河、湖、库、渠和湿地等城市地表水体保护和控制的地域界线,在各类城市规划时划定。城镇型河段植被缓冲带宜综合考虑城市水系的整体性、协调性、安全性和功能性,结合城市蓝线,确定植被缓冲带宽度。

    • 农田型河段的植被缓冲带以降低农田面源污染为主要功能定位。应用VFSMOD模型,结合农田型河段的特点,得出农田型河段缓冲带宽度和其径流拦截率的对应关系,从而给出一定径流拦截率下的缓冲带宽度值。

      VFSMOD模型计算的主要指标参数划分如下。地表径流模拟参数:过滤带宽度、过滤带长度、管理因子(C因子)、控制参数(P因子)、曲线号、过滤带节点数、过滤带各段末端至过滤带进口的距离、各段的糙率及各段的坡度。雨量参数和入流参数:总降雨量、降雨持续时间。入渗模型土壤参数:土壤类型、饱和导水率、湿润峰处的平均吸力、土壤可蚀性(K因子)、土壤初始含水率、土壤饱和含水率和最大表面贮水量。泥沙过滤模型缓冲性能参数:过滤介质(草)茎杆间距、过滤介质修正糙率、过滤介质高度、泥沙淤满过滤带后裸露表面的糙率。泥沙过滤模型泥沙特性参数:入流泥沙浓度、入流泥沙粒径分级(按美国农业部泥沙粒径分级标准)、入流泥沙的中值粒径d50、入流泥沙中位粒径> 0.003 7 cm的泥沙所占比例、沉积泥沙的孔隙率。

      根据我国实际情况并结合农田型河段的特点,在VFSMOD模型模拟计算中,选取的土壤类型为壤土,总降雨量为25 mm,曲线号选择88号,管理因子(C因子)选取0.5,径流源区长度选择200 m,坡度选取的平原(0°~0.5°,1%)代表坡度值1%、微斜坡(0.5°~2°,1%~3.5%)代表坡度值3.5%、缓斜坡(2°~5°,3.5%~9%)代表坡度值9%、斜坡(5°~15°,9%~30%)代表坡度值30%,其他模型参数选用模型推荐参数。模拟得到农田型河段缓冲带宽度和其径流拦截率的对应关系如图2所示。

      在各坡度条件下,径流拦截率分别在40%、50%、60%、70% 、80%时所需农田型河段植被缓冲带宽度值如表1所示。当农田型河段的坡度为1%、3.5%、9%、30%时,未达到60%的径流拦截率所需植被缓冲带长度分别为45、55、60、80 m;当坡度为1%、3.5%、9%时,达到80%径流拦截率所需的植被缓冲带长度分别为75、105、120 m;但当河岸坡度为30%时,缓冲带宽度即使达到170 m,径流拦截率也仅为76.12%。

      一般河流,即满足水功能区要求、无特殊生态环境保护目标的河流,可按照上表中径流拦截率60%对应的宽度来划定农田型河段植被缓冲带的宽度。对于特殊河流,即具有特殊水功能与生态保护目标的河流,如涉及生态保护红线、自然保护区、水产种质资源保护区、饮用水水源保护区、鱼类“三场”及洄游通道、重要湿地等特殊保护区域,以及不满足水功能区要求的河流,可按照上表中径流拦截率80%对应的宽度来划定农田型河段的植被缓冲带的宽度。在实际划定时,应根据河流水环境容量及面源污染情况选取合理的径流拦截率。

      对由于河道两岸涉及基本农田(耕地红线内)而缓冲带宽度无法达到推荐值的河段,可将实际可划定宽度作为河岸缓冲带宽度,但需通过其他强化措施阻控污染物。

    • 村落型河段植物缓冲带划定分为排水系统完善和排水系统不完善2种情况。对于排水系统完善的村落型河段,面源污染主要通过排水系统入河。此类河段植物缓冲带设置以提供河流生态空间,降低生产、生活活动对河流的负面影响为目标,其宽度宜结合地方河道管理范围来划定。

      排水系统缺乏或不完善的村落型河段,生活面源污染物会随降雨径流入河。此类河段植被缓冲带的设置以降低面源污染为主要目标,其宽度划定方法与农田型河段相似。但根据村落型河段的特点,模型模拟参数中的曲线号选择82号,管理因子(C因子)选取0.75,其他参数同农田型河段。应用VFSMOD模型,计算得出的村落型河段植被缓冲带宽度及其径流拦截率的对应关系如图3所示。

      各坡度条件下径流拦截率分别在40%、50%、60%、70% 、80%时,确定村落型河段植被缓冲带的最小宽度值如表2所示。当农田型河段的坡度为1%、3.5%、9%、30%时,达到60%径流拦截率时所需植被缓冲带长度分别为20、25、30、30 m;达到80%径流拦截率时所需植被缓冲带长度分别为35、45、60和70 m。

    • 根据林草型河段的特点,模拟选取参数为77号曲线,管理因子(C因子) 0.05,其他参数同农田型河段。应用VFSMOD模型,计算得出的村落型河段植被缓冲带的宽度及其径流拦截率的对应关系如图4所示。

      在1%、3.5%、9%、30%的坡度条件下,当林草型河段的缓冲带宽度达到15 m时,径流拦截率均达到60%以上。当径流拦截率达到80%时,各坡度条件下植被缓冲带宽度值分别确定为25、25、25和 65 m。

    • 在植被缓冲带实际划定过程中,建议结合水体环境质量、区域的污染强度、流域面积、流域的土壤特性等因素,因地制宜地选取模型参数,确定植被缓冲带的合理宽度。此外,对于河道两岸涉及基本农田或受客观条件限制无法达到划定宽度推荐值的河段,可将实际可划定宽度作为植被缓冲带的划定宽度,并通过实施农田径流收集、植草沟、湿地等技术措施减少污染物入河量。另外,在划定缓冲带宽度时,建议兼顾其保护河岸、提高生物多样性、景观美化等方面的功能。

    参考文献 (20)

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