不同水土保持措施對流域生態環境效應影響的定量解析研究

關曉明

(遼寧江河水利水電工程建設監理有限公司，遼寧 沈陽 110003)

水土流失將會加大區域生態環境的惡化，對人民生活和社會經濟發展產生較大的影響[1]。從1990年代開始，國家開始加大水土流失的治理力度，許多水土流失嚴重區域的生態環境得到不同程度的改善和保護[2]。水土流失治理主要是通過改變區域下墊面的人類活動來進行，通過相應的水土保持措施，降低區域的水土流失量和相應的非點源污染量[3]。但是不同水土保持措施對區域生態環境改善程度不同，需要結合有效的水土保持措施對區域的生態環境進行最大程度的改善。近些年來，對于不同水土保持措施對流域水土流失量定量研究已取得一定的成果[4- 9]，但是不同水土保持措施對區域非點源污染影響的研究還較少，為此本文以遼寧西部某水土保持區為研究對象，結合觀測試驗的方式，對區域不同水土保持措施下的減水減沙效率進行分析，并對不同水土保持措施下的攔污量進行定量分析，從而分析不同水土保持措施下的生態環境影響。

1 生態環境效應計算方法

1.1 水土流失效應衡量指標

通過計算典型年份及典型暴雨特征下各水土保持措施下的水、沙攔截力和攔截效率進行指標分析，衡量不同水土保持措施下對水沙攔截的影響程度。通過分析單位地塊的攔截水、沙量來分析不同水土保持措施的攔截能力，計算方程為：

(1)

式中，ra—水土保持措施下的攔截水、沙的能力；WR—水、沙攔截量；a—水土保持措施的面積。

水土保持措施的攔截效率，表示為某時段內水土保持措施下水、沙攔截量和總量的比值，計算方程為：

(2)

式中，ro—水土保持措施的水、沙攔截效率；WT—水土保持措施下的產水、產沙總量。

不同水土保持措施下的攔截比例，表示為各項水土保持措施攔截量占所有措施攔截量的比例，計算方程為：

(3)

式中，rwi—不同水土保持措施下的水、沙攔截比例；∑WRi—各項水土保持措施對水、沙的攔截總量。

通過對比不同的rwi，來確定最為有效的水土保持措施。結合區域水沙模數來確定不同典型年份的水、沙量，計算方程為：

Ww=Mw·A

(4)

Ws=Ms·A

(5)

Wq=Mq·A

(6)

Wo=Mo·A

(7)

式中，Ww—水土保持措施下的攔截量；Mw—水土保持措施下的攔水模數；A—區域水土保持措施的面積；Ws—水土保持措施下的攔截泥沙量；Ms—水土保持措施下的攔沙模數；Wq—徑流流失水量；Mq—區域實測的輸水模數；Wo—泥沙流失量；Mo—實測的輸沙模數。

1.2 水環境效應衡量指標

采用攔截效率、攔截比例以及攔截能力來分析不同水土保持措施對非點源污染物的攔截程度，各項水土保持措施下的攔污量計算方程為：

Wq=WT×C2/100×η2

(8)

式中，Wq—水土保持區污染物總量；WT—水土保持區泥沙流失總量；C2—區域未治理前的污染物平均含量；η2—區域土壤污染富集系數。

污染物攔截效率是指污染物攔截量與總量的比值，計算方程為：

σ=(Wq-Wp)/Wq

(9)

式中，σ—區域歷年污染物攔截效率；Wq—區域污染物總量；Wp—區域污染物流失量。

污染物的攔截比例、攔截能力同水、沙效應中的計算方程。

2 研究成果

2.1 水土保持試驗區概況

遼寧西部某水土保持區域內主要水土保持措施為壩地、林地、草地、梯田，區域的集水面積為32.5km2。區域屬于典型的干旱半干旱區域，降水主要集中夏季，區域年降水量在200～300mm之間，年輸沙量均值為16×104t，區域內主要的農作物為玉米。

2.2 典型年份各水土保持措施水沙攔截效應分析

結合水沙效應計算方法，對各典型年份不同水土保持措施下的水沙攔截效應進行分析，分析結果見表1—2。

從表1—2中可看出，隨著區域水土保持治理措施的加大，各年份水沙攔截效率逐年增加，各水土保持措施下，其水量攔截效率在27.5%～88.6%之間，而各年份沙量的攔截效率均高于水量攔截效率，各水土保持措施攔沙能力的排序為：壩地>梯田>草地>林地，壩地的攔水、攔沙能力最強，攔水能力是其他水土水保措施的18～128倍，攔沙能力是其他水土保持措施的17～60倍。表1—2中攔截比例主要為壩地的攔截比例，從表中可看出，壩地的水沙攔截比例在80%以上，可見在水土保持區域，壩地是最為有效的水土保持措施，這主要因為壩地縮短了匯流的坡長，使其蓄水保土影響十分明顯，能有效攔截水、沙量。而林地和草地的減水減沙效益主要和覆被相關，覆蓋度越高，減水減沙效應越強，其次還與區域的產流量相關，產流量越大，減沙效果越佳。

表1 各年份不同水土保持措施下的徑流攔截能力分析結果

表2 各年份不同水土保持措施下的泥沙攔截能力分析結果

2.3 典型年份各水土保持措施污染物攔截效應分析

對各典型年份區域所有水土保持措施下的污染物攔截量及其效率進行分析，見表3，并對各項措施下不同污染物的攔截量級壩地的攔截比例進行了定量解析，見表4—6。

表3 各年份不同水土保持措施下的污染物攔截效率分析結果

表4 各項措施總氮攔截量及效率分析結果

表5 各項措施總磷攔截量及效率分析結果

表6 各項措施有機質攔截量及效率分析結果

從表3中可看出，隨著區域水土保持措施力度的加大，區域污染物攔截效率呈現明顯的遞增趨勢，這主要是因為在水土保持措施下，水沙的攔截效率逐年加大，而污染物主要是依托于水沙進行輸移，因此其相應的攔截效率也在逐漸增大。表4—6為各項水保措施污染物攔截效率的定量解析，從解析結果可看出，壩地下的污染物攔截效率依然最大，林地的污染攔截效率最小，各水土保持措施對總氮、總磷及其他有機物攔截能力的排序為：壩地>梯田>草地>林地，壩地攔污能力是其他水土保持措施的6～200倍，可見，壩地是區域水土保持措施污染物攔截效率最為有效的方式。這主要是因為壩地改變了坡長，減少了水沙流失量，因此也降低了污染物的流失比例，而其他水土保持措施由于蓄水保沙作用弱于壩地，因此攔截量低于壩地。

2.4 典型暴雨特征下各水土保持措施生態環境效應分析

結合年份來降水量較大的5場典型暴雨，分析其減水減沙效益，并對其污染物攔截效率進行定量分析，分析結果見表7—8。

表7 典型暴雨特征下水土保持措施減水減沙效率分析

表8 典型暴雨特征下水土保持措施下攔污量效率分析

從表7中可看出，各場次典型暴雨下，水土保持區域的水沙攔截效益較高，減水效益可以達到45%以上，減沙效益可以達到60%以上，可見采取不同水土保持措施后，減水減沙效益明顯。在各典型暴雨下，污染物攔截效率也在65%以上，可見對于污染物的攔截效率更高。

3 結論

壩地雖然蓄水保沙作用及污染物的攔截效率高于其他水土保持措施，但其減水效應也明顯強于其他水土保持措施，且壩地在生態功能上弱于草地和林地，因此水土保持治理區域應以壩地為主，其他生態林為輔的方式最大程度地降低區域水土流失，同時發揮區域的生態功能。

本文重點探討了不同水土保持措施下的生態效應，針對何種坡度采取水土保持措施未進行分析，而區域坡度對流域的水土保持影響也較為敏感，在以后的研究中還需要對不同坡度下采用何種水土保持措施進行分析，確定最為有效的水土保持措施。