小流域河道治理水土保持生態系統設計

紀 如

(德州市水文中心，山東 德州 253000)

0 引 言

現有的很多封閉地形單元內，以河流與溝道為中心的小流域河流面臨水土流失嚴重、水資源利用不均等問題，這直接導致很多河道具備極高的河水決堤、水源涵養量降低的問題。因此，對小流域河道的治理需要與水土保持生態系統的建設相連接，使其在治理河道的同時，解決水土問題，并針對災害設計一定的防御措施，保證河道區域的水土與生態完整。在現有的水土研究中，文獻[1]使用RUSLE方程探究了水土保持與人為驅動治理之間的關系，對研究區的水土保持功能進行了測試與評價。通過研究區的空間分部格局，描繪了不同地理區間內水土保持量的年際變化關系，并在顯著性檢驗中為研究區的生態保護與修復提供了科學依據。文獻[2]基于內蒙古麻地梁煤礦的河流水土保持提出了治理措施，將塑造生態自然為主要研究內容，通過修筑排水槽、溝頭等防護措施，因地制宜地為道路侵蝕、水土流失等提供良好的防護體系，并修筑了林木植被，建立不同層次的水土流失防護體系，為生態治理提供了良好的方法與技術。文獻[3]以小興安嶺丘陵地帶的河道為研究對象，針對水土流失問題對河流治理提出了新的解決措施，以生態保護以及水土流失的危害為基礎，論述了其防治的技術以及理論體系。綜合以上文獻，本文設計一種新的小流域河道治理水土保持方法，將河道流域分為不同的功能區間，并依據不同的功能區設定不同的建設與改造方式。

1 小流域河道治理水土保持生態系統研究

1.1 流域功能區劃分

在一個研究區內，河道的水土現狀存在較大的差異，因此需要將其分為不同的區域，精準定位區域治理的方向，在治理河道前首先確定治理的方向，避免規劃過程中的避重就輕問題[4]。劃分小流域的功能區，可以依據圖1所示的指標。

圖1 小流域功能分區

圖1中，考慮到人文、經濟、地理等方面的影響，根據多角度的因素對小流域的功能分區進行治理。使用SPSS等軟件，利用GIS空間分析的功能，對該地理分區進行定量與定性的聚類。計算樣本之間的歐式距離，將數據標準化處理，公式為：

(1)

通過樣本的距離計算，可以劃分變量之間的距離相似度，并計算最短距離、最長距離、中心距離的距離平方和，然后通過組內連接劃分聚類數目，將河道分為生態修復區、生態治理區、生態保護區3類，分別設計其水土保持的治理方法。

1.2 河道功能區水土保持治理方法

1.2.1 生態修復區建設

生態修復區一般為水土流失現象較為嚴重的區域，其主要特征為墾殖放牧過度，再加上干旱環境的影響下，土壤的沙質化現象較為明顯，風力侵蝕較為嚴重，造成土地退化，耕地、草地面積減少等現象。有些生態修復區的地理位置較高，周邊地區坡度較陡，水土流失現象會更加嚴重。在生態修復區內，人類對自然環境的破壞已經超出了生態系統的自我調節能力，因此需要通過一定能夠的方式，幫助受損的生態環境恢復力量[7-8]。一般通過水土流失的系數以及天然土壤的密度作為水土流失的指標，土壤密度的計算公式為：

(2)

式中：ρk為土壤的天然密度；ρg為土壤蒸發水分后的密度；md和mt分別為測徑卡尺的質量以及土樣質量；Vd為土壤測量體積；Nw為研究區土壤的含水率，一般以百分數的形式表示[9]。

當ρk與ρg之差大于1.3時，表明修復區的生態環境已經自我調節完畢，水土流失現象得到了控制。

1.2.2 生態治理區建設

生態治理區一般是小流域河道治理的重點區域，在治理該區域時，一般以調整農業結構為基礎，適當減少農藥以及化肥的使用，在人口活動區建設垃圾處理站等防治環境污染的設施，通過改善生產環境和生產條件的方式，在提高生產力同時，避免環境遭受破壞。如果是在高山或者丘陵地帶，還需要控制林地水源涵養能力，保護經濟林、發展具備當地生態特色的林業，使用溝道淤泥處理的方式建設防風固沙林地[10]。并且在源頭規劃礦產的開發與管理方向，規定保護區域，疏通河道，保護河道的生態安全。在生態治理區中，一般使用土壤空隙比作為研究區建設的標準，其計算公式為：

(3)

式中：fe為土壤空隙比，一般可以等價于土壤內沙礫與水之間的體積比；ρm為飽含水的土壤密度；φp為4℃時土壤的重度，一般以kN/m3為單位；φr為土壤的重度。

當fe≥0.1時，可以表示該研究區的生態環境滿足生態治理建設的需求，當地的生態環境已經得到了有效的治理。

1.3 生態保護區建設

生態保護區是研究區內生態環境最好的區域，一般不必去治理與修復，只需要適當的保護其不受破壞。在生態保護區內，水質輕盈、環境優美，整體的生態環境建設十分突出。但是在一些小流域河流的源頭處，經常會出現泥沙淤積等問題，這樣的情況如果繼續發展是會影響到生態環境問題的。通過下游土壤的侵蝕模數，可以間接判斷河流的淤積情況：

(4)

式中：Dw為河流的徑流量；Ds為土壤侵蝕總量；ΔDm和ΔDu分別為徑流減少的模數以及徑流增加的模數；Fd和Fe分別為土壤有效面積與河流的總面積；Sf為水流含沙量。

在式(4)中，當Dw>1.3，且Ds>5.24時，表明該研究分區內存在泥沙淤積的河流，需要及時清理，保證生態區的水土環境。

2 實驗研究

2.1 水土保持生態系統評價指標核定

為測試文中設計的小流域河道治理水土保持生態系統的有效性，設計如下實驗，探究該治理方法下生態效益的發展情況。將某小流域河道作為研究區，判斷該研究區經過治理后水土保持的生態經濟效益。建立評價指標，該方法水土保持生態效益的評價體系框架見表1。

表1 水土保持生態效益評價指標

表1中，將河道治理水土保持生態系統的效益分為4類一級指標，分別為生態安全指標、生態景觀指標、生態氣候指標、生態恢復指標；4類一級指標又可以繼續劃分為12類二級指標，這些指標共同構成水土保持生態效益評價體系。結合該指標體系，可以通過該決策模型計算生態效益的靈敏度，并獲取一級指標權重的判斷矩陣：

(5)

結合式(5)所示的判斷矩陣，計算矩陣的最大特征根：

(6)

式中：ηmax為該矩陣的最大特征根；n為矩陣的橫縱參數數量；Dn為生態效益指標的排序；Wi為具體指標的權值。

根據式(6)，可以依次計算一致性指標和一致性比例，公式為：

(7)

式中：CIn為該指標的一致性指標；CRn為一致性比例。當CIn<0.9，CRn<0.1時，可以判斷該矩陣具備較為滿意的一致性，可以接受。根據式(6)，可以得到最終的生態效益評價指標最終權重，見表2。

依據表2中的指標權重，分別對研究區內的河道治理水土保持情況進行等級賦值，并依據12種指標分別判斷其水土保持生態系統的價值。

表2 生態效益評價指標權重

2.2 河道水土保持生態效益價值評估

2.2.1 生態安全價值

生態安全的價值主要體現在防洪效益以及河床、河岸的穩定性方面，因此可以直接通過研究區域的年平均災害損失，計算該區域的河道治理價值。災害損失的計算公式為：

(8)

式中：Yp為10年內該研究區的洪災、河道、河床等災害所造成的年平均損失，億元；pi和pi-1為某一年以及前一年的水災頻率；Yi和Yi-1分別為該年以及前一年的損失。

經過河道治理后，水災頻率會大幅度降低，水災防治所帶來的生態安全效益見表3。

由表3可知，經過治理后的河道洪水頻率會大幅度下降，且由洪水導致年平均損失也會相應減少，經濟損失降低至原本的25%，大幅度節省了由生態安全導致的損失。

表3 生態安全效益

2.2.2 生態景觀價值

生態景觀價值一方面為河流水土保持帶來的植被固碳、制氧價值，另一方面則是植被、含氧量以及環境舒適所附加的宜居成本，為研究區帶來的旅游價值，這兩項價值均能夠對研究區的生態景觀價值造成一定的影響。通過式(9)，可以計算河流水土保持的固碳以及制氧價值：

(9)

式中：Y1和Y2分別為研究區域由河流治理所帶來的水土保持固碳制氧價值；Sgreen為研究區域原本的綠地面積；ηtree為原始區域年平均固碳量；ηO2為該區域原本的年平均制氧量。

經過研究顯示，一片區域內的景區效益通常與該區域的含氧量具備正相關的關系，因此可以通過上述公式計算該研究區的景區效益價值：

(10)

式中：Yjg為有生態景觀導致的經濟效益價值。

經過計算可知，研究區未治理河道前的經濟效益為963.25萬元。而經過河道治理后，該片區域的制備覆蓋量大幅度增加，含氧量也相應提高，其景觀價值提高了約36%左右。

2.3 生態氣候價值

研究區在生態氣候方面的最大價值就是由綠色植被帶來的熱島效應削弱效果，城市內由于各方面的影響，在夏季的體表溫度會比周邊鄉村的環境高出4℃～5℃，而研究區由于河道的治理會出現一定的熱島效應減弱現象，從而減少空調成本，同時還會阻礙大氣污染物騰空，進而影響空氣質量。通過這兩項作用造成的價值計算公式為：

(11)

式中：Y3和Y4分別為由熱島效應削弱降低的空調制冷成本，以及阻滯降塵的價值；Wf為研究區空調年耗電量；δC為植被調解空氣的能力；βk為研究區大氣污染物的年平均治理成本。

在該研究區內，夏季需要空調的時間約為60 d左右。因此可以通過計算得知，該河道治理技術能夠由生態景觀價值帶來約432.52萬元的價值。

2.4 生態恢復價值

研究區河道治理的水土保持生態恢復價值主要體現在吸收二氧化硫、減少土壤侵蝕以及保護水源等方面，計算公式為：

(12)

式中：Y5為研究區吸收二氧化硫造成的經濟價值；Y6為河道治理后減少土地侵蝕的價值；Y7為水源涵養量提高造成的價值；XSO2為單位面積綠地吸收二氧化硫的量；HSO2為治理單位體積二氧化硫的成本；Syx為研究區的土壤面積；k1和k2分別為河道治理前后土壤的侵蝕模數；ui表示單位體積土壤質量；Vi表示年平均降水量；V1和V2為單位面積綠地的水源蒸發量以及地表徑流量。

將Y5、Y6和Y6相加即可得到生態恢復的總價值。在該研究區內，由于河道的治理得到的生態恢復價值約為524.1萬元。由以上數據可知，根據本文得到的小流域河道治理水土保持生態系統設計方法具備較高的經濟價值，無論是生態安全、生態景觀、生態氣候還是生態恢復均可以造就較高的經濟價值，節約成本。

3 結 語

本文設計了一種保證水土生態的小流域河道治理模式，將研究區域分為生態修復區、生態治理區以及生態保護區，在滿足經濟發展的前提下，根據各個功能區的具體需求分別確定治理措施，并在實驗中探究了該治理措施的經濟價值。由實驗數據可知，其可以節約大量的成本，具備極高的經濟效益。