不同水土保持措施对流域生态环境效应影响的定量解析研究

关晓明

(辽宁江河水利水电工程建设监理有限公司，辽宁 沈阳 110003)

水土流失将会加大区域生态环境的恶化，对人民生活和社会经济发展产生较大的影响[1]。从1990年代开始，国家开始加大水土流失的治理力度，许多水土流失严重区域的生态环境得到不同程度的改善和保护[2]。水土流失治理主要是通过改变区域下垫面的人类活动来进行，通过相应的水土保持措施，降低区域的水土流失量和相应的非点源污染量[3]。但是不同水土保持措施对区域生态环境改善程度不同，需要结合有效的水土保持措施对区域的生态环境进行最大程度的改善。近些年来，对于不同水土保持措施对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对区域非点源污染影响的研究还较少，为此本文以辽宁西部某水土保持区为研究对象，结合观测试验的方式，对区域不同水土保持措施下的减水减沙效率进行分析，并对不同水土保持措施下的拦污量进行定量分析，从而分析不同水土保持措施下的生态环境影响。

1 生态环境效应计算方法

1.1 水土流失效应衡量指标

通过计算典型年份及典型暴雨特征下各水土保持措施下的水、沙拦截力和拦截效率进行指标分析，衡量不同水土保持措施下对水沙拦截的影响程度。通过分析单位地块的拦截水、沙量来分析不同水土保持措施的拦截能力，计算方程为：

(1)

式中，ra—水土保持措施下的拦截水、沙的能力；WR—水、沙拦截量；a—水土保持措施的面积。

水土保持措施的拦截效率，表示为某时段内水土保持措施下水、沙拦截量和总量的比值，计算方程为：

(2)

式中，ro—水土保持措施的水、沙拦截效率；WT—水土保持措施下的产水、产沙总量。

不同水土保持措施下的拦截比例，表示为各项水土保持措施拦截量占所有措施拦截量的比例，计算方程为：

(3)

式中，rwi—不同水土保持措施下的水、沙拦截比例；∑WRi—各项水土保持措施对水、沙的拦截总量。

通过对比不同的rwi，来确定最为有效的水土保持措施。结合区域水沙模数来确定不同典型年份的水、沙量，计算方程为：

Ww=Mw·A

(4)

Ws=Ms·A

(5)

Wq=Mq·A

(6)

Wo=Mo·A

(7)

式中，Ww—水土保持措施下的拦截量；Mw—水土保持措施下的拦水模数；A—区域水土保持措施的面积；Ws—水土保持措施下的拦截泥沙量；Ms—水土保持措施下的拦沙模数；Wq—径流流失水量；Mq—区域实测的输水模数；Wo—泥沙流失量；Mo—实测的输沙模数。

1.2 水环境效应衡量指标

采用拦截效率、拦截比例以及拦截能力来分析不同水土保持措施对非点源污染物的拦截程度，各项水土保持措施下的拦污量计算方程为：

Wq=WT×C2/100×η2

(8)

式中，Wq—水土保持区污染物总量；WT—水土保持区泥沙流失总量；C2—区域未治理前的污染物平均含量；η2—区域土壤污染富集系数。

污染物拦截效率是指污染物拦截量与总量的比值，计算方程为：

σ=(Wq-Wp)/Wq

(9)

式中，σ—区域历年污染物拦截效率；Wq—区域污染物总量；Wp—区域污染物流失量。

污染物的拦截比例、拦截能力同水、沙效应中的计算方程。

2 研究成果

2.1 水土保持试验区概况

辽宁西部某水土保持区域内主要水土保持措施为坝地、林地、草地、梯田，区域的集水面积为32.5km2。区域属于典型的干旱半干旱区域，降水主要集中夏季，区域年降水量在200～300mm之间，年输沙量均值为16×104t，区域内主要的农作物为玉米。

2.2 典型年份各水土保持措施水沙拦截效应分析

结合水沙效应计算方法，对各典型年份不同水土保持措施下的水沙拦截效应进行分析，分析结果见表1—2。

从表1—2中可看出，随着区域水土保持治理措施的加大，各年份水沙拦截效率逐年增加，各水土保持措施下，其水量拦截效率在27.5%～88.6%之间，而各年份沙量的拦截效率均高于水量拦截效率，各水土保持措施拦沙能力的排序为：坝地>梯田>草地>林地，坝地的拦水、拦沙能力最强，拦水能力是其他水土水保措施的18～128倍，拦沙能力是其他水土保持措施的17～60倍。表1—2中拦截比例主要为坝地的拦截比例，从表中可看出，坝地的水沙拦截比例在80%以上，可见在水土保持区域，坝地是最为有效的水土保持措施，这主要因为坝地缩短了汇流的坡长，使其蓄水保土影响十分明显，能有效拦截水、沙量。而林地和草地的减水减沙效益主要和覆被相关，覆盖度越高，减水减沙效应越强，其次还与区域的产流量相关，产流量越大，减沙效果越佳。

表1 各年份不同水土保持措施下的径流拦截能力分析结果

表2 各年份不同水土保持措施下的泥沙拦截能力分析结果

2.3 典型年份各水土保持措施污染物拦截效应分析

对各典型年份区域所有水土保持措施下的污染物拦截量及其效率进行分析，见表3，并对各项措施下不同污染物的拦截量级坝地的拦截比例进行了定量解析，见表4—6。

表3 各年份不同水土保持措施下的污染物拦截效率分析结果

表4 各项措施总氮拦截量及效率分析结果

表5 各项措施总磷拦截量及效率分析结果

表6 各项措施有机质拦截量及效率分析结果

从表3中可看出，随着区域水土保持措施力度的加大，区域污染物拦截效率呈现明显的递增趋势，这主要是因为在水土保持措施下，水沙的拦截效率逐年加大，而污染物主要是依托于水沙进行输移，因此其相应的拦截效率也在逐渐增大。表4—6为各项水保措施污染物拦截效率的定量解析，从解析结果可看出，坝地下的污染物拦截效率依然最大，林地的污染拦截效率最小，各水土保持措施对总氮、总磷及其他有机物拦截能力的排序为：坝地>梯田>草地>林地，坝地拦污能力是其他水土保持措施的6～200倍，可见，坝地是区域水土保持措施污染物拦截效率最为有效的方式。这主要是因为坝地改变了坡长，减少了水沙流失量，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坝地，因此拦截量低于坝地。

2.4 典型暴雨特征下各水土保持措施生态环境效应分析

结合年份来降水量较大的5场典型暴雨，分析其减水减沙效益，并对其污染物拦截效率进行定量分析，分析结果见表7—8。

表7 典型暴雨特征下水土保持措施减水减沙效率分析

表8 典型暴雨特征下水土保持措施下拦污量效率分析

从表7中可看出，各场次典型暴雨下，水土保持区域的水沙拦截效益较高，减水效益可以达到45%以上，减沙效益可以达到60%以上，可见采取不同水土保持措施后，减水减沙效益明显。在各典型暴雨下，污染物拦截效率也在65%以上，可见对于污染物的拦截效率更高。

3 结论

坝地虽然蓄水保沙作用及污染物的拦截效率高于其他水土保持措施，但其减水效应也明显强于其他水土保持措施，且坝地在生态功能上弱于草地和林地，因此水土保持治理区域应以坝地为主，其他生态林为辅的方式最大程度地降低区域水土流失，同时发挥区域的生态功能。

本文重点探讨了不同水土保持措施下的生态效应，针对何种坡度采取水土保持措施未进行分析，而区域坡度对流域的水土保持影响也较为敏感，在以后的研究中还需要对不同坡度下采用何种水土保持措施进行分析，确定最为有效的水土保持措施。