水库水土防治措施与监测分析

殷文强

(惠州市博润生态工程咨询有限公司,广东 惠州 516000)

0 引言

水土侵蚀是我国的一个主要农业和环境问题,也是造成富营养表层土流失和水土肥力下降的主要原因之一。例如,广东2005年水土侵蚀面积为40 006 km2,占城市总面积的48.6%;2005年水土流失总量为146亿 t。流域的水土流失和泥沙淤积是对大坝安全的潜在威胁。此外,生活在该地区的大多数人口以农业为生,因此必须保护水土以维持作物产量。

1 方法和材料

1.1 研究区域

某水库面积1.62 km2。该地区年平均气温18℃,年平均降水量1 439 mm,海拔148～530 m。流域平均坡度22.0%,部分丘陵地区最大坡度71.6%。主要土地利用为土堤阶地-519%,石堤阶地22.0%,水田14.1%,混交林10.0%。

在某水库建设了10个试验地块,每个地块大小为2 m×10 m,坡度为46.6%。地块边界用混凝土建造。每个地块下方都有一个混凝土罐,用于收集降雨期间地块的地表径流和沉积物。在这十个地块中,有一个是倾斜的野生草原作为参考。该地块种植了三种植物,包括花生树、桔子树和茶树。橘子树和茶树种植时已有一年树龄。两种保护措施是梯田和树篱。在这项研究中使用的灌木树篱是一种灌木。

1.2 WEPP模型

WEPP流域模型是一个连续模拟计算机程序,用于预测山坡陆上流的沉积物产量和沉积,小渠道集中流的沉积物产量和沉积,以及蓄水池中的沉积物沉积。它计算沉积物产量和沉积的空间和时间分布,并明确估计在流域或山坡上何时何地发生侵蚀,以便可以选择保护措施来有效控制沉积物产量。

该模型使用稳态沉积物连续性方程来估计净分离和沉积

dG/dx=Df+Di

(1)

式中:G是沉积物负荷(kg/s/m),x表示下坡距离 (m), Df是裂缝侵蚀率(kg/S/m) , Di是向裂缝输送的裂缝间沉积物(kg/S/m).Di被视为独立于i,并且始终大于 0。Df>0 表示分离,Df<0 表示沉积。

对于模型计算,两个Df和Di以每个裂缝面积为基础计算,因此G以每单位裂缝宽度为基础求解。计算后,沉积物产量表示为单位土地面积的沉积物产量。

通过目视检查观测值和模拟值的数字以及某些拟合优度统计标准(包括偏差)来评估模拟值(Re)、决定系数(R2)和模型效率值(ENS)。

Re=(Pi-Oi)/Oi×100%

(2)

式中:Oi和Pi是观测值和模拟值的第i对。越小 |Re|模型结果越好。

R2使用以下公式计算每个关系

R2=

(3)

ENS表示为

(4)

ENS的范围从 -∞ 到 1,其中 1 表示完全拟合。

1.3 数据

实验地块的建设于2014年4月完成,因此从那时起只有观测数据。对2014-2017年的流域地表径流和沉积物进行了测量。对于每一次降雨事件,都会测量河流流量。在流域出口处安装了水位计,以提供在同一地点测量的水位和流速。溢洪道为矩形,因此可以很好地估计流量。由于非降雨日的含沙量相对较低,因此仅在降雨日采集泥沙流量样本。沉积物浓度是通过过滤和蒸发方法获得的。

降雨事件发生后,这些地块的水和侵蚀沉积物被收集在混凝土罐中。将它们均匀混合以估计平均含沙量。地表径流是根据水箱的水位计算的。产沙量是通过将水箱中的水量与平均含沙量相乘来计算的。

模型输入包括日降水量、温度、太阳辐射、露点、风速、管理、水土、坡度和土地利用。在紫桂水土保持实验站收集了降雨数据。其他所需的气候数据是在紫桂县气象站收集的。管理和水土输入文件是根据实地调查建立的。数字高程模型(DEM)和坡度数据是根据流域等高线图(间隔3米)开发的。土地利用信息是根据实地调查,通过对IRS P6 LISS-4(5米分辨率)卫星图像的解释获得的。

1.4 分析方案

WEPP模型用于模拟2014-2017年流域的月径流和产沙量、地块的年径流和水土侵蚀,以及流域和地块的降雨事件径流和水土流失。

通过在可接受的范围内改变参数值并观察水流和产沙量,对2014年和2005年进行了敏感性分析。有效导水率是径流最敏感的参数,基线细沟间可蚀性、有效导水性、细沟可蚀性和临界水力剪应力值对水土侵蚀最敏感。

首先调整产生最大灵敏度的参数,然后调整其他参数。一旦校准了模型,就使用校准的参数运行WEPP,并模拟验证期内的水流和产沙量值。所有校准的参数值都在物理上有意义的值范围内。

选择了五个降雨事件,平均降雨强度范围为0.80～5.57 mm/h,并模拟了径流和水土侵蚀。之所以选择这五个事件,是因为有相对完整的径流和水土侵蚀记录,所有这些都可能导致水土侵蚀。使用了为先前模拟设置的模型参数。

为了进一步研究传统坡耕地对水土侵蚀的影响,选择了7-10号地块(分别有花生、茶树、桔子树和野生草地的坡耕地),并以10号地块为参考,通过WEPP对其径流和水土侵蚀率进行建模。根据上面的数据和模型,得出以下结果。

表1 五个选定降雨事件的详细信息

2 结果和讨论

2.1 保护措施的效果

对水土侵蚀率进行了年度和降雨事件尺度的分析。在降雨事件水平上,从四年中均匀选择了21个降雨事件,测量了地块的产沙量。

2.1.1 年水土侵蚀率

这十个地块的水土侵蚀率是根据四年的降雨事件观测结果计算的。水土侵蚀率是从1-12月计算的,但仅在2014年5-12月期间计算,因为地块直到2014年5月份才建造。每年前四个月的降水量相对较小,因此2014年的水土侵蚀率接近全年的实际值。

除4号、5号、8号和10号地块外,大多数地块的水土侵蚀率都随着时间的推移而下降。与2014年相比,2017年的数值大幅下降,从74.7%降至100%。水土侵蚀率下降的原因是一个渐进的过程稳定了地块中的水土和植物。在地块建设过程中,水土受到了很大的扰动。桔子树和茶树需要很长一段时间才能稳定水土。因此,2014年的水土侵蚀程度相对较高。随着时间的推移,植物生长,水土稳定性逐渐增强。

2.1.2 不同保护措施的效果比较

1)树篱与坡地

按年度计算,种植茶树和树篱的地块5的泥沙量低于地块8(没有树篱)。年均减少率约为39.6%。然而,与9号地块(无树篱)相比,种植橙树和树篱的6号地块没有明显的控制效果;2005年和2006年,6号地块的水土侵蚀大于9号地块。

对于事件比较,在有树篱和没有树篱的坡地上种植茶树(分别为地块5和8)的水土侵蚀率结果如图所示。第3(a)段。21次降雨中有15次表明,在有树篱的坡地上种植茶树有利于控制水土侵蚀。对于其他事件(1号、2号、4号、9号、11号和19号),结果相反。原因可能是1号、2号和4号事件发生在小区实验开始时,当时树篱很小。由于树篱周围是裸露的土地,它们在早期阶段可能没有什么影响。

在有树篱和没有树篱的斜坡土地上种植橘子树的水土侵蚀率结果(分别为地块6和9)。在21次降雨事件中,有13次表明种植橘子树有利于控制水土侵蚀,其他8次则相反。

研究结果表明,树篱在控制水土侵蚀方面是有益的,与之前的一些研究类似。

2)阶地与坡地

与坡耕地相比,在石堤梯田上种植花生对水土侵蚀的平均控制效果良好(分别为1号地块和7号地块)。梯田的年均减沙率为23.2%。相反,与坡地(9号地块)相比,在土堤梯田(2号地块)上种植橘子树对水土侵蚀的影响很小。土堤阶地的水土侵蚀率甚至大于坡地。

以降雨事件为基础,比较了在石堤阶地和斜坡土地上种植花生的水土侵蚀率(分别为地块1和地块7)。21次降雨中有12次表明,在石堤梯田上种植花生有利于控制水土侵蚀。对于其他9个事件,结果相反。

在土堤阶地和坡地上种植橘子树的水土侵蚀率结果(分别为地块2和9)。在21次降雨事件中,只有5次表明在土堤阶地上种植橘子树有利于控制地块的水土侵蚀。对于其他16个事件,则出现了相反的结果。

在本研究中,石质堤防阶地在控制水土侵蚀方面优于土质堤防阶地。可能有两个原因。一是由于地块的长度相对较短,土堤的高度不足。因此,与坡地相比,土堤增加了裸露土地的面积,无法有效减缓地表径流。因此,更多的水土被侵蚀。二是花生比桔子树更善于覆盖水土表面。在中国四川盆地也发现了类似的结果,在那里种植作物比在梯田上种植树木具有更好的水土保护效果。

3)树篱与梯田

上述比较表明,树篱对水土侵蚀的控制效果最好,其次是石堤阶地,土堤阶地的控制效果最小。

然而,在一些研究中,梯田在水土保护方面是有效的。阶地可以降低斜坡的陡峭度和长度,使侵蚀过程的自然斜坡长度功能失效。因此,它们增加了与地表径流的速度、数量和能量降低相关的入渗率,从而减少了水土侵蚀。然而,水土保护只是种植的一个方面,还需要考虑社会经济因素和保护措施的设计。

通过小区实验估算的水土侵蚀率用于评估保护措施的效果,并校准和验证研究区域的WEPP模型。然而,地块实验存在许多方法学问题,包括边界效应、复制地块的适当数量以及空间或时间背景下数据的不确定性。由于资金和资源的限制,这些地块没有在本研究区域复制。为了避免或最大限度地减少与非复制相关的问题,地块的建设和管理是相同的,包括布局、尺寸、材料、位置和人员。因此,在本研究中,不同保护技术的效果是可比较的。

2.2 WEPP建模分析

2.2.1 流域侵蚀模拟

将校准和验证期间WEPP模型的模拟月平均流量值与观测值进行比较。模拟峰值与所有年份的实测流量峰值一致。在校准和验证期间,ENS值相当高(分别为0.864和0.835),表明模型的性能令人满意。在整个校准和验证期间,观测和模拟的月平均值之间的Re值分别为9.2%和11.1%。这些结果以及其他标准表明,WEPP对月平均流量的总体模拟令人满意。

将校准和验证期间WEPP模型的模拟月平均产沙量值与观测值进行比较。模拟的峰值与所有年份的沉积物测量峰值一致。校准和验证期间的ENS值相当高(分别为0.847和0.828),以及其他标准表明该模型的性能令人满意。月平均沉积物的总体模拟令人满意,因此用于进一步分析。

使用WEPP对小流域的径流和水土流失进行了令人满意的模拟,但由于季节性影响,对地中海流域的侵蚀模拟结果较差。因此,在新的地区使用WEPP时,应检查其适用性。

2.2.2 地块年侵蚀模拟

对观测和模拟的年径流量和水土侵蚀率进行了比较。年径流量和水土侵蚀率模拟得相当好。径流和水土侵蚀的平均值|Re|=111.1%和18.5%;ENS的平均值分别为0.787和0.929。

植被在减少径流和水土流失方面很重要。它可以增加地表的枯枝落叶,从而增加水土有机质,改善水土结构,从而提高水土渗透能力,降低可蚀性。植物在改善水土质量、控制径流和水土流失方面的有效性取决于植物形态和结构的变化。然而,在本研究中,与倾斜的野生草原相比,没有任何传统植物能有效减少水土流失。在这三种植物中,花生的水土侵蚀最为严重;四年中有三年的水土侵蚀率高于倾斜的野生草原。

2.2.3 流域降雨事件侵蚀模拟

对五次降雨事件的观测和模拟流域径流和产沙量进行了比较。将观测值和模拟值进行比较表明,该模型在高R2和ENS的情况下模拟得很好。使用WEPP模型在流域层面获得了令人满意的水土侵蚀降雨事件模拟结果。

降雨特征决定了侵蚀力,这是水土侵蚀因果关系中的一个重要因素。这种关系已经被研究过多次。强度较小但时间较长的事件也起到了重要作用。在Rt30(30 min平均降雨量)>4 mm h-1的降雨事件中,径流和水土侵蚀都有可能发生,这是一个非常低的降雨阈值。

在本研究中,仅在四次降雨事件中出现了明显的水土侵蚀。尽管第5号事件具有与第2号事件相似的特征,但流域层面没有监测到水土流失。WEPP在降雨事件步骤成功模拟了这些过程。

2.2.4 降雨事件对地块的侵蚀模拟

对5次降雨事件的7-10地块进行了径流和水土侵蚀的WEPP模拟。径流和水土侵蚀的平均值|Re|=118.7%和23.7%;并且各自的平均ENS=0.960和0.964。与上述年度情况类似,与倾斜的野生草原相比,没有任何常规植物能有效减少水土损失,WEPP模型成功地模拟了这些情况。

比较了WEPP、侵蚀生产力影响计算器(EPIC)和区域非点源流域环境响应模拟(ANSWERS)的模型性能,他们的结果表明,在大多数情况下,WEPP的预测优于其他两个模型的预测。De la Rosa等人(2005)使用SIDASS模型(对WEPP模型的改编)对径流系数和细沟间水土侵蚀进行建模,他们的结果表明,该模型很好地复制了自然径流和水土侵蚀响应。

2.2.5 流域水土侵蚀分布

上述模拟表明,WEPP模型充分模拟了某水库的水土侵蚀。使用相同的参数集,对流域的年平均水土侵蚀率分布进行了建模(图10),其范围为20～380 t km2。这一比率与同一县附近流域的比率相似(220～940 t/km2),但远低于中国西北黄土高原的比率(1 700～6 300 t/km2)和长江上游四川省的比率(2 415 t/km2)。受侵蚀最严重的地区是该流域西北部的地区。实地调查表明,该地区的地形变化很大。该地区有许多农业活动,大多数作物都种植在土堤梯田上,在前一分析中,土堤梯田的水土保持效果最差。所有这些原因使该地区成为受侵蚀最严重的地区。流域侵蚀最小的地区是中部地区,那里有许多农业活动,如水稻。然而,该地区几乎是分水岭的最低部分,坡度较低,水土侵蚀并不严重。WEPP对水土侵蚀速率的模拟与实际情况相符。

图1 模拟水土侵蚀分布

2.3 应对未来的研究和实施工作

不确定性在任何系统中都是不可避免的,并且很可能导致决策混乱。与其他模型一样,WEPP模拟在输入数据、参数和模型结构方面也存在不确定性。输入数据可能会造成不确定性,因为天气数据、观测到的径流量和产沙量数据、土地利用信息图、水土类型图和DEM不能绝对准确。归因于参数的不确定性可以通过以下事实来解释,即校准的参数值可能无法充分捕捉流域的时间和空间变化。至于模型结构,它可能会造成不确定性,因为在开发模型的方程和算法时有一组假设和简化。在使用建模结果以在未来做出更好的决策时,应评估所有这些不确定性。

大部分径流和水土侵蚀发生在4-9月,这一时期对三峡库区的防洪至关重要。根据三峡水库的运行计划,在此期间,水面高程保持最低(4-5月约150 m,6-9月约145 m)。巨大的水土流失可能威胁到三峡大坝的安全。同时,被侵蚀的水土携带大量营养物质和杀虫剂,可能对水生生态构成威胁。然而,上述措施的保护效果是有限的。因此,还需要采取额外措施,如过滤带、湿地、植草水道等,以防止水土和污染物在此期间进入水库。因此,对它们的综合效应进行研究是必要的。

3 结语

为了评价某水库的水土保持效果,建立了10个试验区。通过实地调查数据对水土保持措施进行了分析。树篱对水土侵蚀的控制效果最好,其次是石堤阶地,土堤阶地的控制效果最小。水土保持措施必须根据几个因素进行选择,如水土类型、地形条件、水文过程、土地利用和土地管理实践。WEPP在流域和地块径流和水土侵蚀建模中的应用表明,它可以在该地区得到充分利用。对流域的年平均水土侵蚀率分布进行了建模,表明侵蚀最严重的地区是西北部。因此,应该对这一地区采取控制措施。小区试验可以提供实际的水土侵蚀情况,但费用昂贵。WEPP模型在这一领域表现良好,与小区实验相结合可以帮助决策选择水土保持做法。