基于流域空間尺度的小流域水土流失綜合治理規劃

李學偉

(四會市宏禹水利水電勘測設計有限公司，廣東 四會 526200)

0 引 言

人口、資源、環境與經濟的可持續發展是整個生態和經濟發展的要義，隨著流域城鎮經濟中心的轉移，對小流域水土流失綜合治理規劃研究和環境綜合治理研究受到人們的重視。通過對小流域各地市 GDP 為核心的經濟指數分析，建立小流域水土流失研究模型，提高生態治理能力。在小流域水土流失綜合治理規劃研究中，結合土地利用變化、環境污染、氣候變化分析，通過流域生態退化模擬[1]，構建小流域水土流失綜合演化分析模型，根據淡水短缺和水域生態退化的演化特性，進行生態結構模擬和綜合治理。

小流域水土的流失，容易導致河流、湖泊和濕地的污染，使得生態形勢日益嚴峻。通過對小流域水土流失綜合治理規劃研究，開展生態環境的退化機制研究，在自然因素和人為因素共同作用下，進行小流域水土流失綜合治理規劃研究[2]。文獻[3]通過研究重污染城市河流水污染特征分析及補水方案，分析河流泥-水界面營養物的交換過程，結合氮磷的釋放規律分析，實現內源污染負荷檢測，實現水土流失綜合治理規劃；但該方法對交換通量與影響因素之間的解析能力不好。文獻[4]提出了基于有限體積法的土壤重金屬污染物運移模擬方法，引入環境因子、生物因子、營養成分等參數，進行水土流失綜合治理規劃設計；但該方法不能達到理想的治理效果。

針對上述問題，本文提出基于流域空間尺度的小流域水土流失綜合治理規劃方法。首先進行小流域水土流失的季節性變化特征分析；然后建立小流域水土流失沉積模型，采用原子吸收分光光度法實現對小流域水土流失的流域空間尺度解析，結合流域空間尺度分析方法，實現水土流失的綜合治理規劃設計；最后進行實驗測試，得出有效性結論。

1 小流域水土流失因素分析和總體規劃

1.1 小流域水土流失因素分析

構建基于流域空間尺度的小流域水土流失綜合治理規劃模型，結合季節性水位變化特征，進行小流域水土流失因素分析。小流域水土流失因素主要分為物理學因素、化學因素、生物學因素、綜合因素[5]，各因素的約束指標量分布見圖1。

圖1 小流域水土流失因素的約束指標分布

通過分析圖1小流域水土流失因素的約束分布，根據溫度、pH、溶解氧、泥-水界面氧化特征分析，建立小流域水土流失因素的多因素多維度的統計分析模型，通過物理、化學、生物和生態諸方面模型特征，分析水體水質演變規律，建立水文模型及水土流失綜合分類模型[6]。將水土分布模型分為地表水、地下水、非點源、飲用水、空氣、多介質等多類模型，水模型結構見圖2。

圖2 小流域水模型結構

在小流域分布中，由于中小河流的水土特征因子組合在河段內均勻混合，在零維狀態下，分析小流域水土流失的沉降、生化、吸附性能，則小流域水土流失綜合彌散、擴散的狀態方程為：

(1)

其中：W為中小型河流水土庫存流量；C0為側支流流量；Q0為流入河流、湖庫的初始水土容量；K為河流水動力特征或水量特征分布系數；V為通過彌散、擴散作用的消耗；q為水體容積。

根據上述分析，采用一維圣維南方程描述小流域水土流失的狀態和容量分布，分析季節性水位變化特征，采用海綿體結構設計的方法，建立小流域水土流失綜合規劃評價體系。

1.2 小流域水土流失綜合規劃總體構建

在上述分析小流域水土流失的環境和生態因素的基礎上，結合水質監測、人工濕地單元攔截分析，建立小流域水土流失綜合規劃的可持續性指數分析模型；通過檢測流域系統的水體特征量，建立及分析能值指標體系，進行水土流失的治理規劃，為可持續發展提出具體的措施建議。小流域水土流失綜合規劃總體結構模型框圖見圖3。

圖3 小流域水土流失綜合規劃總體結構模型框圖

在小流域的流域尺度空間內，中小河流的水溶物在河段內均勻混合，通過沉降、生化、吸附等物理化學吸附作用[7]，得到小流域水土流失水流的運動基本控制方程為：

(2)

其中：Q為二元一階雙曲型擬線分量；BW為主流寬度；t為水土流失的時間坐標；q為單位河長上的水土流失排放量；u為微小水體的水；g為重力加速度；A為二維水動力幅值；R為水體密度。

根據小流域水土流失水流的運動基本控制方程，可以進行干濕沉降進入水體并蓄積在沉積物中的滲透物質分析，結合二維水動力學模型分析，實現擴散物質運動分析及濃度變化分析。

2 小流域水土流失綜合治理規劃實現

2.1 流域空間尺度分析

根據小流域河道擴散物質發散性分析，建立基于運動方程的小流域水土流沉積模型；采用原子吸收分光光度法，實現對小流域水土流失的流域空間尺度解析，建立一維對流分散方程：

(3)

式中：C為斷面平均水位；Q為斷面平均流速；u為河段的糙率；A為過縱向分散系數；Ex為河道擴散系數；K為一維對流分散參數；Sr為斷面平均流速；h為河流縱向上的變化狀特征量。

采用二元一階雙曲型擬合的方法，分析小流域水土流失水流的空間尺度信息，分析擴散質在時間及河流縱向上的變化狀況[8]；通過雨水和地表徑流下滲或溢流控制的方法，進行水土流失的補償處理；通過管道收集屋頂、周邊硬化路面，增加了地表形態結構和表積，適合更多類型地表植被生長。根據流域空間尺度分布，得到動量方程為：

(4)

其中：f為外源水土流量；v為風阻力系數；u為遷移傳遞系數；x和y分別為河道的縱向和橫向擴散系數。

根據有機質空間分布特征，進行小流域水土流失綜合治理的流域空間參數分析。通過不同深度的有機質含量分析，進行水土流失的綜合治理規劃方案設計。研究流域的有機質含量分布結構模擬圖見圖4。

圖4 有機質含量分布

2.2 小流域水土流失綜合治理的特征分析和補水方案

在小流域水土流失綜合治理的流域空間尺度分析的基礎上，根據雨水和地表徑流下滲或溢流分布，進行小流域土壤侵蝕程度以及耕地侵蝕模數分析以及干濕沉降進入水體并蓄積在沉積物中的滲透物質分析；基于二維水質模型分布，建立小流域河道擴散物質檢測模型，分析小流域水土流失輸出的直接負荷和邊界負荷等因素；采用改進模型參數率定方法，進行水土規劃和環境治理，建立小流域水土流失綜合治理的特征分析和補水方案模型；基于外源和內源的流域水土分布特征解析，提取小流域水土流失流水元素的釋放規律和特征。小流域水土的年均水質統計結果見表1。

表1 小流域水土年均水質統計結果 /mg·L-1

結合表1的水質統計分析結果，建立小流域水土流失綜合治理的規劃模型。治理方法規劃見圖5。

圖5 小流域水土流失綜合治理規劃設計流程

圖5描述了生物溝復合系統承接、收集地表徑流及水文交換設計流程，通過建立小流域水土流失沉積模型，對于流域尺度的環境容量進行量化分析，實現流域的空間尺度容量估計；采用原子吸收分光光度法實現對小流域水土流失的流域空間尺度解析，實現小流域水土流失綜合治理規劃。

3 實驗數據分析

通過數據監測和實驗分析的方法，進行小流域水土流失綜合治理實驗分析。在水土含量特征檢測中，將各個采樣點按照采樣深度 0～1、1～2、2～3和3～3.3 m，并基于《土壤環境質量標準》(GB l5618-1995)進行小流域水土流失監測，布設 86 個點位，分別利用管式采樣器進行采樣，得到小流域水土沉積柱樣品的有機質含量均值及標準差。小流域水土沉積吸附解吸平衡濃度 ENC0 (mg/L)分布見表2。

表2 小流域水土沉積吸附解吸平衡濃度 ENC0 /mg·L-1

數據分析結果表明，在初始磷濃度較低時，隨著小流域水土底泥的增加，水土沉積吸附解吸平衡濃度增大。采用本文方法進行小流域的水土治理規劃，對水土和沉積物的吸附量線性關系較好，測試不同方法進行小流域水土流失綜合治理規劃后的效果，得到二維分布結果，見圖6。

圖6 小流域水土流失綜合治理規劃效果對比

對比圖6可知，本文方法能有效提高小流域水土的吸附和保有能力；通過小流域水土流失綜合優化治理規劃設計，提高了水土流水的綜合治理水平，使流域經濟發展總量、速度、質量、效益得到有效提升和改善。

4 結 語

結合土地利用變化、環境污染、氣候變化分析，通過流域生態退化模擬，構建小流域水土流失綜合演化分析模型。本文提出基于流域空間尺度的小流域水土流失綜合治理規劃方法，分析小流域水土流失水流的空間尺度信息，分析擴散質在時間及河流縱向上的變化狀況；基于二維水質模型分布，建立小流域河道擴散物質檢測模型，進行水土規劃和環境治理；建立小流域水土流失綜合治理的特征分析和補水方案模型，實現了小流域水土流失綜合治理規劃。研究表明，本文方法能有效實現小流域水土流失綜合治理，在生態環境治理和保持中具有參考與借鑒作用。