大伙房水库调水对上游流域土壤侵蚀变化的响应

王之中

(抚顺市水利技术推广中心，辽宁 抚顺 113008)

随着城市的快速发展，人类活动导致土壤侵蚀加剧，我国水环境污染问题日益突出[1]。水质安全关系到居民饮用水安全，保证水源地水质安全对社会的发展具有重要意义。土地利用对水环境影响的相关研究不断得到重视，Hwang[2]认为土壤侵蚀程度对地表水的质量起着决定性作用。巨拓[3]研究认为水库水质污染主要来自土壤侵蚀造成的非点源污染。陶亮[4]对南水北调工程水源区进行了生态泥沙和环境泥沙及泥沙资源化研究，认为土壤侵蚀与水环境的恶化有着密切联系。国内外学者对水质评价与影响因素之间的研究，取得了一些成果，但结合上游土地利用格局变化对调水输入水质影响的研究少有涉猎。本文以大伙房水库上游流域土壤侵蚀数据为基础，将土壤侵蚀变化过程与水库水质进行关联分析，明确了土壤侵蚀程度与水质间关联程度，为更有效保护水库水质提供理论指导，有着重要的现实意义。

1 研究方法

1.1 水质数据

大伙房水库固定两个水质观测断面，包括入库河流入水口观测断面(北杂木断面)和水库浑河出水口处观测断面(抚顺取水口断面)，数据观测以自动观测仪器与人工取样测定分析相结合的方式。水质观测指标包括大肠菌群(Coli-group)、生化需氧量(BOD)、高锰酸钾指数(CODmn)、溶解氧(DO)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)，调水后增加了Chl-a。

1.2 土壤侵蚀与土地利用数据

根据GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》，对土地利用类型进行划分，土地利用数据以水土保护部门多年统计数据和实地调查为准[5- 6]。为保证数据的可靠性，利用遥感普查的统计数据进行校核验证[7- 8]。不同侵蚀类型占总侵蚀面积的比例如图1所示。

图1 不同侵蚀类型面积占总侵蚀面积的比例

调水前2008年与调水后2017年大伙房水库上游土壤侵蚀程度变化见表1。可以看出，上游土壤侵蚀的面积有所减少，其中轻度和中度侵蚀面积减小最多，变化率分别为-25.74%和-9.37%。而强烈侵蚀、极强烈侵蚀面积有所增加，变化幅度分别为317.32%和34.32%，剧烈侵蚀面积也呈现出增加的趋势，占现在总侵蚀比例的0.28%。

表1 大伙房水库上游土壤侵蚀程度变化情况

2 调水前水质对上游土壤侵蚀的响应

2.1 北杂木断面水质的响应

上游流域土壤侵蚀程度与北杂木断面水质相关分析结果见表2。

可以看到，上游土壤侵蚀面积的百分比与水质的总氮、总磷以及大肠杆菌呈正相关关系，说明土壤的侵蚀导致土壤中的N、P等元素流失，造成水库中水体和下游水系中含N、P污染物増加，导致大伙房水库的水质恶化，下游水体富营养化；土壤侵蚀的面积比和BOD呈现显著的负相关，说明土壤侵蚀面积的增加并不会对下游的BOD产生影响。上游土壤侵蚀主要是轻度侵蚀，其百分比与总氮、总磷和大肠杆菌是正相关的关系，说明下游氮和磷含量的增多主要受土壤轻度侵蚀的影响[9]。土壤轻度侵蚀面积和BOD的相关性呈显著的负相关，说明土壤轻度侵蚀面积的增加并不会使下游水体中BOD含量发生变化。极强烈侵蚀、强烈侵蚀和中度侵蚀面积所占比例与总磷含量的相关性为负，说明这三种侵蚀类型的面积并没有对下游水系输送过多含氮磷的物质，对于下游水系输送磷、氮的贡献不大。极强烈、强烈和中度侵蚀程度还与大肠杆菌呈现一种负相关的关系，说明这三种侵蚀面积的增加并不会使下游大肠杆菌含量增加。

大伙房水库上游剧烈侵蚀面积最小，其所占的比例与几种指标并没有明显的相关性。轻度侵蚀分布区域是造成氮磷元素流失的主要部分，是下游氮磷元素的主要来源，表层土壤的流失是造成下游水质恶化的主要因素。

2.2 抚顺取水口断面水质的响应

上游流域土壤侵蚀程度与抚顺取水口断面水质相关分析结果见表3。

可以看出，大伙房水库上游土壤侵蚀面积的百分比和水中总氮、总磷以及大肠杆菌的含量呈现正相关关系，说明土壤侵蚀导致N、P等元素流失，造成大伙房水库及下游河水中N、P元素的增加，使得下游水体富营养化，大肠杆菌大量繁殖，水库水质恶化。土壤侵蚀的面积比与BOD呈显著负相关，说明土壤侵蚀面积的增加并不会使下游水体中BOD的含量发生变化。

表2 上游流域土壤侵蚀程度与水质相关分析

表3 上游流域土壤侵蚀程度与水质相关分析

上游流域土壤轻度侵蚀所占的比例与总磷以及大肠杆菌数量呈显著正相关，说明轻度侵蚀是造成氮磷等营养元素流失到大伙房水库中的主要因素。土壤轻度侵蚀和BOD的相关性为显著负相关，说明土壤轻度侵蚀面积的增加并不使下游的BOD含量发生变化。

极强烈侵蚀、强烈侵蚀和中度侵蚀的面积比与总磷、大肠杆菌含量的相关性为负，说明这三种侵蚀类型对下游水系输送磷、氮的贡献不大。极强烈、强烈和中度侵蚀程度的面积百分比与BOD呈正相关的关系，说明这三种侵蚀面积的增加会使抚顺断面水中BOD含量上升。剧烈侵蚀与总氮、高锰酸盐含量指数以及BOD呈正相关关系，说明剧烈侵蚀对下游水域氮元素的贡献也较大，水体中BOD和高锰酸盐含量增加。

3 调水后水质对上游流域土壤侵蚀的响应

3.1 北杂木断面水质的响应

上游流域土壤侵蚀程度与北杂木断面水质相关分析结果见表4。

可以看出，调水后上游土壤侵蚀面积比与水中的总氮、总磷以及叶绿素a含量具有显著的正相关，说明随着土壤侵蚀面积的增加，土壤中的氮磷元素会逐步流失，使得下游大伙房水库中含氮磷元素超标，水体富营养化，促进了藻类植物的繁殖，同时也造成了下游水体中叶绿素a含量的增加，使大伙房水库水质进一步下降。

轻度侵蚀所占比例与总氮、总磷及叶绿素a的相关性为正，轻度侵蚀造成大伙房水库上游表层土壤的流失，土壤中氮磷元素被输送到大伙房水库下游，水域水体富营养化，促进了藻类繁殖，水体中叶绿素a的增加，使下游水体水质恶化加剧。

极强烈侵蚀、强烈侵蚀和中度侵蚀的面积比例与总磷、总氮含量的相关性为负，说明这三种侵蚀类型对下游水系输送磷、氮的贡献不大，一定程度上抑制了藻类的繁殖，水体中叶绿素a含量降低。也表明表层土壤的流失是造成氮磷等营养元素流失的主要原因，随着侵蚀慢慢发展到强烈侵蚀，土壤中氮磷等营养元素流失减少。极强烈侵蚀、强烈侵蚀和中度侵蚀所占面积与大肠杆菌呈负相关关系，说明这三种侵蚀面积的增加不会造成北杂木断面水质中大肠杆菌含量增加。

剧烈侵蚀面积与水库水流中的氨氮含量呈正相关性，说明调水后剧烈侵蚀所占面积比的增加引起了下游水体中氨氮含量的增加，剧烈侵蚀的面积百分比也与高锰酸钾指数呈正相关，说明调水后剧烈侵蚀所占面积比的增加引起了下游水体中高锰酸钾指数的增加。

3.2 抚顺取水口断面水质的响应

上游流域土壤侵蚀程度与抚顺取水口断面水质相关分析结果见表5。

可以看出，调水后大伙房水库上游土壤侵蚀面积比与水质中的总氮、总磷以及叶绿素a呈显著的正相关，说明随着土壤侵蚀面积的增加，土壤中的氮磷元素会逐渐流失，导致下游大伙房水库中氮磷元素超标，水体富营养化严重，同时下游水体中叶绿素a含量的增加。土壤侵蚀面积比与大肠杆菌含量呈负相关，说明调水后大伙房水库上游侵蚀面积的增加对抚顺取水口断面水中大肠杆菌的含量没有直接影响。

轻度侵蚀所占面积的比例与总氮、总磷以及叶绿素a呈显著的正相关，与高锰酸盐指数以及大肠杆菌含量也是正相关，说明轻度侵蚀造成了大伙房水库上游表层土壤的流失，使得土壤中的氮磷元素被输送到了大伙房水库下游，造成了下游水域水体的富营养化，促进了藻类的繁殖，进而使得水体中叶绿素a的增加，同时高锰酸钾和大肠杆菌含量的增加进一步使得下游水体水质恶化。

表4 上游流域土壤侵蚀程度与水质相关分析

表5 上游流域土壤侵蚀程度与水质相关分析

极强烈侵蚀、强烈侵蚀和中度侵蚀的面积与古楼断面上水质中的总磷、总氮以及叶绿素a具有显著的负相关，与大肠杆菌也是负相关的关系，说明这三种侵蚀区域流失土壤中所含的氮、磷元素较少，使得下游流域和古楼水域中叶绿素a和大肠杆菌含量减少。中度侵蚀、强烈侵蚀和极强烈侵蚀所占的比例与高锰酸钾指数的相关性为正，说明这三种侵蚀面积的增加，会引起下游抚顺取水口断面水中高锰酸盐含量增加。

剧烈侵蚀与抚顺取水口断面水质指标之间并没有显著的相关性，因此剧烈侵蚀并未对该断面水质有明显的影响。

4 结论

以大伙房水库上游流域土壤侵蚀数据为基础，将土壤侵蚀变化过程与水库水质进行关联分析，明确了土壤侵蚀程度与水质间关联程度，得出以下结论：

(1)调水前上游流域的土壤侵蚀面积与各水质指标之间具有明显的相关性。土壤侵蚀面积百分比与氮磷含量呈显著正相关，表明土壤侵蚀是造成下游水质恶化的重要因素。轻度侵蚀和营养素氮、磷之间具有显著正相关，表明轻度侵蚀区域，氮磷元素的流失最多，对下游水域水体富营养化贡献最大，而以深层土壤流失为主的其它几种侵蚀方式对下游水体恶化影响不大。

(2)调水后上游流域的土壤侵蚀面积和各水质指标之间也有明显的相关性。土壤侵蚀面积百分比与氮、磷和叶绿素a含量呈显著正相关，表明土壤侵蚀是造成下游水质恶化的重要因素。轻度侵蚀和营养素氮、磷和叶绿素a之间具有显著正相关，表明轻度侵蚀区域，氮磷元素的流失最多，对下游水域水体富营养化贡献最大，其它几种侵蚀方式影响不大。