云南高原湖泊山区小流域水环境治理对策

侯长定, 柯 凡, 侯易辰

(1.玉溪市环境科学研究所，云南 玉溪 653100；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏 南京 210008； 3. 南京大学生命科学学院，江苏 南京 210023)

0 引言

云南高原湖泊无过境河流，流域内大气降水、森林滞留水和少量地下水是湖泊水资源的主要来源，由于补给系数小，所以换水周期长，生态系统较脆弱[1]。除湖面以外，云南高原湖泊水源补给区的土地利用以有林地和农耕地为主[2]，在农耕地面源污染不断加重的情况下，以有林地为主的山区小流域分布于湖泊四周，发挥着调节气候、保护地表、拦蓄雨水等多种效应，构成了湖泊重要的生态屏障和主要的清洁水源涵养区。然而，由于经济发展比较落后，这些小流域生态环境的保护治理长期以来投入不足，由水土流失和农业农村面源污染引起的水环境恶化已不容忽视。目前，针对云南高原湖泊山区小流域水环境治理的研究尚不见报道，本文以抚仙湖尖山河为例，依据山区小流域水环境污染的原因及特点，对其水环境综合治理的对策措施进行探讨，以期为类似小流域的治理提供借鉴。

1 尖山河水环境现状

尖山河是抚仙湖第三大入湖河流，位于湖泊西北岸(图1)，径流面积29.86km2，海拔1720.0～2347.4m。小流域内分布有23个自然村，以种植烤烟和菜碗豆为主要产业，是典型的山地农业区。区域内雨热同季，多年年均气温14.0℃，平均降雨量1050mm，其中雨季降雨量占全年总降雨量的80%以上。土壤以紫色土和红壤为主，林地沿河谷两侧山地分布。

图1 尖山河小流域地理位置

根据玉溪市环境监测站1995年、2005年和2013年雨季(5—10月)每月1次的监测结果，尖山河入湖河水中的TN、TP等对抚仙湖水质形成污染，其中TN污染上升趋势明显(图2)。雨季20场大雨的监测结果显示，尖山河入湖河水平均含泥沙量17.3kg/m3，是附近坝区河流的上百倍，表明山区小流域水土流失较为严重。2013年8月对尖山河同一场次降雨的跟踪监测结果显示，降雨期间入湖河水的污染物浓度远高于雨后入湖水质，降雨产生的冲蚀污染十分显著(表1)。

图2 不同年际雨季期间尖山河入湖水质与抚仙湖水质比较

表1 尖山河同一场次降雨入湖水质跟踪监测结果(mg/L)

2 水环境污染的成因

2.1 水土流失严重

尖山河水土流失总面积1724.8hm2，占流域总面积的57.8%，造成水土流失严重的原因主要包括以下6个方面：

(1)地形。尖山河属于山地结构，相对高差600多m，地面坡度>15°的面积占60.9%，山高坡陡是形成小流域土壤侵蚀严重的主要地理条件。

(2)气候。尖山河山区气候多变，土壤和岩石风化强烈。当雨季到来时，降雨集中，对土壤产生直接的侵蚀破坏作用，易形成水土流失。

(3)土质。流域内广泛分布的紫色土和红壤，结构松散，抗蚀能力弱。

(4)植被。尖山河原生森林在人为影响下已退化为次生林和灌木林，森林涵养水源能力差。

(5)坡耕地。尖山河坡耕地面积1014.2hm2，约占小流域总面积的1/3。相关研究表明，尖山河坡耕地土壤侵蚀量高达7658.36t/km2[3]，是小流域地表径流和泥沙产生的主要场所，分别占小流域产生总量的22.97%和62.96%[4]。

(6)局部地区采矿破坏。尖山河分布有3家页岩砖厂，年开挖泥质砂岩51198m3，对山体的开挖面大，水土流失严重。

2.2 农业面源污染加剧

尖山河以坡耕地为主的化肥、农药的过量使用造成了严重的生态破坏和化学污染。宋娅丽等的研究结果表明，不同的施肥水平下，尖山河烤烟地氮肥利用率在25%～45%，其中55%～75%的氮素没有被作物吸收利用，大多随农田径流流失[5]。王克勤等的研究也表明，尖山河面源污染物主要来源于坡耕地和人工林，这些区域随地表径流产生的面源污染物TN、TP和COD分别占流域产生总量的75.01%、51.63%和66.42%，随泥沙产生的TN、TP和有机质分别占流域产生总量的74.12%、73.18%和62.14%[4]。近年来，受市场需求的影响，以菜碗豆、韭菜为代表的高污农作物在尖山河地区发展迅速，年施肥量在4000～7500kg/ hm2，是当地水稻施肥量的3倍以上。高污农作物种植面积的逐年扩大是尖山河农业面源污染日益加剧的根本原因。

2.3 农村环境问题突出

调查表明，尖山河小流域内现有人口3473人，生活垃圾年产生量1266t；生活污水中主要污染物年排放量COD 82.39t、TN 15.09t、TP 1.29t；村落畜禽粪便年产生量8591.3t。农村污水主要来自生活污水、畜禽排泄物和固废堆放产生的渗滤液。在降雨的冲刷下，各类污水就近排入村落下游河沟，无雨时节则滞留在房前屋后的沟渠或低洼处，污染周围环境。此外，畜禽养殖场所大多建于民居附近，畜禽粪便乱堆乱放；散落的简易旱厕和露天茅坑臭气弥漫；村内外各类垃圾随处可见，脏乱差问题突出。

3 水环境治理思路与对策

3.1 治理思路

小流域是最基本的径流产生及汇流系统，既是水土流失和面源污染发生的基本单元，又是水源保护的管理单元。国内传统的小流域治理，主要以水土流失治理为目标，对水土资源及其它再生自然资源进行保护、改良与合理利用[6]。随着水环境污染加剧，对小流域综合治理提出了新的要求，在传统水土保持防治基础上，增加了水源与水质保护、面源污染控制、人居环境改善等目标[7-8]，北京市在这方面率先提出了构筑“生态修复、生态治理、生态保护”三道防线，建设生态清洁小流域的工作思路[9-11]，取得了显著成效[12-13]。尖山河各支流呈“V”字形河谷地貌，自谷底至山梁依次为河道、坡耕地和林地，而村落依山就势分布在两岸山坡上。小流域内夏季降雨集中，沿河两岸由于坡降大，其水土流失和面源污染可在短时间内集中入河，而且河床落差大(河床平均比降J=0.036)，急促的汇流使河水暴涨暴落，实施拦截处理极为困难。根据这些特点，尖山河的水环境治理需要吸收生态清洁小流域治理的成功经验，遵循入河污染物的运移规律，因地制宜地采取自上而下系统的、多层次的源头→途径→末端多级拦截防控的治理思路，才能有效地控制水环境污染。其中，河谷上游和两岸林地产流区应以水源涵养林保护为目标，通过林业生态建设，保护和提高森林质量。河谷上游和两岸林地以下的产流区以坡耕地水土流失防治和农业农村面源污染治理为重点，统筹考虑水环境保护、人居环境改善、产业发展的需要，通过合理的措施配置与布局，实施全面控源。河谷区域的治理，以入湖河水的分级处理和沿河生态缓冲带建设为主要内容，实施主河道入湖污染的途径控制和生态廊道建设。

3.2 林业生态建设

尖山河现有植被林分质量低，陡坡开垦破坏严重，可行的治理措施主要包括封山育林、低效林改造、退耕还林等。

(1)封山育林。通过禁止进入林地放牧、割草、修枝、开荒、采石等人为活动，对现有森林和新造林地实施有效管理，并依靠自然的修复过程实现荒山荒坡的林业生态恢复，逐步提高其蓄水保土能力。

(2)低效林改造。尖山河以疏幼林为主的低效林分布以小流域中部和北部地区较为集中，应采用科学的混交造林模式，通过人工补种补植和诱导恢复等，提高低效林的生产力，增强水土保持功能。

(3)退耕还林。尖山河>25°开垦的林地面积约100hm2，需实施退耕还林。退耕还林区应结合当地群众的生活改善，选择核桃、大树杨梅等，发展经济林业。

3.3 水土流失防治

根据尖山河水土流失产生的特点，防治以山坡防护、侵蚀沟谷治理和坡改梯为重点，通过沟坡兼治，达到治山养水的目的。

3.3.1 山坡防护措施

(1)小水窖建设。小水窑一般布设在坡脚或坡面局部低凹处，以容蓄坡面径流，将雨季地表径流有效地拦蓄起来，然后利用山地落差对作物进行自压灌溉。实施小水窑建设，可在控制坡面水土流失的同时，有效地解决山区农业的季节性干旱问题。

(2)截排水沟措施。截排水沟主要选择在坡长较大的耕地中间、林地与耕地交界处、河滨沿线等区域进行布设。截流沟的作用在于截短坡长，阻截坡面径流，再由排水沟输送至坡面蓄水工程或下游河沟，从而达到控制坡面土壤侵蚀、抗旱保墒的目的。横向布置的截流沟采用就地开挖方式，挖出的土料直接填筑下边沟邦，以“半挖半填”的方式进行修筑；纵向布设的排水沟采用砼三面光浇筑，以抵抗水流冲刷。

(3)山路水土流失防治。尖山河上游乡村公路尚未硬化，且缺乏排水系统，道路两侧多为坡耕地分布。每逢雨季，这些地区坡面径流冲蚀严重，需要结合道路硬化，完善截排水系统和沉沙设施的建设，以消除水土流失造成的污染和危害。

3.3.2 沟谷治理

(1)拦沙坝建设。拦沙坝主要布设于各支流的中上游河道，以减弱山洪冲刷力、拦蓄泥沙污染、保护河堤稳定为目的。依据尖山河地形地貌、水系情况和施工条件，拦砂坝适宜于采用混凝土重力坝，其坝址选择应充分利用峡谷“口小肚大”的地形，有利于减少工程量和增大库容。

(2)谷坊工程。尖山河支沟、毛沟较多，采用谷坊工程对其进行治理十分必要，不但能够拦蓄从坡面汇入下游沟道的泥沙，而且能够固定沟床，制止沟岸扩张、沟底下切和沟头前进，减轻沟道侵蚀。

3.3.3 坡改梯土地整治

尖山河坡耕地以官松庙支流最为集中，其中约200hm2需实施坡改梯。坡改梯是25°以下坡耕地水土流失治理的主要水土保持措施[14]，其主要作用是拦蓄地表径流，并将地表径流转化为地下径流的形式流走。在拦截过程中，径流中的氮、磷等营养元素随径流下渗到土壤中，通过土壤固定及植物根系吸收，能够大大降低氮、磷等面源污染物的流失污染。

3.4 农业面源污染控制

(1)源头控制。山地源头污染治理较为适宜的措施主要包括：建设高标准基本农田，发展经果林，促进农转林产业的调整；建设田间沤肥池，实施桔杆沤肥还田；推广测土配方施肥，提高化肥施用效率；采用黄蓝板诱杀、频振式杀虫灯诱杀等绿色防控技术，达到少施或不施农药的目的，恢复良好的土壤生态系统。

(2)途径治理。尖山河农田径流引起的污染主要集中在雨季的初排雨水，而在非降雨季节农业种植需要大量灌溉用水。针对这一特点，在坡耕地中设置适当面积的池塘、洼地和水田，相应配套路渠池等小型水利水保设施，形成农田径流污染的途径控制体系，通过延长径流停滞时间，使大部分泥沙及吸附的污染物得到沉降和净化，而多余蓄水可提供作物需水时节的灌溉用水。

(3)末端生态修复。尖山河两岸河堤陡峭，受人为开垦和河水冲刷影响，损毁严重。实施开垦河堤和近岸10～20m山地的退垦还河，建设河滨生态缓冲带，可以维护河堤安全，消除沿河开垦对河流产生的直接污染，形成拦截净化两岸面源径流污染的生态屏障。河滨生态建设中，在保持两岸现有台地或梯田地貌基础上，配套相应的截排水沟、入河沟渠沉沙系统和湿地系统，强化拦截净化功能。植物选择以土著的经济乔木为主，如核桃、香椿、柿子、绵竹等，在治理污染的同时，促进山区农林经济的发展。

3.5 农村环境综合整治

(1)农户源头治理。实践证明，通过沼气池建设与改圈、改厕、改厨相结合，不仅能够对人畜粪便进行无害化处理，解决农户源头散排的污染问题，而且利用沼气做饭、照明、洗浴，利用沼液、沼渣发展“猪—沼—菜”、“猪—沼—果”等生态农业模式，可较好地推进农业循环经济的发展[15]。

(2)农村固废处置。基础设施建设严重滞后和管理缺失是造成农村固废污染的主要原因，其治理的重点在于完善垃圾房(池)、沤肥池、生态卫生公厕等基础设施建设。在此基础上，对有机垃圾采取堆肥或是采用厌氧消化产生沼气等方式进行资源化利用，其它不可回收垃圾推行“户分类、组收集、村转运、县(镇)处理”机制，实施安全处置。

(3)农村污水收集。山区村落小而分散，地形高差大，无法实施雨污分流，采用截流式合流制的集污体制较为适宜，即在村落外围实施对上游雨水的分流，以避免村外雨水进入村内合流制截污系统，增加不必要的截污规模和治理投资。在此基础上，完善现有各级沟渠的改造，并利用山区有利的地形高差，以重力自流方式实施村落内污水和雨水的收集，同时配套相应的路网硬化和绿化美化工程，解决村内卫生死角和“雨天一路泥，晴天一身灰”的污染问题，提升人居环境质量。

(4)农村污水处理。山区农村经济落后，污水处理应着眼于技术成熟、管护费用低的生态处理工艺。相比较而言，土壤地下渗滤系统工艺易堵塞，难于适应山区农村污水中悬浮质高的特点。人工湿地在山区村落运行，将会面临长时间缺水的情况，湿地植物无法正常生长。采用以稳定塘为主的组合工艺较为适宜，一方面可以对污水进行有效的截流净化，另一方面也可以蓄积一定的中水灌溉山地，对于严重缺水的山区来说，这一污水处理系统同时也相当于一座灌溉设施，只要因地制宜地利用山地高差进行布局，就可实现污水处理和就地灌溉的自流运行，化害为利，一举多得。

3.6 主河道入湖河水净化

尖山河小流域自北向南依次可细分为官松庙、大石岩、养白牛三个子流域，其间的主河道是污染物汇集入湖的必经之地。由于河流汇水急促的特点，入湖河水难于集中在一点处理，因此采取分而治之的思路，在三条支流下游及其汇合后的主河道上选择适宜的位置布设旁路净化系统，对其实施处理。结合尖山河雨季汇水、旱季缺水的情况，入湖河水的旁路净化适宜采用轮作式塘表湿地处理工艺，即在塘系统实施拦污、沉沙等前处理的基础上，后续表流湿地系统通过雨季种植水生蔬菜，旱季种植旱作植物的轮作管理，使工程既保持雨季对河水的净化功能，又可在旱季继续产生一定的经济效益，弥补工程运行所需的部分经费，有利于工程的持久运行。

4 结语

云南高原湖泊山区小流域的生态系统受气候、土壤、植被以及人为干扰强度的影响大，各类污染源具有点多面广、瞬时性强、构成复杂等特点，其水环境治理是一项复杂的系统工程，需要充分考虑小流域的自然特征与污染特点，综合运用多种措施，实施源头→途径→末端的多级拦截防控和分类治理。小流域水环境治理规划尤其需要与山区经济发展和人居环境的改善紧密结合，通过以治理促发展，提高当地群众保护环境的自觉性和主体意识。小流域治理效益的持续发挥取决于环境管理长效机制的建立，这是提升治污设施管护能力、充分发挥治理措施作用、预防新的生态破坏和污染发生的关键，需要在建设与管理过程中加以重视和完善。