基于流域空间尺度的小流域水土流失综合治理规划

李学伟

(四会市宏禹水利水电勘测设计有限公司，广东 四会 526200)

0 引 言

人口、资源、环境与经济的可持续发展是整个生态和经济发展的要义，随着流域城镇经济中心的转移，对小流域水土流失综合治理规划研究和环境综合治理研究受到人们的重视。通过对小流域各地市 GDP 为核心的经济指数分析，建立小流域水土流失研究模型，提高生态治理能力。在小流域水土流失综合治理规划研究中，结合土地利用变化、环境污染、气候变化分析，通过流域生态退化模拟[1]，构建小流域水土流失综合演化分析模型，根据淡水短缺和水域生态退化的演化特性，进行生态结构模拟和综合治理。

小流域水土的流失，容易导致河流、湖泊和湿地的污染，使得生态形势日益严峻。通过对小流域水土流失综合治理规划研究，开展生态环境的退化机制研究，在自然因素和人为因素共同作用下，进行小流域水土流失综合治理规划研究[2]。文献[3]通过研究重污染城市河流水污染特征分析及补水方案，分析河流泥-水界面营养物的交换过程，结合氮磷的释放规律分析，实现内源污染负荷检测，实现水土流失综合治理规划；但该方法对交换通量与影响因素之间的解析能力不好。文献[4]提出了基于有限体积法的土壤重金属污染物运移模拟方法，引入环境因子、生物因子、营养成分等参数，进行水土流失综合治理规划设计；但该方法不能达到理想的治理效果。

针对上述问题，本文提出基于流域空间尺度的小流域水土流失综合治理规划方法。首先进行小流域水土流失的季节性变化特征分析；然后建立小流域水土流失沉积模型，采用原子吸收分光光度法实现对小流域水土流失的流域空间尺度解析，结合流域空间尺度分析方法，实现水土流失的综合治理规划设计；最后进行实验测试，得出有效性结论。

1 小流域水土流失因素分析和总体规划

1.1 小流域水土流失因素分析

构建基于流域空间尺度的小流域水土流失综合治理规划模型，结合季节性水位变化特征，进行小流域水土流失因素分析。小流域水土流失因素主要分为物理学因素、化学因素、生物学因素、综合因素[5]，各因素的约束指标量分布见图1。

图1 小流域水土流失因素的约束指标分布

通过分析图1小流域水土流失因素的约束分布，根据温度、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维度的统计分析模型，通过物理、化学、生物和生态诸方面模型特征，分析水体水质演变规律，建立水文模型及水土流失综合分类模型[6]。将水土分布模型分为地表水、地下水、非点源、饮用水、空气、多介质等多类模型，水模型结构见图2。

图2 小流域水模型结构

在小流域分布中，由于中小河流的水土特征因子组合在河段内均匀混合，在零维状态下，分析小流域水土流失的沉降、生化、吸附性能，则小流域水土流失综合弥散、扩散的状态方程为：

(1)

其中：W为中小型河流水土库存流量；C0为侧支流流量；Q0为流入河流、湖库的初始水土容量；K为河流水动力特征或水量特征分布系数；V为通过弥散、扩散作用的消耗；q为水体容积。

根据上述分析，采用一维圣维南方程描述小流域水土流失的状态和容量分布，分析季节性水位变化特征，采用海绵体结构设计的方法，建立小流域水土流失综合规划评价体系。

1.2 小流域水土流失综合规划总体构建

在上述分析小流域水土流失的环境和生态因素的基础上，结合水质监测、人工湿地单元拦截分析，建立小流域水土流失综合规划的可持续性指数分析模型；通过检测流域系统的水体特征量，建立及分析能值指标体系，进行水土流失的治理规划，为可持续发展提出具体的措施建议。小流域水土流失综合规划总体结构模型框图见图3。

图3 小流域水土流失综合规划总体结构模型框图

在小流域的流域尺度空间内，中小河流的水溶物在河段内均匀混合，通过沉降、生化、吸附等物理化学吸附作用[7]，得到小流域水土流失水流的运动基本控制方程为：

(2)

其中：Q为二元一阶双曲型拟线分量；BW为主流宽度；t为水土流失的时间坐标；q为单位河长上的水土流失排放量；u为微小水体的水；g为重力加速度；A为二维水动力幅值；R为水体密度。

根据小流域水土流失水流的运动基本控制方程，可以进行干湿沉降进入水体并蓄积在沉积物中的渗透物质分析，结合二维水动力学模型分析，实现扩散物质运动分析及浓度变化分析。

2 小流域水土流失综合治理规划实现

2.1 流域空间尺度分析

根据小流域河道扩散物质发散性分析，建立基于运动方程的小流域水土流沉积模型；采用原子吸收分光光度法，实现对小流域水土流失的流域空间尺度解析，建立一维对流分散方程：

(3)

式中：C为断面平均水位；Q为断面平均流速；u为河段的糙率；A为过纵向分散系数；Ex为河道扩散系数；K为一维对流分散参数；Sr为断面平均流速；h为河流纵向上的变化状特征量。

采用二元一阶双曲型拟合的方法，分析小流域水土流失水流的空间尺度信息，分析扩散质在时间及河流纵向上的变化状况[8]；通过雨水和地表径流下渗或溢流控制的方法，进行水土流失的补偿处理；通过管道收集屋顶、周边硬化路面，增加了地表形态结构和表积，适合更多类型地表植被生长。根据流域空间尺度分布，得到动量方程为：

(4)

其中：f为外源水土流量；v为风阻力系数；u为迁移传递系数；x和y分别为河道的纵向和横向扩散系数。

根据有机质空间分布特征，进行小流域水土流失综合治理的流域空间参数分析。通过不同深度的有机质含量分析，进行水土流失的综合治理规划方案设计。研究流域的有机质含量分布结构模拟图见图4。

图4 有机质含量分布

2.2 小流域水土流失综合治理的特征分析和补水方案

在小流域水土流失综合治理的流域空间尺度分析的基础上，根据雨水和地表径流下渗或溢流分布，进行小流域土壤侵蚀程度以及耕地侵蚀模数分析以及干湿沉降进入水体并蓄积在沉积物中的渗透物质分析；基于二维水质模型分布，建立小流域河道扩散物质检测模型，分析小流域水土流失输出的直接负荷和边界负荷等因素；采用改进模型参数率定方法，进行水土规划和环境治理，建立小流域水土流失综合治理的特征分析和补水方案模型；基于外源和内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释放规律和特征。小流域水土的年均水质统计结果见表1。

表1 小流域水土年均水质统计结果 /mg·L-1

结合表1的水质统计分析结果，建立小流域水土流失综合治理的规划模型。治理方法规划见图5。

图5 小流域水土流失综合治理规划设计流程

图5描述了生物沟复合系统承接、收集地表径流及水文交换设计流程，通过建立小流域水土流失沉积模型，对于流域尺度的环境容量进行量化分析，实现流域的空间尺度容量估计；采用原子吸收分光光度法实现对小流域水土流失的流域空间尺度解析，实现小流域水土流失综合治理规划。

3 实验数据分析

通过数据监测和实验分析的方法，进行小流域水土流失综合治理实验分析。在水土含量特征检测中，将各个采样点按照采样深度 0～1、1～2、2～3和3～3.3 m，并基于《土壤环境质量标准》(GB l5618-1995)进行小流域水土流失监测，布设 86 个点位，分别利用管式采样器进行采样，得到小流域水土沉积柱样品的有机质含量均值及标准差。小流域水土沉积吸附解吸平衡浓度 ENC0 (mg/L)分布见表2。

表2 小流域水土沉积吸附解吸平衡浓度 ENC0 /mg·L-1

数据分析结果表明，在初始磷浓度较低时，随着小流域水土底泥的增加，水土沉积吸附解吸平衡浓度增大。采用本文方法进行小流域的水土治理规划，对水土和沉积物的吸附量线性关系较好，测试不同方法进行小流域水土流失综合治理规划后的效果，得到二维分布结果，见图6。

图6 小流域水土流失综合治理规划效果对比

对比图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；通过小流域水土流失综合优化治理规划设计，提高了水土流水的综合治理水平，使流域经济发展总量、速度、质量、效益得到有效提升和改善。

4 结 语

结合土地利用变化、环境污染、气候变化分析，通过流域生态退化模拟，构建小流域水土流失综合演化分析模型。本文提出基于流域空间尺度的小流域水土流失综合治理规划方法，分析小流域水土流失水流的空间尺度信息，分析扩散质在时间及河流纵向上的变化状况；基于二维水质模型分布，建立小流域河道扩散物质检测模型，进行水土规划和环境治理；建立小流域水土流失综合治理的特征分析和补水方案模型，实现了小流域水土流失综合治理规划。研究表明，本文方法能有效实现小流域水土流失综合治理，在生态环境治理和保持中具有参考与借鉴作用。