李學(xué)偉

(四會市宏禹水利水電勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 四會 526200)

0 引 言

人口、資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展是整個(gè)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要義，隨著流域城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)中心的轉(zhuǎn)移，對小流域水土流失綜合治理規(guī)劃研究和環(huán)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(jīng)濟(jì)指數(shù)分析，建立小流域水土流失研究模型，提高生態(tài)治理能力。在小流域水土流失綜合治理規(guī)劃研究中，結(jié)合土地利用變化、環(huán)境污染、氣候變化分析，通過流域生態(tài)退化模擬[1]，構(gòu)建小流域水土流失綜合演化分析模型，根據(jù)淡水短缺和水域生態(tài)退化的演化特性，進(jìn)行生態(tài)結(jié)構(gòu)模擬和綜合治理。

小流域水土的流失，容易導(dǎo)致河流、湖泊和濕地的污染，使得生態(tài)形勢日益嚴(yán)峻。通過對小流域水土流失綜合治理規(guī)劃研究，開展生態(tài)環(huán)境的退化機(jī)制研究，在自然因素和人為因素共同作用下，進(jìn)行小流域水土流失綜合治理規(guī)劃研究[2]。文獻(xiàn)[3]通過研究重污染城市河流水污染特征分析及補(bǔ)水方案，分析河流泥-水界面營養(yǎng)物的交換過程，結(jié)合氮磷的釋放規(guī)律分析，實(shí)現(xiàn)內(nèi)源污染負(fù)荷檢測，實(shí)現(xiàn)水土流失綜合治理規(guī)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(xiàn)[4]提出了基于有限體積法的土壤重金屬污染物運(yùn)移模擬方法，引入環(huán)境因子、生物因子、營養(yǎng)成分等參數(shù)，進(jìn)行水土流失綜合治理規(guī)劃設(shè)計(jì)；但該方法不能達(dá)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(guī)劃方法。首先進(jìn)行小流域水土流失的季節(jié)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(shí)現(xiàn)對小流域水土流失的流域空間尺度解析，結(jié)合流域空間尺度分析方法，實(shí)現(xiàn)水土流失的綜合治理規(guī)劃設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，得出有效性結(jié)論。

1 小流域水土流失因素分析和總體規(guī)劃

1.1 小流域水土流失因素分析

構(gòu)建基于流域空間尺度的小流域水土流失綜合治理規(guī)劃模型，結(jié)合季節(jié)性水位變化特征，進(jìn)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(xué)因素、化學(xué)因素、生物學(xué)因素、綜合因素[5]，各因素的約束指標(biāo)量分布見圖1。

圖1 小流域水土流失因素的約束指標(biāo)分布

通過分析圖1小流域水土流失因素的約束分布，根據(jù)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(tǒng)計(jì)分析模型，通過物理、化學(xué)、生物和生態(tài)諸方面模型特征，分析水體水質(zhì)演變規(guī)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(diǎn)源、飲用水、空氣、多介質(zhì)等多類模型，水模型結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 小流域水模型結(jié)構(gòu)

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(nèi)均勻混合，在零維狀態(tài)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(kuò)散的狀態(tài)方程為：

(1)

其中：W為中小型河流水土庫存流量；C0為側(cè)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(dòng)力特征或水量特征分布系數(shù)；V為通過彌散、擴(kuò)散作用的消耗；q為水體容積。

根據(jù)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(tài)和容量分布，分析季節(jié)性水位變化特征，采用海綿體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，建立小流域水土流失綜合規(guī)劃評價(jià)體系。

1.2 小流域水土流失綜合規(guī)劃總體構(gòu)建

在上述分析小流域水土流失的環(huán)境和生態(tài)因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測、人工濕地單元攔截分析，建立小流域水土流失綜合規(guī)劃的可持續(xù)性指數(shù)分析模型；通過檢測流域系統(tǒng)的水體特征量，建立及分析能值指標(biāo)體系，進(jìn)行水土流失的治理規(guī)劃，為可持續(xù)發(fā)展提出具體的措施建議。小流域水土流失綜合規(guī)劃總體結(jié)構(gòu)模型框圖見圖3。

圖3 小流域水土流失綜合規(guī)劃總體結(jié)構(gòu)模型框圖

在小流域的流域尺度空間內(nèi)，中小河流的水溶物在河段內(nèi)均勻混合，通過沉降、生化、吸附等物理化學(xué)吸附作用[7]，得到小流域水土流失水流的運(yùn)動(dòng)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(shí)間坐標(biāo)；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(dòng)力幅值；R為水體密度。

根據(jù)小流域水土流失水流的運(yùn)動(dòng)基本控制方程，可以進(jìn)行干濕沉降進(jìn)入水體并蓄積在沉積物中的滲透物質(zhì)分析，結(jié)合二維水動(dòng)力學(xué)模型分析，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散物質(zhì)運(yùn)動(dòng)分析及濃度變化分析。

2 小流域水土流失綜合治理規(guī)劃實(shí)現(xiàn)

2.1 流域空間尺度分析

根據(jù)小流域河道擴(kuò)散物質(zhì)發(fā)散性分析，建立基于運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)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(shù)；Ex為河道擴(kuò)散系數(shù)；K為一維對流分散參數(shù)；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(kuò)散質(zhì)在時(shí)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(jìn)行水土流失的補(bǔ)償處理；通過管道收集屋頂、周邊硬化路面，增加了地表形態(tài)結(jié)構(gòu)和表積，適合更多類型地表植被生長。根據(jù)流域空間尺度分布，得到動(dòng)量方程為：

(4)

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

根據(jù)有機(jī)質(zhì)空間分布特征，進(jìn)行小流域水土流失綜合治理的流域空間參數(shù)分析。通過不同深度的有機(jī)質(zhì)含量分析，進(jìn)行水土流失的綜合治理規(guī)劃方案設(shè)計(jì)。研究流域的有機(jī)質(zhì)含量分布結(jié)構(gòu)模擬圖見圖4。

圖4 有機(jī)質(zhì)含量分布

2.2 小流域水土流失綜合治理的特征分析和補(bǔ)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(chǔ)上，根據(jù)雨水和地表徑流下滲或溢流分布，進(jìn)行小流域土壤侵蝕程度以及耕地侵蝕模數(shù)分析以及干濕沉降進(jìn)入水體并蓄積在沉積物中的滲透物質(zhì)分析；基于二維水質(zhì)模型分布，建立小流域河道擴(kuò)散物質(zhì)檢測模型，分析小流域水土流失輸出的直接負(fù)荷和邊界負(fù)荷等因素；采用改進(jìn)模型參數(shù)率定方法，進(jìn)行水土規(guī)劃和環(huán)境治理，建立小流域水土流失綜合治理的特征分析和補(bǔ)水方案模型；基于外源和內(nèi)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(guī)律和特征。小流域水土的年均水質(zhì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 小流域水土年均水質(zhì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 /mg·L-1

結(jié)合表1的水質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，建立小流域水土流失綜合治理的規(guī)劃模型。治理方法規(guī)劃見圖5。

圖5 小流域水土流失綜合治理規(guī)劃設(shè)計(jì)流程

圖5描述了生物溝復(fù)合系統(tǒng)承接、收集地表徑流及水文交換設(shè)計(jì)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(huán)境容量進(jìn)行量化分析，實(shí)現(xiàn)流域的空間尺度容量估計(jì)；采用原子吸收分光光度法實(shí)現(xiàn)對小流域水土流失的流域空間尺度解析，實(shí)現(xiàn)小流域水土流失綜合治理規(guī)劃。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過數(shù)據(jù)監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)分析的方法，進(jìn)行小流域水土流失綜合治理實(shí)驗(yàn)分析。在水土含量特征檢測中，將各個(gè)采樣點(diǎn)按照采樣深度 0～1、1～2、2～3和3～3.3 m，并基于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB l5618-1995)進(jìn)行小流域水土流失監(jiān)測，布設(shè) 86 個(gè)點(diǎn)位，分別利用管式采樣器進(jìn)行采樣，得到小流域水土沉積柱樣品的有機(jī)質(zhì)含量均值及標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，在初始磷濃度較低時(shí)，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(jìn)行小流域的水土治理規(guī)劃，對水土和沉積物的吸附量線性關(guān)系較好，測試不同方法進(jìn)行小流域水土流失綜合治理規(guī)劃后的效果，得到二維分布結(jié)果，見圖6。

圖6 小流域水土流失綜合治理規(guī)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(yōu)化治理規(guī)劃設(shè)計(jì)，提高了水土流水的綜合治理水平，使流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展總量、速度、質(zhì)量、效益得到有效提升和改善。

4 結(jié) 語

結(jié)合土地利用變化、環(huán)境污染、氣候變化分析，通過流域生態(tài)退化模擬，構(gòu)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(guī)劃方法，分析小流域水土流失水流的空間尺度信息，分析擴(kuò)散質(zhì)在時(shí)間及河流縱向上的變化狀況；基于二維水質(zhì)模型分布，建立小流域河道擴(kuò)散物質(zhì)檢測模型，進(jìn)行水土規(guī)劃和環(huán)境治理；建立小流域水土流失綜合治理的特征分析和補(bǔ)水方案模型，實(shí)現(xiàn)了小流域水土流失綜合治理規(guī)劃。研究表明，本文方法能有效實(shí)現(xiàn)小流域水土流失綜合治理，在生態(tài)環(huán)境治理和保持中具有參考與借鑒作用。