河口前置庫對水土流失防治效果研究

楊 璉，何 鋒

(昆明市滇池生態(tài)研究所，云南昆明650228)

1 前言

河口前置庫技術(shù)20世紀(jì)50年代起源于歐洲，是一種針對小流域面源污染控制的綜合技術(shù)。關(guān)于前置庫的研究，國內(nèi)外目前主要集中于對面源污染的削減、泥沙去除等方面。而關(guān)于綜合系統(tǒng)和綜合結(jié)構(gòu)的研究開發(fā)方面還比較缺乏。此外，關(guān)于提高前置庫凈化系統(tǒng)的環(huán)境效益、生態(tài)效益和景觀效益方面也仍然有很多的空缺［1，2］。在學(xué)習(xí)總結(jié)日本、歐洲等國家前置庫技術(shù)應(yīng)用和研究基礎(chǔ)上，2007年昆明市在晉寧縣開展了“滇池東大河河口前置庫凈化效果研究項目”，項目就河口前置庫對流域內(nèi)面源污染控制、入湖泥沙沉積的減少效果進(jìn)行示范研究。

東大河水系位于晉寧縣境內(nèi)，東大河發(fā)源于東南部的干海子 (海龍)白泥箐，由昆陽鎮(zhèn)興旺村流入滇池，全長21km，是昆陽壩區(qū)的主河道。流域面積195.44km2，總落差120m，平均坡降5‰。豐水期流量16m3/s，枯水期流量0.2m3/s。區(qū)域內(nèi)屬于富磷礦區(qū)，土壤磷素背景高。下游周邊為傳統(tǒng)的集花卉、蔬菜、漁業(yè)為一體的產(chǎn)業(yè)區(qū)。由于水土流失嚴(yán)重，地表徑流攜帶大量的泥沙和磷等污染物進(jìn)入滇池，使滇池湖盆不斷淺化，污染加重。

東大河河口前置庫總面積64380m2，總?cè)莘e89290m3，東西向長約520m，南北向?qū)捈s150m。沉砂池緊接河口布置，為擴(kuò)散梯形狀，平均長140m，平均寬度110m，面積15580m3，設(shè)計底高程1885.0m。沉砂池后為一般沉淀區(qū)，面積為48800m3，水深0.75 ～1.75m［3］。

2 東大河前置庫水土保持效果分析

2.1 入庫水土流失量分析

2.1.1 東大河流域水土流失現(xiàn)狀分析

東大河流經(jīng)烏龍、儲英、旺興等11個村委會，涉及7139戶、20512人，受益土地面積1082.13hm2。2004年昆明市各縣 (市)土壤侵蝕遙感［4］調(diào)查表明:晉寧縣土地總面積1225.41km2，土壤侵蝕面積331.2km2，土壤侵蝕以輕度和中度侵蝕為主，全縣平均土壤侵蝕模數(shù)為949t/km2·a。

東大河前置庫的水土流失主要來源于河道下游，上游河水中攜帶的泥沙大部分被雙龍水庫、大春河水庫、洛武河水庫攔截，在三座水庫以下的水土流失大部分是通過徑流、暴雨進(jìn)入前置庫，三座水庫以下匯水面積為109.04km2。經(jīng)計算，東大河流域平均土壤侵蝕模數(shù)460t/km2·a。

表1 流域不同侵蝕強(qiáng)度分級表［5］

2.1.2 流域內(nèi)水土保持綜合整治情況

流域內(nèi)水土流失類型主要是水力侵蝕，流域上游分大春河、中和鋪、寶峰三個小流域開展水土流失綜合整治，至2010年已完成治理面積51.94km2，生態(tài)修復(fù)面積37.10km2。治理情況詳見表2。

表2 東大河上游小流域水土保持綜合整治情況表

2.1.3 上游主要水庫入庫水土流失量分析

東大河流域上游主要有中型水庫1座，小(一)型水庫2座，分別是雙龍水庫、大春河水庫、洛武河水庫，水庫蓄水?dāng)r截了上游徑流區(qū)大部分的水土流失。然而，水庫定期的排沙是水庫對下游東大河流域的主要水土流失貢獻(xiàn)。

東大河流域內(nèi)無泥沙實測資料，在現(xiàn)有資料情況下，泥沙計算采用土壤侵蝕模數(shù)圖法進(jìn)行估算［3］。查1∶20萬《云南省土壤侵蝕圖》(2000年版)，東大河上游三座水庫入庫泥沙量匯總于表3。

表3 水庫入庫泥沙量表

參照昆明市大多數(shù)中小型水庫的一般運(yùn)行管理經(jīng)驗，經(jīng)綜合考慮，3座水庫排沙率均按20%計，因此3座水庫多年平均排沙量合計為3880t(只考慮推移質(zhì))。

2.1.4 東大河流域入庫水土流失量分析

東大河流域在3座水庫以下的水土流失大部分是通過徑流、暴雨進(jìn)入前置庫，3座水庫以下匯水面積為109.04km2。其中:微度侵蝕面積79.57km2，土壤侵蝕面積29.47km2。土壤侵蝕面積中:輕度侵蝕面積19.66km2，中度侵蝕面積9.73km2，強(qiáng)度侵蝕面積0.06km2。

按各級水土流失面積和不同級別侵蝕模數(shù)計算，下游區(qū)間流域年平均水土流失總量為50169t。通過實測，可能通過河道、雨水沖刷等方式進(jìn)入東大河前置庫的水土流失量約占水土流失總量的8%，由此計算得到東大河前置庫年水土流失量為4013.52t。

2.1.5 分析結(jié)論

東大河入滇池口斷面年平均水土流失主要來源于水庫排沙和徑流區(qū)匯水推移質(zhì)入河、入庫水土流失，年攔截水土流失總量為:上游主要水庫多年平均排沙量+入庫水土流失量=3880+4013.52=7893.52t。按照東大河前置庫2008年初至2010年底，3年計算，攔截水土流失總量為23680.56t。

表4 東大河流域入庫水土流失量分析

2.2 入庫泥沙沉積規(guī)律監(jiān)測研究分析

2.2.1 開展監(jiān)測研究基本情況

自2008年東大河前置庫建設(shè)完成后，就泥沙沉積情況進(jìn)行了為期三年的監(jiān)測研究。底泥沉積監(jiān)測點(diǎn)為S1～S5點(diǎn)，分別是進(jìn)水點(diǎn)、沉沙中心區(qū)、沉沙－生物塘邊緣區(qū)、生物塘中心區(qū)和出水點(diǎn)。泥沙一大部分來自暴雨期間徑流經(jīng)河道攜帶進(jìn)入;一部分則由于風(fēng)浪擾動底泥，由外海涌入庫中，在庫中進(jìn)行沉積。通過對水深和水位測定，對各點(diǎn)底高程可進(jìn)行推算，近而推測泥沙的堆積狀況。

2.2.2 研究內(nèi)容與成果

2008年為建設(shè)完工第一年，也是沉積效果最明顯的一年。在沉沙中心區(qū)，堆積厚度最大，為0.33m，沉沙－生物塘邊緣區(qū)、生物塘中心區(qū)和出水點(diǎn)分別堆積厚度為0.16m、0.15m和0.17m。沉沙區(qū)泥沙堆積量為 5141m3，一般沉淀區(qū)為7808m3，總泥沙堆積量為 12949m3。2009年與2010年泥沙堆積厚度與沉積量基本穩(wěn)定一致，泥沙堆積厚度在0.123～0.125m，泥沙沉積量分別為7840m3和8214m3。監(jiān)測分析詳見表5。

表5 2008年前置庫各監(jiān)測點(diǎn)泥沙沉積情況監(jiān)測分析表 (m)

表6 2009年前置庫各監(jiān)測點(diǎn)泥沙沉積情況監(jiān)測分析表 (m)

表7 2010年前置庫各監(jiān)測點(diǎn)泥沙沉積情況監(jiān)測分析表 (m)

2.2.3 研究結(jié)論

前置庫庫體內(nèi)有4個常規(guī)監(jiān)測點(diǎn)，從2008年年初開始，至2010年12月，沉淀區(qū)、沉淀－水生植物塘交錯區(qū)、水生植物區(qū)中心、出水口內(nèi)側(cè)泥沙堆積厚度分別為0.64、0.31、0.58、0.28m，平均淤積厚度為0.452m，泥沙淤積量達(dá)29003m3。

表8 2008年～2010年東大河前置庫泥沙沉積情況分析表/m

2.3 實測地形圖泥沙沉積量分析

2.3.1 水下地形測量

2008年5月、2010年6月對東大河前置庫進(jìn)行了兩次水下地形測量。通過水下地形圖測量結(jié)果發(fā)現(xiàn):2008年測量地形，對應(yīng)于滇池正常水位1887.4m的庫容為105496m3，整個前置庫分為河道進(jìn)口段、沉淀區(qū)、水生植物凈化區(qū)、出口四個部分，從地形圖中可以看出，沉淀區(qū)地形由于疏挖控制的原因，地形起伏不定，在疏挖中心區(qū)最低高程達(dá)到1884.49m，最高高程1886.19m，高差達(dá)到1.7m。

2010年測量地形，對應(yīng)于滇池正常水位1887.4m的庫容為99355m3，從地形圖中可以看出，沉淀區(qū)地形經(jīng)過兩年多的沉淀，地形起伏高差較兩年前平緩。

2.3.2 泥沙沉積量

通過兩次測量比較，2010年6月前置庫庫容相對于2008年5月減少了6141m2，年均沉沙量2856m3。由此推算，2008～2010年三年泥沙沉積量為8568m3。

2.3.3 泥沙沉積范圍

針對水下地形的變化，我們對前置庫延水流方向中軸線各畫一條地形高程線，對泥沙沉積情況進(jìn)行對比分析，圖3、圖4中里程0m為河道上小鐵橋處，里程80～320m為沉淀區(qū)，320～600m為水生植物凈化區(qū)，600m為前置庫開口入滇池處。

從圖3、圖4中可以看出，泥沙沉積主要發(fā)生在河道段及沉淀區(qū)，河道段平均沉積厚度為20cm;沉淀區(qū)平均沉積厚度為28cm，最大沉積厚度為56cm，最小沉積厚度11cm，水流至里程240m處，泥沙沉積情況開始減弱，從以上數(shù)據(jù)可以看出，東大河水流在水面擴(kuò)大5倍以上后，前160m段為泥沙主要沉淀區(qū)。

在數(shù)據(jù)中可以看出沉淀區(qū)里程160m處沉淀厚度較薄，與前后數(shù)據(jù)銜接不是很好，通過對地形圖分析后認(rèn)為，在2008年水下地形中，里程160m處北部有一個疏挖較深的低洼地，造成該點(diǎn)地形相對周圍較高，泥沙在沉積中流向低洼處，對照2010年水下地形，可以發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)北部低洼地沉積厚度較厚，與分析情況符合。

2.4 三種方法獲得的泥沙沉積效果分析

通過水土流失預(yù)測、典型區(qū)域泥沙沉積量監(jiān)測、實測水下地形圖三種方法，預(yù)測的水土流失量分別為23681t、29003t和8568t。預(yù)測結(jié)果表明:東大河前置庫有效地減緩了泥沙游動速度，為泥沙沉淀提供了有效的空間場所，在入滇池泥沙量的削減上發(fā)揮了重要作用，對東大河入滇池水土流失的防治效果明顯。

3 結(jié)果與分析

(1)水土流失預(yù)測、典型區(qū)域泥沙沉積量監(jiān)測、實測水下地形圖三種方法，預(yù)測的水土流失量分別為23681t、29003t和8568t。預(yù)測結(jié)果表明:東大河前置庫有效地減緩了泥沙游動速度，為泥沙沉淀提供了有效的空間場所，在入滇池泥沙量的削減上發(fā)揮了重要作用，對東大河入滇池水土流失的防治效果明顯。

(2)東大河流域上游主要水庫蓄水?dāng)r截了上游徑流區(qū)大部分的水土流失。經(jīng)分析，在上游水庫攔蓄的23280t泥沙中，僅有3880t通過水庫排沙排至下游河道，因此可以看出，水庫蓄水對泥沙的沉淀及下游的水土流失的控制作用明顯。

(3)季節(jié)因素對前置庫泥沙攔蓄效果影響作用較大。東大河水量受上游水庫及沿途生活和灌溉取水影響，流量常年均較低。旱季，東大河流量約在0.287～1.52m3/s，河道水多被水庫蓄積和被提供為其它農(nóng)業(yè)和生活用水。河內(nèi)匯集了部分的生活和農(nóng)業(yè)排灌水，因此，固體懸浮物相對很低，為17.4±5.92mg/L;雨季東大河流量相對有所增大，約4.44～5.94m3/s，河道水匯集了部分地表徑流的泥沙，因此，固體懸浮物相對有所增加，為10～118.5mg/L。通過研究，前置庫雨季對固體懸浮物去除率＞74%，對透明度的改善，最大可提高77.4%。

［1］ Klaus Pütz，Jürgen Benndorf．The importance of pre － reservoirs for the control of eutrophication of reservoirs ［J］．Wat．Sc．Tech，1998，37(2):317－324．

［2］張毅敏，張永春．前置庫技術(shù)在太湖流域面源污染控制中的應(yīng)用探討 ［J］．環(huán)境污染與防治，2003，12(6):342－344．

［3］昆明市滇池生態(tài)研究所．滇池東大河河口前置庫凈化示范項目可行性研究報告［R］．2007．

［4］云南省水利廳．云南省2004年土壤侵蝕現(xiàn)狀遙感調(diào)查報告［R］．2006．

［5］ SL190－2007，土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn) ［S］．