小流域河道治理水土保持生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紀(jì) 如

(德州市水文中心，山東 德州 253000)

0 引 言

現(xiàn)有的很多封閉地形單元內(nèi)，以河流與溝道為中心的小流域河流面臨水土流失嚴(yán)重、水資源利用不均等問(wèn)題，這直接導(dǎo)致很多河道具備極高的河水決堤、水源涵養(yǎng)量降低的問(wèn)題。因此，對(duì)小流域河道的治理需要與水土保持生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)相連接，使其在治理河道的同時(shí)，解決水土問(wèn)題，并針對(duì)災(zāi)害設(shè)計(jì)一定的防御措施，保證河道區(qū)域的水土與生態(tài)完整。在現(xiàn)有的水土研究中，文獻(xiàn)[1]使用RUSLE方程探究了水土保持與人為驅(qū)動(dòng)治理之間的關(guān)系，對(duì)研究區(qū)的水土保持功能進(jìn)行了測(cè)試與評(píng)價(jià)。通過(guò)研究區(qū)的空間分部格局，描繪了不同地理區(qū)間內(nèi)水土保持量的年際變化關(guān)系，并在顯著性檢驗(yàn)中為研究區(qū)的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)。文獻(xiàn)[2]基于內(nèi)蒙古麻地梁煤礦的河流水土保持提出了治理措施，將塑造生態(tài)自然為主要研究?jī)?nèi)容，通過(guò)修筑排水槽、溝頭等防護(hù)措施，因地制宜地為道路侵蝕、水土流失等提供良好的防護(hù)體系，并修筑了林木植被，建立不同層次的水土流失防護(hù)體系，為生態(tài)治理提供了良好的方法與技術(shù)。文獻(xiàn)[3]以小興安嶺丘陵地帶的河道為研究對(duì)象，針對(duì)水土流失問(wèn)題對(duì)河流治理提出了新的解決措施，以生態(tài)保護(hù)以及水土流失的危害為基礎(chǔ)，論述了其防治的技術(shù)以及理論體系。綜合以上文獻(xiàn)，本文設(shè)計(jì)一種新的小流域河道治理水土保持方法，將河道流域分為不同的功能區(qū)間，并依據(jù)不同的功能區(qū)設(shè)定不同的建設(shè)與改造方式。

1 小流域河道治理水土保持生態(tài)系統(tǒng)研究

1.1 流域功能區(qū)劃分

在一個(gè)研究區(qū)內(nèi)，河道的水土現(xiàn)狀存在較大的差異，因此需要將其分為不同的區(qū)域，精準(zhǔn)定位區(qū)域治理的方向，在治理河道前首先確定治理的方向，避免規(guī)劃過(guò)程中的避重就輕問(wèn)題[4]。劃分小流域的功能區(qū)，可以依據(jù)圖1所示的指標(biāo)。

圖1 小流域功能分區(qū)

圖1中，考慮到人文、經(jīng)濟(jì)、地理等方面的影響，根據(jù)多角度的因素對(duì)小流域的功能分區(qū)進(jìn)行治理。使用SPSS等軟件，利用GIS空間分析的功能，對(duì)該地理分區(qū)進(jìn)行定量與定性的聚類(lèi)。計(jì)算樣本之間的歐式距離，將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，公式為：

(1)

通過(guò)樣本的距離計(jì)算，可以劃分變量之間的距離相似度，并計(jì)算最短距離、最長(zhǎng)距離、中心距離的距離平方和，然后通過(guò)組內(nèi)連接劃分聚類(lèi)數(shù)目，將河道分為生態(tài)修復(fù)區(qū)、生態(tài)治理區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)3類(lèi)，分別設(shè)計(jì)其水土保持的治理方法。

1.2 河道功能區(qū)水土保持治理方法

1.2.1 生態(tài)修復(fù)區(qū)建設(shè)

生態(tài)修復(fù)區(qū)一般為水土流失現(xiàn)象較為嚴(yán)重的區(qū)域，其主要特征為墾殖放牧過(guò)度，再加上干旱環(huán)境的影響下，土壤的沙質(zhì)化現(xiàn)象較為明顯，風(fēng)力侵蝕較為嚴(yán)重，造成土地退化，耕地、草地面積減少等現(xiàn)象。有些生態(tài)修復(fù)區(qū)的地理位置較高，周邊地區(qū)坡度較陡，水土流失現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。在生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)，人類(lèi)對(duì)自然環(huán)境的破壞已經(jīng)超出了生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力，因此需要通過(guò)一定能夠的方式，幫助受損的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)力量[7-8]。一般通過(guò)水土流失的系數(shù)以及天然土壤的密度作為水土流失的指標(biāo)，土壤密度的計(jì)算公式為：

(2)

式中：ρk為土壤的天然密度；ρg為土壤蒸發(fā)水分后的密度；md和mt分別為測(cè)徑卡尺的質(zhì)量以及土樣質(zhì)量；Vd為土壤測(cè)量體積；Nw為研究區(qū)土壤的含水率，一般以百分?jǐn)?shù)的形式表示[9]。

當(dāng)ρk與ρg之差大于1.3時(shí)，表明修復(fù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)自我調(diào)節(jié)完畢，水土流失現(xiàn)象得到了控制。

1.2.2 生態(tài)治理區(qū)建設(shè)

生態(tài)治理區(qū)一般是小流域河道治理的重點(diǎn)區(qū)域，在治理該區(qū)域時(shí)，一般以調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，適當(dāng)減少農(nóng)藥以及化肥的使用，在人口活動(dòng)區(qū)建設(shè)垃圾處理站等防治環(huán)境污染的設(shè)施，通過(guò)改善生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)條件的方式，在提高生產(chǎn)力同時(shí)，避免環(huán)境遭受破壞。如果是在高山或者丘陵地帶，還需要控制林地水源涵養(yǎng)能力，保護(hù)經(jīng)濟(jì)林、發(fā)展具備當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)特色的林業(yè)，使用溝道淤泥處理的方式建設(shè)防風(fēng)固沙林地[10]。并且在源頭規(guī)劃礦產(chǎn)的開(kāi)發(fā)與管理方向，規(guī)定保護(hù)區(qū)域，疏通河道，保護(hù)河道的生態(tài)安全。在生態(tài)治理區(qū)中，一般使用土壤空隙比作為研究區(qū)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算公式為：

(3)

式中：fe為土壤空隙比，一般可以等價(jià)于土壤內(nèi)沙礫與水之間的體積比；ρm為飽含水的土壤密度；φp為4℃時(shí)土壤的重度，一般以kN/m3為單位；φr為土壤的重度。

當(dāng)fe≥0.1時(shí)，可以表示該研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境滿(mǎn)足生態(tài)治理建設(shè)的需求，當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境已經(jīng)得到了有效的治理。

1.3 生態(tài)保護(hù)區(qū)建設(shè)

生態(tài)保護(hù)區(qū)是研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境最好的區(qū)域，一般不必去治理與修復(fù)，只需要適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)其不受破壞。在生態(tài)保護(hù)區(qū)內(nèi)，水質(zhì)輕盈、環(huán)境優(yōu)美，整體的生態(tài)環(huán)境建設(shè)十分突出。但是在一些小流域河流的源頭處，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)泥沙淤積等問(wèn)題，這樣的情況如果繼續(xù)發(fā)展是會(huì)影響到生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的。通過(guò)下游土壤的侵蝕模數(shù)，可以間接判斷河流的淤積情況：

(4)

式中：Dw為河流的徑流量；Ds為土壤侵蝕總量；ΔDm和ΔDu分別為徑流減少的模數(shù)以及徑流增加的模數(shù)；Fd和Fe分別為土壤有效面積與河流的總面積；Sf為水流含沙量。

在式(4)中，當(dāng)Dw>1.3，且Ds>5.24時(shí)，表明該研究分區(qū)內(nèi)存在泥沙淤積的河流，需要及時(shí)清理，保證生態(tài)區(qū)的水土環(huán)境。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 水土保持生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)核定

為測(cè)試文中設(shè)計(jì)的小流域河道治理水土保持生態(tài)系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，探究該治理方法下生態(tài)效益的發(fā)展情況。將某小流域河道作為研究區(qū)，判斷該研究區(qū)經(jīng)過(guò)治理后水土保持的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，該方法水土保持生態(tài)效益的評(píng)價(jià)體系框架見(jiàn)表1。

表1 水土保持生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)

表1中，將河道治理水土保持生態(tài)系統(tǒng)的效益分為4類(lèi)一級(jí)指標(biāo)，分別為生態(tài)安全指標(biāo)、生態(tài)景觀指標(biāo)、生態(tài)氣候指標(biāo)、生態(tài)恢復(fù)指標(biāo)；4類(lèi)一級(jí)指標(biāo)又可以繼續(xù)劃分為12類(lèi)二級(jí)指標(biāo)，這些指標(biāo)共同構(gòu)成水土保持生態(tài)效益評(píng)價(jià)體系。結(jié)合該指標(biāo)體系，可以通過(guò)該決策模型計(jì)算生態(tài)效益的靈敏度，并獲取一級(jí)指標(biāo)權(quán)重的判斷矩陣：

(5)

結(jié)合式(5)所示的判斷矩陣，計(jì)算矩陣的最大特征根：

(6)

式中：ηmax為該矩陣的最大特征根；n為矩陣的橫縱參數(shù)數(shù)量；Dn為生態(tài)效益指標(biāo)的排序；Wi為具體指標(biāo)的權(quán)值。

根據(jù)式(6)，可以依次計(jì)算一致性指標(biāo)和一致性比例，公式為：

(7)

式中：CIn為該指標(biāo)的一致性指標(biāo)；CRn為一致性比例。當(dāng)CIn<0.9，CRn<0.1時(shí)，可以判斷該矩陣具備較為滿(mǎn)意的一致性，可以接受。根據(jù)式(6)，可以得到最終的生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)最終權(quán)重，見(jiàn)表2。

依據(jù)表2中的指標(biāo)權(quán)重，分別對(duì)研究區(qū)內(nèi)的河道治理水土保持情況進(jìn)行等級(jí)賦值，并依據(jù)12種指標(biāo)分別判斷其水土保持生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值。

表2 生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.2 河道水土保持生態(tài)效益價(jià)值評(píng)估

2.2.1 生態(tài)安全價(jià)值

生態(tài)安全的價(jià)值主要體現(xiàn)在防洪效益以及河床、河岸的穩(wěn)定性方面，因此可以直接通過(guò)研究區(qū)域的年平均災(zāi)害損失，計(jì)算該區(qū)域的河道治理價(jià)值。災(zāi)害損失的計(jì)算公式為：

(8)

式中：Yp為10年內(nèi)該研究區(qū)的洪災(zāi)、河道、河床等災(zāi)害所造成的年平均損失，億元；pi和pi-1為某一年以及前一年的水災(zāi)頻率；Yi和Yi-1分別為該年以及前一年的損失。

經(jīng)過(guò)河道治理后，水災(zāi)頻率會(huì)大幅度降低，水災(zāi)防治所帶來(lái)的生態(tài)安全效益見(jiàn)表3。

由表3可知，經(jīng)過(guò)治理后的河道洪水頻率會(huì)大幅度下降，且由洪水導(dǎo)致年平均損失也會(huì)相應(yīng)減少，經(jīng)濟(jì)損失降低至原本的25%，大幅度節(jié)省了由生態(tài)安全導(dǎo)致的損失。

表3 生態(tài)安全效益

2.2.2 生態(tài)景觀價(jià)值

生態(tài)景觀價(jià)值一方面為河流水土保持帶來(lái)的植被固碳、制氧價(jià)值，另一方面則是植被、含氧量以及環(huán)境舒適所附加的宜居成本，為研究區(qū)帶來(lái)的旅游價(jià)值，這兩項(xiàng)價(jià)值均能夠?qū)ρ芯繀^(qū)的生態(tài)景觀價(jià)值造成一定的影響。通過(guò)式(9)，可以計(jì)算河流水土保持的固碳以及制氧價(jià)值：

(9)

式中：Y1和Y2分別為研究區(qū)域由河流治理所帶來(lái)的水土保持固碳制氧價(jià)值；Sgreen為研究區(qū)域原本的綠地面積；ηtree為原始區(qū)域年平均固碳量；ηO2為該區(qū)域原本的年平均制氧量。

經(jīng)過(guò)研究顯示，一片區(qū)域內(nèi)的景區(qū)效益通常與該區(qū)域的含氧量具備正相關(guān)的關(guān)系，因此可以通過(guò)上述公式計(jì)算該研究區(qū)的景區(qū)效益價(jià)值：

(10)

式中：Yjg為有生態(tài)景觀導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)效益價(jià)值。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，研究區(qū)未治理河道前的經(jīng)濟(jì)效益為963.25萬(wàn)元。而經(jīng)過(guò)河道治理后，該片區(qū)域的制備覆蓋量大幅度增加，含氧量也相應(yīng)提高，其景觀價(jià)值提高了約36%左右。

2.3 生態(tài)氣候價(jià)值

研究區(qū)在生態(tài)氣候方面的最大價(jià)值就是由綠色植被帶來(lái)的熱島效應(yīng)削弱效果，城市內(nèi)由于各方面的影響，在夏季的體表溫度會(huì)比周邊鄉(xiāng)村的環(huán)境高出4℃～5℃，而研究區(qū)由于河道的治理會(huì)出現(xiàn)一定的熱島效應(yīng)減弱現(xiàn)象，從而減少空調(diào)成本，同時(shí)還會(huì)阻礙大氣污染物騰空，進(jìn)而影響空氣質(zhì)量。通過(guò)這兩項(xiàng)作用造成的價(jià)值計(jì)算公式為：

(11)

式中：Y3和Y4分別為由熱島效應(yīng)削弱降低的空調(diào)制冷成本，以及阻滯降塵的價(jià)值；Wf為研究區(qū)空調(diào)年耗電量；δC為植被調(diào)解空氣的能力；βk為研究區(qū)大氣污染物的年平均治理成本。

在該研究區(qū)內(nèi)，夏季需要空調(diào)的時(shí)間約為60 d左右。因此可以通過(guò)計(jì)算得知，該河道治理技術(shù)能夠由生態(tài)景觀價(jià)值帶來(lái)約432.52萬(wàn)元的價(jià)值。

2.4 生態(tài)恢復(fù)價(jià)值

研究區(qū)河道治理的水土保持生態(tài)恢復(fù)價(jià)值主要體現(xiàn)在吸收二氧化硫、減少土壤侵蝕以及保護(hù)水源等方面，計(jì)算公式為：

(12)

式中：Y5為研究區(qū)吸收二氧化硫造成的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；Y6為河道治理后減少土地侵蝕的價(jià)值；Y7為水源涵養(yǎng)量提高造成的價(jià)值；XSO2為單位面積綠地吸收二氧化硫的量；HSO2為治理單位體積二氧化硫的成本；Syx為研究區(qū)的土壤面積；k1和k2分別為河道治理前后土壤的侵蝕模數(shù)；ui表示單位體積土壤質(zhì)量；Vi表示年平均降水量；V1和V2為單位面積綠地的水源蒸發(fā)量以及地表徑流量。

將Y5、Y6和Y6相加即可得到生態(tài)恢復(fù)的總價(jià)值。在該研究區(qū)內(nèi)，由于河道的治理得到的生態(tài)恢復(fù)價(jià)值約為524.1萬(wàn)元。由以上數(shù)據(jù)可知，根據(jù)本文得到的小流域河道治理水土保持生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具備較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，無(wú)論是生態(tài)安全、生態(tài)景觀、生態(tài)氣候還是生態(tài)恢復(fù)均可以造就較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，節(jié)約成本。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種保證水土生態(tài)的小流域河道治理模式，將研究區(qū)域分為生態(tài)修復(fù)區(qū)、生態(tài)治理區(qū)以及生態(tài)保護(hù)區(qū)，在滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提下，根據(jù)各個(gè)功能區(qū)的具體需求分別確定治理措施，并在實(shí)驗(yàn)中探究了該治理措施的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，其可以節(jié)約大量的成本，具備極高的經(jīng)濟(jì)效益。