小流域河道治理水土保持生态系统设计

纪 如

(德州市水文中心，山东 德州 253000)

0 引 言

现有的很多封闭地形单元内，以河流与沟道为中心的小流域河流面临水土流失严重、水资源利用不均等问题，这直接导致很多河道具备极高的河水决堤、水源涵养量降低的问题。因此，对小流域河道的治理需要与水土保持生态系统的建设相连接，使其在治理河道的同时，解决水土问题，并针对灾害设计一定的防御措施，保证河道区域的水土与生态完整。在现有的水土研究中，文献[1]使用RUSLE方程探究了水土保持与人为驱动治理之间的关系，对研究区的水土保持功能进行了测试与评价。通过研究区的空间分部格局，描绘了不同地理区间内水土保持量的年际变化关系，并在显著性检验中为研究区的生态保护与修复提供了科学依据。文献[2]基于内蒙古麻地梁煤矿的河流水土保持提出了治理措施，将塑造生态自然为主要研究内容，通过修筑排水槽、沟头等防护措施，因地制宜地为道路侵蚀、水土流失等提供良好的防护体系，并修筑了林木植被，建立不同层次的水土流失防护体系，为生态治理提供了良好的方法与技术。文献[3]以小兴安岭丘陵地带的河道为研究对象，针对水土流失问题对河流治理提出了新的解决措施，以生态保护以及水土流失的危害为基础，论述了其防治的技术以及理论体系。综合以上文献，本文设计一种新的小流域河道治理水土保持方法，将河道流域分为不同的功能区间，并依据不同的功能区设定不同的建设与改造方式。

1 小流域河道治理水土保持生态系统研究

1.1 流域功能区划分

在一个研究区内，河道的水土现状存在较大的差异，因此需要将其分为不同的区域，精准定位区域治理的方向，在治理河道前首先确定治理的方向，避免规划过程中的避重就轻问题[4]。划分小流域的功能区，可以依据图1所示的指标。

图1 小流域功能分区

图1中，考虑到人文、经济、地理等方面的影响，根据多角度的因素对小流域的功能分区进行治理。使用SPSS等软件，利用GIS空间分析的功能，对该地理分区进行定量与定性的聚类。计算样本之间的欧式距离，将数据标准化处理，公式为：

(1)

通过样本的距离计算，可以划分变量之间的距离相似度，并计算最短距离、最长距离、中心距离的距离平方和，然后通过组内连接划分聚类数目，将河道分为生态修复区、生态治理区、生态保护区3类，分别设计其水土保持的治理方法。

1.2 河道功能区水土保持治理方法

1.2.1 生态修复区建设

生态修复区一般为水土流失现象较为严重的区域，其主要特征为垦殖放牧过度，再加上干旱环境的影响下，土壤的沙质化现象较为明显，风力侵蚀较为严重，造成土地退化，耕地、草地面积减少等现象。有些生态修复区的地理位置较高，周边地区坡度较陡，水土流失现象会更加严重。在生态修复区内，人类对自然环境的破坏已经超出了生态系统的自我调节能力，因此需要通过一定能够的方式，帮助受损的生态环境恢复力量[7-8]。一般通过水土流失的系数以及天然土壤的密度作为水土流失的指标，土壤密度的计算公式为：

(2)

式中：ρk为土壤的天然密度；ρg为土壤蒸发水分后的密度；md和mt分别为测径卡尺的质量以及土样质量；Vd为土壤测量体积；Nw为研究区土壤的含水率，一般以百分数的形式表示[9]。

当ρk与ρg之差大于1.3时，表明修复区的生态环境已经自我调节完毕，水土流失现象得到了控制。

1.2.2 生态治理区建设

生态治理区一般是小流域河道治理的重点区域，在治理该区域时，一般以调整农业结构为基础，适当减少农药以及化肥的使用，在人口活动区建设垃圾处理站等防治环境污染的设施，通过改善生产环境和生产条件的方式，在提高生产力同时，避免环境遭受破坏。如果是在高山或者丘陵地带，还需要控制林地水源涵养能力，保护经济林、发展具备当地生态特色的林业，使用沟道淤泥处理的方式建设防风固沙林地[10]。并且在源头规划矿产的开发与管理方向，规定保护区域，疏通河道，保护河道的生态安全。在生态治理区中，一般使用土壤空隙比作为研究区建设的标准，其计算公式为：

(3)

式中：fe为土壤空隙比，一般可以等价于土壤内沙砾与水之间的体积比；ρm为饱含水的土壤密度；φp为4℃时土壤的重度，一般以kN/m3为单位；φr为土壤的重度。

当fe≥0.1时，可以表示该研究区的生态环境满足生态治理建设的需求，当地的生态环境已经得到了有效的治理。

1.3 生态保护区建设

生态保护区是研究区内生态环境最好的区域，一般不必去治理与修复，只需要适当的保护其不受破坏。在生态保护区内，水质轻盈、环境优美，整体的生态环境建设十分突出。但是在一些小流域河流的源头处，经常会出现泥沙淤积等问题，这样的情况如果继续发展是会影响到生态环境问题的。通过下游土壤的侵蚀模数，可以间接判断河流的淤积情况：

(4)

式中：Dw为河流的径流量；Ds为土壤侵蚀总量；ΔDm和ΔDu分别为径流减少的模数以及径流增加的模数；Fd和Fe分别为土壤有效面积与河流的总面积；Sf为水流含沙量。

在式(4)中，当Dw>1.3，且Ds>5.24时，表明该研究分区内存在泥沙淤积的河流，需要及时清理，保证生态区的水土环境。

2 实验研究

2.1 水土保持生态系统评价指标核定

为测试文中设计的小流域河道治理水土保持生态系统的有效性，设计如下实验，探究该治理方法下生态效益的发展情况。将某小流域河道作为研究区，判断该研究区经过治理后水土保持的生态经济效益。建立评价指标，该方法水土保持生态效益的评价体系框架见表1。

表1 水土保持生态效益评价指标

表1中，将河道治理水土保持生态系统的效益分为4类一级指标，分别为生态安全指标、生态景观指标、生态气候指标、生态恢复指标；4类一级指标又可以继续划分为12类二级指标，这些指标共同构成水土保持生态效益评价体系。结合该指标体系，可以通过该决策模型计算生态效益的灵敏度，并获取一级指标权重的判断矩阵：

(5)

结合式(5)所示的判断矩阵，计算矩阵的最大特征根：

(6)

式中：ηmax为该矩阵的最大特征根；n为矩阵的横纵参数数量；Dn为生态效益指标的排序；Wi为具体指标的权值。

根据式(6)，可以依次计算一致性指标和一致性比例，公式为：

(7)

式中：CIn为该指标的一致性指标；CRn为一致性比例。当CIn<0.9，CRn<0.1时，可以判断该矩阵具备较为满意的一致性，可以接受。根据式(6)，可以得到最终的生态效益评价指标最终权重，见表2。

依据表2中的指标权重，分别对研究区内的河道治理水土保持情况进行等级赋值，并依据12种指标分别判断其水土保持生态系统的价值。

表2 生态效益评价指标权重

2.2 河道水土保持生态效益价值评估

2.2.1 生态安全价值

生态安全的价值主要体现在防洪效益以及河床、河岸的稳定性方面，因此可以直接通过研究区域的年平均灾害损失，计算该区域的河道治理价值。灾害损失的计算公式为：

(8)

式中：Yp为10年内该研究区的洪灾、河道、河床等灾害所造成的年平均损失，亿元；pi和pi-1为某一年以及前一年的水灾频率；Yi和Yi-1分别为该年以及前一年的损失。

经过河道治理后，水灾频率会大幅度降低，水灾防治所带来的生态安全效益见表3。

由表3可知，经过治理后的河道洪水频率会大幅度下降，且由洪水导致年平均损失也会相应减少，经济损失降低至原本的25%，大幅度节省了由生态安全导致的损失。

表3 生态安全效益

2.2.2 生态景观价值

生态景观价值一方面为河流水土保持带来的植被固碳、制氧价值，另一方面则是植被、含氧量以及环境舒适所附加的宜居成本，为研究区带来的旅游价值，这两项价值均能够对研究区的生态景观价值造成一定的影响。通过式(9)，可以计算河流水土保持的固碳以及制氧价值：

(9)

式中：Y1和Y2分别为研究区域由河流治理所带来的水土保持固碳制氧价值；Sgreen为研究区域原本的绿地面积；ηtree为原始区域年平均固碳量；ηO2为该区域原本的年平均制氧量。

经过研究显示，一片区域内的景区效益通常与该区域的含氧量具备正相关的关系，因此可以通过上述公式计算该研究区的景区效益价值：

(10)

式中：Yjg为有生态景观导致的经济效益价值。

经过计算可知，研究区未治理河道前的经济效益为963.25万元。而经过河道治理后，该片区域的制备覆盖量大幅度增加，含氧量也相应提高，其景观价值提高了约36%左右。

2.3 生态气候价值

研究区在生态气候方面的最大价值就是由绿色植被带来的热岛效应削弱效果，城市内由于各方面的影响，在夏季的体表温度会比周边乡村的环境高出4℃～5℃，而研究区由于河道的治理会出现一定的热岛效应减弱现象，从而减少空调成本，同时还会阻碍大气污染物腾空，进而影响空气质量。通过这两项作用造成的价值计算公式为：

(11)

式中：Y3和Y4分别为由热岛效应削弱降低的空调制冷成本，以及阻滞降尘的价值；Wf为研究区空调年耗电量；δC为植被调解空气的能力；βk为研究区大气污染物的年平均治理成本。

在该研究区内，夏季需要空调的时间约为60 d左右。因此可以通过计算得知，该河道治理技术能够由生态景观价值带来约432.52万元的价值。

2.4 生态恢复价值

研究区河道治理的水土保持生态恢复价值主要体现在吸收二氧化硫、减少土壤侵蚀以及保护水源等方面，计算公式为：

(12)

式中：Y5为研究区吸收二氧化硫造成的经济价值；Y6为河道治理后减少土地侵蚀的价值；Y7为水源涵养量提高造成的价值；XSO2为单位面积绿地吸收二氧化硫的量；HSO2为治理单位体积二氧化硫的成本；Syx为研究区的土壤面积；k1和k2分别为河道治理前后土壤的侵蚀模数；ui表示单位体积土壤质量；Vi表示年平均降水量；V1和V2为单位面积绿地的水源蒸发量以及地表径流量。

将Y5、Y6和Y6相加即可得到生态恢复的总价值。在该研究区内，由于河道的治理得到的生态恢复价值约为524.1万元。由以上数据可知，根据本文得到的小流域河道治理水土保持生态系统设计方法具备较高的经济价值，无论是生态安全、生态景观、生态气候还是生态恢复均可以造就较高的经济价值，节约成本。

3 结 语

本文设计了一种保证水土生态的小流域河道治理模式，将研究区域分为生态修复区、生态治理区以及生态保护区，在满足经济发展的前提下，根据各个功能区的具体需求分别确定治理措施，并在实验中探究了该治理措施的经济价值。由实验数据可知，其可以节约大量的成本，具备极高的经济效益。