大伙房水庫調(diào)水對上游流域土壤侵蝕變化的響應(yīng)

王之中

(撫順市水利技術(shù)推廣中心，遼寧 撫順 113008)

隨著城市的快速發(fā)展，人類活動導(dǎo)致土壤侵蝕加劇，我國水環(huán)境污染問題日益突出[1]。水質(zhì)安全關(guān)系到居民飲用水安全，保證水源地水質(zhì)安全對社會的發(fā)展具有重要意義。土地利用對水環(huán)境影響的相關(guān)研究不斷得到重視，Hwang[2]認(rèn)為土壤侵蝕程度對地表水的質(zhì)量起著決定性作用。巨拓[3]研究認(rèn)為水庫水質(zhì)污染主要來自土壤侵蝕造成的非點(diǎn)源污染。陶亮[4]對南水北調(diào)工程水源區(qū)進(jìn)行了生態(tài)泥沙和環(huán)境泥沙及泥沙資源化研究，認(rèn)為土壤侵蝕與水環(huán)境的惡化有著密切聯(lián)系。國內(nèi)外學(xué)者對水質(zhì)評價與影響因素之間的研究，取得了一些成果，但結(jié)合上游土地利用格局變化對調(diào)水輸入水質(zhì)影響的研究少有涉獵。本文以大伙房水庫上游流域土壤侵蝕數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將土壤侵蝕變化過程與水庫水質(zhì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，明確了土壤侵蝕程度與水質(zhì)間關(guān)聯(lián)程度，為更有效保護(hù)水庫水質(zhì)提供理論指導(dǎo)，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究方法

1.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)

大伙房水庫固定兩個水質(zhì)觀測斷面，包括入庫河流入水口觀測斷面(北雜木斷面)和水庫渾河出水口處觀測斷面(撫順取水口斷面)，數(shù)據(jù)觀測以自動觀測儀器與人工取樣測定分析相結(jié)合的方式。水質(zhì)觀測指標(biāo)包括大腸菌群(Coli-group)、生化需氧量(BOD)、高錳酸鉀指數(shù)(CODmn)、溶解氧(DO)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)，調(diào)水后增加了Chl-a。

1.2 土壤侵蝕與土地利用數(shù)據(jù)

根據(jù)GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》，對土地利用類型進(jìn)行劃分，土地利用數(shù)據(jù)以水土保護(hù)部門多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查為準(zhǔn)[5- 6]。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，利用遙感普查的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核驗(yàn)證[7- 8]。不同侵蝕類型占總侵蝕面積的比例如圖1所示。

圖1 不同侵蝕類型面積占總侵蝕面積的比例

調(diào)水前2008年與調(diào)水后2017年大伙房水庫上游土壤侵蝕程度變化見表1?？梢钥闯?，上游土壤侵蝕的面積有所減少，其中輕度和中度侵蝕面積減小最多，變化率分別為-25.74%和-9.37%。而強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕面積有所增加，變化幅度分別為317.32%和34.32%，劇烈侵蝕面積也呈現(xiàn)出增加的趨勢，占現(xiàn)在總侵蝕比例的0.28%。

表1 大伙房水庫上游土壤侵蝕程度變化情況

2 調(diào)水前水質(zhì)對上游土壤侵蝕的響應(yīng)

2.1 北雜木斷面水質(zhì)的響應(yīng)

上游流域土壤侵蝕程度與北雜木斷面水質(zhì)相關(guān)分析結(jié)果見表2。

可以看到，上游土壤侵蝕面積的百分比與水質(zhì)的總氮、總磷以及大腸桿菌呈正相關(guān)關(guān)系，說明土壤的侵蝕導(dǎo)致土壤中的N、P等元素流失，造成水庫中水體和下游水系中含N、P污染物増加，導(dǎo)致大伙房水庫的水質(zhì)惡化，下游水體富營養(yǎng)化；土壤侵蝕的面積比和BOD呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，說明土壤侵蝕面積的增加并不會對下游的BOD產(chǎn)生影響。上游土壤侵蝕主要是輕度侵蝕，其百分比與總氮、總磷和大腸桿菌是正相關(guān)的關(guān)系，說明下游氮和磷含量的增多主要受土壤輕度侵蝕的影響[9]。土壤輕度侵蝕面積和BOD的相關(guān)性呈顯著的負(fù)相關(guān)，說明土壤輕度侵蝕面積的增加并不會使下游水體中BOD含量發(fā)生變化。極強(qiáng)烈侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕和中度侵蝕面積所占比例與總磷含量的相關(guān)性為負(fù)，說明這三種侵蝕類型的面積并沒有對下游水系輸送過多含氮磷的物質(zhì)，對于下游水系輸送磷、氮的貢獻(xiàn)不大。極強(qiáng)烈、強(qiáng)烈和中度侵蝕程度還與大腸桿菌呈現(xiàn)一種負(fù)相關(guān)的關(guān)系，說明這三種侵蝕面積的增加并不會使下游大腸桿菌含量增加。

大伙房水庫上游劇烈侵蝕面積最小，其所占的比例與幾種指標(biāo)并沒有明顯的相關(guān)性。輕度侵蝕分布區(qū)域是造成氮磷元素流失的主要部分，是下游氮磷元素的主要來源，表層土壤的流失是造成下游水質(zhì)惡化的主要因素。

2.2 撫順取水口斷面水質(zhì)的響應(yīng)

上游流域土壤侵蝕程度與撫順取水口斷面水質(zhì)相關(guān)分析結(jié)果見表3。

可以看出，大伙房水庫上游土壤侵蝕面積的百分比和水中總氮、總磷以及大腸桿菌的含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，說明土壤侵蝕導(dǎo)致N、P等元素流失，造成大伙房水庫及下游河水中N、P元素的增加，使得下游水體富營養(yǎng)化，大腸桿菌大量繁殖，水庫水質(zhì)惡化。土壤侵蝕的面積比與BOD呈顯著負(fù)相關(guān)，說明土壤侵蝕面積的增加并不會使下游水體中BOD的含量發(fā)生變化。

表2 上游流域土壤侵蝕程度與水質(zhì)相關(guān)分析

表3 上游流域土壤侵蝕程度與水質(zhì)相關(guān)分析

上游流域土壤輕度侵蝕所占的比例與總磷以及大腸桿菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)，說明輕度侵蝕是造成氮磷等營養(yǎng)元素流失到大伙房水庫中的主要因素。土壤輕度侵蝕和BOD的相關(guān)性為顯著負(fù)相關(guān)，說明土壤輕度侵蝕面積的增加并不使下游的BOD含量發(fā)生變化。

極強(qiáng)烈侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕和中度侵蝕的面積比與總磷、大腸桿菌含量的相關(guān)性為負(fù)，說明這三種侵蝕類型對下游水系輸送磷、氮的貢獻(xiàn)不大。極強(qiáng)烈、強(qiáng)烈和中度侵蝕程度的面積百分比與BOD呈正相關(guān)的關(guān)系，說明這三種侵蝕面積的增加會使撫順斷面水中BOD含量上升。劇烈侵蝕與總氮、高錳酸鹽含量指數(shù)以及BOD呈正相關(guān)關(guān)系，說明劇烈侵蝕對下游水域氮元素的貢獻(xiàn)也較大，水體中BOD和高錳酸鹽含量增加。

3 調(diào)水后水質(zhì)對上游流域土壤侵蝕的響應(yīng)

3.1 北雜木斷面水質(zhì)的響應(yīng)

上游流域土壤侵蝕程度與北雜木斷面水質(zhì)相關(guān)分析結(jié)果見表4。

可以看出，調(diào)水后上游土壤侵蝕面積比與水中的總氮、總磷以及葉綠素a含量具有顯著的正相關(guān)，說明隨著土壤侵蝕面積的增加，土壤中的氮磷元素會逐步流失，使得下游大伙房水庫中含氮磷元素超標(biāo)，水體富營養(yǎng)化，促進(jìn)了藻類植物的繁殖，同時也造成了下游水體中葉綠素a含量的增加，使大伙房水庫水質(zhì)進(jìn)一步下降。

輕度侵蝕所占比例與總氮、總磷及葉綠素a的相關(guān)性為正，輕度侵蝕造成大伙房水庫上游表層土壤的流失，土壤中氮磷元素被輸送到大伙房水庫下游，水域水體富營養(yǎng)化，促進(jìn)了藻類繁殖，水體中葉綠素a的增加，使下游水體水質(zhì)惡化加劇。

極強(qiáng)烈侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕和中度侵蝕的面積比例與總磷、總氮含量的相關(guān)性為負(fù)，說明這三種侵蝕類型對下游水系輸送磷、氮的貢獻(xiàn)不大，一定程度上抑制了藻類的繁殖，水體中葉綠素a含量降低。也表明表層土壤的流失是造成氮磷等營養(yǎng)元素流失的主要原因，隨著侵蝕慢慢發(fā)展到強(qiáng)烈侵蝕，土壤中氮磷等營養(yǎng)元素流失減少。極強(qiáng)烈侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕和中度侵蝕所占面積與大腸桿菌呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明這三種侵蝕面積的增加不會造成北雜木斷面水質(zhì)中大腸桿菌含量增加。

劇烈侵蝕面積與水庫水流中的氨氮含量呈正相關(guān)性，說明調(diào)水后劇烈侵蝕所占面積比的增加引起了下游水體中氨氮含量的增加，劇烈侵蝕的面積百分比也與高錳酸鉀指數(shù)呈正相關(guān)，說明調(diào)水后劇烈侵蝕所占面積比的增加引起了下游水體中高錳酸鉀指數(shù)的增加。

3.2 撫順取水口斷面水質(zhì)的響應(yīng)

上游流域土壤侵蝕程度與撫順取水口斷面水質(zhì)相關(guān)分析結(jié)果見表5。

可以看出，調(diào)水后大伙房水庫上游土壤侵蝕面積比與水質(zhì)中的總氮、總磷以及葉綠素a呈顯著的正相關(guān)，說明隨著土壤侵蝕面積的增加，土壤中的氮磷元素會逐漸流失，導(dǎo)致下游大伙房水庫中氮磷元素超標(biāo)，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，同時下游水體中葉綠素a含量的增加。土壤侵蝕面積比與大腸桿菌含量呈負(fù)相關(guān)，說明調(diào)水后大伙房水庫上游侵蝕面積的增加對撫順取水口斷面水中大腸桿菌的含量沒有直接影響。

輕度侵蝕所占面積的比例與總氮、總磷以及葉綠素a呈顯著的正相關(guān)，與高錳酸鹽指數(shù)以及大腸桿菌含量也是正相關(guān)，說明輕度侵蝕造成了大伙房水庫上游表層土壤的流失，使得土壤中的氮磷元素被輸送到了大伙房水庫下游，造成了下游水域水體的富營養(yǎng)化，促進(jìn)了藻類的繁殖，進(jìn)而使得水體中葉綠素a的增加，同時高錳酸鉀和大腸桿菌含量的增加進(jìn)一步使得下游水體水質(zhì)惡化。

表4 上游流域土壤侵蝕程度與水質(zhì)相關(guān)分析

表5 上游流域土壤侵蝕程度與水質(zhì)相關(guān)分析

極強(qiáng)烈侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕和中度侵蝕的面積與古樓斷面上水質(zhì)中的總磷、總氮以及葉綠素a具有顯著的負(fù)相關(guān)，與大腸桿菌也是負(fù)相關(guān)的關(guān)系，說明這三種侵蝕區(qū)域流失土壤中所含的氮、磷元素較少，使得下游流域和古樓水域中葉綠素a和大腸桿菌含量減少。中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕所占的比例與高錳酸鉀指數(shù)的相關(guān)性為正，說明這三種侵蝕面積的增加，會引起下游撫順取水口斷面水中高錳酸鹽含量增加。

劇烈侵蝕與撫順取水口斷面水質(zhì)指標(biāo)之間并沒有顯著的相關(guān)性，因此劇烈侵蝕并未對該斷面水質(zhì)有明顯的影響。

4 結(jié)論

以大伙房水庫上游流域土壤侵蝕數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將土壤侵蝕變化過程與水庫水質(zhì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，明確了土壤侵蝕程度與水質(zhì)間關(guān)聯(lián)程度，得出以下結(jié)論：

(1)調(diào)水前上游流域的土壤侵蝕面積與各水質(zhì)指標(biāo)之間具有明顯的相關(guān)性。土壤侵蝕面積百分比與氮磷含量呈顯著正相關(guān)，表明土壤侵蝕是造成下游水質(zhì)惡化的重要因素。輕度侵蝕和營養(yǎng)素氮、磷之間具有顯著正相關(guān)，表明輕度侵蝕區(qū)域，氮磷元素的流失最多，對下游水域水體富營養(yǎng)化貢獻(xiàn)最大，而以深層土壤流失為主的其它幾種侵蝕方式對下游水體惡化影響不大。

(2)調(diào)水后上游流域的土壤侵蝕面積和各水質(zhì)指標(biāo)之間也有明顯的相關(guān)性。土壤侵蝕面積百分比與氮、磷和葉綠素a含量呈顯著正相關(guān)，表明土壤侵蝕是造成下游水質(zhì)惡化的重要因素。輕度侵蝕和營養(yǎng)素氮、磷和葉綠素a之間具有顯著正相關(guān)，表明輕度侵蝕區(qū)域，氮磷元素的流失最多，對下游水域水體富營養(yǎng)化貢獻(xiàn)最大，其它幾種侵蝕方式影響不大。