云南高原湖泊山區(qū)小流域水環(huán)境治理對(duì)策

侯長(zhǎng)定, 柯 凡, 侯易辰

(1.玉溪市環(huán)境科學(xué)研究所，云南 玉溪 653100；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008； 3. 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

云南高原湖泊無過境河流，流域內(nèi)大氣降水、森林滯留水和少量地下水是湖泊水資源的主要來源，由于補(bǔ)給系數(shù)小，所以換水周期長(zhǎng)，生態(tài)系統(tǒng)較脆弱[1]。除湖面以外，云南高原湖泊水源補(bǔ)給區(qū)的土地利用以有林地和農(nóng)耕地為主[2]，在農(nóng)耕地面源污染不斷加重的情況下，以有林地為主的山區(qū)小流域分布于湖泊四周，發(fā)揮著調(diào)節(jié)氣候、保護(hù)地表、攔蓄雨水等多種效應(yīng)，構(gòu)成了湖泊重要的生態(tài)屏障和主要的清潔水源涵養(yǎng)區(qū)。然而，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較落后，這些小流域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)治理長(zhǎng)期以來投入不足，由水土流失和農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染引起的水環(huán)境惡化已不容忽視。目前，針對(duì)云南高原湖泊山區(qū)小流域水環(huán)境治理的研究尚不見報(bào)道，本文以撫仙湖尖山河為例，依據(jù)山區(qū)小流域水環(huán)境污染的原因及特點(diǎn)，對(duì)其水環(huán)境綜合治理的對(duì)策措施進(jìn)行探討，以期為類似小流域的治理提供借鑒。

1 尖山河水環(huán)境現(xiàn)狀

尖山河是撫仙湖第三大入湖河流，位于湖泊西北岸(圖1)，徑流面積29.86km2，海拔1720.0～2347.4m。小流域內(nèi)分布有23個(gè)自然村，以種植烤煙和菜碗豆為主要產(chǎn)業(yè)，是典型的山地農(nóng)業(yè)區(qū)。區(qū)域內(nèi)雨熱同季，多年年均氣溫14.0℃，平均降雨量1050mm，其中雨季降雨量占全年總降雨量的80%以上。土壤以紫色土和紅壤為主，林地沿河谷兩側(cè)山地分布。

圖1 尖山河小流域地理位置

根據(jù)玉溪市環(huán)境監(jiān)測(cè)站1995年、2005年和2013年雨季(5—10月)每月1次的監(jiān)測(cè)結(jié)果，尖山河入湖河水中的TN、TP等對(duì)撫仙湖水質(zhì)形成污染，其中TN污染上升趨勢(shì)明顯(圖2)。雨季20場(chǎng)大雨的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，尖山河入湖河水平均含泥沙量17.3kg/m3，是附近壩區(qū)河流的上百倍，表明山區(qū)小流域水土流失較為嚴(yán)重。2013年8月對(duì)尖山河同一場(chǎng)次降雨的跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，降雨期間入湖河水的污染物濃度遠(yuǎn)高于雨后入湖水質(zhì)，降雨產(chǎn)生的沖蝕污染十分顯著(表1)。

圖2 不同年際雨季期間尖山河入湖水質(zhì)與撫仙湖水質(zhì)比較

表1 尖山河同一場(chǎng)次降雨入湖水質(zhì)跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果(mg/L)

2 水環(huán)境污染的成因

2.1 水土流失嚴(yán)重

尖山河水土流失總面積1724.8hm2，占流域總面積的57.8%，造成水土流失嚴(yán)重的原因主要包括以下6個(gè)方面：

(1)地形。尖山河屬于山地結(jié)構(gòu)，相對(duì)高差600多m，地面坡度>15°的面積占60.9%，山高坡陡是形成小流域土壤侵蝕嚴(yán)重的主要地理?xiàng)l件。

(2)氣候。尖山河山區(qū)氣候多變，土壤和巖石風(fēng)化強(qiáng)烈。當(dāng)雨季到來時(shí)，降雨集中，對(duì)土壤產(chǎn)生直接的侵蝕破壞作用，易形成水土流失。

(3)土質(zhì)。流域內(nèi)廣泛分布的紫色土和紅壤，結(jié)構(gòu)松散，抗蝕能力弱。

(4)植被。尖山河原生森林在人為影響下已退化為次生林和灌木林，森林涵養(yǎng)水源能力差。

(5)坡耕地。尖山河坡耕地面積1014.2hm2，約占小流域總面積的1/3。相關(guān)研究表明，尖山河坡耕地土壤侵蝕量高達(dá)7658.36t/km2[3]，是小流域地表徑流和泥沙產(chǎn)生的主要場(chǎng)所，分別占小流域產(chǎn)生總量的22.97%和62.96%[4]。

(6)局部地區(qū)采礦破壞。尖山河分布有3家頁巖磚廠，年開挖泥質(zhì)砂巖51198m3，對(duì)山體的開挖面大，水土流失嚴(yán)重。

2.2 農(nóng)業(yè)面源污染加劇

尖山河以坡耕地為主的化肥、農(nóng)藥的過量使用造成了嚴(yán)重的生態(tài)破壞和化學(xué)污染。宋婭麗等的研究結(jié)果表明，不同的施肥水平下，尖山河烤煙地氮肥利用率在25%～45%，其中55%～75%的氮素沒有被作物吸收利用，大多隨農(nóng)田徑流流失[5]。王克勤等的研究也表明，尖山河面源污染物主要來源于坡耕地和人工林，這些區(qū)域隨地表徑流產(chǎn)生的面源污染物TN、TP和COD分別占流域產(chǎn)生總量的75.01%、51.63%和66.42%，隨泥沙產(chǎn)生的TN、TP和有機(jī)質(zhì)分別占流域產(chǎn)生總量的74.12%、73.18%和62.14%[4]。近年來，受市場(chǎng)需求的影響，以菜碗豆、韭菜為代表的高污農(nóng)作物在尖山河地區(qū)發(fā)展迅速，年施肥量在4000～7500kg/ hm2，是當(dāng)?shù)厮臼┓柿康?倍以上。高污農(nóng)作物種植面積的逐年擴(kuò)大是尖山河農(nóng)業(yè)面源污染日益加劇的根本原因。

2.3 農(nóng)村環(huán)境問題突出

調(diào)查表明，尖山河小流域內(nèi)現(xiàn)有人口3473人，生活垃圾年產(chǎn)生量1266t；生活污水中主要污染物年排放量COD 82.39t、TN 15.09t、TP 1.29t；村落畜禽糞便年產(chǎn)生量8591.3t。農(nóng)村污水主要來自生活污水、畜禽排泄物和固廢堆放產(chǎn)生的滲濾液。在降雨的沖刷下，各類污水就近排入村落下游河溝，無雨時(shí)節(jié)則滯留在房前屋后的溝渠或低洼處，污染周圍環(huán)境。此外，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)所大多建于民居附近，畜禽糞便亂堆亂放；散落的簡(jiǎn)易旱廁和露天茅坑臭氣彌漫；村內(nèi)外各類垃圾隨處可見，臟亂差問題突出。

3 水環(huán)境治理思路與對(duì)策

3.1 治理思路

小流域是最基本的徑流產(chǎn)生及匯流系統(tǒng)，既是水土流失和面源污染發(fā)生的基本單元，又是水源保護(hù)的管理單元。國內(nèi)傳統(tǒng)的小流域治理，主要以水土流失治理為目標(biāo)，對(duì)水土資源及其它再生自然資源進(jìn)行保護(hù)、改良與合理利用[6]。隨著水環(huán)境污染加劇，對(duì)小流域綜合治理提出了新的要求，在傳統(tǒng)水土保持防治基礎(chǔ)上，增加了水源與水質(zhì)保護(hù)、面源污染控制、人居環(huán)境改善等目標(biāo)[7-8]，北京市在這方面率先提出了構(gòu)筑“生態(tài)修復(fù)、生態(tài)治理、生態(tài)保護(hù)”三道防線，建設(shè)生態(tài)清潔小流域的工作思路[9-11]，取得了顯著成效[12-13]。尖山河各支流呈“V”字形河谷地貌，自谷底至山梁依次為河道、坡耕地和林地，而村落依山就勢(shì)分布在兩岸山坡上。小流域內(nèi)夏季降雨集中，沿河兩岸由于坡降大，其水土流失和面源污染可在短時(shí)間內(nèi)集中入河，而且河床落差大(河床平均比降J=0.036)，急促的匯流使河水暴漲暴落，實(shí)施攔截處理極為困難。根據(jù)這些特點(diǎn)，尖山河的水環(huán)境治理需要吸收生態(tài)清潔小流域治理的成功經(jīng)驗(yàn)，遵循入河污染物的運(yùn)移規(guī)律，因地制宜地采取自上而下系統(tǒng)的、多層次的源頭→途徑→末端多級(jí)攔截防控的治理思路，才能有效地控制水環(huán)境污染。其中，河谷上游和兩岸林地產(chǎn)流區(qū)應(yīng)以水源涵養(yǎng)林保護(hù)為目標(biāo)，通過林業(yè)生態(tài)建設(shè)，保護(hù)和提高森林質(zhì)量。河谷上游和兩岸林地以下的產(chǎn)流區(qū)以坡耕地水土流失防治和農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染治理為重點(diǎn)，統(tǒng)籌考慮水環(huán)境保護(hù)、人居環(huán)境改善、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，通過合理的措施配置與布局，實(shí)施全面控源。河谷區(qū)域的治理，以入湖河水的分級(jí)處理和沿河生態(tài)緩沖帶建設(shè)為主要內(nèi)容，實(shí)施主河道入湖污染的途徑控制和生態(tài)廊道建設(shè)。

3.2 林業(yè)生態(tài)建設(shè)

尖山河現(xiàn)有植被林分質(zhì)量低，陡坡開墾破壞嚴(yán)重，可行的治理措施主要包括封山育林、低效林改造、退耕還林等。

(1)封山育林。通過禁止進(jìn)入林地放牧、割草、修枝、開荒、采石等人為活動(dòng)，對(duì)現(xiàn)有森林和新造林地實(shí)施有效管理，并依靠自然的修復(fù)過程實(shí)現(xiàn)荒山荒坡的林業(yè)生態(tài)恢復(fù)，逐步提高其蓄水保土能力。

(2)低效林改造。尖山河以疏幼林為主的低效林分布以小流域中部和北部地區(qū)較為集中，應(yīng)采用科學(xué)的混交造林模式，通過人工補(bǔ)種補(bǔ)植和誘導(dǎo)恢復(fù)等，提高低效林的生產(chǎn)力，增強(qiáng)水土保持功能。

(3)退耕還林。尖山河>25°開墾的林地面積約100hm2，需實(shí)施退耕還林。退耕還林區(qū)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)厝罕姷纳罡纳?，選擇核桃、大樹楊梅等，發(fā)展經(jīng)濟(jì)林業(yè)。

3.3 水土流失防治

根據(jù)尖山河水土流失產(chǎn)生的特點(diǎn)，防治以山坡防護(hù)、侵蝕溝谷治理和坡改梯為重點(diǎn)，通過溝坡兼治，達(dá)到治山養(yǎng)水的目的。

3.3.1 山坡防護(hù)措施

(1)小水窖建設(shè)。小水窯一般布設(shè)在坡腳或坡面局部低凹處，以容蓄坡面徑流，將雨季地表徑流有效地?cái)r蓄起來，然后利用山地落差對(duì)作物進(jìn)行自壓灌溉。實(shí)施小水窯建設(shè)，可在控制坡面水土流失的同時(shí)，有效地解決山區(qū)農(nóng)業(yè)的季節(jié)性干旱問題。

(2)截排水溝措施。截排水溝主要選擇在坡長(zhǎng)較大的耕地中間、林地與耕地交界處、河濱沿線等區(qū)域進(jìn)行布設(shè)。截流溝的作用在于截短坡長(zhǎng)，阻截坡面徑流，再由排水溝輸送至坡面蓄水工程或下游河溝，從而達(dá)到控制坡面土壤侵蝕、抗旱保墑的目的。橫向布置的截流溝采用就地開挖方式，挖出的土料直接填筑下邊溝邦，以“半挖半填”的方式進(jìn)行修筑；縱向布設(shè)的排水溝采用砼三面光澆筑，以抵抗水流沖刷。

(3)山路水土流失防治。尖山河上游鄉(xiāng)村公路尚未硬化，且缺乏排水系統(tǒng)，道路兩側(cè)多為坡耕地分布。每逢雨季，這些地區(qū)坡面徑流沖蝕嚴(yán)重，需要結(jié)合道路硬化，完善截排水系統(tǒng)和沉沙設(shè)施的建設(shè)，以消除水土流失造成的污染和危害。

3.3.2 溝谷治理

(1)攔沙壩建設(shè)。攔沙壩主要布設(shè)于各支流的中上游河道，以減弱山洪沖刷力、攔蓄泥沙污染、保護(hù)河堤穩(wěn)定為目的。依據(jù)尖山河地形地貌、水系情況和施工條件，攔砂壩適宜于采用混凝土重力壩，其壩址選擇應(yīng)充分利用峽谷“口小肚大”的地形，有利于減少工程量和增大庫容。

(2)谷坊工程。尖山河支溝、毛溝較多，采用谷坊工程對(duì)其進(jìn)行治理十分必要，不但能夠攔蓄從坡面匯入下游溝道的泥沙，而且能夠固定溝床，制止溝岸擴(kuò)張、溝底下切和溝頭前進(jìn)，減輕溝道侵蝕。

3.3.3 坡改梯土地整治

尖山河坡耕地以官松廟支流最為集中，其中約200hm2需實(shí)施坡改梯。坡改梯是25°以下坡耕地水土流失治理的主要水土保持措施[14]，其主要作用是攔蓄地表徑流，并將地表徑流轉(zhuǎn)化為地下徑流的形式流走。在攔截過程中，徑流中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素隨徑流下滲到土壤中，通過土壤固定及植物根系吸收，能夠大大降低氮、磷等面源污染物的流失污染。

3.4 農(nóng)業(yè)面源污染控制

(1)源頭控制。山地源頭污染治理較為適宜的措施主要包括：建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田，發(fā)展經(jīng)果林，促進(jìn)農(nóng)轉(zhuǎn)林產(chǎn)業(yè)的調(diào)整；建設(shè)田間漚肥池，實(shí)施桔桿漚肥還田；推廣測(cè)土配方施肥，提高化肥施用效率；采用黃藍(lán)板誘殺、頻振式殺蟲燈誘殺等綠色防控技術(shù)，達(dá)到少施或不施農(nóng)藥的目的，恢復(fù)良好的土壤生態(tài)系統(tǒng)。

(2)途徑治理。尖山河農(nóng)田徑流引起的污染主要集中在雨季的初排雨水，而在非降雨季節(jié)農(nóng)業(yè)種植需要大量灌溉用水。針對(duì)這一特點(diǎn)，在坡耕地中設(shè)置適當(dāng)面積的池塘、洼地和水田，相應(yīng)配套路渠池等小型水利水保設(shè)施，形成農(nóng)田徑流污染的途徑控制體系，通過延長(zhǎng)徑流停滯時(shí)間，使大部分泥沙及吸附的污染物得到沉降和凈化，而多余蓄水可提供作物需水時(shí)節(jié)的灌溉用水。

(3)末端生態(tài)修復(fù)。尖山河兩岸河堤陡峭，受人為開墾和河水沖刷影響，損毀嚴(yán)重。實(shí)施開墾河堤和近岸10～20m山地的退墾還河，建設(shè)河濱生態(tài)緩沖帶，可以維護(hù)河堤安全，消除沿河開墾對(duì)河流產(chǎn)生的直接污染，形成攔截凈化兩岸面源徑流污染的生態(tài)屏障。河濱生態(tài)建設(shè)中，在保持兩岸現(xiàn)有臺(tái)地或梯田地貌基礎(chǔ)上，配套相應(yīng)的截排水溝、入河溝渠沉沙系統(tǒng)和濕地系統(tǒng)，強(qiáng)化攔截凈化功能。植物選擇以土著的經(jīng)濟(jì)喬木為主，如核桃、香椿、柿子、綿竹等，在治理污染的同時(shí)，促進(jìn)山區(qū)農(nóng)林經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3.5 農(nóng)村環(huán)境綜合整治

(1)農(nóng)戶源頭治理。實(shí)踐證明，通過沼氣池建設(shè)與改圈、改廁、改廚相結(jié)合，不僅能夠?qū)θ诵蠹S便進(jìn)行無害化處理，解決農(nóng)戶源頭散排的污染問題，而且利用沼氣做飯、照明、洗浴，利用沼液、沼渣發(fā)展“豬—沼—菜”、“豬—沼—果”等生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，可較好地推進(jìn)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[15]。

(2)農(nóng)村固廢處置?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后和管理缺失是造成農(nóng)村固廢污染的主要原因，其治理的重點(diǎn)在于完善垃圾房(池)、漚肥池、生態(tài)衛(wèi)生公廁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)有機(jī)垃圾采取堆肥或是采用厭氧消化產(chǎn)生沼氣等方式進(jìn)行資源化利用，其它不可回收垃圾推行“戶分類、組收集、村轉(zhuǎn)運(yùn)、縣(鎮(zhèn))處理”機(jī)制，實(shí)施安全處置。

(3)農(nóng)村污水收集。山區(qū)村落小而分散，地形高差大，無法實(shí)施雨污分流，采用截流式合流制的集污體制較為適宜，即在村落外圍實(shí)施對(duì)上游雨水的分流，以避免村外雨水進(jìn)入村內(nèi)合流制截污系統(tǒng)，增加不必要的截污規(guī)模和治理投資。在此基礎(chǔ)上，完善現(xiàn)有各級(jí)溝渠的改造，并利用山區(qū)有利的地形高差，以重力自流方式實(shí)施村落內(nèi)污水和雨水的收集，同時(shí)配套相應(yīng)的路網(wǎng)硬化和綠化美化工程，解決村內(nèi)衛(wèi)生死角和“雨天一路泥，晴天一身灰”的污染問題，提升人居環(huán)境質(zhì)量。

(4)農(nóng)村污水處理。山區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)落后，污水處理應(yīng)著眼于技術(shù)成熟、管護(hù)費(fèi)用低的生態(tài)處理工藝。相比較而言，土壤地下滲濾系統(tǒng)工藝易堵塞，難于適應(yīng)山區(qū)農(nóng)村污水中懸浮質(zhì)高的特點(diǎn)。人工濕地在山區(qū)村落運(yùn)行，將會(huì)面臨長(zhǎng)時(shí)間缺水的情況，濕地植物無法正常生長(zhǎng)。采用以穩(wěn)定塘為主的組合工藝較為適宜，一方面可以對(duì)污水進(jìn)行有效的截流凈化，另一方面也可以蓄積一定的中水灌溉山地，對(duì)于嚴(yán)重缺水的山區(qū)來說，這一污水處理系統(tǒng)同時(shí)也相當(dāng)于一座灌溉設(shè)施，只要因地制宜地利用山地高差進(jìn)行布局，就可實(shí)現(xiàn)污水處理和就地灌溉的自流運(yùn)行，化害為利，一舉多得。

3.6 主河道入湖河水凈化

尖山河小流域自北向南依次可細(xì)分為官松廟、大石巖、養(yǎng)白牛三個(gè)子流域，其間的主河道是污染物匯集入湖的必經(jīng)之地。由于河流匯水急促的特點(diǎn)，入湖河水難于集中在一點(diǎn)處理，因此采取分而治之的思路，在三條支流下游及其匯合后的主河道上選擇適宜的位置布設(shè)旁路凈化系統(tǒng)，對(duì)其實(shí)施處理。結(jié)合尖山河雨季匯水、旱季缺水的情況，入湖河水的旁路凈化適宜采用輪作式塘表濕地處理工藝，即在塘系統(tǒng)實(shí)施攔污、沉沙等前處理的基礎(chǔ)上，后續(xù)表流濕地系統(tǒng)通過雨季種植水生蔬菜，旱季種植旱作植物的輪作管理，使工程既保持雨季對(duì)河水的凈化功能，又可在旱季繼續(xù)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，彌補(bǔ)工程運(yùn)行所需的部分經(jīng)費(fèi)，有利于工程的持久運(yùn)行。

4 結(jié)語

云南高原湖泊山區(qū)小流域的生態(tài)系統(tǒng)受氣候、土壤、植被以及人為干擾強(qiáng)度的影響大，各類污染源具有點(diǎn)多面廣、瞬時(shí)性強(qiáng)、構(gòu)成復(fù)雜等特點(diǎn)，其水環(huán)境治理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要充分考慮小流域的自然特征與污染特點(diǎn)，綜合運(yùn)用多種措施，實(shí)施源頭→途徑→末端的多級(jí)攔截防控和分類治理。小流域水環(huán)境治理規(guī)劃尤其需要與山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人居環(huán)境的改善緊密結(jié)合，通過以治理促發(fā)展，提高當(dāng)?shù)厝罕姳Ｗo(hù)環(huán)境的自覺性和主體意識(shí)。小流域治理效益的持續(xù)發(fā)揮取決于環(huán)境管理長(zhǎng)效機(jī)制的建立，這是提升治污設(shè)施管護(hù)能力、充分發(fā)揮治理措施作用、預(yù)防新的生態(tài)破壞和污染發(fā)生的關(guān)鍵，需要在建設(shè)與管理過程中加以重視和完善。