水土保持与水资源、水环境安全 [精华]

水土保持与水资源和水环境安全
摘要：由于蓄水功能显著，水土保持措施与流域水资源安全的关系已经引起了人们的广泛关注。研究表明：只有在干旱半干旱气候下，水土保持才能显著减少河川径流。同时水土保持减水量并不是无效损失，因其的增加农产品产量将减少灌溉农业的用水量，从而在全流域范围内起到了节水的作用。水土保持可以减少水土资源和可溶性盐类的流失，滤除径流中泥沙和固体颗粒污染物，起到保持涵养水源、控制侵蚀与污染的作用，从而增加河流的可利用水资源量。因此水土保持对流域水资源和水环境安全起到了促进作用。
关键词：水土保持；水资源安全；水环境安全
水土流失是我国一项主要的环境问题。水土流失破坏了大量的土地资源，淤塞江河湖库、加重洪涝灾害，影响水资源的开发和利用，严重影响了我国的生态安全与环境安全。为此，建国以来我国即进行了大规模的水土保持综合治理工作。但是水土保持改变了流域的下垫面条件，影响流域水文过程，由于水土保持措施蓄水功能显著，干旱区河流径流往往显著减少。特别是20世纪90年代以来，黄河年下游断流日益严重，水土保持与流域水资源安全关系的问题引起了人们广泛的关注。
综合各方面的因素考虑，水土保持可能在一定程度上减少干旱区河流的径流量，但是由于其具有减少侵蚀、增加产量、控制污染的作用，可以显著提高一个地区的水资源和水环境安全程度。
一 水土保持与水资源安全
1.1水土保持减沙对水资源安全的影响
水土流失造成河流含沙量增加，以致淤塞下游河流、湖泊、水库、渠道，不利于水资源的充分利用。一方面，输沙用水量是流域生态用水量的一部分，为了防止泥沙淤积、维持正常的河道形态，多沙河流河道必须保持一定的流量，而且这部分流量一般是洪水流量对生态环境和社会生活的其他方面是无益的甚至有害的；由于增加了河道内用水，水土流失会减少一个流域的可利用水资源量，如黄河流域多年平均输沙量16亿t/a，输沙用水200亿m3/a，相当于全河径流量的36%。另一方面，由于泥沙与洪水高度相关，多沙河流上的水库，为了避免泥沙淤积，往往采取“蓄清排浑”的运行方式，用大量水资源排沙，不利于充分发挥水库的调节功能，缓解枯水期河流下游缺水的局面。
水土保持有助于减少河流输沙用水量。以黄土高原为例：水土保持措施大量拦蓄天然降雨与径流，每年减少入黄径流约8-21亿m3[1]，已经成为黄河径流减少乃至断流的一个重要原因；但是每年因水土保持减少入黄泥沙约3.69亿t[2-3]，按照12.5m3/t的冲沙定额计算，黄河下游每年减少输沙用水约46.12亿m3，远大于入黄径流的减少量。水土保持实际上增加了黄河流域的可利用水量[4]。
1.2水土保持减水对水资源安全的影响
水土保持具有显著的蓄水、保水作用，可能在一定程度上减少河流径流量，造成全流域水资源总量的减少。观测资料显示：经过大规模水土保持后，黄土高原地区河流径流下降。但是水土保持减水量对全流域水资源总量影响是微弱的，而且水土保持还具有增水（河川基流）、节水（流域农业灌溉用水量）的作用。
（一 ）水土保持减水效益具有地域分异性和流域不整合性规律。
水土保持减水减沙效益的地域分异性既包括多沙河流 “水沙异源”规律，又指不同气候类型区河流径流与水土保持关系不同。
根据水量平衡原理河川径流量等于流域降水量-流域蒸发量-流域蓄水量。流域降水量主要由大气环流形势决定，下垫面条件的变化对其影响不大，在一定地质历史时期可以认为是常量。对于一个流域而言，多年平均的流域蓄水量可以认为为0。因此水土保持对河流径流的影响，取决于水土保持对流域蒸发量的影响。
地表蒸发量主要由土壤供水能力、水分在土-气和植物-大气界面的气化能力（受太阳辐射影响）和水气扩散能力（空气动力学因素决定）决定。在水-土-植物-大气连续体系，地表水分蒸发量符合“短板（最小限制）原理”即水分蒸发量由土壤供水能力、水分气化能力和水汽扩散能力中最小的一项决定。因气候的地带分异规律，不同地区水分蒸发的限制因素不同，干旱半干旱地区，由于常年存在着水分亏缺，土壤供水能力小于水分气化和水汽扩散能力，水土保持可以增加入渗、减少地表径流，但是入渗的水分首先要补给土壤水，随着土壤供水条件的改善，流域蒸发量就会提高，相应的径流量会减小。但是湿润地区就不同，湿润地区的地表水分蒸发量主要由水分气化和水汽扩散能力决定，与下垫面条件没有直接联系，水土保持因此也不会对河川径流量产生明显的影响。
这种规律性已经为大量的森林水文学试验证实，欧美及我国北方许多径流小区试均证实随着植被覆盖度增加，径流有减少的趋势；在俄罗斯针叶林和我国南方森林进行的试验却得不到这样结论[5]。长江、黄河等大江大河的水文资料也反映了这样的规律，黄河流域的径流、泥沙具有高度的相关性，长江流域这样的规律性就不很明显。近20年来黄河流域出现了径流泥沙同步减小的趋势，长江流域虽然泥沙量也呈现减少的趋势，但径流量却基本稳定。
水土保持减水效益的地域不整合性主要指在径流小区或小流域实验中水土保持减水效果明显，径流量随水土保持治理程度提高显著下降，但随着流域面积增加，这种关系逐渐弱化，流域研究结果可能和小区试验结果大相径庭。
这种现象与多沙河流“水沙异源”规律有关，径流显著减小的可能只是流域内土壤侵蚀严重支流或地区，流域其他部分的径流并为发生显著的变化，所以流域总的径流变化显然不会有水土保持重点地区径流变化那样剧烈；同时也由于水土保持对地表径流和地下径流的影响也是有差异的。开展水土保持后基本农田和林、草地土壤的孔隙度特别是非毛管孔隙度较裸土有显著提高，渗透透性增强，大量降水进入土壤形成壤中流和地下径流，地表径流有明显减少但径流小区和小流域往往是不整合流域，难以精确测量壤中流和地下径流，得到的数据只能反映地表径流的变化情况，因此对水土保持减水量可能有所高估；而大流域的出口断面，即汇集地表径流也汇集地下径流，由于地下径流绝对或相对增加对地表径流的补偿效益，因此减水量就不如小流域那样明显。
水土保持减水效益的流域不整合性也是由于小区试验难以准确的反映下地面条件与环境间的协调和反馈机制：随着植被破坏、气候变化，空气湿度降低，蒸发量增加；由于缺乏群体效应，孤立在干燥的大气中的小块湿润土壤单位面积的蒸发蒸腾量（mm）要远大于大片的湿润土壤。
（二）水土保持减水量相当大一部分是洪水量，基本是不可利用或难以利用的水量；水保措施拦蓄的洪水量相当一部分在非汛期释放，增加河川基流。
通过近20年的水土保持治理，黄土高原佳芦河、秃尾河、偏关河和湫水河等多沙粗沙区河流径流系数减小了20%～56%，年径流量减少27%～69%；河龙区间入黄水量平均减少5.05亿m3。但黄土高原水资源年际、季节差异悬殊的情况有所改善，河龙区间不同流域径流年际变差系数降低14%～77%，黄土高原有20多条典型治理小流域6～8月径流量占总径流量的比例减少5%～10%。这表明水土保持措施具有明显的涵养水源的作用，可以改善一个地区水资源的可利用性。
综上所述：水土保持虽然不能增加区域水资源数量，但可以控制坡面土壤侵蚀，增加降水入渗，消减洪峰，调节和涵养水源，有效改善一个地区的水资源质量。
（三）水土保持增加的下垫面蒸散发量，并不是无效损失而是具有巨大的生效益。
水土保持的蓄水保土作用，改善了土壤肥力，不仅有助于植被恢复和生态改善，而且提高山区的土地生产力，增加了大量的农林牧产品产量。如果不进行水土保持综合治理，生产相同数量农产品就要消耗下游灌区大量水资源，所以水土保持在流域范围内起到了节水作用。
增产粮食的节水效益，可以直接用灌溉农业消耗的水资源来衡量：即

式中：WCa表示基本农田增加的“虚拟水”量，m3；Aa为基本农田建设增加的粮食，kg/；IPE为灌溉生产率，kg/m3。

式中：IPE为灌溉生产率，kg/m3；W为灌溉水量，m3；∆G为因灌溉增加的农产品数量，kg；G1为非灌溉条件下的农产品产量，kg；G2为灌溉条件下的农产品产量，kg。
草地的节水效益可以用生产相应数量畜产品耗用的饲料粮所消耗的水资源量表示，即：

式中：WCg表示水土保持种草增加的“虚拟水”量，m3/hm2；a表示单位牲畜（羊单位）生产的畜产品，kg/a；kg表示生产1单位畜产品消耗的饲料粮，kg；Ag表示饲草产量， b表示单位牲畜（羊单位）消耗的饲草，kg/a；IPE为灌溉生产率，kg/m3。
目前，我国对林（果）产品水分生产率研究资料较少且不系统，难以直接推求林（果）产品的“虚拟水”量。从区域林产品平衡的角度分析，为了弥补水库淹没造成的林（果）产品损失，水库下游地区就要用一定的耕地来生产相应数量的林（果）产品，同时为了保障粮食不减产，就要发展灌溉、增加农业用水量，增加的这部分水量可以认为是林果产品中蕴含的 “虚拟水量”，所以

式中：WCf表示水土保持经济林果增加的“虚拟水”量，m3/hm2；Af为水果产量，kg；Yf2为下游平原地区园地单产，kg/hm2；Ya2为水库下游地区耕地单产，kg/hm2；IPE为灌溉生产率，kg/m3。

式中：WCw表示水土保持型用材林增加的“虚拟水”量，m3/hm2；Aw为林木年材积增长量，m3/hm2；Yw2为下游平原地区林地年材积增长量，m3/hm2；Ya2为下游平原地区耕地单产，kg/hm2；IPE为灌溉生产率，kg/m3。
水库淹没损失的“虚拟水”总计为：

式中：TWC为水土保持增加的“虚拟水”，m3/a。
以黄河流域为例：截至“九五”末，黄土高原水土保持每年增产粮食70亿kg、水果150亿kg、饲草28.09亿kg，林木蓄积量年均增加413.75万m3，显示出极大的经济、社会效益[6-8]
每只羊年产肉、奶、毛绒合计约为22个畜产品单位（即1kg带骨鲜肉）；黄河下游地区旱作耕地单产约为6000kg/hm2，果园单产约为22500kg/hm2，林地年材积增长量可以达到7．5m3/a。按式计算黄土高原水土保持增加的农林牧产品中蕴含了145.64亿m3的“虚拟水”，为黄河下游减少了大量的灌溉用水量。
二 水土保持与水环境安全
2.1水土流失与非点源污染
非点源污染是指大气、地面或土壤中的污染物质在降雨淋溶和冲刷下随径流进入含水层、湖泊、河流、滨岸生态系统等引起的污染[9-10]。非点源污染与水土流失有着密切的关系。土壤是一种多孔、多项、松散介质，是连接地球表层大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的桥梁与纽带，每时每刻不在发生着复杂的生物、化学反应与物质的转化与运移，因此既可以污染物的源也可以成为污染物的“汇”，大量的污染物可以通过大气干沉降与湿沉降、污水、人类活动（如不合理的施肥、堆弃填埋垃圾等）进入土体，因此土壤成为了多种污染物特别是难溶性的重金属、磷酸盐、有机物的重要载体，非点源污染对土壤侵蚀有依赖作用[11]。在泥沙输移与沉积的过程中，河水的稀释作用使污染物的吸附-溶解平衡发生移动，从而发生污染物“解吸”，造成了对水体的污染。
农田是非点源污染的主要来源。很多情况下，农田中使用的化肥农药只有小部分被植物吸收或吸附，更多的可能进入土壤或随风飘散，随风飘散的粉尘或溶液最后也要降落到地面上，进入土壤。一部分不能为植物利用的化肥、农药，在降水或灌溉水的作用下发生溶解或淋洗进入地表水和地下水或者直接因地表径流流失，这是非点源污染的第一种途径。另外一部分污染物虽然被土壤颗粒吸附或固定，但随土壤侵蚀、搬运与沉积而发生运移，这是非点源污染第二种途径。
在我国农业发达、化肥施用量较高的东、中部地区，农田非点源污染已经成为水体富营养化的主要原因。研究表明：“九五”期间太湖流域农业非点源污染占NH3-N排放量77%、占TP排放量6 6% [12-13]。
生活与养殖业垃圾也是农村非点源污染重要来源，生活与养殖业垃圾成分复杂、分布广泛，往往又露天堆放，任凭日晒雨淋，使污染物大量流失，同时生活与养殖业垃圾也为水土流失提供了物质来源，使污染物随垃圾一道进入沟渠、河流、池塘、湖泊，污染了水体。
与点源污染相比，非点源污染由于其分布广泛，污水处理厂等传统的工程措施难以有效控制。除加强管理，减少非点源污染的来源外，非点源污染防治一般均与水土保持结合起来，主要有水土保持耕作措施、水土保持工程措施、植被缓冲带、缓冲湿地等。
水土保持耕作和工作措施一方面可以改良土壤，改善土壤的孔隙结构，增强土壤的离子交换吸附能力，从而提高土壤的蓄水保肥性能，减少降雨、灌溉产生的地表径流和深层渗漏以及因淋溶而流失的营养盐类和其他可溶性物质；另一方面可以改变产流产沙条件，减少土壤流失量和颗粒态的污染物的流失，从而达到控制非点源污染的目的[11]。
植被缓冲带和缓冲湿地可以滤除径流中的土壤和污染物颗粒，从而达到净化水质的目的。植被缓冲带包括缓冲林带和缓冲草带，植被缓冲带增加了地表粗糙度，从而降低了坡面流速，增加了坡面径流的入渗量，使径流中的泥沙与固体颗粒发生沉淀，削减了污染物，达到控制非点源污染的效果。缓冲湿地作为农田与水体的过渡带，通过土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用，减少进入水体的污染物的数量。缓冲植被带或缓冲湿地所固定的污染物一部分为植物吸收、固定，另一部分在土壤孔隙界面上发生一系列生物化学反应。土壤特别是周期性干湿交替的土壤中，氧化作用、矿化作用、腐殖化作用、硝化作用、反硝化作用等都很活跃，对有机物、硝态氮、铵态氮等污染物的去除能力都很强[11]。
2.2 城市水土流失对水环境的影响
城市化和工矿业发展对水土流失与非点源污染有着明显的影响[14-15]。城市化和工业化中的水土流失问题是水土保持科学关注的新的热点问题。
在城市、工矿企业、道路等基础设施建设和发展的过程中，一方面使地表形态发生变化，大量的深挖坡、高填坡工程产生了大量的高边坡，提供了水土流失发生、发展的环境条件，另一方面在城市化、工业化的进程中出现了大量的固体废弃物，这些固体废物如果不能妥善的处置，将是水土流失新的物质来源。
城市化伴随着土地利用（覆盖）变化，大量的天然植被为屋顶、路面和其他不透水地面代替，这割断了大气降水、地表水、土壤水、地下水的天然联系，破坏了正常的水文循环与水文平衡。不透水地面的径流系数很高，降水很快转化为地表径流，造成城市水资源的大量流失，加重了城市汛期排涝的负担，增加了城市排水管网的规模与建设成本。如果城市的排水规模超出了下游排水河道与容泄区的排水能力，又会造成城市和下游地区的暴雨、洪水灾害。因地表水资源大量流失，城市地下水补给量减少，从而更易发生地下水超采，产生地下水位下降、地面沉降裂缝等一系列地质灾害。
城市水土流失往往伴随着非点源污染。城市和工矿业固体废弃物不仅是水土流失的重要来源，而且往往含有大量的有毒、有害物质，可以随径流或侵蚀进入水体，造成污染。
城市和工矿区又是空气污染较为严重的地区，汽车尾气、工业和民用窑炉废气中含有大量的污染物如烟尘、有机粉尘、重金属、SO2、NOx等。这些污染物虽然可以向周围扩散，但大部分仍通过干沉降或湿沉降降落在城市及周边地区。在降雨的淋溶、冲刷作用下容易随地表径流进入江河、湖泊，造成水污染。
城市水土流失与非点源污染必须综合治理。首先城市化、工业化过程中必须坚持经济社会发展与生态环境保护保护，贯彻“3R”原则，即Reduce（减量化）、Reuse（再利用）、Recycle（循环利用），减少水土流失与非点源污染的物质来源。
其次要针对城市水土流失的特点与规律，采取适当的水土保持措施。
工程措施主要包括坡地整治工程与雨水收集工程。坡地整治工程主要包括工程护坡、阶梯状整地、坡面排水沟等，以减少坡面产流、汇流与冲刷，消除水力侵蚀、重力侵蚀发生的环境条件。垃圾填埋场的排水系统还具有减少污染物渗漏与收集、处理渗漏液的作用。
雨水收集工程，不仅可以降低城市排水系统的压力，减少城市及下游地区的暴雨洪灾，而且增加城市的水资源供应、补给地下水，由雨水收集工程构成的城市水系，本身也是市区独具特色的风景线。雨水收集系统主要由集雨场，输配水管网和蓄水设施组成。城市很多不透水地面如屋顶、道路、广场水泥地面等都可以作为集雨场使用。输配水管网可以利用现有的排水与供水系统。蓄水设施主要有蓄水罐、暴雨滞留池等。
暴雨滞留池（涝池）实质上是一种人工湿地，即在天然低洼地筑坝或人工开挖池塘，具有一定的滞洪蓄水能力可以使有害的暴雨洪水转化为有效的水资源，同时还可以沉降非点源污染物，在欧美国家特别是美国得道了广泛的应用。
另外在城市里建设各种透水性地面（包括绿地）也可以使水资源就地入渗利用，也可以将小规模集水面上产生的径流引到渗井中，回灌地下水，而不使水资源流失。
水土保持林草不仅可以控制土壤侵蚀，而且能改良土壤，提高土壤蓄水保肥能力，减少水资源和可溶性性盐类的流失。通过林冠层、地表枯枝落叶多层的吸附过滤作用，林草植被还可以有效消除降水、径流中的多种污染物，净化水质。
植被措施与工程措施相互配合还能取得更好的综合治理效果，研究表明在径流场外布置植被缓冲带能有效减少城市径流中的污染物含量，如高速公路两侧边坡上的护坡植物就可以有效消除路面径流中的污染物。
三　结论
水土保持措施可以提高坡地的蓄水保土能力，改善土壤的理化性质，减少流域水土资源和可溶性盐的流失量，滤除径流中的泥沙和固体颗粒污染物，使水质得到净化。
水土保持措施虽然可以提高土壤的蓄水能力，但仅在干旱地区表现为径流量的减少，土壤蓄水能力的提高有助于减少汛期洪水，增加枯水期的河道基流，对流域的防汛抗洪起积极作用，而且水土保持还可以减少河道下游的冲沙用水量，从而增加了流域的可利用水资源总量。同时，水土保持增加的下垫面蒸散发量，并不是无效损失，可以增加了大量的农林牧产品，从流域农产品平衡角度分析，将节约大量的灌溉用水量。
水土保持具有涵养水源、净化水质、减少河流冲沙用水和灌溉用水的效益，从而有助于流域的水资源与水环境安全。
参考文献
[1]常丹东，王礼先．水土保持对黄河年径流量影响研究[J]．水利规划与设计，2005，（2）增版：37-42
[2]冉大川，柳林旺，赵力仪，等．黄河中游河口镇至龙门区间水土保持与水沙变化[M]．郑州：黄河水利出版社，2000
[3]汪岗，范昭．黄河水沙变化研究（第二卷）[M]．郑州：黄河水利出版社，2002
[4]杨平．水土保持在促进黄河水资源高效利用中的作用 [J]．西北林学院学报，2005，20(3)：108-111
[5]闫俊华．森林水文学研究进展（综述）[J]．热带亚热带植物学报，1999，7(4)：347-356
[6]吴钦孝，等．森林保持水土机理及功能调控技术[M]．北京：科学出版社，2005
[7]人民日报编辑部．黄河流域水土保持综合效益2000亿元．人民日报（海外版），2000年7月19日第二版
[8]阎文哲，赵光耀，马国力．黄河流域水土保持综合效益分析[J]．人民黄河：1996，（5）：7-11
[9]杨爱玲，朱颜明．地表水环境非点源污染研究[J]．环境科学进展，1998，7(5)：60-67．
[10]路月仙，陈振楼，王军，等．地表水环境非点源污染研究的进展与展望[J]．环境保护，2003，11：22-26．
[11]杨爱民，王浩，潘玉娟．水土保持的水环境质量效应研究进展[J]．中国水土保持科学，2006，4(5)：112-118
[12]吴汉红，刘玲．农业非点源污染研究[J]．环境整治，2006（5）：58-60
[13]陈荷生，等．太湖流域非点源污染控制和治理的思考[J]．水资源保护，2004（1）：33-36
[14]胡成，潘美霞．城市非点源污染负荷估算研究[J]．气象与环境学报，2006，（22）5：14-18
[15]郭青海，马克明，杨柳．城市非点源污染的主要来源及分类控制对策[J]．环境科学，2006，