遼河干流閘壩回水段自然濕地恢復(fù)技術(shù)研究

胡慶武，胡欣琪，段亮，宋永會(huì)*，王思宇，包揚(yáng)

1.遼寧省水文水資源勘測(cè)局朝陽(yáng)分局，遼寧 朝陽(yáng) 122000 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院區(qū)域與城市生態(tài)環(huán)境創(chuàng)新基地，北京 100012

遼河是中國(guó)七大河流之一，遼河流域承載著遼寧省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的巨大壓力，高強(qiáng)度的區(qū)域開(kāi)發(fā)對(duì)流域水環(huán)境造成持續(xù)壓力，導(dǎo)致河流水質(zhì)惡化，河道徑流量明顯減少，生態(tài)需水保障困難，使遼河干流濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能遭到嚴(yán)重干擾和破壞，制約了流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，急需采取修復(fù)和保護(hù)濕地的措施，恢復(fù)遼河生態(tài)系統(tǒng)健康[1-2]。在濕地恢復(fù)的眾多工程措施中，修建河道蓄水工程和增加濕地面積是一種簡(jiǎn)單有效、應(yīng)用廣泛的恢復(fù)技術(shù)[3]。遼河屬平原河流，河道寬闊，高程相差不大，流速慢，平均水位低。水庫(kù)建設(shè)和形成需要較大空間和時(shí)間；且河流本身水位低，含沙量巨大，水庫(kù)蓄水后容易形成大量沙洲，庫(kù)容量較低。干流目前僅建成2個(gè)較大的水庫(kù)，分別為石佛寺水庫(kù)和盤(pán)山閘水庫(kù)。橡膠壩是一種新型水工建筑物，分為充氣式和充水式。與常規(guī)閘壩相比，其造價(jià)低、安裝維護(hù)方便，壩體為柔性軟殼結(jié)構(gòu)，抗沖擊和止水效果好，適用于低水頭、大跨度的閘壩工程。為進(jìn)一步進(jìn)行水利調(diào)控，恢復(fù)遼河河流型濕地狀態(tài)，保護(hù)大型濕地，橡膠壩建設(shè)迫在眉睫[4-5]。介紹了遼河干流閘壩回水段濕地概況，濕地恢復(fù)方法與技術(shù)路線，以及橡膠壩回水段濕地凈水效果。

1 閘壩回水段濕地概況

閘壩生態(tài)蓄水工程一般包括壩體，回水區(qū)域、回水段兩側(cè)濕地。蓄水工程使河道內(nèi)形成較穩(wěn)定的生態(tài)水面[6-7]，為構(gòu)建濕地提供充足的水資源保證并進(jìn)行水文調(diào)控，通過(guò)在閘壩回水區(qū)主河槽兩側(cè)淺水區(qū)和回水末端的淺水區(qū)(水深小于0.5 m)栽種水生植物，退耕還林還草等措施，進(jìn)行濕地自然恢復(fù)，為動(dòng)植物提供良好生境，對(duì)于恢復(fù)生物多樣性和保護(hù)河流濕地有重要意義。橡膠壩調(diào)控水位一般在2～5 m，遼河干流橡膠壩建成后將形成12個(gè)主要小型濕地群[8-9]。各濕地恢復(fù)建設(shè)所需的工程量如表1所示。

表1 濕地恢復(fù)建設(shè)與所需工程量

石佛寺自然濕地群，主要包括自左小河人工濕地到石佛寺水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)共計(jì)25 km2的占地面積[10]，分別包括長(zhǎng)河河口自然濕地、左小河人工濕地、牛軛湖濕地2個(gè)、坑塘濕地若干、石佛寺水庫(kù)濕地。濕地群分布如圖1所示。

圖1 石佛寺自然濕地群分布Fig.1 The diagram of Shifosi natural wetland group distribution

2 回水段自然濕地恢復(fù)方法與技術(shù)

濕地恢復(fù)是指通過(guò)生態(tài)技術(shù)或生態(tài)工程對(duì)退化或消失的濕地進(jìn)行修復(fù)或重建，再現(xiàn)干擾前的結(jié)構(gòu)和功能，以及相關(guān)的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，使其發(fā)揮應(yīng)有的作用[11]。生態(tài)系統(tǒng)面積越大，其物種多樣性及系統(tǒng)穩(wěn)定性就越有保障。因此，增加濕地面積是有效恢復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)[12]。回水段自然濕地恢復(fù)方法主要包括人工構(gòu)筑橡膠壩，控制濕地水位，退耕還林還草，在水庫(kù)的庫(kù)容區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行濕地封育的方法。對(duì)于部分容易塌方地區(qū)進(jìn)行河道整治。沙坑地區(qū)采用水利連通的方法，保持河流連續(xù)性?；厮巫匀粷竦鼗謴?fù)技術(shù)路線，如圖2所示。

圖2 回水段自然濕地恢復(fù)技術(shù)路線Fig.2 The technology roadmap of backwater natural wetland restoration

人工筑壩具有簡(jiǎn)易性、低成本的優(yōu)勢(shì)，水壩占地大小、集中與分散程度均可靈活選擇，還可相應(yīng)與引水、蓄水、分流等措施結(jié)合。濕地筑壩與一般水壩的主要區(qū)別在于前者以擴(kuò)大水面覆蓋和重新分配水源為目標(biāo)，而非蓄水量。擺萬(wàn)奇等[3]對(duì)拉魯濕地筑壩前后的GPS航跡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2007年攔水土壩建成后拉魯濕地春季蓄水面積增加28.37 hm2，水面覆蓋率增加近5%，到雨季能增加近7%。2009年新建的筑壩完工后，水面覆蓋率更可以達(dá)到近90%。新增水面覆蓋內(nèi)原有的濕生、中生或旱生植物，在2年左右便被酸模葉蓼、杉葉藻、水蔥等為主的水生植物取代，濕地生態(tài)功能得到明顯恢復(fù)[13]。

由于濕地類型，退化程度及恢復(fù)目標(biāo)不同，相應(yīng)的濕地恢復(fù)措施也不同。石佛寺庫(kù)區(qū)內(nèi)濕地類型多樣，濕地恢復(fù)措施可分為土壤基地恢復(fù)措施，主要包括濕地及上游水土流失控制、退耕封育、底泥清淤等；水文水質(zhì)改善措施，包括水位調(diào)控、水系連通、水通道疏浚等[14]；生物恢復(fù)措施，包括物種選育和培植、物種引入、水生植物修復(fù)、蘆葦復(fù)壯、封灘育草等[2,15]。其修復(fù)技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 石佛寺自然濕地群恢復(fù)技術(shù)路線Fig.3 The technology roadmap of Shifosi natural wetland group restoration

3 回水段自然濕地建設(shè)工程設(shè)計(jì)

采用“近自然型”的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)河道的原始斷面形態(tài)及河床、河岸的相對(duì)高差，并密切聯(lián)系河道沿岸的土地利用情況，通過(guò)河道底泥生態(tài)清淤、河灘地平整、水生植物群落重建和堤岸綠化等方式對(duì)回水區(qū)進(jìn)行濕地恢復(fù)和建設(shè)，有力促進(jìn)河道生態(tài)系統(tǒng)的培育和自循環(huán)。

3.1 河道底泥生態(tài)清淤工程

主要在遼河橡膠壩回水區(qū)，對(duì)河段河底沉積污染物較多的表層進(jìn)行清理。河道底泥生態(tài)清淤工程方案如下：

(1)河道中淤積的泥砂除了上游地表徑流的泥砂，還包括排入污水中的污物、雜質(zhì)，由于主要排入的是生活污水，河道中底泥的重金屬污染未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此河道中的底泥可作為農(nóng)用或填土外運(yùn)。

(2)河道的清淤，可視斷面大小和淤積量多少，采用機(jī)械清淤或人工清淤，對(duì)于斷面較大、淤積量較多的河段選用機(jī)械清淤，輔以人工整理；對(duì)于斷面較小、淤積量較少的河段采用人工清淤，無(wú)論是機(jī)械清淤還是人工清淤均以恢復(fù)斷面為標(biāo)準(zhǔn)。

(3)清淤宜在枯水期進(jìn)行，以減少河水及地下水對(duì)施工的影響，施工中排水較多時(shí)，應(yīng)當(dāng)做導(dǎo)流墻，邊排水邊清淤，逐步達(dá)到原設(shè)計(jì)斷面的要求。

3.2 河灘地平整工程

根據(jù)現(xiàn)有河灘地情況，土地平整只能在現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行土方調(diào)配，保證余土不外運(yùn)，缺土也不外拉，盡量做到平衡利用，且與修筑渠道、管理路土方相結(jié)合。河灘地平整工程方案如下：

(1)根據(jù)河灘地位置和高度，將1050線內(nèi)，即遼河保護(hù)區(qū)左右岸范圍內(nèi)面積較大、且地勢(shì)較高處河灘地表土用推土機(jī)或鏟運(yùn)機(jī)推運(yùn)至相對(duì)低洼處，擴(kuò)大回水淹沒(méi)區(qū)，增加濕地面積，形成高低錯(cuò)落有致的濕地系統(tǒng)。

(2)根據(jù)河灘地位置和高度，在1050線內(nèi)，對(duì)于面積較大、地勢(shì)較高、且不能全部平整為回水淹沒(méi)區(qū)的河灘地，用推土機(jī)或鏟運(yùn)機(jī)修建寬5～10 m的連通渠，將遼河干流水引入，深度根據(jù)現(xiàn)有河道水深設(shè)定，形成濕地島嶼之間的水系流動(dòng)，建成后達(dá)到豐水期全部淹沒(méi)、平水期連通渠水流暢通、枯水期連通渠斷流的效果。

(3)河灘地平整要根據(jù)推(運(yùn))土距離選擇施工機(jī)械，距離100 m以內(nèi)用推土機(jī)推土，距離100～200 m用鏟運(yùn)機(jī)鏟運(yùn)土。

3.3 水生植物群落重建工程

水生植物在濕地網(wǎng)中的應(yīng)用主要分為水邊的植物配置，駁岸的植物配置，水面的植物配置，堤、島的植物配置等。配置時(shí)要考慮到物種搭配和生態(tài)功能，做到水體處理功能和觀賞功能統(tǒng)一協(xié)調(diào)。物種搭配應(yīng)主次分明，高低錯(cuò)落，符合各水生植物對(duì)生態(tài)位的要求，同時(shí)能充分發(fā)揮各水生植物的生態(tài)功能。

遼河干流水生植物群落恢復(fù)應(yīng)分為原有植物的封育和植被重建2種情況。對(duì)于少數(shù)生境沒(méi)有破壞和人為活動(dòng)干擾較小的區(qū)域，可以采取保護(hù)性撫育的措施，劃定相關(guān)區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，使存在輕微植被破壞的區(qū)域能自然恢復(fù)。對(duì)于人為干擾造成植被破壞的區(qū)域，應(yīng)以恢復(fù)重建為主。具體植物種類應(yīng)根據(jù)生境條件變化及水位梯度選擇。水位大于1 m時(shí)，以沉水植物和漂浮植物為主，如布袋蓮、浮萍、滿江紅屬等；水位深度為0.5～1 m時(shí)，主要選擇挺水植物、沉水植物和漂浮植物，如香蒲、茭白、苦草、金魚(yú)藻、狐尾藻、黑藻等；水位深度為0～0.5 m時(shí)，應(yīng)以沼生植物野大豆、水蓼、紅蓼等為主。無(wú)明顯水面，土壤含水率高時(shí)，應(yīng)主要選擇土著物種。各種類型濕地建成后，由于水位升高而形成的沙心洲、河心洲等，應(yīng)以選擇濕生植物種類為主，如杭子梢、苦參、牻牛兒苗、野西瓜苗等。根據(jù)對(duì)遼河水生植物群落的調(diào)查，選用土著物種進(jìn)行河道水生植物群落的重建。選定的挺水植物為蘆葦和茭草，沉水植物為菹草、金魚(yú)藻和苦草，浮水植物主要為水龍和浮萍。

對(duì)于水生植物配置，上面種植挺水植物，植物種類包括鑣草、菖蒲、水蔥、千屈菜等，根據(jù)河道水文、地質(zhì)條件進(jìn)行優(yōu)選，平均栽種密度為10株m2。水面下植物可因地制宜，種植適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l件、生長(zhǎng)繁殖迅速、有利物質(zhì)輸出，并有一定利用價(jià)值的沉水植物，如伊樂(lè)藻、菹草、金魚(yú)藻等，根據(jù)河道水文、地質(zhì)條件進(jìn)行優(yōu)選，植株密度大約為20叢m2。采用種苗拋撒法，通過(guò)植物無(wú)性繁殖，形成群落長(zhǎng)期的維持機(jī)制。

4 回水段濕地水質(zhì)凈化效果分析

石佛寺水庫(kù)正常蓄水庫(kù)容1.15億m3，蓄水位49.7 m，相應(yīng)水庫(kù)面積48 km2，死水位41.0 m。主壩最大壩高10.48 m，長(zhǎng)13 km，泄洪閘堰頂高程41.0 m，凈寬200～300 m，平均水深7～10 m。庫(kù)區(qū)濕地生態(tài)建設(shè)總面積為1 308.02 hm2，其中水生植物蘆葦、蒲草、荷花等栽植面積約為691.33 hm2，陸生喬、灌木栽植面積為185.43 hm2，牧草播撒面積為431.26 hm2。為監(jiān)測(cè)水庫(kù)回水段濕地及庫(kù)區(qū)對(duì)水質(zhì)的凈化效果，分別在水庫(kù)上、下游對(duì)朱爾山和馬虎山斷面的CODCr進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 2011年各月監(jiān)測(cè)斷面CODCr變化Fig.4 The CODCr of monitoring sections changing with the months in 2011

由圖4可知，上游朱爾山斷面在4、5、7月進(jìn)水CODCr為20～40 mgL，為Ⅴ、Ⅳ類地表水；下游馬虎山斷面的出水CODCr則全年總體低于20 mgL，達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，5月和7月，馬虎山斷面CODCr相比于上游斷面分別下降了55%和41%，表明石佛寺生態(tài)蓄水工程凈水效果明顯。閘壩生態(tài)蓄水工程對(duì)水質(zhì)改善的作用，主要是由于閘壩回水段濕地系統(tǒng)中水生植物對(duì)水體污染物具有吸附、攔截、吸收和富集等作用[16]。植物根系寄居的大量微生物有利于有機(jī)污染物的降解。豐富的濕地水生生物對(duì)水體凈化也起著一定作用[17-18]。同時(shí)，筑壩蓄水使河道的水文特性隨之發(fā)生變化，河流水體向湖泊水體特征轉(zhuǎn)化。由于壩前水位升高、蓄水量增加、流速變緩，導(dǎo)致水力停留時(shí)間增加，有利于污染物降解和水體凈化。水流經(jīng)過(guò)閘壩形成的跌水曝氣，也使水體自凈能力得到提高。

5 結(jié)語(yǔ)

閘壩回水段濕地對(duì)改善遼河水質(zhì)具有重要作用。隨著閘壩生態(tài)蓄水工程的穩(wěn)定運(yùn)行，遼河干流水質(zhì)會(huì)進(jìn)一步改善，能夠發(fā)揮出“最后一道防線”的作用。因此，管理和運(yùn)行好已建成的閘壩生態(tài)蓄水工程，對(duì)提高遼河干流的水質(zhì)凈化效果，確保遼河干流水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到Ⅴ類水至關(guān)重要。發(fā)揮好生態(tài)蓄水工程的凈水作用，必須保證閘壩正常穩(wěn)定長(zhǎng)期運(yùn)行，保證足夠水位、水量，為回水段濕地提供充足生態(tài)水量。濕地植物的生長(zhǎng)周期是春夏萌芽、秋冬枯死,枯死的植物每年需要進(jìn)行清除，使?jié)竦鼐S持良好的生態(tài)功能，發(fā)揮持續(xù)改善水質(zhì)的作用。

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國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目介紹(一)