基于生態(tài)設計理論的黃土丘陵區(qū)淤地壩景觀再造與更新

白曉霞, 武慧平, 劉翠英

(榆林學院 生命科學學院, 陜西 榆林 719000)

淤地壩是我國黃土高原丘陵區(qū)重要治溝工程措施之一，是人民群眾在長期同水土流失斗爭實踐中創(chuàng)造的一種行之有效的環(huán)境治理工程手段。淤地壩既能攔截泥沙、保持水土，又能淤地造田、增產(chǎn)糧食。淤地壩至今已有幾百年的發(fā)展歷史，為我國黃土高原地區(qū)的生產(chǎn)、生活、生態(tài)建設帶來了極大的便利，創(chuàng)造了歷史性的輝煌成就[1]。如今，95%以上的淤地壩都已經(jīng)發(fā)揮了其淤沙攔沙的本質(zhì)功能，部分淤地壩通過造田種糧也已實現(xiàn)了農(nóng)民增收[2]。但其中不乏少量支毛溝淤地壩由于地形地勢、交通等因素的制約，淤沙、截水功能欠佳。長期處于閑置狀態(tài)的淤地壩，壩地雜草叢生，水流帶來的塑料袋、枯枝落葉等雜物嚴重影響區(qū)域的景觀格局和生態(tài)美觀。本研究以辛店溝水土保持示范園區(qū)北側(cè)淤地壩為例，基于美麗鄉(xiāng)村建設、改善生態(tài)景觀格局和增加景觀多樣性的基本原則，提出通過建設人工濕地景觀來改善淤地壩現(xiàn)狀和景觀面貌的雙贏措施。

1 研究區(qū)概況

辛店溝水土保持示范園區(qū)位于陜西省綏德縣境內(nèi)，屬于陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ副區(qū)。該區(qū)梁峁起伏，溝壑縱橫且地表侵蝕嚴重，為保持水土，實現(xiàn)防洪、淤沙、攔沙等環(huán)境治理目標，當?shù)亟ㄔO了大量的淤地壩，在縣區(qū)各小流域形成了相對完善的淤地壩體系[2]。辛店溝位于綏德縣城東無定河中游左岸。1953年，建立了綏德辛店溝試驗場。試驗場占地面積1.44 km2，至今共建成淤地壩24座。園區(qū)主要由林地、梯田、淤地壩組成，生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，自然風光秀美，梯田、臺地、壩地地形交錯起伏，形態(tài)多樣，林地、果園、農(nóng)田、草地等風景獨特，形成集示范治理、科學研究、生態(tài)觀光于一體的多功能科技示范園區(qū)。園區(qū)內(nèi)淤地壩經(jīng)多年的拓展建設，本著“地盡其用”的原則，形成了多樣化的壩地生產(chǎn)體系。但部分淤地壩因兩側(cè)山體較高，坡度較陡，溝道狹窄，不適合進行壩地生產(chǎn)建設。以辛店溝水土保持示范園區(qū)北側(cè)淤地壩為例，坡底距離西側(cè)監(jiān)測小區(qū)的高程為53 m，坡度約40°，淤地壩長約140 m，最寬處為31 m，窄處僅11 m，地形狹長，溝道內(nèi)土壤肥力高，水資源充足，但由于缺乏監(jiān)測小區(qū)經(jīng)由壩底的連接道路，造成交通不便，壩地缺乏管理，溝道內(nèi)荒草叢生，林木蒼翠凌亂。壩地內(nèi)優(yōu)生植物種主要有楊樹、紫穗槐、沙棘、檸條、側(cè)柏、白草、草木犀及禾本科雜草等，壩地及兩側(cè)坡體綠化植被覆蓋度高，植物長勢較好。同時，由于洪水沖擊，給溝道內(nèi)帶來了枯枝、垃圾等雜物，影響了整個試驗園區(qū)的生態(tài)環(huán)境美感。

生態(tài)設計理論基于人類對地球生命及生命活動的整體認知，使設計與自然相結(jié)合，在盡量減少對環(huán)境破壞影響的前提下，對場地資源進行理性、科學的分析利用。生態(tài)設計“4R”[3]理論強調(diào)保護與節(jié)約自然資本，其中包括“Reuse”和“Renewable”，意為再用(再造)與更新，即通過設計手段對廢棄的場地、資源賦予新的功能，達到節(jié)約資源、減少能耗的目的。

2 淤地壩景觀再造與更新的必要性

(1) 開發(fā)景觀特質(zhì)，維持景觀多樣性。黃土丘陵區(qū)環(huán)境的典型特征就是水資源匱乏，物種稀少，生態(tài)脆弱。通過生態(tài)景觀設計，利用工程措施或生物措施可以增加景觀尺度上的空間異質(zhì)性，提高生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力和恢復能力，提升整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。隨著農(nóng)業(yè)用地的不斷擴張，黃土丘陵區(qū)土地利用強度和集約化程度日益增強,與之相伴的是農(nóng)業(yè)景觀中生物多樣性的喪失和生態(tài)系統(tǒng)服務功能的持續(xù)性下降和波動，迫切需要通過挖掘景觀特質(zhì)，增加景觀尺度上的空間異質(zhì)性，實現(xiàn)區(qū)域景觀的多樣性[4]。

(2) 提高區(qū)域生態(tài)效益。辛店溝水土保持示范園近年來致力于打造集“水保示范、監(jiān)測試驗、成果展示、科普教育、休閑觀光”等功能一體化的“水土保持示范園”。要實現(xiàn)這一目標，生態(tài)環(huán)境建設必須先行。應結(jié)合園區(qū)內(nèi)的地形地貌、氣候水文及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設狀況，主要從以下3個方面來實施。 ①調(diào)節(jié)局部氣候環(huán)境。通過工程措施改善園區(qū)內(nèi)的環(huán)境氣候條件，有助于實現(xiàn)其科普宣傳與旅游觀光功能。具體可采用人工濕地、綠化設計等景觀工程措施，發(fā)揮植物的生態(tài)特性，降低區(qū)域內(nèi)SO2，CO2，氮氧化物等有害物質(zhì)，增加氧氣，凈化空氣，同時通過調(diào)節(jié)氣溫、濕度和蒸發(fā)量等來改善局部小氣候，消除光污染和吸收噪聲。 ②改善水體，包括調(diào)節(jié)水量和凈化水體。由于周邊鐵路建設破壞了原有水源供應，致使園區(qū)內(nèi)河段蓄水量大大下降，嚴重影響農(nóng)、林、牧業(yè)的發(fā)展。從生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的層面審視園區(qū)景觀再造，須調(diào)節(jié)園區(qū)河段水流量，增加水量來源，補給地下水。同時，黃土高原丘陵區(qū)特有的丘陵溝壑地貌造成了泥沙混合型不良水體，單純地依賴淤地壩結(jié)構(gòu)，難以滿足水體凈化的要求，人工濕地作為優(yōu)化開發(fā)策略的工程措施之一，其核心功能就是調(diào)蓄水量，凈化水體，特別是針對鄉(xiāng)村地區(qū)，具有極高的可實施性[5]。 ③打造田園生態(tài)旅游。近年來，園區(qū)引進了大量的花卉、果樹新品種，旅游開發(fā)資源充足，特色明顯[6]。通過合理的規(guī)劃設計來整合優(yōu)勢資源，開發(fā)生態(tài)觀光項目，挖掘區(qū)域旅游發(fā)展價值，真正實現(xiàn)辛店溝水土保持示范園“多功能復合、國家一流園區(qū)”的建設目標。

(3) 提高綜合利用價值。黃土丘陵區(qū)一直是貧窮落后的代名詞，“治溝”與“治窮”息息相關且同等重要。應開展集約化資源利用，兼顧各方利益訴求，綜合考慮景觀生態(tài)、水土保持、經(jīng)濟發(fā)展等相關因素的協(xié)調(diào)發(fā)展。從生態(tài)設計角度進行丘陵區(qū)淤地壩的景觀再造與更新，就是利用景觀生態(tài)的良好效益來提升區(qū)域內(nèi)的環(huán)境品質(zhì)，使環(huán)境保護與開發(fā)利用有機結(jié)合，經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境建設充分融合，生產(chǎn)建設、生態(tài)治理與生活服務科學搭配，在充分利用景觀環(huán)境資源的基礎上，發(fā)揮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、旅游觀光、科普教育等多種功能，保證區(qū)域農(nóng)民增收，最終實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)生態(tài)、經(jīng)濟與社會效益的同步提升。

(4) 促進景觀生態(tài)設計與水土保持工程技術手段有機結(jié)合。水土保持和景觀生態(tài)設計以調(diào)整景觀單元空間結(jié)構(gòu)和各項水土保持措施為基本手段，包括原有景觀格局的調(diào)整，新型景觀組分的引進等，以改善受脅迫或受損失生態(tài)系統(tǒng)的基本功能[7]。建立與水土保持措施相配套的地表徑流“蓄—引—排”技術體系[8]。通過人工濕地工程措施，加強流域水系工程建設，對徑流進行調(diào)控與管理，既可滿足暴雨條件下的排水要求，也可兼顧提升旱區(qū)土壤蓄水量的客觀實際，提高景觀系統(tǒng)的總體生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，將人類活動對于景觀演化的影響導入良性循環(huán)。

3 人工濕地工程建設的可行性

(1) 工程操作技術成熟，投資風險低。研究表明，盡管黃土丘陵區(qū)獨特的地理條件和氣候特征導致區(qū)域水量蒸發(fā)較大，地表水量消減迅速以及部分地基水體下滲嚴重等問題，但已有大量的實踐案例與研究機構(gòu)對丘陵區(qū)水量蒸發(fā)及下滲的問題提出了應對措施，包括物理的、生物的、化學的手段和工程措施，且效果顯著[9-10]。因此，黃土丘陵區(qū)建設人工濕地雖然難度較大，但意義深遠。

(2) 建造與運行成本低。人工濕地是利用基質(zhì)、植物、微生物的物理、化學、生物三重協(xié)同作用使污水得到凈化的一種水質(zhì)凈化處理措施。人工濕地工程的主要優(yōu)勢是建造和運行成本低，技術要求較低，污水處理高效安全，同時可提供水產(chǎn)、畜產(chǎn)、建材、綠化、野生動物棲息、科普休閑、科普教育等多種效益。適合于水量不大，水質(zhì)變化較小，管理水平不高的農(nóng)村、小城鎮(zhèn)區(qū)域污水處理。同時，選址上應選擇具有一定自然坡度的洼地或經(jīng)濟價值不高的荒地[5]。

(3) 綜合效益顯著。建設人工濕地不僅能改善環(huán)境景觀，調(diào)節(jié)局部氣候，解決傳統(tǒng)淤地壩利用率低，景觀水平差，生態(tài)脆弱等問題，還可以利用人工濕地的蓄水功能為周邊生產(chǎn)和灌溉提供水源。應綜合考慮園區(qū)發(fā)展狀況和建設目標，以及黃土高原丘陵區(qū)環(huán)境生態(tài)效益、綜合利用價值等多方因素，提出基于人工濕地工程措施的丘陵區(qū)淤地壩景觀再造與更新策略。

4 辛店溝水土保持示范園區(qū)淤地壩人工濕地設計方案

4.1 工程概況

設計地塊位于辛店溝水土保持示范園北端，由東西兩座山體夾接而成，呈狹長型，該淤地壩為“兩大件”方案，僅有壩體和放水建筑物(豎井)，缺乏溢洪道。壩頂距離地面9 m，壩體穩(wěn)固，豎井完好，蓄排水措施功效顯著，經(jīng)受住了2017年“7·26”特大暴雨的考驗。

4.2 人工濕地類型選擇

本研究開展于2018年。人工濕地類型的選擇基于3方面的考慮： ①工程所需取水來源為污染較低的自然河水； ②溝道地形狹長，長寬比約為8∶1，坡度較小，僅為0.15%～0.32%； ③在低影響開發(fā)建設總體思路主導下，確定該措施的類型為自由表面流人工濕地(free water surface constructed wetlands)，簡稱表流人工濕地，它是指水在人工濕地介質(zhì)層表面流動，依靠表層介質(zhì)、植物根莖的攔截及其上的生物膜降解作用，促進水體凈化[11]。具體參數(shù)設計詳見表1。

表1 自由表面流人工濕地設計參數(shù)

4.3 構(gòu)造設計

4.3.1 表流濕地的布水及出水 考慮到濕地進水區(qū)較窄且濕地呈狹長形，設計中采用單點進水。濕地出水采取“溢洪道+豎井”的排水方式。

4.3.2 表流人工濕地構(gòu)造設計 自由表面流人工濕地包括進水區(qū)、處理區(qū)和出水區(qū)。處理區(qū)分為深水區(qū)和淺水區(qū)，深水區(qū)水深150 cm，淺水區(qū)水深60 cm。 ①深水區(qū)構(gòu)造設計。深水區(qū)域具有較大的滯留能力，適當設置深水區(qū)可為表流濕地提供厭氧及兼氧反應區(qū)，深水區(qū)內(nèi)宜種植沉水植物，也可通過設置人工水草等措施，改善微生物生長環(huán)境，增大生化反應面積。深水區(qū)設置在實地進水口處。水深150 cm,填料塊石粒徑宜為40～80 mm。 ②淺水區(qū)構(gòu)造設計。表面覆蓋層種植土厚度為200 mm。填料層為細礫石，厚度為200 mm，礫徑5～8 mm。底部防滲層為黏土，厚度為600 mm，進行分層壓實。濕地床體水力坡度取2%(圖1)。

4.3.3 人工濕地駁岸設計 ①自然緩坡型駁岸。對于坡度緩或腹地大的河段，可以考慮保持自然狀態(tài)，配合植物種植，達到穩(wěn)定河岸的目的。設計中主要通過栽植旱柳、白臘、檉柳等耐水濕喬灌木，以及蘆葦、慈菇、梭魚草等水生植物，利用其生長舒展的發(fā)達根系來穩(wěn)固堤岸，加之其枝葉柔韌，順應水流，可增加抗洪、護堤的能力(圖2)。②砌塊型自然駁岸。對于較陡的坡岸，采用天然石材護底，可以利用原始塊石垂直砌筑(圖3)；也可以將塊石沿坡砌筑(圖4)，其上筑有一定坡度的土堤，斜坡種植植被，使喬灌草相結(jié)合，固堤護岸。

圖1 處理區(qū)人工濕地構(gòu)造設計

圖2 自然緩坡型人工濕地駁岸設計

圖3 砌塊型陡坡人工濕地駁岸設計

圖4 砌塊型緩坡人工濕地駁岸設計

4.3.4 植物種植 綜合考慮植物的生態(tài)功能與景觀功能，沿岸種植白臘樹、旱柳、檉柳等鄉(xiāng)土植物，打造地域性景觀，濕地水域選擇挺水和浮葉兩類水生植物，發(fā)揮調(diào)蓄水量、凈化水質(zhì)的基本功能，實現(xiàn)人工濕地景觀的異質(zhì)性與多樣性。水生植物主要有蘆葦、千屈菜、荷花、再力花、黃菖蒲、慈菇、旱傘草、水生美人蕉、梭魚草、黑藻等。

5 結(jié) 論

本次景觀改造設計是一次以試驗和嘗試性的方式進行的創(chuàng)新與探索。大量研究表明，在黃土丘陵區(qū)修建人工濕地在技術和理論層面都是可行的，但考慮到區(qū)域地理、氣候等實際條件，有效地預防水體過度蒸發(fā)，保證夏季高溫下穩(wěn)定的蓄水量是該項目研究的難點問題。人工濕地建成之后的可持續(xù)養(yǎng)護管理問題也非常重要。丘陵區(qū)獨特的氣候環(huán)境下，增加新的景觀空間形態(tài)本身存在巨大的困難，一旦管理疏漏或滯后，將會造成新的環(huán)境污染與破壞。

綜上所述，黃土丘陵區(qū)的景觀生態(tài)化建設任重而道遠，隨著工程技術手段的不斷提升以及城鎮(zhèn)居民觀念的轉(zhuǎn)變，發(fā)揮風景園林理論在西部人居環(huán)境建設中的應用優(yōu)勢，以景觀帶動生態(tài)、以規(guī)劃實現(xiàn)生態(tài)的環(huán)境建設理念已逐漸取得了可觀的成效[12-14]。然而，黃土丘陵溝壑區(qū)的景觀生態(tài)設計是一項長期而復雜的工程，需要跨學科專業(yè)人員的有機結(jié)合，在水土保持理論基礎上，比較、總結(jié)各類工程案例，分析把握景觀生態(tài)設計的具體措施、研究方法，以及不同條件下進行景觀更新與改造的適用性與可行性，在生態(tài)安全、提升環(huán)境品質(zhì)的前提下，探求一條適合于黃土高原丘陵區(qū)景觀生態(tài)設計的合理途徑，以及新的、科學合理、高效的可操作模式。