水庫消落區(qū)濕地化改造技術(shù)及植被改善效應(yīng)

蘇廣宇，許士國，蒲紅杰，謝楚依

(1.大連理工大學 水利工程學院，遼寧 大連 116024；2.梧州水利電力設(shè)計院，廣西 梧州 543002)

在水庫水位周期性漲落條件下，水庫消落區(qū)普遍呈現(xiàn)出生境條件改變、植被退化等生態(tài)環(huán)境問題[1]。消落區(qū)植被退化問題限制了其固土護岸、環(huán)境凈化、生態(tài)緩沖等生態(tài)環(huán)境功能的發(fā)揮。因此，水庫消落區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護已經(jīng)成為在水庫的生態(tài)環(huán)境保護和修復(fù)的重點和關(guān)鍵。北方地區(qū)降水在時間上分布不均，為了適應(yīng)來水特點，北方水庫庫容調(diào)節(jié)系數(shù)普遍較高，導(dǎo)致水庫水位變化周期更長，消落區(qū)常連續(xù)多年裸露，植被條件差和由其導(dǎo)致的水土流失問題更加突出，但消落區(qū)生態(tài)環(huán)境治理研究多集中于三峽水庫等南方水庫[2-8]，針對北方水庫長期落干消落區(qū)的生態(tài)環(huán)境治理研究卻較為少見。

受頻繁的干濕交替影響，水庫消落區(qū)土壤普遍存在持水性差、養(yǎng)分流失嚴重等問題，使得在落干時期其地表植物的水分和養(yǎng)分供給不足，從而導(dǎo)致植被稀疏、植株低矮等植被退化問題。消落區(qū)濕地化改造是通過工程手段為落干消落區(qū)提供穩(wěn)定的水源補給，供給植物生長所需的養(yǎng)分，輔以對植被人工干預(yù)，在落干消落區(qū)構(gòu)建穩(wěn)定的濕地生態(tài)系統(tǒng)，改善植被條件，為水中和地表沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移提供良好條件。土壤保持濕潤狀態(tài)也有助于減弱干濕交替對土壤理化性質(zhì)的影響，實現(xiàn)對生境條件的改善。以蘆葦、紫穗槐等耐水淹、水淹后恢復(fù)快的植物為主的生態(tài)系統(tǒng)還有利于消落區(qū)出露后植被的快速恢復(fù)。

水庫消落區(qū)的濕地化改造需因地制宜，針對不同的水源條件和地形特點，制定不同的技術(shù)方案，例如，對于有支流流經(jīng)的入流消落區(qū)可采用攔蓄地表徑流的方式對兩側(cè)灘地進行濕地化改造，對于靠近支流的消落區(qū)可通過支流引水為濕地化改造提供水源[9]，對于缺少以上便利條件的消落區(qū)則可以考慮攔蓄雨洪或周邊排放的輕度污染污水。本文以碧流河水庫蛤蜊河入庫口旁側(cè)消落區(qū)為研究對象，針對水庫消落區(qū)面臨的生態(tài)環(huán)境問題，提出了水庫消落區(qū)濕地化改造技術(shù)，分析工程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，以期為類似工程提供示范和理論支持。

1 研究區(qū)域與改造方法

1.1 研究區(qū)域概況

碧流河水庫位于大連市北部，總庫容9.3億m3，是大連市的中心水源地[10]。水庫正常蓄水位69.0 m，汛限水位68.1 m，水庫來水年際變化大，庫區(qū)內(nèi)存在大面積長期處于落干狀態(tài)的消落區(qū)。近34 a來，碧流河水庫僅有15 a最高水位達到或接近正常蓄水位。1985年—2017年碧流河水庫落干消落區(qū)面積變化過程如圖1所示，33 a間旬初消落區(qū)平均落干面積達15.58 km2，占總水面面積的28.02%。

圖1 1985年—2017年1月中旬碧流河水庫落干消落區(qū)面積變化過程

研究區(qū)域位于碧流河水庫上游蛤蜊河入庫口左岸，總面積約18萬m2，平面圖見圖2。研究區(qū)域與主河道間有公路相隔，庫區(qū)外為大面積農(nóng)田，農(nóng)田與該區(qū)域間有涵養(yǎng)林用于明確庫區(qū)邊界，研究區(qū)是農(nóng)田污染物進入庫區(qū)水體前的主要消納區(qū)。研究區(qū)域高程范圍66.0 m～69.0 m，是水位波動較為頻繁的區(qū)域，區(qū)域土壤沙質(zhì)化嚴重、持水量低，2013年6月—2020年8月，由于連年干旱，該區(qū)域一直處于落干狀態(tài)，地表植物植株低矮、稀疏，對污染物的攔截和固土護岸的作用微乎其微，生態(tài)環(huán)境問題突出。

圖2 研究區(qū)域平面圖

1.2 濕地化改造設(shè)計

研究區(qū)域與蛤蜊河僅一路之隔，因此，引入蛤蜊河干流河水對研究區(qū)域進行濕地化改造。由于同一斷面內(nèi)的地面高于主河道，因此在蛤蜊河上游河道內(nèi)設(shè)置取水口由DN500自流管道引入消落區(qū)作為水源，在區(qū)域內(nèi)通過挖方，形成6個挺水植物塘和1個沉水植物塘，作為水源存蓄和供給的主體，植物塘間通過明渠相連，總水面面積約3.8萬m2，挺水植物塘水深0.4 m～0.8 m，沉水植物塘水深3 m，各植物塘水面高程均不低于周邊地形0.3 m以上，部分植物塘水面高程高于周邊部分區(qū)域，以保證植物塘對周圍形成有效的水源供給。植物塘挖方取出的土壤集中堆放形成4處植被平臺，平臺高程69.0 m。考慮到植物塘還可以作為表面流人工濕地對引入徑流起到一定的凈化作用，引水流量及植物塘面積、深度設(shè)計參數(shù)確定參照表面流人工濕地的設(shè)計標準，取水口處水面與第一級植物塘水面高差1.5 m，相應(yīng)設(shè)計流量11 717 m3/d，設(shè)計水力停留時間2.5 d，表面水力負荷0.31 m3/(m2·d)。濕地平面圖見圖3。

圖3 研究區(qū)濕地平面布置圖

植物的選擇以生存率為指導(dǎo)，在消落區(qū)及周邊區(qū)域的優(yōu)勢物種中選擇耐淹能力較強的物種進行人工種植。挺水植物塘種植蘆葦，蘆葦是消落區(qū)淺水區(qū)域和部分濕潤區(qū)域的主要優(yōu)勢物種，其對水質(zhì)具有良好的凈化能力，耐淹能力和繁殖能力強，在5 m以內(nèi)水淹條件下退水后也具有良好的恢復(fù)能力[11]。沉水植物塘種植金魚藻。垂柳和紫穗槐耐淹能力較強的樹種，作為植被臺上的植物[12]。其它區(qū)域植被不做人工干預(yù)，使其經(jīng)過自然選擇形成植物群落。該工程于2016年3月開工，2016年9月竣工。

1.3 數(shù)據(jù)源及處理

1.3.1 優(yōu)勢物種調(diào)查

分別在2014年9月15日和2019年9月15日使用樣方法調(diào)查研究區(qū)域陸生植物物種的出現(xiàn)頻度，分別在研究區(qū)域內(nèi)的陸地隨機地選取1 m×1 m大小的樣方，選取樣方時，盡量在研究區(qū)域內(nèi)均勻選取，避免出現(xiàn)相鄰樣方距離過近的情況，2019年9月15日樣方選取時，使得樣方包含與植物塘不同距離的區(qū)域。識別并記錄各樣方內(nèi)物種，依照式(1)計算各物種出現(xiàn)頻度，其中，2014年9月15日共選取12個樣方，2019年9月15日共選取11個樣方。

P=n/N

(1)

式中：P為物種出現(xiàn)頻度；n為包含此物種的樣方數(shù)；N為調(diào)查總樣方數(shù)。

1.3.2 NDVI獲取

在遼寧地區(qū)，5月—8月是植被的生長旺盛期，一般在8月植被覆蓋度達到最大，7月和9月次之[13]，由于云遮蔽的影響，部分年份9月缺少可用影像，選取夏季即6月—8月作為研究時段。獲取2014年—2020年夏季共17景可用Landsat 8 OLI影像，影像下載于美國地質(zhì)勘查局網(wǎng)站(USGS，http://www.usgs.gov/)[14]。歸一化植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)利用植被的光譜特征，強化植被對紅光和近紅外波段反射的差別，能夠較為準確的描述植被生長狀態(tài)與植被覆蓋狀態(tài)[15]。計算公式如下：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(2)

式中：NIR、R分別為近紅外和紅光波段的反射率。

首先，使用ENVI 15.3軟件的FLAASH模塊對17景影像進行輻射定標和大氣校正，然后用經(jīng)過校正的影響計算研究區(qū)域各象元的NDVI值。為了排除大氣、年份和季節(jié)等其它條件影響，使用研究區(qū)域夏季(6月—8月)NDVI最大值表征研究區(qū)域當年的植被覆蓋狀況。使用ArcGIS 10.2軟件，采用最大值合成法得出研究區(qū)域各象元逐年夏季NDVI最大值，并計算全部象元NDVI的逐年平均值和標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地化對消落區(qū)優(yōu)勢物種的影響

2014年9月15日和2019年9月15日植物物種頻度如表1所示，工程實施前后，區(qū)域物種有了較大變化，工程實施前，區(qū)域共記錄13個物種，其中主要優(yōu)勢物種為薹草和小蓬草，其中，薹草多生長在極其脆弱的生態(tài)環(huán)境中，小蓬草是一年生喜旱草本植物，工程實施后，區(qū)域共記錄19個物種，相比于工程前增加了58.33%，主要物種變?yōu)橐鞍锖鸵按蠖?，均為喜好濕潤土壤條件的物種。工程前的優(yōu)勢物種薹草頻度大幅降低，小蓬草、異型莎草、蒲公英和紅蓼在工程后調(diào)查中消失，新增物種是更為喜濕的野大豆、青蒿、芒草、披堿草、狗尾草、苔蘚、苦蕎麥、蒙古蒿、扁蓄、鬼針草和野菊花。從植物物種的變化可以推斷，濕地化改造使得區(qū)域水分補給更為充分，陸地植物物種由喜旱植物為主向喜濕植物為主轉(zhuǎn)變。從區(qū)域植被的整體狀態(tài)來看(見圖4)，濕地化改造后，區(qū)域植物的株高和生物量也有了明顯的提高。

圖4 濕地化工程前后研究區(qū)域地表植被

表1 植物頻度排序表

2.2 濕地化對NDVI的影響

選取研究區(qū)域2014年—2020年逐年夏季(6月—8月)NDVI最大值分析工程前后區(qū)域植被變化，為避免水面對NDVI均值的影響，除去受明水面影響的像元，不同年份NDVI如圖5所示。工程實施前，南側(cè)和東北側(cè)NDVI較高。東北側(cè)是周邊居民搶種的農(nóng)田，種植作物主要是玉米，還有小面積大豆，在夏季作物進入成熟期使得NDVI較高。南側(cè)地面高程較低且緊鄰南山溝，受南山溝的徑流補給，更利于植物的生長。工程實施后，區(qū)域NDVI有了顯著提高，總體而言自東北至西南NDVI呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，這與地面高程變化趨勢相反，可能是由于高程較低的區(qū)域水分供給更充分。

圖5 2014年—2020年研究區(qū)域逐年NDVI

除2020年水庫水位上漲外，研究時段內(nèi)水庫水位基本低于64.0 m，即低于研究區(qū)最低高程2 m以上，因此可以忽略水庫蓄水對區(qū)域植被變化的影響。研究區(qū)域各年NDVI平均值、標準差與各年1月—8月降水量如圖6所示。

圖6 2014年—2020年逐年NDVI平均值、標準差與1月—8月降水量

2014年—2016年，NDVI平均值與年降水量增減規(guī)律基本一致，方差逐年升高。工程建成后，NDVI平均值逐年升高，與年降水量的波動變化趨勢不一致，表明NDVI平均值變化與降水量相關(guān)性減弱。對東北草地植被的研究表明，自然狀態(tài)下，水分是草地植被變化的重要驅(qū)動因子[16-17]。結(jié)合前文NDVI平面分布特征可以推測，水分供給是區(qū)域落干期植被生長的主要限制因子，濕地化改造使得區(qū)域水分供給充足，大幅削弱了降水對植物生長的影響，有利于提高區(qū)域植被狀態(tài)的穩(wěn)定性。2016年—2020年，NDVI平均值在2016年—2019年間逐年增長，2019年NDVI平均值達到最大為0.380，2020年與2019年相差不大，2019年后區(qū)域植被狀態(tài)趨于穩(wěn)定，2020年水庫水位上漲也未對植被狀態(tài)造成顯著影響。2016年—2020年，NDVI方差逐年下降，區(qū)域植被的均勻度逐漸提高。選取1月—8月降水量與2019年接近的2015年作為工程實施前的典型年作為對比，2019年NDVI平均值增長14.59%，方差降低46.8%。濕地化改造對消落區(qū)的水分補給能夠改善水庫落干消落區(qū)植被條件，提高植被覆蓋度和均勻度。

3 結(jié) 論

消落區(qū)濕地化改造是通過工程手段為消落區(qū)提供穩(wěn)定的水源補給，在消落區(qū)尤其落干期長的消落區(qū)構(gòu)建穩(wěn)定的濕地生態(tài)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對生境條件的改善。通過對蛤蜊河入庫口旁側(cè)消落區(qū)濕地化改造工程前后的對比研究發(fā)現(xiàn)：(1)濕地化改造提高了植物物種的多樣性，物種由喜旱植物為主向喜濕植物為主轉(zhuǎn)變，植株高度和總生物量也有了明顯提高；(2)水分供給是區(qū)域落干期植被生長的主要限制因子，濕地化改造削弱了降水變化對植物生長的影響，有利于提高區(qū)域植被狀態(tài)的穩(wěn)定性；(3)濕地化改造提高了區(qū)域植被覆蓋度和均勻度。因此，濕地化改造能夠作為消落區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的有效方法進行應(yīng)用。