南水北调中线水源地缓坡型库岸生态屏障构建

王超, 尹炜, 雷沛, 贾海燕, 雷俊山. 南水北调中线水源地缓坡型库岸生态屏障构建[J]. 环境工程学报, 2020, 14(11): 2930-2937. doi: 10.12030/j.cjee.202002117
引用本文: 王超, 尹炜, 雷沛, 贾海燕, 雷俊山. 南水北调中线水源地缓坡型库岸生态屏障构建[J]. 环境工程学报, 2020, 14(11): 2930-2937. doi: 10.12030/j.cjee.202002117
WANG Chao, YIN Wei, LEI Pei, JIA Haiyan, LEI Junshan. Ecological barrier constructing in the gentle slope reservoir bank in the water source of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(11): 2930-2937. doi: 10.12030/j.cjee.202002117
Citation: WANG Chao, YIN Wei, LEI Pei, JIA Haiyan, LEI Junshan. Ecological barrier constructing in the gentle slope reservoir bank in the water source of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(11): 2930-2937. doi: 10.12030/j.cjee.202002117

南水北调中线水源地缓坡型库岸生态屏障构建

    作者简介: 王超(1985—),男,博士,高级工程师。研究方向:流域水资源保护。E-mail:cwwhu@163.com .
    通讯作者: 尹炜, 2000yinwei@163.com
  • 中图分类号: X524

Ecological barrier constructing in the gentle slope reservoir bank in the water source of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

    Corresponding author: YIN Wei, 2000yinwei@163.com
  • 摘要: 丹江口水库缓坡型库岸农业生产强度大,面源污染对库区水质产生威胁。构建库岸生态屏障,是阻控库周面源,减少消落区土地无序利用,保障水库水质的重要手段。缓坡型库岸生态屏障构建的核心是消落区植被恢复和生态水系统建设。植被恢复将消落区划分为拦滤净化带(160~163.5 m)、固岸缓冲带(163.5~165 m)、保土持水带(165~167 m)和适度利用带(167~170 m),适度利用带能够解决消落区土地无序耕种的问题。生态水系统建设根据现场微地形特征,设计布局生态塘、近自然湿地、生态透水坝和生态沟道等措施。选择香花镇缓坡型库岸开展了应用实践,构建的生态屏障对TN、TP、TSS的预计削减量分别为3.94、0.23、315.79 t·a-1,各污染物去除率在75%以上。上述研究结果可为南水北调中线水源地缓坡型生态屏障构建提供依据,亦可为我国其他水库库岸生态建设提供借鉴和参考。
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  • 图 1  丹江口水库库岸坡度分布(170 m高程以下范围)和项目区位置

    Figure 1.  Distribution of Danjiangkou Reservoir bank slope (range below 170 m elevation) and location of the project area

    图 2  丹江口水库缓坡型库岸面源生态阻控总体思路

    Figure 2.  General idea of ecological resistance control for non-point source pollution in the gentle slope bank of Danjiangkou Reservoir

    图 3  香花镇缓坡型库岸生态屏障构建措施布局

    Figure 3.  Distribution of ecological barriers measures in the gentle slope bank of Xianghua Town

    表 1  香花镇缓坡型库岸生态屏障面源负荷阻控效果评估

    Table 1.  Evaluation of load resistance control effect of non-point source of ecological barriers in the gentle slope bank of Xianghua Town

    小流域季节水位/m面源负荷产生量/(t·a−1)阻控措施和污染物去除率面源负荷削减量/(t·a−1)
    TSSTNTPTSSTNTP
    大任沟冬春季17012.780.170.02生态塘5.420.060.01
    秋季163.553.610.720.04生态塘+植被功能带+近自然湿地51.970.670.04
    夏季16062.680.840.05生态塘+植被功能带+近自然湿地+生态沟道62.300.810.05
    全年129.071.730.11119.691.540.1
    小任沟冬春季1705.120.080.01生态塘2.170.030.00
    秋季163.545.940.620.03生态塘+植被功能带+近自然湿地44.540.580.03
    夏季16055.020.740.04生态塘+植被功能带+近自然湿地+生态沟道54.680.720.04
    全年106.081.440.08101.391.330.07
    陈岗冬春季17011.670.160.020.000.000.00
    秋季163.552.490.710.04植被功能带41.990.500.03
    夏季16061.560.830.05植被功能带+生态透水坝52.710.580.04
    全年125.721.70.1194.71.080.07
    合计冬春季17029.570.410.04污染物去除率:TSS 26%,TN 21%,TP 21%7.590.090.01
    秋季163.5152.042.050.12污染物去除率:TSS 91%,TN 85%,TP 80%138.511.740.10
    夏季160179.262.410.14污染物去除率:TSS 95%,TN 87%,TP 88%169.692.110.12
    全年360.874.870.30污染物去除率:TSS 88%,TN 81%,TP 77%315.793.940.23
    小流域季节水位/m面源负荷产生量/(t·a−1)阻控措施和污染物去除率面源负荷削减量/(t·a−1)
    TSSTNTPTSSTNTP
    大任沟冬春季17012.780.170.02生态塘5.420.060.01
    秋季163.553.610.720.04生态塘+植被功能带+近自然湿地51.970.670.04
    夏季16062.680.840.05生态塘+植被功能带+近自然湿地+生态沟道62.300.810.05
    全年129.071.730.11119.691.540.1
    小任沟冬春季1705.120.080.01生态塘2.170.030.00
    秋季163.545.940.620.03生态塘+植被功能带+近自然湿地44.540.580.03
    夏季16055.020.740.04生态塘+植被功能带+近自然湿地+生态沟道54.680.720.04
    全年106.081.440.08101.391.330.07
    陈岗冬春季17011.670.160.020.000.000.00
    秋季163.552.490.710.04植被功能带41.990.500.03
    夏季16061.560.830.05植被功能带+生态透水坝52.710.580.04
    全年125.721.70.1194.71.080.07
    合计冬春季17029.570.410.04污染物去除率:TSS 26%,TN 21%,TP 21%7.590.090.01
    秋季163.5152.042.050.12污染物去除率:TSS 91%,TN 85%,TP 80%138.511.740.10
    夏季160179.262.410.14污染物去除率:TSS 95%,TN 87%,TP 88%169.692.110.12
    全年360.874.870.30污染物去除率:TSS 88%,TN 81%,TP 77%315.793.940.23
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-29
  • 录用日期:  2020-07-06
  • 刊出日期:  2020-11-10

南水北调中线水源地缓坡型库岸生态屏障构建

    通讯作者: 尹炜, 2000yinwei@163.com
    作者简介: 王超(1985—),男,博士,高级工程师。研究方向:流域水资源保护。E-mail:cwwhu@163.com
  • 1. 长江水资源保护科学研究所,武汉 430051
  • 2. 南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,南京 210046

摘要: 丹江口水库缓坡型库岸农业生产强度大,面源污染对库区水质产生威胁。构建库岸生态屏障,是阻控库周面源,减少消落区土地无序利用,保障水库水质的重要手段。缓坡型库岸生态屏障构建的核心是消落区植被恢复和生态水系统建设。植被恢复将消落区划分为拦滤净化带(160~163.5 m)、固岸缓冲带(163.5~165 m)、保土持水带(165~167 m)和适度利用带(167~170 m),适度利用带能够解决消落区土地无序耕种的问题。生态水系统建设根据现场微地形特征,设计布局生态塘、近自然湿地、生态透水坝和生态沟道等措施。选择香花镇缓坡型库岸开展了应用实践,构建的生态屏障对TN、TP、TSS的预计削减量分别为3.94、0.23、315.79 t·a-1,各污染物去除率在75%以上。上述研究结果可为南水北调中线水源地缓坡型生态屏障构建提供依据,亦可为我国其他水库库岸生态建设提供借鉴和参考。

English Abstract

  • 丹江口水库是南水北调中线工程水源地,水质保护十分重要。随着库区点源逐步得到治理,面源污染对丹江口水库水质的影响越来越大[1]。缓坡型库岸是丹江口水库重要的库岸类型,大坝加高前一直都是库周群众重要的土地资源[2]。由于农业生产强度较大,植被覆盖度低,缓坡型库岸面源输出强度较高。已有研究显示,丹江口库区面源污染产生的TN和TP负荷分别达到3.7×104 t和1.9×103 t,其中以缓坡型库岸面积最大的河南淅川县污染强度最高[3]。2013年,丹江口大坝加高工程完工,坝顶高程从162 m加高至176.6 m,丹江口水库水位抬升后,大量农田耕地将被淹没。然而,近年来水库水位始终没有达到170 m的水位目标,消落区无序耕种现象依然时有发生[4],加剧了库周面源污染输入。此外,新淹没区域土壤的氮磷释放[5]、库周土壤侵蚀[6]、以及周边农村生活[7]等面源污染都成为威胁库区水质的重要因素。

    开展库岸生态屏障建设,恢复植被系统和污染阻控能力,是控制库周面源污染的有效途径。在国外,河湖岸边带生态修复和保护技术推广应用较为普及[8-9];我国从20世纪90年代开始开展岸边带保护与修复技术的研究与应用[10-11],探索出设置植被缓冲带、调整土地利用、优化种植结构等有效措施[12-15]。丹江口水库缓坡型库岸农业生产强度大,土地资源利用和水质保护存在矛盾;同时新形成的消落区因水文情势改变将进入新一轮植被演替过程[16-17],若不加以人工干预,植被恢复过程漫长且生态效益有限[18-19]。针对上述特点,国内外尚没有成熟的治理模式可供参考。本研究基于丹江口水库缓坡型库岸特殊的水文条件及其土地资源价值,选择典型区域探索生态屏障构建的技术方案,以期为南水北调中线水源地保护提供依据,亦为我国其他湖库岸带生态建设提供借鉴和参考。

  • 丹江口水库横跨河南、湖北两省,由汉江库段(汉库)和丹江库段(丹库)2部分组成。丹江口水利枢纽分初期工程和大坝加高工程两期建设,初期工程于1973年底竣工,水库正常蓄水位157 m;大坝加高工程于2013年建成,正常蓄水位为170 m,最低水位为160 m。大坝加高后,160~170 m水位线区间成为新的消落区。根据水库运行调节方式,每年5月初至6月21日,水库水位逐渐降低到夏季汛限水位160 m;8月21—31日逐渐抬高到秋季汛限水位163.5 m;10月1日以后,逐渐充蓄到正常蓄水位170 m。

    从地形条件看,汉库库岸以陡坡型为主,库岸曲折、立地陡峭,多为石质坡面,土地类型多为林地;丹库库岸以缓坡型为主,库岸地势平缓,消落区宽度从数百米到几公里,大坝加高前土地类型多为自然荒草漫滩和农耕用地。缓坡型库岸土壤肥沃、水分充足,农业耕种比较普遍。根据各库周各区县统计资料,大坝加高前160~170 m高程范围耕种面积25.67 km2,占消落区总面积的10.52%,主要分布在淅川、丹江口、郧阳3区县,其中淅川县14.4 km2,丹江口市5.00 km2,郧阳区6.27 km2(见图1)。根据国务院南水北调办2010年5月批准的《南水北调中线一期工程丹江口水库初步设计阶段建设征地移民安置规划设计报告》,丹江口水库淹没涉及的区域应全部实施征地移民。2013年,水库移民征地工作全部完成,并完成了库底清理工作,为水库蓄水奠定了良好基础。然而,由于近年来上游来水量不足,最高水位仅达到167 m左右。由于消落区管理办法尚不完善,加上库周土地资源紧张,消落区无序耕种的现象依然存在。

  • 缓坡型库岸受水文情势变化的影响,消落区植被系统退化,拦滤吸收和阻滞净化能力丧失或下降。库岸土地无序耕种造成土壤侵蚀和化肥流失,形成的面源污染对库区水质也会造成威胁。生态屏障构建的关键在于恢复消落区植被系统,强化库岸面源阻控能力,在此基础上形成消落区土地资源的可持续利用模式,协调水质保护和库周群众生存发展的关系(见图2)。

    1)构建消落区植被系统。水库调度造成的水文条件变化阻断了消落区植被的自然演替过程,可能造成植被群落退化消亡。通过植物群落的合理搭配和布局,能够引导库岸植被适应水文变化规律,促进群落的稳定化和生态环境效益的充分发挥。植被带布局以水库调度方式为依据,按照淹水时间的长短,在不同高程布设具有不同耐淹能力的植物群落,对草本、灌丛、乔木等不同植物群落类型进行合理搭配和种植。植被群落的优选配置过程中,应选择污染物吸收效率高、径流拦截能力强、根系固土能力强,并适应于库岸带地形地质条件的群落类型。

    2)充分利用微地形条件构建库周生态水系统。针对库岸带面源负荷高,坑塘沟道阻控能力差的问题,对自然的汇水沟道和坑塘湿地系统进行适当人工改造,形成基于生态塘/生态沟道/近自然湿地的生态水系统,增强库岸污染阻滞能力。生态水系统构建过程中,要结合消落区地形特征,合理搭配生态塘、生态沟道、近自然湿地等措施。针对水库水位变幅较大的特点,要基于不同措施的功能特点,合理安排水体系统的空间布局,保证在不同水位条件下都能够实现污染阻滞效果。

    3)建立消落区土地保护利用模式。根据国务院颁布的《全国大中型水利水电工程建设征地补偿和移民安置条例》,大中型水利水电工程建成后形成的水面和水库消落区土地属于国家所有,这些土地可以在服从水库统一调度和保证工程安全、符合水土保持和水质保护要求的前提下,通过当地县级人民政府优先安排给当地农村移民使用。当前,丹江口水库消落区尚存在无序耕种的问题,要建立合理的保护利用模式,有效引导库周群众积极参与,保障库岸生态屏障建设的可持续开展。

  • 植被恢复过程中,将消落区划分为拦滤净化带、固岸缓冲带、保土持水带和适度利用带。拦滤净化带位于160~163.5 m高程范围内,淹水时间最长,主要种植生长速度快、养分吸收能力强的草本植物。此区域可拦截上游来水中夹带的枯枝落叶以及碎屑颗粒物,同时通过根系作用吸收净化水体中的营养物质。固岸缓冲带位于163.5~165 m范围内,淹水时间减少,植物群落以乔草群落为主。此区域位于拦滤净化带和保土持水带之间,具有较强的缓冲作用;同时乔木的发达根系能够抵抗风浪,对库岸能够起到良好的固定作用。保土持水带位于165~167 m高程范围内,淹水时间较短,植物群落为乔灌草群落。乔灌草群落层次分明,对降水缓冲作用明显,能够减少降雨对土壤的侵蚀,起到保土持水的作用。适度利用带位于167~170 m高程范围,淹水时间最短,植物群落以经济苗木为主,能够实现一定的经济效益。该区带严格实施管护制度,禁止使用化肥农药及其他可能污染土壤和水体的行为。

    生态水系统由生态塘、近自然湿地、生态透水坝和生态沟道等组成。生态塘是对天然塘堰加以人工修整,强化植物措施,径流在塘内滞留沉降,有机物通过植物和微生物降解[20]。近自然湿地是对低洼沼泽地进行微地形改造,强化已有植被条件,提升水力停留时间,形成径流净化系统[21]。生态透水坝利用砾石或碎石在河道中适当位置人工垒筑坝体,通过调节坝体的过流量,减缓径流流速,强化拦滤和沉降过程,控制面源污染[22]。生态沟道是对现有汇水沟道进行适当改造,增加水力停留和植物吸收,实现面源径流净化[23]

    植被功能带是库岸生态屏障的主要部分,生态水系统是重要补充。二者构通过拦截过滤、沉降吸收等作用对消落区土壤本身的存量污染和库周汇入径流污染起到深度净化作用,保证入库径流水质良好。植被功能带的建设能够杜绝消落区无序耕种的行为,减少了新的污染源输入,而适度利用带的设置缓解了土地利用和水质保护的矛盾。上述保护利用模式应由县级人民政府统一规划,乡政府和村委会具体实施,通过引入企业投资、建立合作社等模式[24],实现大面积推广。

  • 香花镇库岸位于河南省淅川县,紧邻丹江口水库,同时紧靠南水北调中线工程陶岔取水口;地理坐标为北纬32°44′30″~33°45′50″,东经110°39′40″~110°41′15″,高程为160~170 m,面积为2.16 km2。项目区由3个小流域组成,分别为大任沟流域,小任沟流域和陈岗流域(见图1)。区内主要土地利用类型为农耕用地,伴随着少量的林地、村庄和自然坑塘斑块,是缓坡型库岸带的典型代表。

  • 根据课题组对丹江口水库消落区恢复适宜物种的筛选成果[18],结合区域主要经济苗木类型,确定消落区的植被恢复物种。选择乔木物种16种,分别为落羽杉、池杉、竹柳、旱柳、枫杨、乌桕、大叶女贞、梨树、五角枫、油松、广玉兰、楝树、柿树、白蜡、罗汉松、樟树、杨树;选择灌木物种6种,分别为桑树、紫穗槐、石榴、紫薇、紫荆、夹竹桃;选择草本物种4种,分别为狗牙根、香根草、芦苇、芦竹。

    各植被功能带的植物群落模式有:拦滤净化带以香根草、芦苇、芦竹为主要种植物种,分别布置在不同的库湾,既可以满足生态截污及净化作用,又便于对3种耐水湿草本植物的水体净化效果进行对比研究;固岸缓冲带以竹柳、旱柳、落羽杉、池杉、桑树、狗牙根、香根草作为主要建群物种,分别营造以竹柳-香根草、竹柳-狗牙根、旱柳-香根草、旱柳-狗牙根、落羽杉-香根草、落羽杉-狗牙根、池杉-香根草、池杉-狗牙根、桑树-香根草、桑树-狗牙根为主的10种不同群落类型;保土持水带以落羽杉、池杉、竹柳、旱柳、枫杨、乌桕、桑树、紫穗槐、香根草、狗牙根作为主要建群物种,主要营造竹柳-桑树-香根草、竹柳-桑树-狗牙根、旱柳-桑树-香根草、旱柳-桑树-狗牙根、竹柳+旱柳-香根草、竹柳+旱柳-狗牙根、枫杨-桑树-狗牙根、枫杨+乌桕-紫穗槐-狗牙根+美人蕉+黄菖蒲、旱柳+乌桕-紫穗槐+桑树-狗牙根+黄菖蒲、枫杨+旱柳-紫穗槐+桑树-狗牙根、枫杨+旱柳+乌桕-桑树+紫穗槐-狗牙根、枫杨+竹柳-紫穗槐+桑树-狗牙根等群落配置模式;适度利用带植物以罗汉松、油松、樟树、大叶女贞、梨树、五角枫、广玉兰、楝树、柿树、白蜡、杨树、石榴、紫薇、紫荆、夹竹桃作为主要选育物种,同时结合场地现状条件,部分图斑搭配种植枫杨、乌桕、旱柳、桑树、紫穗槐等营造示范区特色景观林。

    植被恢复共涉及113个图斑,32种群落配置模式(见图3)。其中160~163.5 m淹没区图斑17个,总面积约71.80 hm2;163.5~165 m淹没区图斑32个,总面积约29.92 hm2;165~167 m淹没区图斑30个,总面积约43.46 hm2;167~170 m淹没区图斑34个总面积约72.34 hm2

  • 结合项目区水系汇流情况及坑塘分布现状带,对流域内已有的沟渠、坑塘进行简单人工修整改造,形成“塘-湿地”水系统,共布设9处水系统措施(见图3)。

    大任沟布设生态塘3处(位于170 m高程),近自然湿地1处(位于164 m高程),生态沟道1处(位于160~163.5 m高程);小任沟布设生态塘1处(位于170 m高程),近自然湿地1处(位于164 m高程),生态沟道1处(位于160~163.5 m高程);陈岗小流域地形起伏较大,仅在坡降最大处(位于165 m高程)布设生态透水坝1处。构建的生态水系统能够在不同水文情景下满足面源阻控需求。正常蓄水位170 m条件下,生态塘来对上游沟道来水发挥阻控作用。秋季汛限水位163.5 m条件下,“生态塘-近自然湿地-生态透水坝”系统共同发挥生态阻控作用。夏季汛限水位160 m条件下,生态沟道可在“生态塘-近自然湿地”系统的基础上,进一步发挥阻控作用,确保入库径流水质优良。

    生态塘主要是对原有坑塘进行生态化改造[25],改造内容包括:对排水沟进行疏浚清理,连通生态塘与主沟道;修整进水沟渠,保证周边农田径流能够进入生态塘;对边坡进行平整,水面以上部分种植美人蕉,形成缓冲区;生态塘内种植香蒲。近自然湿地主要是对原有低洼沼泽湿地进行修整[26],内容包括:中间修建土埂,用于导流,延长水力停留时间;导流土埂之间种植水生植物,土埂上植草;湿地浅水区种植挺水植物,深水区种植沉水植物;对排水沟进行疏浚清理,保证上游沟道和周边径流能够汇入湿地系统。生态透水坝位于田间废弃河道,坝体分为控制层、溢流层、稳定层和过滤层,分别由不同粒径碎石和砾石构成[27]。生态沟道针对项目区溪沟泥沙淤积,边坡坍塌等问题,开展清淤及加固防护,并在沟道种植芦苇、香蒲等湿生植物,控制沟道侵蚀、减少水土流失和面源污染。

  • 利用输出系数法[28]估算项目区3条沟道流域范围的面源污染负荷产生量。基于项目区1∶2 000地形图,统计得到170 m高程以上各地类面积;170 m高程以下消落区全部按林地计算。降雨量取南阳地区多年平均降雨量800.5 mm。根据丹江口水库调度规程,170、163.5和160 m水位大致对应冬春季、秋季和夏季,结合淅川县降雨季节分布特征[29],3种水位对应的降雨量占比约为10%、30%、60%。按照该比例分配年均降雨量,计算3种水位的面源负荷产生量,结果见表1。面源负荷主要集中在163.5 m和160 m 2个水位时期,170 m水位时负荷量较少。

    研究表明,生态塘对TN、TP、TSS去除率分别为34.7%、34.8%[30]和42.4%[31];近自然湿地对TN、TP、TSS去除率分别为62.9%、54.7%、73.5%[32];生态透水坝对对TP、TSS去除率分别为19.0%、28.1%[33];植被功能带对TN、TP、TSS去除率分别约为70%、64%、80%[34];生态沟道对TN、TP、TSS去除率分别53.2%、71.8%、80.2%[35]。各项措施按照串联关系逐级累积,计算得到不同水文情境下的污染负荷去除量,结果如表1所示。项目区全年对TN、TP、TSS的削减量分别为3.94、0.23、315.79 t·a−1,各污染物去除率在77%~88%;夏季(160 m水位)项目区对TN、TP、TSS的削减量分别为2.11、0.12、169.69 t·a−1,各污染物去除率在85%以上。虽然冬春季(170 m水位)污染物去除能力相对较弱,但由于面源产生量较少,对面源负荷削减需求较低,所以不会造成面源负荷大量输入。

  • 1)丹江口水库缓坡型库岸生态屏障建设的关键在于消落区植被恢复和库岸生态水系统构建。植被恢复将消落区划分为拦滤净化带、固岸缓冲带、保土持水带和适度利用带,适度利用带能够解决消落区土地土地无序耕种的问题。生态水系统通过坑塘沟道的微地形生态化改造,形成生态塘、近自然湿地、生态透水坝和生态沟道等,能够对库周面源径流起到阻控作用。

    2)香花镇缓坡型库岸的生态屏障构建选择16种乔木、6种灌木、4种草本植物进行消落区植被恢复,布设生态塘4处、近自然湿地2处、生态透水坝1处、生态沟道2处形成生态水系统。

参考文献 (35)

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