-
河流生态缓冲带(简称“缓冲带”)的划定是缓冲带修复和保护的重要前提。如何确定缓冲带的宽度和空间布局也一直是管理部门和学者们关注的热点。缓冲带宽度的研究方法大致可分为2类：一是通过野外现场实测与计算确定缓冲带宽度[1-2]；二是通过模型和地理信息系统技术计算缓冲带宽度[3]。大量研究结果表明，随着缓冲带宽度的增加，其面源阻控的效果亦越明显。SAHU等[4]应用SWAT模型对缓冲带宽度与硝酸盐截留效率之间的关系进行研究后发现，硝酸盐入河量随着缓冲带宽度的增加而减少，且截留效率与缓冲带宽度之间呈现非线性关系。SYVERSEN[5]发现，10 m宽的缓冲带对硝酸盐的去除效率明显高于5 m宽的缓冲带，但比较单位面积的硝酸盐截留率，5 m宽缓冲带比10 m宽缓冲带的截留率更高。
VFSMOD模型(vegetative filter strips modelling)是一种模拟植被缓冲带物理过程的模型[6]。通过输入适当参数，可直接运用该模型计算一定宽度缓冲带的污染物去除效率或根据污染物削减目标确定缓冲带的宽度。基于VFSMOD模型和土壤调查来模拟并确定缓冲带的宽度，是目前被广泛认可的方法[7]。在此方法基础上，2008年9月，美国农业部(USDA)发布了保护缓冲带设计指南(Conservation Buffers)。该指南从水质、生物多样性、土壤生产力、经济机会、保护和安全、审美和效果、户外休闲等7个方面详细叙述了缓冲带的设计原则，并确定了缓冲带宽度的计算方法以及如何发挥缓冲带的脱氮除磷作用等[8-9]。我国的缓冲带划定工作起步较晚，关于山溪型缓冲带的宽度划定研究更是鲜有报道。
浦阳江是浙江省水生态治理的重点示范水体，是典型的山溪型河流。山溪型河流汇水区域多位于山地，河谷纵向坡度大，河道坡陡流急，河道滩地较开阔。因受用地限制，山溪型河流的断面一般相对狭窄，枯水季节流量小，甚至断流，汛期河流水量充足。与一般河流相比，山溪型河流具有独特的水文、形态、景观、文化等特征[10-12]。缓冲带划定时应充分结合流域地形地貌、汇水分区以及土地利用状况。山溪型缓冲带建设应该充分考虑到汛期雨量大、水位高和流速快的特点，注重防洪排涝。
本研究以浦阳江干流为例，利用VFSMOD模型，结合浦阳江流域自然和社会条件，沿干流两岸划定范围，选择试点区域构建缓冲区，旨在为山溪型河流生态缓冲带修复提供参考。
-
浦阳江位于浙江省金华市西北部浦江县。浦阳江属钱塘江一级支流，发源于浦江县花桥乡高塘村天灵岩南麓，经江西湖上蔡至湄池与东江合流，至闻堰小砾山，从右岸汇入钱塘江。浦阳江主干流长49.61 km，流域面积492.62 km2，水资源充沛，多年平均水资源量为5.95×108 m3。流域所在浦江县属亚热带季风气候区，年平均气温16.8 ℃，年平均降水量1 470.4 mm。雨量充沛，但分布不均。其中，春夏两季(每年3—9月)降水量占全年的76%，特别是在梅汛期其降水量(5—7月上旬)可达484.8 mm，接近全年的1/3。浦江县境内的土壤分为红壤、黄壤、岩性土、潮土和水稻土等5大类。红壤为县域地带性土壤，广泛分布于山地、丘陵和缓坡岗地；黄壤为垂直地带性土壤，分布于海拔600 m以上的山地；岩性土壤依存于含石灰性的母岩而存在，主要分布于中余佛堂店、白马嵩溪以及郑家坞、朱桥一带红紫砂岩地区；潮土零星分布于大小溪流冲积滩地；水稻土分布于水热条件较优的浦江盆地和山间谷地。
浦江县地形以低山丘陵为主。丘陵面积占全县总面积的81.66%，而河谷盆地仅占全县总面积的18.34%。该县属于浙西丘陵山区，总地势为西北高、东南低。浦阳江上游两岸主要为林地和耕地，中游穿过城镇，两岸主要为建筑用地，下游两岸主要为耕地和建筑用地。浦阳江地理位置和区域地形地貌如图1所示。
-
利用国产高分辨率数据高分2号(GF-2)遥感影像数据提取河流水域岸线。在传统提取方法基础上，使用K-means聚类的分割方法减少复杂地形带来的噪声点。具体步骤如下：1)在图像中每隔20个像元设置1个聚类中心，构成初始聚类中心，以像素在图像中的空间坐标和滤波步骤中得到的背景影像灰度值作为聚类特征向量；2)将影像上的每个点与聚类中心的特征向量计算欧式距离，并指派到最近的聚类中心，形成簇；3)重新计算每个簇的聚类中心的特征向量，中心特征向量每个特征值应为该特征的平均值。水面提取只能针对有水体覆盖的区域，而无法提取河流中裸露的孤岛，这会影响河岸线的识别。使用边缘提取效果最好的canny算子提取河流对象的边缘信息[13]，再对所有被划分为河流的像元及周围的像元进行定位，通过判断与边缘的位置关系，填充河流内部的像元，去除单点噪声，得到边缘细化和精确的河流边界。
-
本课题组就径流源区长度对缓冲带截留效果的影响开展了系列研究。研究发现，当径流源区长度小于200 m时，缓冲带对颗粒污染物的截留效率最大，且随着径流源区长度的增加，截留效率呈下降趋势。为确保浦阳江干流缓冲带截留污染物的效率最大化，应用融合后1 m分辨率的高分2号(GF-2)多光谱遥感数据，采用监督分类对浦阳江干流河岸线两侧各扩展200 m的范围内土地覆盖类别进行逐一提取，为后续通过VFSMOD模型计算缓冲带宽度提供数据保障。提取土地利用类型包括耕地、林地、草地、道路、房屋、水体等。
采用VFSMOD模型对不同情景下缓冲带的效果进行模拟计算，考察了土壤可蚀性、土壤质地、坡度、径流源区长度、缓冲带的宽度等对其拦截效果的影响。结果表明： 随着土壤可蚀性因子(K因子)变大，土壤可蚀性增强，缓冲带泥沙输入量变大；坡度变大时，拦截效率下降，在坡度分别为1%、3.5%、9%和30%，若要拦截效率达到60%，缓冲带宽度分别应达到43.9、50.6、52.9和68.8 m；若要拦截效率达到60%，砂质黏壤土、粉质黏壤土、壤土和黏土所对应缓冲带宽度为109.2、114.6、50.6和128.7 m；径流源区长度越长，缓冲带拦截效率越低。
-
依据《浙江省河流生态缓冲带划定与生态修复技术指南(建议稿)》(浙环函〔2020〕264号)[14]中缓冲带的划定方法，将浦阳江(干流)划分为城镇型河段、农田型河段、村落型河段、林草型河段4种类型，相关参照值见表1。根据河流功能，将河流分为一般河流和特殊河流。其中，一般河流(河段)包括满足水功能区要求、无特殊生态环境保护目标的河流(河段)；特殊河流(河段)包括不满足水功能区要求、具有特殊水环境功能与生态保护目标的河流(河段)，如生态红线区、水产种质资源保护区、饮用水水源保护区、鱼类“三场”及洄游通道、重要湿地等特殊保护区域。
-
借鉴文献[15]中的VFSMOD模型工具，结合汇水径流长度、坡度、土壤质地、土地管理因子以及污染物类型(沉积物、溶解物)，综合确定农田型、村落型、林草型河段的缓冲带宽度。城镇型河段应结合城市河道蓝线来确定其缓冲带宽度。按表1给出的坡度值，采用插值法计算其余坡度条件下对应的缓冲带宽度。
-
河流生态缓冲带一般划分为邻水区域、中间过渡区域和近陆区域3个区。邻水区域(A区)位于河溪水陆交错区，属护岸缓冲带。该区域以乔木林带为主，可保护堤岸、去除污染物，并为野生动物提供栖息地。中间过渡区域(B区)为岸坡缓冲带。该区域以乔灌木树种为主，并考虑植物的多样性组合，以减少河岸侵蚀，截留泥沙，吸收滞纳营养物质，增加生物多样性和野生动物栖息地，在洪水期减缓水流。近陆区域(C区)位于外侧远离河岸的区域，属岸坡缓冲带(包括林地和开阔植被地)。该区域主要由草本植物组成，可穿插配置一些灌木类，以阻滞地表径流中的沉积物，吸收氮、磷和降解农药等有害物质 [16-17]。缓冲带的植被选取应遵循自然规律，尽量选择土著优势物种，慎重引进外来植物品种，且要选择对氮、磷等营养性污染物去除能力较强、用途广泛、经济价值较高和观赏性强的物种[18]。
-
通过GF-2遥感影像数据，提取河流水面，得到河岸线矢量结果。提取结果局部展示见图2。在此基础上，解译浦阳江干流河岸两侧200 m范围内的土地利用情况，共解译面积为19.27 km2。耕地、林地、公园绿地、草地、水体、建筑用地、道路等各土地利用类型占地面积和占比见图3。解译结果局部展示见图4。浦阳江两岸土地利用类型以耕地为主，其次为林地，建筑用地面积占比较小，总体上受农业影响较为严重。
-
根据土地利用解译结果，结合国土资源部《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)“一级类”划分，将浦阳江干流划分为城镇型河段、农田型河段、村落型河段、林草型河段4种类型。其中，在干流的左岸，城镇型河段长为3.63 km，农田型河段长为33.31 km，村落型河段长为5.32 km，林草型河段长为13.25 km；在干流的右岸，城镇型河段长为4.25 km，农田型河段长为21.54 km，村落型河段长为5.03 km，林草型河段长为23.3 km。浦阳江干流上游为生态红线区，在此区域内不同类型河段按特殊河流(河段)缓冲带来划定宽度；中下游为一般河流(河段)，在此区域内不同类型河段按一般河流(河段)缓冲带来划定宽度。
基于浦阳江区域遥感影像，结合乡镇边界、坡度、缓冲带宽度参照值等数据，通过ArcGIS的地理空间分析，计算得出浦阳江干流缓冲带的长度和面积。在浦阳江干流的左岸划定的缓冲带长度约55.51 km，面积约1.657 km2；在其右岸划定的缓冲带长度约54.12 km，面积约1.18 km2(见图5)。
按照各汇水区缓冲带划定结果，结合实地调研情况，对浦阳江干流两岸缓冲带空间布局进行了分析，相关统计结果见表2。在左岸缓冲区中，宽度为15 m的缓冲区长度最长，共13.25 km，占左岸长度的23.87%；其次为宽度为25 m的缓冲带，共12.93 km，占比23.29%；缓冲带宽度为65 m的区域长度最短，共划定0.53 km，占比0.95%。在右岸缓冲区中，同样地，宽度为15 m的缓冲区长度最长，共划定23.3 km，占右岸长度的43.05%；其次为宽度25 m的缓冲带，共14.73 km，占比27.22%；宽度49 m的缓冲带长度最短，共0.14 km，占比0.26%。除缓冲带外，岸边还有其他空间，即岸边绿化区为原有的绿化带，绿化带外为建筑用地，岸边建筑区为原有的建筑用地。其中，在左岸，岸边绿化区长度为5.74 km，岸边建筑区长度为3.63 km；在右岸，岸边绿化区长度为1.37 km，岸边建筑区长度为4.02 km。
-
由于周边水库长期低水位运行，使浦阳江干流下游河道两侧出现岸边消落带。为降低下游两岸农业面源污染的影响，确保干流下游断面水质稳定达标，选择考核断面区域进行缓冲带修复试点。该考核断面位于水库上游，距离水库约800 m。水库存在蓝藻问题和水华爆发的风险，进而影响该考核断面。
-
1)以自然恢复为主。缓冲带的修复应符合河道地质发育特点，遵循河岸带水-陆生态系统的作用及演化规律，充分发挥其自然恢复能力。
2)以种植本土物种为主。充分利用本土物种进行生态修复，慎重引进外来植物品种。
3)保护优先。优先保护缓冲带自然状态良好的区域，避免对其进行人工干预或干扰。
4)保护生态功能。保护缓冲带的生态功能，避免利用其对流域污水进行净化。
5)生境改善先行。依据生境决定生态系统的原理，控制缓冲带内及外围的污染源，恢复河流生境，为缓冲带的生态修复创造条件。
-
结合两岸土地利用情况，从常水位往岸上延伸处构建缓冲带(见图6)，种植水生植物，对河流水体和地表径流污染物进行净化。左岸构建宽度为10 m，长度约为900 m的缓冲带；右岸构建宽度为26 m，长度约为500 m的缓冲带，总面积为22 000 m2。
由于季节性水位涨落，河岸被水淹没的土地可周期性露出水面，成为陆地的一段特殊区域，即河岸消落带，属于湿地范畴。消落带主要以鹅卵石为主，不利于植物的种植与生长，故需要对消落带及不适合植物生长的岸边区域进行地形塑造，以形成洼地和起伏的地形。最后，可采用竹笼网、土工布及树篱进行固土。
山溪型河道坡降大、水流快，故在采用植物护坡的初期具有一定的风险。筛选栽种耐冬季水淹的植物，并种植在最靠近两岸的位置。乔木包括水杉、池杉、竹柳、落羽杉等；灌木包括秋华柳等。在消落带的位置种植挺水植物芦苇，植物搭配见图7。为防止水流冲刷，可采用尼龙网和三角桩相结合的固定方法进行乔木土球固定。芦苇可设计种植平台、种植槽等进行种植。种植平台可用木桩、仿木桩、砖砌、石砌、卵石等围护。依据《湖泊流域入湖河流河道生态修复技术指南(试行)》，乔木间隔选择5 m，芦苇按照每平方米25株进行种植。左岸均选择在岸边消落带内种植芦苇，约种植芦苇22.5×104株；右岸选择乔木与芦苇搭配种植的方式，乔木在靠近岸边的位置种植一列，其余均种植芦苇，乔木约100株，芦苇约26×104株。
-
1)基于卫星遥感进行岸线提取和土地利用解译，利用VFSMOD模型对缓冲带区域进行了划定。划定结果为：在浦阳江干流的左岸划定缓冲区长度为55.51 km，面积约1.657 km2；在右岸划定缓冲区长度为54.12 km，面积约1.18 km2。
2)在缓冲带划定的基础上，以考核断面区域为试点，所构建缓冲带空间格局为：左岸区域宽度为10 m，长度约为900 m；右岸区域宽度为26 m，长度约为500 m的缓冲带，总面积22 000 m2。
致谢 此文撰写过程中得到了金华市生态环境局浦江分局的大力支持，在此深表感谢。
浦阳江干流生态缓冲带的划定与构建
Delineation and construction of ecological buffer zone in the mainstream of Puyang River
-
摘要: 河流生态缓冲带(简称“缓冲带”)的划定是对河流进行生态修复与保护的重要前提。如何确定缓冲带的宽度和空间布局也是管理部门和学者们关注的热点。以浙江省金华市山溪型河流浦阳江干流为例，利用GF-2卫星影像提取河流岸线、解译河岸两侧土地利用状况，通过VFSMOD模型工具和缓冲带自然条件综合确定农田型、村落型、林草型河段的缓冲带宽度；而城镇型河段则结合城市河道蓝线来确定缓冲带宽度；最终划定浦阳江干流左右岸缓冲带总长度109.63 km，总面积2.837 km2。在此基础上，构建了试点区域上仙屋断面的缓冲带修复方案，旨在为缓冲带修复和水环境质量改善提供参考。Abstract: The delineation of the riparian buffer zone is important for riparian buffer zone restoration. Determining width and spatial layout of the riparian buffer zone has attracted attention of the administrative departments and researchers. In this study, the mainstream of the Puyang Riverin Jinhua City, Zhejiang Province, was investigated as a case for delineation and construction of ecological buffer zone. GF-2 satellite imaging was used to extract riverbank lines and to interpret the land use status on both sides of the riverbank. Based on the VFSMOD model and the natural conditions of the riparian buffer zone, the width of the buffer zone of farmland type, village type, forest and grass type river sections were determined. For urban river sections, the width of the buffer zone was determined based on the blue line of the urban river. The total length of the buffer zone on the left and right banks of the mainstream of the Puyang River was 109.63 km and the total area was 2.837 km2. Given that, a detailed restoration plan for the riverbank ecological buffer zone of the Shangxianwu section in a typical area was proposed, aiming to provide reference and support for riverbank buffer restoration.
-
-
图 1 浦阳江流域地理位置和区域地形地貌图
Figure 1. Geographical location and regional topography map of Puyang River basin
图 2 河流水面提取效果(部分片段)
Figure 2. Extraction result of river water surface(part of the river)
图 3 河岸带解译结果面积占比情况
Figure 3. Percentage of riparian zone based on the interpretation results
图 4 河岸带土地覆盖分类结果展示(部分区域)
Figure 4. Classification results of riparian land cover (partial areas)
图 6 试点区域生态修复位置示意图
Figure 6. Schematic diagram of ecological restoration locations in typical regions
图 7 植被缓冲带植物整体搭配示意图
Figure 7. Schematic diagram of overall arrangement of ecological buffer zone plants
表 1 河流生态缓冲带宽度参照值[14]
Table 1. Reference values of river ecological buffer width
类型 坡度/% 一般河流最
小宽度/m特殊河流最
小宽度/m城镇型河段 — 城市河道蓝线 城市河道蓝线 农田型河段 1 25 45 农田型河段 3.5 30 60 农田型河段 9 35 80 农田型河段 30 70 125 村落型河段 1 20 35 村落型河段 3.5 25 45 村落型河段 9 30 60 村落型河段 30 70 120 林草型河段 — 15 15 注：城镇型河段的最小宽度按城市河道蓝线划定范围确定。 
下载: 导出CSV
表 2 浦阳江两岸缓冲带的长度统计结果
Table 2. Results of the length of the buffer zone, green area and construction area on both sides of the Puyang River
两岸位置 缓冲带宽度/m 缓冲带长度/km 左岸 15 13.25 21 1.43 25 12.93 26 1.67 28 5.19 29 3.92 35 2.45 65 0.53 66 1.79 70 0.45 106 1.68 112 0.85 右岸 15 23.3 25 14.73 26 7.25 29 1.12 33 2.19 49 0.14
下载: 导出CSV
-
[1] 王敏, 吴建强, 黄沈发, 等. 不同坡度缓冲带径流污染净化效果及其最佳宽度[J]. 生态学报, 2008, 28(10): 4951-4956. doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2008.10.040 [2] 黄沈发, 唐浩, 鄢忠纯, 等. 3种草皮缓冲带对农田径流污染物的净化效果及其最佳宽度研究[J]. 环境污染与防治, 2009, 31(6): 53-57. doi: 10.3969/j.issn.1001-3865.2009.06.016 [3] 钱进, 王超, 王沛芳, 等. 河湖滨岸缓冲带净污机理及适宜宽度研究进展[J]. 水科学进展, 2009, 20(1): 139-144. doi: 10.3321/j.issn:1001-6791.2009.01.023 [4] SAHU M, GU R R. Modeling the effects of riparian buffer zone and contour strips on stream water quality[J]. Ecological Engineering, 2009, 35(8): 1167-1177. doi: 10.1016/j.ecoleng.2009.03.015 [5] SYVERSEN N. Effect and design of buffer zones in the Nordic climate: The influence of width, amount of surface runoff, seasonal variation and vegetation type on retention efficiency for nutrient and particle runoff[J]. Ecological Engineering, 2005, 24(5): 483-490. doi: 10.1016/j.ecoleng.2005.01.016 [6] MUOZ-CARPENA R, PARSONS J E, GILLIAM J W. Modeling hydrology and sediment transport in vegetative filter strips[J]. Journal of Hydrology, 1999, 214(1/2/3/4): 111-129. [7] 侯利萍, 何萍, 钱金平, 等. 河岸缓冲带宽度确定方法研究综述[J]. 湿地科学, 2012, 10(4): 500-506. doi: 10.3969/j.issn.1672-5948.2012.04.017 [8] BENTRUP G. Conservation buffers: Design guidelines for buffers, corridors, and greenways[R/OL]. [2021-03-01]. https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=c00bd6263d0b5bd0b6daa2e2d73423b7&site=xueshu_se. [9] LYU C J, LI X J, YUAN P, et al. Nitrogen retention effect of riparian zones in agricultural areas: A meta-analysis[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 315(10): 128143. [10] 王沛芳, 王超. 山溪性城市河流水环境综合整治体系研究[J]. 湖泊科学, 2003, 15(Z1): 261-265. doi: 10.18307/2003.sup33 [11] 刘桂玲. 浙江省城镇近自然河道设计方法研究[D]. 杭州: 浙江农林大学, 2010. [12] 浙江省土地志编纂委员会编. 浙江省土地志[M]. 北京: 方志出版社, 2001. [13] 孙永军, 陈德智, 邱云峰. 河流湿地遥感信息提取方法研究[J]. 国土资源遥感, 2010(S1): 14-17. [14] 袁鹏, 刘瑞霞, 俞洁, 等. 《浙江省河流生态缓冲带划定与生态修复技术指南(试行)》解读[J]. 环境工程技术学报, 2021, 11(1): 1-5. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210003 [15] United States Department of Agriculture. Forest Service Southern Research Station. Conservation Buffers. Guidelines, Design[R/OL]. [2021-03-01]. 2008.https://www.srs.fs.usda.gov/. [16] CHRISTER NILSSON, KAJSA BERGGREN. Alterations of riparian ecosystems caused by river regulation[J]. BioScience, 2000, 50(9): 783-792. doi: 10.1641/0006-3568(2000)050[0783:AORECB]2.0.CO;2 [17] 颜兵文, 彭重华, 胡希军. 河岸植被缓冲带规划及重建研究: 以长株潭湘江河岸带为例[J]. 西南林业大学学报, 2008, 28(1): 57-60. doi: 10.3969/j.issn.2095-1914.2008.01.012 [18] 中华人民共和国环境保护部污染防治司. 湖泊流域入湖河流河道生态修复技术指南(试行)[S/OL]. 2014.[2021-03-01]. https://www.mee.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201406/W020140612431124756514.pdf. -
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 4953
- HTML全文浏览数: 4953
- PDF下载数: 123
- 施引文献: 0
