三峡大坝消落带湖城共生复合生态系统恢复重建模式与方法

三峡大坝消落带湖城共生复合生态系统恢复重建模式与方法

1消落带生态修复三峡水库是世界上最大的水库工程。在防洪、蓄水和水运等方面发挥着显著的社会和经济优势。然而它的兴建同时也不可避免地给库区生态环境带来了诸多不利影响,其中水库消落带的生态环境问题最为引人注目。消落带(Water-level-fluctuationzone)是由于建坝蓄水形成具有周期性水位涨落的水陆交错带,其水陆交错的特性与自然河岸带(Riparianzone)或河漫滩(Floodplain)具有一定相通性。由于采取“蓄清排浑”的运行机制,三峡水库水位变动规律(夏消冬涨)与天然河流涨落节律(冬消夏涨)截然相反,其涨落幅度达30m、长时间冬季水淹之后伴随着长期的夏季干旱,对消落带生态系统健康形成了严峻挑战。滑坡、富营养化、生物多样性减少等问题使得对三峡水库消落带的修复工作变得极为迫切。针对库区消落带的生态修复,目前的研究重点主要集中在耐淹植物物种筛选,植被修复技术研发,以及对消落带湿地资源进行友好利用的模式探索等方面。然而对于具体的生态修复工程而言,关键还在于如何通过合理的生态结构设计以实现具体的生态功能。对于库区沿岸城市而言,应统筹考虑消落带与城市发展之间的关系,使消落带的治理与城市整体功能相融合。开县是库区所有区县中消落带面积最大的一个,而汉丰湖则是开县人民政府在权衡消落带所形成的不利影响和生态机遇的前提下,通过组织修建乌杨水位调节坝而形成的一个“城市内湖”。2010年12月汉丰湖获批成为国家湿地公园建设试点,由此成为开县三色旅游发展战略中的“蓝宝石”。对于开县这样一座典型的水敏性城市而言,水是城市发展的重要影响因子,城市因水而生,也可能因水而衰;对于三峡库区而言,汉丰湖则成为其重要的生态屏障,在维护库区生态安全方面发挥着重要作用。本研究旨在基于对生态系统结构和功能的认识,探寻反季节水位变动影响下的城市生态护岸结构设计方法,从而解决城市发展所面临的以下难题:(1)如何保障其水质不会因为大量城市面源污染物的汇入而恶化?(2)如何改善反季节长时间淹水影响下的湖岸景观质量,促进湿地与城市人居环境的和谐发展?(3)如何通过湖岸消落带生态缓冲区的营建,发挥其水质净化、景观优化和生物生境等综合生态服务功能,促进“湖—城”共生复合生态系统的形成?2现场解释2.1汉丰坝-乌杨坝研究区汉丰湖国家湿地公园位于重庆开县城区内东河与南河交汇处(北纬31°11',东经108°25'),东起乌杨桥水位调节坝,西至南河大邱坝,南以新城防护堤为界,北到老县城所在的汉丰坝-乌杨坝一线(图01)。公园规划总面积1303hm2,高水位运行时水域面积达1089hm2。2.2公园地质环境研究区所在地开县属亚热带湿润季风气候,多年平均气温18.5℃,无霜期306天,多年平均降水量1385mm;汉丰湖所在区域属丘陵河谷地貌区,近东—西走向,河床两侧为宽缓的河谷,河漫滩发育,地形起伏小;汉丰湖主要支流为东河、南河和头道河,多年平均流量76.6m3/s;湖周低海拔区域主要土壤类型为砂质土,较高海拔区域主要为黄壤和黄棕壤。公园范围内共有高等维管植物143科479属548种,其中自然植被以狗牙根(Cynodondactylon)、香附子(Cyperusrotundus)、西来稗(Echinochloacrusgalli)等耐水淹草本植物群落为主;公园范围内共有脊椎动物210种,其中鱼类74种,两栖动物12种,爬行动物19种,鸟类144种,哺乳动物23种。2.3峡水库水位调节坝作用汉丰湖是三峡水库的前置库,其水位变动受三峡大坝和汉丰湖水位调节坝双重水位调节影响(图02)。冬季三峡水库进入蓄水期,当水位上升至172.28m时,水位调节坝开启以保持汉丰湖水位与三峡水库水位同步运行;次年1月左右,三峡水库逐渐下降,当水位降至172.28m时,水位调节坝下闸挡水;夏季进入汛期后,水位调节坝根据上游来水量进行调度,以保证汉丰湖水位保持在172.28m,仅当上游来水量大于等于800m3/s时,调节坝闸门全开以敞泄冲沙,洪水之后再次下闸蓄水。在三峡大坝和水位调节坝的共同作用下,汉丰湖水位涨幅由原来的22.5m下降为2.72m。湖周消落带区域在冬季被水淹没形成浅水区为鸟类生境的营造提供了契机,而在夏季出露又为其作为水陆交错区的生态缓冲带功能和休闲娱乐功能的实现提供了平台。3汉丰湖护岸生态结构设计规范对区域水生物量综合评价的启示面向水质净化、景观优化和生物生境等综合生态服务功能的需要,汉丰湖护岸生态结构设计重点及难点在于以下几个方面:(1)尽管汉丰湖水位变动已由22.5m下降至2.72m,但长达3个月的冬季水下淹没及随后长期的干旱暴露仍对消落带内植物的生长提出了严峻考验,这不仅影响到湖岸景观质量,同时也不利于消落带生态系统结构的稳定及其功能的有效发挥。因此,汉丰湖护岸生态结构设计首先要注意对该区域反季节水位变动适生植物物种的筛选。(2)汉丰湖作为城市内湖,其地形位于整个城市的最低点,湖周城市硬化地表大量的面源污染物质将随地表径流散排或通过雨水管道集中排入湖中,导致水环境质量下降。另外由于开县新县城污水管网尚不健全,部分偷排、漏排的生活污水,以及污水处理站未经深度处理的出水直接排入汉丰湖势必加剧湖体水质进一步恶化的风险。因此,需要通过科学合理的护岸结构设计,发挥其重要的生态屏障功能,以有效阻止城市陆域污染物质直接进入汉丰湖,从而维持汉丰湖健康的水质状况。(3)汉丰湖湿地公园综合服务功能定位包括水质净化、景观优化和生物生境等多个方面。只有以生态系统学原理为基础,并结合环境科学、景观设计等专业知识,通过适当微地貌改造和合理植物配置等手段,才能促进一个“湖—城”共生的湿地复合生态系统的形成。4生态超载结构的设计4.1注重功能与微地貌的适应适应反季节水位变动背景下的城市护岸生态结构设计应遵循以下主要原则:(1)适应性原则适应性原则是保障设计内容可操作,设计结果可持续的基本要求。首先,基础结构设计应与周期性水位波动的客观条件,以及局部区域地形地貌特征相适应;其次,植物的选择应与冬季长时间淹没和夏季长期干旱的生长条件相适应;最后,植物配置及微地貌改造应与具体的功能需求相适应。(2)自然为母,时间为父自然界是人类学习的最佳模板,设计应该立足于对自然界客观现象和规律的认识;对于生态结构的设计不可一蹴而就,应始终坚持人工设计和生态系统自我设计相结合的方式,通过人工设计营造特殊的地形、水文条件,诱导生态系统随时间演替、变化,直至最稳定状态。(3)重形态,更重功能结构是功能的依托,而功能才是结构设计的终极目的。形态结构是设计表观上的体现,主要是满足景观功能的需要,而面对水质净化、生物生境等综合生态服务功能的需要,应该对形态结构进行更加科学合理的设计。设计结合自然,不仅是说设计应该结合自然气候、地形、地貌等环境特征,更要求我们清楚地认识生态系统结构和功能之间的相互关系。4.2护岸生态结构设计根据汉丰湖湿地公园对水环境、滨水景观,以及生物生境功能的综合需求,本研究提出了适应该区域反季节水位变动影响的4种生态结构,即:景观基塘系统、湖岸生态缓冲带、林泽系统和生境岛屿。在开县新县城建设过程中,大部分湖岸线已被硬质化处理,本研究暂时仅对尚未硬化的岸线或滨水一侧尚有充足空间的消落带区域进行护岸生态结构设计,主要包括石龙船大桥南桥头护岸带、北岸汉丰坝沿线,乌杨坝外侧消落区以及回澜湾等区域。各研究点位所面对的功能需求,以及实际的地形和周边环境条件是各重点结构设计选址的主要依据。4.2.1景观基塘及其分布基塘系统源于中国“桑基鱼塘”这一传统农业文化遗产理念,“塘”就是池塘,“基”就是将池塘分隔的土埂,基上种植桑树便称之为“桑基鱼塘”。“塘以养鱼,基以树桑,蚕沙肥田,塘泥雍桑”,桑基鱼塘是一种健康的可持续的人工生态系统。受桑基鱼塘理念的启发,重庆大学湿地研究团队在澎溪河开展了消落带基塘工程研究,初步确定了基塘系统在消落带区域实施的可行性。在此基础上,本研究将基塘系统理念进一步应用于具有反季节水位变动影响的城市滨湖区域景观及生态系统修复,提出了城市景观基塘系统结构。景观基塘系统由一系列相互串连的塘块组成,其选址要求地形相对平坦且具有足够面积。本研究选择在汉丰湖南岸石龙船大桥附近172.0m-175.0m海拔范围内地势较为平坦的湖岸,以及汉丰湖北岸头道河河口左侧的旧城拆迁回填区设计景观基塘系统。这两个区域一个接近新县城,一个紧邻汉丰街道及规划的住宅区,均为市民能够快捷到达的区域,将提高基塘系统的展示度,增强其休闲游憩功能和宣传教育功能。南岸景观基塘塘基顶部设计宽度1.0m,可供市民观赏游览;基塘平均设计水深30cm,水流通过重力作用在塘与塘之间逐级流动。城市地表径流通过雨水管道排入基塘系统(图03),在经过沉淀、微生物降解和植物吸收等净化过程后进入汉丰湖,一方面实现了对面源污染的拦截,另一方面也有助于削弱洪峰流量;由于南面景观基塘均位于175.0m水位线以下,植物配置以太空飞天荷花(Nelumbonucifera(spacebred))、再力花(Thaliadealbata)、黄花鸢尾(Iriswilsonii)、芦苇(Phragmitesaustralis)、香蒲(Typhaorientalis)、菖蒲(Acoruscalamus)等兼具良好水质净化功能和景观效果的耐水淹植物为主,塘基之上则以自然生长的狗牙根、香附子等植物为主。头道河河口景观基塘系统(图04)位于175.0m水位线以上,虽然不受水位波动的影响,但却对汉丰湖水质的维护起着重要作用。场地东北角为一小型污水处理站,负责处理汉丰坝附近居民排放的生活污水,但污水处理站设计出水水质要远高于地表水环境质量标准要求,经污水处理站处理后的生活污水直接排入汉丰湖将对湖体水质造成一定影响。本设计利用景观基塘系统构建表流型人工湿地25亩(16667m2)以对污水处理站出水进行深度处理,预计BOD5,CODcr和SS的去除率均可达50%以上,水流在经过逐级净化之后最终排入汉丰湖。基塘内湿地植物物种多以乡土植物为主,其配置则综合考虑了景观需要和植物对不同浓度污染物的净化能力和耐受能力:从入水口到出水口,水质逐渐改善,依次配置挺水植物区(荷花、香蒲、风车草(Clinopodiumurticifolium)、芦苇、千屈菜等)→浮水植物区(如睡莲(Nymphaeatetragona)、荇菜(Nymphoidespeltatum)、眼子菜(Potamogetondistinctus)、菱角(Trapabispinosa)等)→沉水植物区(如菹草(Potamogetoncrispus)、黑藻(Hydrillaverticillata)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)等),植物布局或疏或密、或高或低、或呈团块状,或呈片状,塘基之上丛植蒲苇(Cortaderiaselloana)、芦竹(Arundodonax)等高草灌丛植物,由此以增强湿地景观层次感。大小各异、深浅不一的景观基塘经过流水的串连形成塘链,增强了其景观价值。基塘系统内铺设木质栈道供市民游憩,通过对栈道走向的精心设计,辅以各种大小标识牌构成的解说系统,不仅向游人展示了湿地作为“地球之肾”而发挥的水质净化功能,同时也讲述了湿地植物群落发育演替的完整历程。因此,头道河河口景观基塘系统不但具有水质净化功能和景观功能,还具有重要的科普宣教功能。在景观基塘系统结构设计上则需要注意底部的防渗和驳岸的生态化处理。由于该区域底质以河沙和回填弃土为主,防渗性能较差,因此在基塘底部应先铺设一层土工布防渗,再回填种植土。驳岸则以自然的土质边岸或具有多孔隙空间的干砌块石护岸为主,从而为湿地动植物提供更加优质的栖息空间。4.2.2湖岸生态缓冲带的构建与植物配置自然河岸带通常由河岸草甸、河岸灌丛,以及河岸乔木林构成具有带状结构特征的缓冲区(Riparianbufferzone),它对于河流生态系统健康的维持具有重要作用。研究表明,当植被缓冲带宽度达5m以上能够有效减少地表径流中的氮和泥沙含量,拦截效率为42%以上,当缓冲带宽度达9m以上,则能进一步减少径流中磷的含量;河岸缓冲带具有重要的生境功能。Pearson和Manuwal通过研究发现河岸缓冲带作为繁殖鸟生境的功能与其宽度存在一定联系,当其宽度能达到45m时,将维持河岸鸟类种群的稳定性。Richardso等认为由于河岸缓冲带植被具有拦截泥沙,为温度敏感性鱼类提供遮阴庇护条件,以及通过枯枝落叶分解提供水生动物所需的营养盐等作用,因而对水生态系统中鱼类及其它生物生境的维持具有重要作用。除此之外,缓冲带植物地下交织的根系能够有效防止水土流失,而由乔灌草形成的复杂垂直结构能够通过枝叶拦截、蒸发、蒸腾等作用有效阻止降雨以地表径流的形式直接进入地表水体,从而起到削峰滞洪的作用。因此,构建河岸缓冲带已经成为一种常用的岸线生态修复手段,而三带缓冲系统也常常用于湖泊水库等岸线的生态结构重建(图05)。汉丰湖湖岸生态缓冲带建设地点位于头道河河口至东河河口之间的汉丰坝外缘消落带区域。该区域为开县老县城政府所在地,场地拆迁回填后平均边坡系数1:8,海拔172.28m-175.0m之间平均坡面宽度约22m。汉丰湖沿岸消落带夏消冬涨的水位变化规律与多数植物冬季休眠夏季生长的节律相吻合,这为消落带缓冲区植物生存提供了机会。设计所选用的植物品种多为在消落带实地考察或试验研究中筛选出的本地宿根植物,它们既耐冬季水淹,也耐夏季干旱。植物配置则主要考虑不同高程水位变动对植物生长的影响。在深水区所配置的植物宜为对夏季洪水具有一定抵抗能力的灌丛或草本,它们能够通过无性繁殖或调整物候期以保持繁殖能力;而在浅水区则配置既耐水湿又耐干旱的观赏性两栖植物。结合汉丰湖反季节水位变化特征和消落带适生植物生长特性,本研究对湖岸生态缓冲带进行如下植物配置:在外缘带水深1.2m以上区域(海拔172.28m-173.8m),片植狗牙根、牛鞭草(Hemarthriaaltissima)、香附子等耐淹乡土植物,其间丛植秋华柳(Salixvariegata)、南川柳(Salixrosthornii)、小叶蚊母(Distyliumbuxifolium)、芦苇、水巴茅(Miscanthusfloridulus)等耐水淹灌丛(或高草)以丰富生境类型;在內缘带水深1.2m以下区域(海拔173.8m-175m)片植美人蕉(Cannaindica)、风车草、黄花鸢尾等既耐水淹又耐干旱的两栖植物,3-5株小规模种植落羽杉(Taxodiumdistichum)、池杉(Taxodiumascendens)、水松(Glyptostrobuspensilis)等湿地乔木,以增强湖岸带景观层次感,其间丛植芦苇和水巴茅增添城市自然野趣(图06)。本研究中的林泽工程主要实施区域位于东河河口及乌杨坝回澜湾172.0m以上区域,植物物种选择池杉、落羽杉等典型耐水淹乔木,并间插种植色叶植物乌桕以丰富湖岸季相景观。林泽边缘配植芦苇,芦竹、水巴茅、香蒲等高草植物形成高草—林泽复合系统,以进一步增强林泽工程实施区的生物生境功能。4.2.4河心岛屿是鸟类生境营造的重要要素鸟类是湿地公园生境质量的重要指标,湿地鸟类被形象地比喻为城市湿地公园中“用翅膀投票的游客”。对于湿地公园,鸟类生境的营造至关重要。河心小岛是河流廊道中重要的结构要素。河流挟带的大量泥沙首先在水流减缓处逐渐沉积形成河心滩,泥沙进一步在河心滩堆积并高出水面时便形成河心洲,随着河心洲植物群落的不断演替,它对泥沙的拦截作用也不断增强,河心洲不断堆高,植物群落结构日趋复杂,最终形成有乔—灌—草复合群落结构的河心岛屿。在《诗经�国风�周南》的开篇之作“关雎”中描写道“关关雎鸠,在河之洲”,以及被世人尊为“诗圣”的唐代诗人杜甫所作《登高》一文中所描绘的“渚清沙白鸟飞回”等文学作品中都反映出河心小岛是一种重要的鸟类生境。从生态学角度分析,食物、水和隐蔽条件是鸟类生境营造的三大要素。河心小岛复杂的植被结构不仅为鸟类筑巢提供了便利,同时小岛与陆地之间的水面有效减少了人类活动的干扰,并降低了鸟类受到蛇类等天敌攻击的概率,小岛周边水草丰茂的浅水区域中生活的鱼虾和水生昆虫为鸟类提供了丰富的食物,这尤其为鹭类及鸻鹬类涉禽提供了绝佳的栖息场所。5人与自然的和谐保护与利用逐水草而居是人的本性,逐水草而栖也是湿地动物的本能。水草,不仅有水,还应该有繁茂的湿地植物,以及在其中生存的鱼类、昆虫和水鸟,以构成完整的湿地生态系统。湿地公园是一种特殊的生态园林,其建设应以人为根本出发点,在改善居民生活质量的同时,实现对环境的保护,这与生态工程设计过程中提出的“人与环境共赢”的基本思想一致。人与自然本应和谐发展,湿地保护与利用也并非完全矛盾对立的。作为景观设计工作者,在设计过程中应注意从多角度去思考,尊重大自然,并以生态学原理为指导进行设计,探索生态效益、经济效益和社会效益的平衡点,促进保护与发展的双赢。4.2.3生境岛屿的设计为了保证三峡水库行洪通畅,保障航运安全,并防止蓄水造成库区水质迅速恶化,长江三峡集团公司早在大坝修建过程中便组织实施了整个175m水位线以下区域的清库工作,几乎所有该区域内的乔木和绝大部分灌木都被砍伐殆尽。但国外大量相关研究及国内部分实践表明,实际上存在着很多耐水淹的乔灌木树种,例如,池杉、落羽杉、中山杉(Taxodiumhybrid‘zhongshanshan’)、桑树(Morusalba)、乌桕(Sapiumsebiferum)、水桦(Betulanigra)、秋华柳、南川柳、旱柳等,这些树种在经历冬季蓄水淹没后仍能良好生长,落羽杉、池杉等树种甚至能常年浸泡在水中形成水上森林,即林泽系统(SwampForest)。在三峡水库支流的湖汊库湾等区域实施消落带林泽工程(Littoralwoodland)不但能丰富消落带单调的草甸景观,同时它还具有重要的生态学意义。林泽系统是对三带缓冲系统的外延,它将河岸林地对河流生态系统的影响直接延伸到了水中:首先,通过林泽系统能够进一步增强对湖岸的稳固;其次,林泽树木产生的枯枝落叶等凋落物进入水中并缓慢释放营养盐,对维持水生态系统的稳定具有重要意义;第三,树冠形成的阴影能够促使水体温度呈现出局部差异,尤其在炎热的夏季,这将为温度敏感性鱼类和水生昆虫提供更加适宜的生境;第四,冬季淹水后,林冠出露水面为越冬水鸟提供了良好的庇护环境;第五,林泽树木通过光合作用产生的氧气能够传输到根部并源源不断地释放到水中,从而增加湖水含氧量;第六,研究表明水库是温室气体甲烷的重要来源(碳源),林泽树木生长则能够有效固碳,成为碳汇,从而在一定程度上平衡三峡水库碳排放,对缓解温室效应具有一定影响。生境岛屿主要设计分布在北岸汉丰坝和乌杨坝外侧海拔168m-172m区域。岛屿顶部设计标高174.5m-176.0m,其中:175m以上空间配置火棘(Pyracanthafortuneana)、水麻(Debregeasiaorientalis)、悬钩子属(Rubus)、小果蔷薇(Rosacymosa)、枸杞(Lyciumchinense)、桑树、商陆(Phytolaccaacinosa)等带浆果灌木植物,能够为多种鸟类提供食物。地被