海河流域平原河流生态修复模式研究Ⅱ——应用

作者:汪雯 黄岁…    文章来源:水利水电技术    点击数:6169    更新时间:2010/1/13
  摘要: 应用“海河流域平原河流生态修复模式”, 研究海河流域平原河流的生态修复。北运河、永定河和卫河是海河流域具有代表意义的生态受损河流。以这3条河流为例, 通过分析它们的水量、水质、生境现状, 结合建立的修复模式体系, 提出相应的生态修复模式。在此基础上, 讨论并提出海河流域其它18条平原河流的的生态修复技术。

  关键词: 海河流域; 北运河; 永定河; 卫河; 生态修复模式; 水环境; 生态环境

  中图分类号: X171.1    文献标识码: B    文章编号: 1000-0860 (2009) 05-0004-06

  Study on eco2restora tion modes for r ivers on pla in of Ha ihe River Ba sin II: applica tion

  WANGWen1 , HUANG Sui-liang1 , ZHANG Sheng-hong2 , L IN Chao2 , L IU De-wen3 , CHE Hong-jun3

  (1. College of Environmental Science and Engineering, NankaiUniversity, Tianjin 300071, China;

  2.Water Resources Protection Bureau, Haihe RiverWater Conservation Commission, MWR, Tianjin 300170, China;

  3. Institute ofWater Resources Protection, Haihe RiverWater Conservation Commission, MWR, Tianjin 300170, China)

  Abstract: The eco2restoration modes for rivers on the p lain of Haihe River Basin are app lied to study the eco-restoration of the rivers on the p lain. The typ ical eco-damaged riverswithin the river basin are the North Canal, Yongdinghe River andWeihe River. Taking these three rivers as the study cases, the relevant eco2restoration modes are put forward in combination with establishing the restoration mode structures on the basis of the analysis on the water amount, water quality and the current status of the rivers concerned1 Based on this, the eco2restoration technologies for the other 18 rivers within the basin are p resented and discussed herein aswell.

  Key words: Haihe River Basin; North Canal; Yongdinghe River; Weihe River; eco-restoration mode; water environment; eco-environment

  1  引 言

  本文是“海河流域平原河流生态修复模式研究Ⅰ——修复模式”(见《水利水电技术》2009 年第4期)的续篇, 主要是应用前文建立的海河流域平原河流生态修复模式, 研究流域内平原河流的生态修复。在前文中, 总结和筛选现有河流生态修复技术, 认为这些技术可分为水量调整、水质净化和生境恢复3类; 分析海河流域平原河流水量、水质和生境现状,提出“海河流域平原河流生态修复模式”。该模式包括4种修复类型, 即管理保护、直接修复、补水修复和生态系统替代, 并9种修复模式。

  由于流量不足、水污染和河流人工化, 海河流域平原河流生态系统发生严重退化, 生物量锐减, 生物多样性降低。永定河下游等一些断流干涸严重的河流(段)的河流生态系统完全退化; 生态基流不足或闸坝水库调节力度大的河流, 如北运河等的河流生态系统逐渐“湖库化”, 河流的连通性很差; 而水量充沛的河流(段)也往往因为水污染严重(如卫河)或天然生境破坏难以维持健康的河流生态系统。

  海河流域平原河流中, 北运河是京杭大运河的一部分, 具有较高的历史、文化和经济价值, 但河流天然生境遭到破坏, 水量从上游到下游经历相对丰沛到严重不足的变化; 永定河下游常年断流干涸, 河床沙化严重, 成为周边的风沙源; 卫河水量相对充沛, 但水污染相当严重。因此, 上述3条河流是流域内比较有代表意义的生态受损的平原河流。本文先讨论这3条典型河流的生态修复模式和技术, 然后讨论其它18条平原河流的生态修复模式和技术。

  2 北运河生态修复模式研究

  北运河自北京通州区北关闸至子北汇合口入海河,河道全长142.7 km, 流域面积6 166 km2 , 如图1所示。北运河作为京杭大运河重要的组成部分, 曾在我国经济社会文化发展中发挥重要作用。近几十年, 由于水资源过度开发, 北运河生态环境不断恶化[1] 。

  北运河上游水量比较丰沛, 1999~2005年连续7年干旱, 北运河北京地区的平均出境水量仍有4.87亿m3 ; 下游却由于自然气候条件变化和用(引)水量激增, 水量明显减少, 甚至出现断流河干的情况。2000年以后, 北运河屈家店以下基本全年断流干涸。

  北运河自20 世纪80 年代末期以来受到严重污染, 近年来虽然得到逐步改善, 但全河段仍为劣Ⅴ类水, 只在每年6~9月汛期, 污染物得到稀释后水质稍有好转[2] 。根据2007年7月北运河水质监测数据(见表1) , 北运河水质为劣Ⅴ类, 主要表现为营养物质超标, 主要的污染物为氨氮。一般说来, 上游污染更严重。

  北运河建有大量水利工程, 上游建有十三陵、桃峪口、响潭、德胜口、王家园等5座中小型水库; 河上建有北关闸、榆林庄闸、杨洼闸、木厂闸等4座拦河闸以及土门楼泄洪闸和筐儿港枢纽工程; 中游香河县境内蜿蜒河道渠化; 两岸河滩多被农田挤占; 致使河岸带功能退化、动植物栖息地萎缩, 河流天然生境遭到严重破坏。由于北运河从上游到下游不同河段在水量、水质和生境三方面表现出不同的特点, 因此将其分为北关闸至牛牧屯、牛牧屯至土门楼以及土门楼以下3段分别研究其生态修复模式, 见图1。

  2.1 北关闸至牛牧屯河段生态修复模式

  北关闸向下至牛牧屯, 河道全长40.1 km, 其上游为温榆河, 沿途有坝河、通惠河、凉水河汇入, 水量比较丰沛, 尤其是在汛期, 北运河作为重要的排水河道, 承担着北京城区90%的排洪任务。根据2005年监测资料, 北运河通州站径流量为3.3亿m3 , 榆林庄站径流量为2.1亿m3 [3] , 能够满足其生态环境需水量。

  本河段的主要问题是水污染严重, 水质达不到该段Ⅴ和Ⅳ水功能区的要求。根据监测资料, 该河段水质为劣Ⅴ类, 氮、磷等营养元素污染严重, 氨氮超标将近10倍。这主要因为本河段水源为北京城区涝水和北京城市河湖退水及部分废污水。由于城镇污水处理厂出水排入Ⅳ类、Ⅴ类功能水域, 执行污水排放二级标准, 即氨氮浓度小于25 mg/L, 总磷浓度小于3 mg/L; 而地表水Ⅴ类氨氮和总磷的标准是2.0 mg/L和0.4 mg/L。因此, 在现状条件下, 北运河水质不能达标, 给北运河生态环境造成巨大压力, 必须采取有效措施改善水质。

  根据调查, 北运河上游通州城区河段已建成城市景观河段, 采用阶梯式生态护岸, 沿河栽种荷花、香蒲等耐污植物, 增加河滩、岸的植被覆盖率, 具有较好的去污和景观效果, 应予以保留。通州以下乡村河段两岸除护堤林外, 多为农田, 生物多样性有所不足, 河流自净能力有限, 生境相对比较单一, 有必要采取生境恢复技术加以改善。

  基于以上分析, 北运河北关闸—牛牧屯河段生态修复应采用直接修复类型中的强化净化模式。根据该河段的具体情况, 因地制宜选择修复技术, 如图1所示。

  从北运河水污染成因看, 采用污染源控制手段最有效。由于污染物主要是营养物质, 可以选择人工湿地、氧化塘、植物修复和生物膜等修复技术。在河岸较为开阔的地带或地势较低的洼地构筑人工湿地, 将污染的河水引入, 利用湿地的物理、化学和生物作用去除污染物质, 净化水质, 或将河水引入氧化塘, 通过沉淀与生物降解等作用净化水质。对于污染特别严重的区域, 如排污口附近或污染物积累的水域可以采用生物滤池、生物膜技术等进行处理; 对水质要求高的区域, 可以采用膜技术进行深度处理。另外, 还可以通过设置曝气机、移动式曝气船等形式, 增加河流溶解氧, 加快氮、磷降解; 或者沿河道栽种芦苇、蒲草等耐污的水生植物, 在河水流动的同时对其进行净化。

  该河段生境恢复可主要采用生态护岸技术, 以抛石或石笼护岸、鱼巢护岸等形式加固河岸, 既不影响水、陆生态系统间交换, 还能有效拦截面源污染。在条件成熟时, 恢复天然湿地, 将蓄、滞洪区改造为复合流湿地, 通过河水季节性的淹没, 营造多样的生物栖息地。在有条件的区域进行退耕, 恢复河岸带。由于恢复河岸带的廊道功能至少要保证两岸140~190 m的残林, 实行的难度比较大, 可以主要恢复河岸的缓冲功能, 即根据具体河道的情况, 保证5~50 m宽的灌木丛或50~200 m的草地。沿河布置水生植物, 或采用设置生物沉床和生物浮床等形式, 一方面恢复水生生物群落, 一方面截流降解污染物质, 还有一定的景观效果。

  2.2 牛牧屯至土门楼河段生态修复模式

  该河段承接北京来水, 整个河段无断流情况, 水量能够满足生态要求。根据土门楼的监测资料, 水质为劣Ⅴ类, 超标项目和上游基本一致, 但超标倍数有所降低。由于这一河段沿岸没有大的排污口, 水质主要受上游来水和农业面源污染影响。上游经过修复水质达标后, 在本段只需通过生境恢复技术控制农业面源污染, 水质应该即可达标, 不需特别应用水质净化技术。该段河道形态受人为因素影响比较大, 河岸带基本被农田占用, 其廊道功能、缓冲带功能和护岸功能也随之受到严重影响; 河道曾裁弯取直, 影响河道的蜿蜒性。因此, 对牛牧屯至土门楼河段生态修复模式应为直接修复类型中的生境改善模式。根据该河段生境受损的成因, 可以选择以下生境恢复技术, 如图1所示。

  生态护岸, 选用网格植被护岸、石笼柳干复合护岸、植生抛石护岸等形式, 勾通水域生态系统和陆地生态系统的物质能量交换, 促进生物多样性形成, 并有效地截流面源污染物。

  按宜弯则弯、宜宽则宽的原则布置河道形态, 伴随河道的弯曲, 使用挖掘法或植石法连续布置浅滩深潭, 营造丰富多样的水生动植物生存环境并能有效地增加溶解氧。

  利用废弃的河道、河滩洼地、河心沙洲等恢复天然湿地, 布置多种水陆过渡形式, 增加河滩植被覆盖率。在新河河口, 龙凤河河口以及青龙湾减河河口等水源汇入处, 恢复天然湿地或设置人工湿地系统, 作为生态屏障, 增加入河水源。

  2.3 土门楼至屈家店河段生态修复模式研究

  该河段主要问题是河流断流, 除汛期外, 水流基本不流动; 市区等景观河道依靠橡胶坝壅高水位, 能够保证一定的水深。北运河作为大运河的一部分, 具有相当大的历史文化价值, 有必要进行补水修复。天津市武清区振华道上游已建成3.73 km的城市景观河段, 设置亲水平台, 布置荷花等水生植物, 取得良好的景观效果和一定的生态效果, 但其采取垂直浆砌护岸的形式还有改进的必要。因此, 土门楼至屈家店河段生态修复模式应为补水修复类型中的水量—生境改善模式, 如图1所示。

  水量调整可采用河道补水技术。补水的水源主要有南水北调客水、雨洪资源和中水。北运河6~9月汛期径流量占全年的2 /3, 大部分没有得到有效利用, 可以通过科学调度管理加以利用; 加大污水的处理力度, 将中水补入河道、增加水量。鉴于海河流域水资源严重紧缺状况, 如果采取以上措施仍不成功,则可以在现有水闸梯级拦蓄基础上补充建设橡胶坝,控制断续水流, 使之阶梯式下泄以形成连续水面。

  生境恢复技术中可有选择地采用河岸带修复、修建湿地公园、设置生物岛等技术方法。已建的城市景观河道如进行阶梯式植被护岸或网格植被护岸改造将能取到更好的生态效果。

  3 永定河生态修复模式

  桑干河与洋河在河北省朱官屯汇合后成为永定河。自桑干河源头至天津屈家店闸汇入北运河, 永定河全长680 km, 流域面积47 066 km2 , 如图2所示。永定河多年平均(天然)径流量为21.7 ×108m3 [4] , 中上游三家店以上河段水能资源比较丰富, 水质基本达标, 中游三家店以上的峡谷河段(至官厅水库)生境丰富多变。永定河三家店以下河段为平原河流, 由于中上游水库拦蓄, 目前基本干涸, 因此, 主要研究三家店以下河段生态修复模式, 见图2。

  由于流域气候变化, 永定河自然降水量自20世纪60年代开始大幅减少。为满足社会经济发展对水资源的需求, 永定河上游修建官厅水库等一系列拦蓄水设施[5] 。到80年代后, 永定河三家店以上河段可用水量全部引入北京市区, 三家店以下河道基本常年断流干涸, 河滩湿地退化, 动、植物种类和数量锐减, 河流生态系统不复存在, 河床滩地沙化, 是北京主要的风沙源之一。

  在这种情况下, 要修复永定河下游的河流生态系统, 必须首先对该河段大量补水, 满足河流生态基流, 即采用补水修复类型。然而, 在海河流域水资源匮乏的现实条件下, 很难找到稳定的补水水源满足其河流生态需水量, 因此宜采用生态系统替代模式进行修复。考虑到卢沟桥是重要的人文景观, 可将永定河下游平原段分为三家店—卢沟桥和卢沟桥—屈家店两段, 分别确定其修复模式。

  3.1 三家店—卢沟桥段河流的生态修复

  由于恢复“燕京八景”之一的“卢沟晓月”具有文化与经济双重意义, 并且这一河段流经的北京市石景山区的功能定位为休闲娱乐, 保证三家店至卢沟桥河段的生态基流, 改善河流生境并进行景观建设具有重要意义。相应地, 该河段的生态修复模式应定位为补水修复类型中的水量—生境改善模式。

  首先应在卢沟桥以下修筑橡胶坝等设施, 通过闸坝调控保证该河段补水后能滞留住足够的水量。然后采取多种措施补充河道水量, 通过上游季节性向下游放水, 利用南水北调客水或附近中水对河道进行补水。采用植生型防渗砌块技术对该河段的河床进行修整, 降低渗漏沙质河床的渗漏。

  生境改善与景观建设主要是恢复河滩植被, 建设湿地公园, 大力恢复水生植物, 形成观赏性植物群落和鸟类栖息地, 建设河滨生态旅游景点。由于永定河是重要的防洪河道, 对护岸的安全要求比较高, 生态护岸主要应通过对现有护岸进行生态改造的方式来实现, 如图2所示。

  3.2 卢沟桥以下河段的生态修复

  永定河下游为以沙土为基质的沙垄、沙地相间的冲积—沉积平原地貌类型。河道断流干涸以后, 河流生态系统退化, 沙质河床、河滩常年裸露, 成为北京地区主要的风沙源之一[6] , 严重影响周边环境。保证该河段生态基流需要巨大的输水量, 远远大于上游三家店至卢沟桥河段的补水继续下泄量; 而且该河段不具备三家店至卢沟桥一段巨大的经济文化价值, 继续寻找新的水源恢复其河流生态系统, 需要巨大的经济投入。因此, 在现实条件下, 可先采用生态系统替代模式进行修复, 对沙化河床、滩地进行播草固沙,构建草地生态系统代替完全退化的河流生态系统。

  改善地表植被及土壤性质可以有效地控制风沙。在固沙效果上, 林地>荒草地>耕地>稀疏荒草地>河滩地。永定河下游河滩主要是稀疏荒草地和河滩地, 为实现固沙, 应改变地表植被覆盖类型, 综合利用灌木、草本植物和沙生植物等易于在沙质土壤生存的植物, 在河道滩地进行播草盖沙, 并尽可能提高其植被覆盖率[7]。植被覆盖率在20%或60%以上时,将会制止强烈风蚀或风蚀发生[8]。

  永定河下游土壤的抗风蚀能力很差。在土壤抗风蚀能力差、植被成活率和覆盖率低的区域可以使用客土, 采取换土和表面覆土的形式改变土壤组成, 以提高植被成活率和覆盖率。另外, 还可以结合农业上常用的高效激活剂、保水剂、地膜覆盖保墒等技术提高植被成活率, 增加地表覆盖率[9] 。

  为了保证播草固沙的效果, 还应加强管理, 可从上游布设灌溉与排水管道, 通过季节性放水, 保证下游植物的萌发和生长。由于河道内常年无序开采砂石料, 主河道分布着许多大小砂石坑。砂坑边坡陡直,植被难以生长, 应根据植被生长及固沙要求进行平整和削缓坡处理。大的砂石坑可以蓄水, 在一定程度上恢复河道内的湿地景观。

  4 卫河修复模式研究

  卫河发源于山西省临川县夺火镇南岭, 于河北省馆陶县徐万仓与漳河汇流后进入卫运河, 河道全长344.50 km, 流域面积14 970 km2。卫河是海河流域少有的几条水量充沛的河流之一。20 世纪60 年代前, 流量一般达到23~30 m3 / s。合河节制闸分流后,卫河流量减少, 但也只在特枯水年份部分河段断流。根据生态健康评价和生态需水量研究, 卫河现有的水量能够满足河流生态健康的要求, 但水质却远远达不到要求。根据2005年的水质监测资料, 卫河水质为劣Ⅴ类, 以耗氧有机物污染为主, 其中淇门段CODMn超标27.2倍(均按Ⅴ类水标准) 、氨氮超标24.5倍、挥发酚超标47.4倍; 武陵段CODMn超标4.9倍、氨氮超标19.6倍[10] 。其次, 卫河河滩地被农田、建筑挤占, 河滩湿地等生物栖息地萎缩, 河流的天然生境遭到一定程度破坏。因此, 卫河生态修复模式应为直接修复类型中的强化净化模式, 见图3。

  卫河的水源包括天然径流、沿河城市污水和引黄灌溉退水等, 其中造成水质恶化的主要原因是城市污水[11]。70年代以后, 卫河天然来水量日益减少, 大量未经处理的工业废水和生活污水直接排入河道, 使得卫河实际成为一条排污河道, 水质严重恶化。如前述, 卫河的污染范围广, 超标物质多且超标倍数大[12]。因此, 卫河首先应治理入河排污口, 严格控制入河水质, 实现截污。

  由于卫河长期接纳污水及引黄退水, 河床淤积,底质污染严重, 在控制了外源污染之后, 应对河床污泥进行处置, 以解决内源污染。可考虑采用环保(或生态)清淤或物理、化学覆盖, 但应注意不破坏底栖生物群落的繁衍生存。

  卫河两岸由于地形的原因, 形成了一些诸如良相坡、白寺坡、长虹渠、柳卫坡, 小滩坡、任固坡等自然蓄滞洪水的洼地[13] , 作为天然湿地进行恢复不仅能起到控制面源污染、净化河水的作用, 还能实现河流—漫滩效应, 创造丰富多变的生境, 提高物种多样性水平, 建立健康稳定的的生态系统。另外, 利用裁弯取直的旧河道恢复湿地, 也能得到良好的生态效益。而卫河干流及主要支流形态迂回蜿蜒, 为卫河水生动植物群落的恢复提供了良好的条件, 可以采用人工配置与自然恢复相结合的方式实现。

  5 其他河流生态修复模式研究

  海河流域平原河流水量充沛无需补水的河流或河段中, 滦河上游河流生态基本健康, 只需加强管理保护即可; 海河干流三岔口—二道闸段河道人工化严重, 应采用生境恢复模式; 徒骇河文明寨—西新河入口和禹城前油坊—入海口2段水污染严重, 应采用水质改善模式; 漳卫新河、徒骇河西新河入徒骇河处—禹城前油坊段除水污染严重外, 河流自净能力亦遭到破坏, 应采用强化净化模式; 其余的河流(段)均存在生态水量不足的问题, 其中陡河、唐河西大洋水库—温仁段、海河二道闸—海河闸本底水质良好, 天然生境无大的破坏, 应采用直接补水模式; 白沟河、马颊河清丰县—薛王刘闸段、滦河下游水污染较严重,仅凭补水稀释不能达标, 应采用水量—水质改善模式; 漳河、唐河温仁—白洋淀段天然生境遭到破坏,仅凭补水难以自然恢复, 应采用水量—生境改善模式; 马颊河金堤闸—马庄桥段和薛王刘闸—入海口段水污染严重, 天然生境遭到破坏, 应采用复合模式; 而南拒马河、潴龙河、滹沱河、滏阳河、子牙河、南运河、蓟运河、潮白河常年断流干涸, 现阶段很难恢复其河流生态系统, 暂时采用生态系统替代模式构建草地或湖泊水库生态系统进行替代, 如表2所列。

  6 结语

  本文应用前文建立的海河流域平原河流生态修复模式, 研究海河流域21条平原河流的生态修复, 重点是北运河、永定河和卫河。这些可作为今后治理修复海河流域平原河流的基础。

  研究流域内具体(平原)河流(段)生态修复模式时, 应考察评价河流(段)的生态环境现状, 即水量、水质和生境三方面, 找出存在的主要问题。其中, 水量现状是确定修复类型的关键因素。

  通过生态修复模式研究, 海河流域21条平原河流中, 有17条河的修复类型为补水修复或生态系统替代。可见, 彻底解决海河流域平原河流生态问题的关键在于流域内水资源的科学调度管理和合理开发利用。

  致谢: 在本项目研究过程中, 项目组成员侯思琰、解莹、石维、徐晓伟、王立明、唐婷芳子参与讨论, 给予本论文完成很大的帮助, 特此致谢。

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  作者简介: 汪雯(1984—) , 女, 河北唐山人, 硕士研究生。

  来源:《水利水电技术》2009.05

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