許士國(guó)，蘇廣宇，謝楚依,2，朱晨瑩

(1.大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.廣西壯族自治區(qū)梧州水利電力設(shè)計(jì)院，廣西 梧州 543002；3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 471023)

水庫(kù)消落區(qū)是由于水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度而使周邊被淹沒(méi)土地周期性露出水面而產(chǎn)生的區(qū)域，又稱消落帶或漲落帶[1]。在水庫(kù)水位周期性漲落影響下，水庫(kù)消落區(qū)普遍呈現(xiàn)出土地退化、生物多樣性減少等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[2-5]。入流消落區(qū)(inflow-water-level-fluctuating zone, IWLFZ)指處于水庫(kù)支流入庫(kù)段的消落區(qū)，它同時(shí)具有水庫(kù)消落區(qū)和河道灘地的特征。入流消落區(qū)是支流入庫(kù)前最后的屏障，對(duì)于支流攜帶污染物的攔截至關(guān)重要。相比于一般消落區(qū)，入流消落區(qū)除了受到水庫(kù)水位周期性漲落影響外，還受到支流徑流沖淤影響，使得入流消落區(qū)除了存在以上消落區(qū)的共性問(wèn)題外還呈現(xiàn)出表層土壤沙化、河道下切等更為復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，限制了其對(duì)支流的凈化能力。改善入流消落區(qū)的生態(tài)環(huán)境，提高入流消落區(qū)對(duì)支流的凈化能力，對(duì)削減入庫(kù)污染物，保障水庫(kù)水質(zhì)安全具有重要的意義。

近年來(lái)，由水庫(kù)水位消漲引起的消落區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題及其治理技術(shù)已成為熱點(diǎn)問(wèn)題，尤其是有關(guān)三峽水庫(kù)消落區(qū)生態(tài)環(huán)境的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者已開(kāi)展了大量的研究工作。現(xiàn)有研究多圍繞適應(yīng)消落區(qū)自然條件的耐水淹植物的篩選和庫(kù)區(qū)原有植物在水淹脅迫下的生理生態(tài)適應(yīng)性開(kāi)展[6-10]，范小華等[11-12]根據(jù)消落區(qū)特點(diǎn)提出了不同的消落區(qū)生態(tài)治理思路。但是對(duì)于水庫(kù)入流消落區(qū)的復(fù)雜生態(tài)環(huán)境問(wèn)題及其治理技術(shù)卻鮮有研究。

本文以碧流河水庫(kù)八家河入流消落區(qū)為研究對(duì)象，針對(duì)入流消落區(qū)面臨的生態(tài)環(huán)境改善需求，開(kāi)展入流消落區(qū)生態(tài)改善的潛壩技術(shù)研究，分析潛壩對(duì)區(qū)域植被的影響，以期為類似工程提供參考。

1 研究區(qū)概況

碧流河水庫(kù)是大連市的中心水源地，總庫(kù)容9.3億m3。由于來(lái)水量不均，碧流河水庫(kù)水位波動(dòng)大，消落區(qū)面積廣，落干期長(zhǎng)。碧流河水庫(kù)正常蓄水位69.0 m，汛限水位68.1 m，1985年至今碧流河水庫(kù)僅有16年最高水位達(dá)到或接近正常蓄水位，1985—2017年旬初平均水位僅為62.91 m，大面積消落區(qū)長(zhǎng)期處于落干狀態(tài)。2013—2019年水庫(kù)水位連續(xù)維持在較低水平，由于各支流入庫(kù)段地形普遍平坦開(kāi)闊，低水位條件導(dǎo)致大面積消落區(qū)長(zhǎng)期落干，碧流河水庫(kù)三大支流入流消落區(qū)落干期面積與水庫(kù)水位關(guān)系如圖1所示，在1985—2017年旬初平均水位條件下，3條支流入流消落區(qū)落干期面積合計(jì)達(dá)12.11 km2。

圖1 碧流河水庫(kù)支流入流消落區(qū)落干期面積與水位關(guān)系

八家河位于碧流河水庫(kù)右岸，是碧流河水庫(kù)繼碧流河和蛤蜊河之后的第三大支流，河道全長(zhǎng)20.2 km，流域面積113.7 km2(圖2)。八家河流域內(nèi)土壤以砂質(zhì)土壤為主，流域內(nèi)沒(méi)有工礦企業(yè)等點(diǎn)源污染，流域污染以種植污染、農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染為主，水質(zhì)總體能夠達(dá)到地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但總氮超標(biāo)嚴(yán)重。八家河入流消落區(qū)與普通河口灘地類似，地形相對(duì)平坦，河道在入流消落區(qū)變寬。當(dāng)發(fā)生洪水，尤其是在較高水位條件下發(fā)生洪水時(shí)，洪水裹挾的粒徑較大的砂粒由于流速降低沉積在入流消落區(qū)，長(zhǎng)此以往，使得八家河入流消落區(qū)表層基本為粗砂，部分區(qū)域粗砂層厚度可達(dá)1 m以上，種植層土壤持水性差。近年來(lái)水庫(kù)持續(xù)低水位運(yùn)行，徑流的持續(xù)沖刷使得八家河入流消落區(qū)內(nèi)形成了河岸陡峭的主河道，支流通過(guò)主河道直接入庫(kù)，水流流速快，水力停留時(shí)間短，徑流在入流消落區(qū)內(nèi)基本得不到凈化。河道下切也導(dǎo)致入流消落區(qū)地下潛水位降低，主河道與兩岸灘地地面高差基本在1 m以上，高差由上游至下游逐漸增大，下游最大高差可接近3 m。而且消落區(qū)土壤持水能力差，地表植物很難得到充足的水分補(bǔ)給，地表植被較稀疏并以低矮的一年生草本植物為主，消落區(qū)內(nèi)還有部分土地被村民侵占用于種植玉米等農(nóng)作物，區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出。

圖2 研究區(qū)域概況

2 入流消落區(qū)生態(tài)改善的潛壩技術(shù)

在充分考慮洪水影響和河道行洪需求的前提下，本文提出以入流消落區(qū)生態(tài)改善為目的的潛壩技術(shù)，即在入流消落區(qū)適當(dāng)位置設(shè)置多級(jí)垂直于水流方向的不透水潛壩，用于攔截地表徑流和地下潛水滲流，提高主河道水位，降低主河道流速，提高水力停留時(shí)間和入流消落區(qū)對(duì)入庫(kù)徑流攜帶的懸浮物及污染物的凈化能力，避免徑流對(duì)河道主槽的持續(xù)沖刷，為水生植物的生長(zhǎng)提供更適宜的流速條件。在一般植物生長(zhǎng)旺盛的春夏季節(jié)，入流消落區(qū)灘地的地下潛水多受河水補(bǔ)給，提高主河道水位還能夠提高灘地的地下潛水位，保證植物的水分供給，從而促進(jìn)入流消落區(qū)灘地植被的恢復(fù)和生態(tài)條件的改善[13-14]。其中，潛壩的位置、高程和結(jié)構(gòu)等是影響最終運(yùn)行效果的關(guān)鍵參數(shù)。

2.1 潛壩高程及壩址的確定

選定合理的壩址有利于發(fā)揮潛壩對(duì)入庫(kù)徑流的降速攔截作用，使?jié)搲蔚纳鷳B(tài)環(huán)境效果最大化。壩址的選定應(yīng)優(yōu)先考慮支流交匯的下游和斷面收窄處，并盡量避開(kāi)較大支流交匯處等受洪水影響大的位置。潛壩高程范圍的選擇決定了工程的運(yùn)行保證率，因此首先根據(jù)水庫(kù)的水位頻率分布曲線合理地選擇壩頂高程的變化范圍，即第一級(jí)和最后一級(jí)潛壩壩頂高程，區(qū)域整體水力坡度一般控制在0.5%以內(nèi)。相關(guān)研究表明，隨著地下潛水埋深的降低，植被覆蓋度逐漸下降，地下潛水埋深1.0 m以內(nèi)時(shí)植被覆蓋度相對(duì)較高，埋深1.6 m處為濕生植物和旱生植物的生態(tài)交錯(cuò)帶[15]。濕生植物更有利于消落區(qū)退水后植被的快速恢復(fù)，因此，一般相鄰潛壩壩頂高差不宜大于1 m，特殊情況最大不大于1.6 m。為了降低潛壩對(duì)河道行洪影響，一般潛壩不宜高出灘地過(guò)多。綜合考慮以上因素確定各級(jí)潛壩位置及壩頂高程。

2.2 潛壩壩體結(jié)構(gòu)

潛壩的主要作用是攔蓄主河道地表徑流和地下潛水，在保證攔蓄效果的同時(shí)降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和成本是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵。潛壩主體深埋于地面以下，對(duì)穩(wěn)定性要求低，因此采用豎置土工膜作為阻水防滲的主要措施，上部使用疊砌的格賓網(wǎng)箱起到穩(wěn)固和保護(hù)作用，網(wǎng)箱層數(shù)根據(jù)露出地面高度不同而相應(yīng)調(diào)整。土工膜上端固定在石籠網(wǎng)箱上，下端折回焊接結(jié)構(gòu)，在折回的空隙內(nèi)填充碎石。潛壩具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 潛壩灘地壩段結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 八家河入流消落區(qū)潛壩參數(shù)

在八家河入流消落區(qū)設(shè)置4級(jí)潛壩，具體分布見(jiàn)圖4，壩頂高程分別為68.1 m、67.0 m、65.5 m和64.5 m，相應(yīng)的運(yùn)行保證率為86.12%、75.92%、63.11%和56.04%，潛壩截潛深度5 m。八家河入流消落區(qū)濕地設(shè)計(jì)流量取八家河多年平均徑流量43 561.6 m3/d，水面總面積540 950 m2，水力負(fù)荷0.08 m3/(m2·d)，水力停留時(shí)間4.3 d。

(a)平面

3 潛壩生態(tài)效應(yīng)分析

八家河主河道在八家河入流消落區(qū)右側(cè)，右岸灘地面積較小且多被居民搶占為農(nóng)田，左岸有大面積自然狀態(tài)下的灘地，因此選取左岸高程64.5～68.5 m間的灘地作為潛壩生態(tài)效應(yīng)分析的研究區(qū)。

3.1 研究方法

3.1.1植被典型樣地調(diào)查

根據(jù)無(wú)人機(jī)采集的可見(jiàn)光影像，將農(nóng)田以外的區(qū)域按不同植物群落劃分為11塊樣地，各樣地設(shè)置3個(gè)以上1 m×1 m草本樣方[16]，分別于2019年12月、2020年6月和2020年8月對(duì)研究區(qū)進(jìn)行調(diào)查。現(xiàn)場(chǎng)分類記錄各樣方植物類型，統(tǒng)計(jì)各植物種類出現(xiàn)頻度，確定優(yōu)勢(shì)植物種類。

3.1.2植被覆蓋度獲取

植被覆蓋度反映了植物進(jìn)行光合作用面積的大小以及植被生長(zhǎng)的茂盛程度，能夠在一定程度上代表植被的生長(zhǎng)狀態(tài)和生長(zhǎng)趨勢(shì)。研究選取哨兵2號(hào)高分辨率多光譜成像衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，覆蓋13個(gè)光譜段，地面最高分辨率10 m，單顆衛(wèi)星重訪周期10 d，兩顆衛(wèi)星互補(bǔ)周期5 d[17]。哨兵2號(hào)影像數(shù)據(jù)下載于歐洲航天局網(wǎng)站(https:∥scihub.copernicus.eu/)。八家河入流消落區(qū)潛壩于2019年11月開(kāi)工建設(shè)，2020年1月完工，2020年9月以后研究區(qū)絕大部分被水淹沒(méi)無(wú)法統(tǒng)計(jì)植被覆蓋度，而2019年8月和2020年8月因云層遮蔽無(wú)法獲取有效影像，因此，選取2019年和2020年植被生長(zhǎng)期和較為茂盛時(shí)期能夠獲取有效影像的月份，即2019年6月、7月、9月以及2020年3—7月，作為研究時(shí)段，選取盡量接近每月中旬的一景有效影像用于分析。通過(guò)計(jì)算歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)推求植被覆蓋度。歸一化植被指數(shù)[18]計(jì)算公式為

(1)

式中：INDVI為NDVI值；INIR、IR分別為近紅外和紅光波段的反射率。

通過(guò)INDVI可推求植被覆蓋度[19]，公式為

(2)

式中：FC為植被覆蓋度；Isoil為純土壤背景像元的NDVI值，取各月NDVI值分布頻率后5%的低值；Iveg為純植被像元的NDVI值，取各月NDVI值分布頻率前5%的高值。

首先使用SNAP軟件提取研究區(qū)近紅外和紅光兩個(gè)波段反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存為T(mén)IF文件，將TIF文件導(dǎo)入ArcGIS10.2，并根據(jù)式(1)計(jì)算得到各月各像元NDVI值。分別統(tǒng)計(jì)各月NDVI數(shù)值的分布頻率，取位于前5%的高值作為純植被像元的NDVI值(即Iveg)，位于后5%的低值作為純土壤背景像元的NDVI值(即Isoil)，根據(jù)式(2)計(jì)算各月各像元的植被覆蓋度，得到區(qū)域植被覆蓋度分布，分別計(jì)算各月所有像元植被覆蓋度的平均值作為各月份平均植被覆蓋度值。

3.2 潛壩對(duì)植物物種影響分析

對(duì)3次調(diào)查的研究區(qū)各植物種類進(jìn)行頻度排序，頻度前5名排序如表1所示。2019年12月，研究區(qū)的植物以旱生植物為主，出現(xiàn)頻度最高的物種為中旱生一年生草本植物青蒿，出現(xiàn)頻度為0.648，表明青蒿在研究區(qū)分布十分廣泛。工程實(shí)施后的2020年6月和2020年8月的優(yōu)勢(shì)物種中，青蒿出現(xiàn)頻度大幅降低，水蓼和菵草等濕生植物成為新晉優(yōu)勢(shì)種。這表明潛壩的建設(shè)使得研究區(qū)植物獲得的水分供給更加充足，區(qū)域優(yōu)勢(shì)植物種類由中旱生植物向濕生植物轉(zhuǎn)化。

表1 優(yōu)勢(shì)植物頻度排序

3.3 潛壩對(duì)植被覆蓋度影響分析

研究時(shí)段內(nèi)，2019年6月至2020年6月水庫(kù)水位較低，研究區(qū)處于落干狀態(tài)，僅在四級(jí)潛壩壩前由于地面高程低于壩頂存在一定面積的覆水區(qū)；2020年7月，由于水庫(kù)水位上漲，四級(jí)潛壩上游大部分區(qū)域被淹沒(méi)。2019年和2020年典型月份研究區(qū)域植被覆蓋度如圖5所示，區(qū)域植被覆蓋度總體呈現(xiàn)春夏兩季升高，秋冬兩季降低的趨勢(shì)。

(a)2019年6月

潛壩建設(shè)前，中上游植被覆蓋度較高，中下游外側(cè)存在植被覆蓋度極低區(qū)域。對(duì)東北草地植被的研究表明，水分是草地植被變化的重要驅(qū)動(dòng)因子[20-22]。據(jù)此進(jìn)行分析，上游河道與灘地高差較小，植物獲得的水分補(bǔ)給更為充足，中上游外側(cè)有一條支流，能夠?yàn)橹参镅a(bǔ)給水分，而中下游外側(cè)是此前挖沙堆積形成較高的平臺(tái)，土壤水分條件差，因此，水分補(bǔ)給的充足與否很可能是研究區(qū)域植物生長(zhǎng)的重要影響因素，設(shè)置潛壩改善水分供給有利于促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植被覆蓋度[23]。

潛壩建設(shè)后，在植物的主要生長(zhǎng)期內(nèi)(2020年3—7月)，一至三級(jí)潛壩上下游植被覆蓋度隨著與潛壩距離的增加呈減小趨勢(shì)，而在四級(jí)潛壩壩前區(qū)，除2020年7月大面積被淹沒(méi)外，其他時(shí)段覆水區(qū)植被覆蓋度較低，覆水區(qū)外的陸地區(qū)域植被覆蓋度也隨著與潛壩距離的增加總體呈減小趨勢(shì)。由此可以推測(cè)，潛壩對(duì)于促進(jìn)消落區(qū)落干期植被生長(zhǎng)具有積極作用，其效果隨著與潛壩距離的增加而減弱，但是自然條件下對(duì)覆水區(qū)植被的改善效果有限，也可能與該區(qū)域挺水植物分布少有關(guān)，在后續(xù)應(yīng)用中可以考慮人工種植挺水植物提高效果。除四級(jí)潛壩上游部分區(qū)域在2020年7月被淹沒(méi)和潛壩壩址處之外，其他區(qū)域2020年6月和7月植被覆蓋度總體比2019年有所改善。潛壩設(shè)置后的2020年6、7月，該區(qū)域平均植被覆蓋度分別為59.04%和64.75%，相比于設(shè)置前的2019年同期平均植被覆蓋度分別提高8.23%和20.94%。綜上可以看出，潛壩通過(guò)改善植物水分供給能夠有效促進(jìn)水庫(kù)入流消落區(qū)落干期灘地植被條件的改善。

4 結(jié) 論

a.潛壩改善了八家河入流消落區(qū)對(duì)植物的水分供給，使得區(qū)域優(yōu)勢(shì)物種呈現(xiàn)出由中旱生植物向濕生植物演替的趨勢(shì)。

b.潛壩建設(shè)后，2020年6月和7月八家河入流消落區(qū)平均植被覆蓋度較2019年同期分別提高了8.23%和20.94%。潛壩技術(shù)能夠有效改善水庫(kù)入流消落區(qū)落干期灘地的植被條件，緩解入流消落區(qū)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。