碧流河水庫入流消落區生態改善的潛壩技術及效應

許士國，蘇廣宇，謝楚依,2，朱晨瑩

(1.大連理工大學水利工程學院，遼寧 大連 116024；2.廣西壯族自治區梧州水利電力設計院，廣西 梧州 543002；3.河南省地質礦產勘查開發局第一地質環境調查院，河南 鄭州 471023)

水庫消落區是由于水庫運行調度而使周邊被淹沒土地周期性露出水面而產生的區域，又稱消落帶或漲落帶[1]。在水庫水位周期性漲落影響下，水庫消落區普遍呈現出土地退化、生物多樣性減少等生態環境問題[2-5]。入流消落區(inflow-water-level-fluctuating zone, IWLFZ)指處于水庫支流入庫段的消落區，它同時具有水庫消落區和河道灘地的特征。入流消落區是支流入庫前最后的屏障，對于支流攜帶污染物的攔截至關重要。相比于一般消落區，入流消落區除了受到水庫水位周期性漲落影響外，還受到支流徑流沖淤影響，使得入流消落區除了存在以上消落區的共性問題外還呈現出表層土壤沙化、河道下切等更為復雜的生態環境問題，限制了其對支流的凈化能力。改善入流消落區的生態環境，提高入流消落區對支流的凈化能力，對削減入庫污染物，保障水庫水質安全具有重要的意義。

近年來，由水庫水位消漲引起的消落區生態環境問題及其治理技術已成為熱點問題，尤其是有關三峽水庫消落區生態環境的問題，國內學者已開展了大量的研究工作。現有研究多圍繞適應消落區自然條件的耐水淹植物的篩選和庫區原有植物在水淹脅迫下的生理生態適應性開展[6-10]，范小華等[11-12]根據消落區特點提出了不同的消落區生態治理思路。但是對于水庫入流消落區的復雜生態環境問題及其治理技術卻鮮有研究。

本文以碧流河水庫八家河入流消落區為研究對象，針對入流消落區面臨的生態環境改善需求，開展入流消落區生態改善的潛壩技術研究，分析潛壩對區域植被的影響，以期為類似工程提供參考。

1 研究區概況

碧流河水庫是大連市的中心水源地，總庫容9.3億m3。由于來水量不均，碧流河水庫水位波動大，消落區面積廣，落干期長。碧流河水庫正常蓄水位69.0 m，汛限水位68.1 m，1985年至今碧流河水庫僅有16年最高水位達到或接近正常蓄水位，1985—2017年旬初平均水位僅為62.91 m，大面積消落區長期處于落干狀態。2013—2019年水庫水位連續維持在較低水平，由于各支流入庫段地形普遍平坦開闊，低水位條件導致大面積消落區長期落干，碧流河水庫三大支流入流消落區落干期面積與水庫水位關系如圖1所示，在1985—2017年旬初平均水位條件下，3條支流入流消落區落干期面積合計達12.11 km2。

圖1 碧流河水庫支流入流消落區落干期面積與水位關系

八家河位于碧流河水庫右岸，是碧流河水庫繼碧流河和蛤蜊河之后的第三大支流，河道全長20.2 km，流域面積113.7 km2(圖2)。八家河流域內土壤以砂質土壤為主，流域內沒有工礦企業等點源污染，流域污染以種植污染、農村生活污水、畜禽養殖等農業非點源污染為主，水質總體能夠達到地表Ⅲ類水質標準，但總氮超標嚴重。八家河入流消落區與普通河口灘地類似，地形相對平坦，河道在入流消落區變寬。當發生洪水，尤其是在較高水位條件下發生洪水時，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，長此以往，使得八家河入流消落區表層基本為粗砂，部分區域粗砂層厚度可達1 m以上，種植層土壤持水性差。近年來水庫持續低水位運行，徑流的持續沖刷使得八家河入流消落區內形成了河岸陡峭的主河道，支流通過主河道直接入庫，水流流速快，水力停留時間短，徑流在入流消落區內基本得不到凈化。河道下切也導致入流消落區地下潛水位降低，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。而且消落區土壤持水能力差，地表植物很難得到充足的水分補給，地表植被較稀疏并以低矮的一年生草本植物為主，消落區內還有部分土地被村民侵占用于種植玉米等農作物，區域生態環境問題突出。

圖2 研究區域概況

2 入流消落區生態改善的潛壩技術

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生態改善為目的的潛壩技術，即在入流消落區適當位置設置多級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，提高水力停留時間和入流消落區對入庫徑流攜帶的懸浮物及污染物的凈化能力，避免徑流對河道主槽的持續沖刷，為水生植物的生長提供更適宜的流速條件。在一般植物生長旺盛的春夏季節，入流消落區灘地的地下潛水多受河水補給，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，從而促進入流消落區灘地植被的恢復和生態條件的改善[13-14]。其中，潛壩的位置、高程和結構等是影響最終運行效果的關鍵參數。

2.1 潛壩高程及壩址的確定

選定合理的壩址有利于發揮潛壩對入庫徑流的降速攔截作用，使潛壩的生態環境效果最大化。壩址的選定應優先考慮支流交匯的下游和斷面收窄處，并盡量避開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行保證率，因此首先根據水庫的水位頻率分布曲線合理地選擇壩頂高程的變化范圍，即第一級和最后一級潛壩壩頂高程，區域整體水力坡度一般控制在0.5%以內。相關研究表明，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以內時植被覆蓋度相對較高，埋深1.6 m處為濕生植物和旱生植物的生態交錯帶[15]。濕生植物更有利于消落區退水后植被的快速恢復，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。為了降低潛壩對河道行洪影響，一般潛壩不宜高出灘地過多。綜合考慮以上因素確定各級潛壩位置及壩頂高程。

2.2 潛壩壩體結構

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降低結構復雜度和成本是結構優化的關鍵。潛壩主體深埋于地面以下，對穩定性要求低，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箱起到穩固和保護作用，網箱層數根據露出地面高度不同而相應調整。土工膜上端固定在石籠網箱上，下端折回焊接結構，在折回的空隙內填充碎石。潛壩具體結構如圖3所示。

圖3 潛壩灘地壩段結構示意圖

2.3 八家河入流消落區潛壩參數

在八家河入流消落區設置4級潛壩，具體分布見圖4，壩頂高程分別為68.1 m、67.0 m、65.5 m和64.5 m，相應的運行保證率為86.12%、75.92%、63.11%和56.04%，潛壩截潛深度5 m。八家河入流消落區濕地設計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，水力負荷0.08 m3/(m2·d)，水力停留時間4.3 d。

(a)平面

3 潛壩生態效應分析

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

3.1 研究方法

3.1.1植被典型樣地調查

根據無人機采集的可見光影像，將農田以外的區域按不同植物群落劃分為11塊樣地，各樣地設置3個以上1 m×1 m草本樣方[16]，分別于2019年12月、2020年6月和2020年8月對研究區進行調查。現場分類記錄各樣方植物類型，統計各植物種類出現頻度，確定優勢植物種類。

3.1.2植被覆蓋度獲取

植被覆蓋度反映了植物進行光合作用面積的大小以及植被生長的茂盛程度，能夠在一定程度上代表植被的生長狀態和生長趨勢。研究選取哨兵2號高分辨率多光譜成像衛星影像數據，覆蓋13個光譜段，地面最高分辨率10 m，單顆衛星重訪周期10 d，兩顆衛星互補周期5 d[17]。哨兵2號影像數據下載于歐洲航天局網站(https:∥scihub.copernicus.eu/)。八家河入流消落區潛壩于2019年11月開工建設，2020年1月完工，2020年9月以后研究區絕大部分被水淹沒無法統計植被覆蓋度，而2019年8月和2020年8月因云層遮蔽無法獲取有效影像，因此，選取2019年和2020年植被生長期和較為茂盛時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，作為研究時段，選取盡量接近每月中旬的一景有效影像用于分析。通過計算歸一化植被指數(normalized difference vegetation index, NDVI)推求植被覆蓋度。歸一化植被指數[18]計算公式為

(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軟件提取研究區近紅外和紅光兩個波段反射率數據轉存為TIF文件，將TIF文件導入ArcGIS10.2，并根據式(1)計算得到各月各像元NDVI值。分別統計各月NDVI數值的分布頻率，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)，根據式(2)計算各月各像元的植被覆蓋度，得到區域植被覆蓋度分布，分別計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 潛壩對植物物種影響分析

對3次調查的研究區各植物種類進行頻度排序，頻度前5名排序如表1所示。2019年12月，研究區的植物以旱生植物為主，出現頻度最高的物種為中旱生一年生草本植物青蒿，出現頻度為0.648，表明青蒿在研究區分布十分廣泛。工程實施后的2020年6月和2020年8月的優勢物種中，青蒿出現頻度大幅降低，水蓼和菵草等濕生植物成為新晉優勢種。這表明潛壩的建設使得研究區植物獲得的水分供給更加充足，區域優勢植物種類由中旱生植物向濕生植物轉化。

表1 優勢植物頻度排序

3.3 潛壩對植被覆蓋度影響分析

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

(a)2019年6月

潛壩建設前，中上游植被覆蓋度較高，中下游外側存在植被覆蓋度極低區域。對東北草地植被的研究表明，水分是草地植被變化的重要驅動因子[20-22]。據此進行分析，上游河道與灘地高差較小，植物獲得的水分補給更為充足，中上游外側有一條支流，能夠為植物補給水分，而中下游外側是此前挖沙堆積形成較高的平臺，土壤水分條件差，因此，水分補給的充足與否很可能是研究區域植物生長的重要影響因素，設置潛壩改善水分供給有利于促進植物生長，提高植被覆蓋度[23]。

潛壩建設后，在植物的主要生長期內(2020年3—7月)，一至三級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，而在四級潛壩壩前區，除2020年7月大面積被淹沒外，其他時段覆水區植被覆蓋度較低，覆水區外的陸地區域植被覆蓋度也隨著與潛壩距離的增加總體呈減小趨勢。由此可以推測，潛壩對于促進消落區落干期植被生長具有積極作用，其效果隨著與潛壩距離的增加而減弱，但是自然條件下對覆水區植被的改善效果有限，也可能與該區域挺水植物分布少有關，在后續應用中可以考慮人工種植挺水植物提高效果。除四級潛壩上游部分區域在2020年7月被淹沒和潛壩壩址處之外，其他區域2020年6月和7月植被覆蓋度總體比2019年有所改善。潛壩設置后的2020年6、7月，該區域平均植被覆蓋度分別為59.04%和64.75%，相比于設置前的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，潛壩通過改善植物水分供給能夠有效促進水庫入流消落區落干期灘地植被條件的改善。

4 結 論

a.潛壩改善了八家河入流消落區對植物的水分供給，使得區域優勢物種呈現出由中旱生植物向濕生植物演替的趨勢。

b.潛壩建設后，2020年6月和7月八家河入流消落區平均植被覆蓋度較2019年同期分別提高了8.23%和20.94%。潛壩技術能夠有效改善水庫入流消落區落干期灘地的植被條件，緩解入流消落區的生態環境問題。