基于協同發展的北方濕地公園生態修復技術研究
——以琉璃河濕地公園為例

李詠紅

(1.北京東方園林環境股份有限公司, 北京 100015; 2.湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室, 北京 100015;3.北京東方利禾景觀設計有限公司, 北京, 100015 )

濕地是自然界生物多樣性最豐富的生態系統之一[1,2], 為人類社會經濟發展提供了重要保障, 但是近年來, 由于全球氣候變暖和人類活動高強度的開發模式, 濕地正面臨著面積萎縮[3]、功能減弱[4]和多樣性降低[5]等問題, 就京津冀地區來講, 近年來濕地面積呈現萎縮減少趨勢, 濕地退化已經成為制約區域可持續性發展的重大阻礙, 深入開展恢復濕地的工作已經迫在眉睫。濕地公園是解決濕地保護和合理利用的一種有效方法, 在對濕地進行有效修復與保護的同時, 也為廣大居民提供休憩、娛樂和科普的場所, 助力城市發展[6,7]。目前國內河流濕地生態修復技術有很多[8,9], 但是針對北方河流濕地生態修復技術體系還缺乏一定的創新性、系統性及長效性。相比南方河流濕地, 北方河流多為季節性河流, 豐水枯水期水量變化大, 通常水量小,且補給水源匱乏, 冬季河流有結冰封凍現象等[10]。因此, 研發適宜北方區域特征的河流濕地公園生態修復技術體系, 以期指導京津冀區域的濕地公園建設, 并指導、規范北方濕地公園的生態建設與修復工作具有重要意義。

本文以北京房山區琉璃河濕地公園為例, 針對河流濕地現有水量少, 水質污染嚴重, 水生態退化、水景觀差等一系列問題提出了統籌水資源、水環境、水生態和水景觀的生態環境系統治理理念, 以生態景觀系統與河流水系空間格局及水文過程的耦合關系為基礎, 以改善水環境、提升水生態為目標, 采用水系廊道連通技術、生態水文調控技術和人工濕地技術等, 建設成集水文調蓄、生物多樣性保護、水質凈化、科研宣教及休閑娛樂為一體的城市濕地公園, 協同濕地保護與城市發展戰略需求, 在修復受損濕地的同時助力城市發展。

1 研究區域背景

1.1 區域概況

房山區位于北京市西南部, 是南水北調中線工程入京的第一站, 其功能定位是首都高端制造業新區和現代生態休閑新城, 作為首都西南綠色生態屏障, 承擔著涵養水源、防風固沙和城市休閑等重要功能[11]。琉璃河濕地公園位于琉璃河鎮西北大石河(入琉璃河至興禮橋段)的兩堤之間, 總占地面積528.6 ha, 長10.6 km, 將成為北京市最大規模的濕地公園。同時項目的建設對于大石河流域以及河北境內拒馬河、白溝河流域的水環境都將產生非常積極的影響, 對京津冀的生態建設至關重要。

1.2 生態環境問題

水資源短缺, 水動力不足根據房山區漫水河站記錄多年平均地表水資源量6.4×107m3, 減去最小生態需水量和汛期難以控制利用的洪水量, 計算出其多年平均情況下地表水資源可利用量低方案為2.1×103m3, 高方案為2.4×103m3。地表水資源可利用率分別是33%和38%, 地表水資源利用率較低, 有些河段無自然基流, 維持河流基本生態功能的生態需水量嚴重匱乏, 水動力不足且缺乏合理的補充方式, 水量協調問題亟需解決。

水體水質差, 富營養問題嚴重地表水環境質量較差, 河道水質現狀為劣Ⅴ類[12]。受到上游來水、生活污水和面源污染等影響, 項目區河流水質指標多為Ⅴ類和劣Ⅴ類水平, 富營養化[13]問題嚴重。2017年5月對河流選取了7個樣點進行了水質采樣及分析, 結果顯示, 河流水質為劣Ⅴ類, 污染較重, 均超過了地表水Ⅳ類標準, 其中CODcr、氨氮、總氮和總磷值均超標(圖1和表1)。

表1 琉璃河水質現狀情況Tab.1 River water quality of Liuli River (mg/L)

圖1 水質采樣點位圖Fig.1 Water quality sampling point diagram

水生態結構受損, 水生態功能脆弱2016年9月, 在琉璃河濕地公園內選取4處典型河流斷面(圖2)。水文調查結果顯示: 核心示范區河段處于近坑塘狀態, 流速接近于0。

圖2 典型河流斷面取點布設Fig.2 Layout of typical river section sampling points

由于缺乏必要的生態基流, 水體流動性差, 河道有明顯的淤積現象[14]。部分河段浮游藻類和水葫蘆等生長旺盛, 沉水植物以金魚藻(Ceratophyllum demersum)、菹草(Potamogeton crispus)為主,零星分布。水生動植物群落發生了重要的演替, 從原有的清水型轉向了耐污型, 整體水生態系統結構和功能受到嚴重損害(圖3)。

圖3 生態環境現狀Fig.3 Current situation of ecological environment

水景觀破碎單一河流斷流、河流水體渾濁、河道垃圾遍布、水面分布大量藻類, 景觀效果極差, 濱岸帶植被種類單一[15], 項目上游優勢植物為多年生蘆葦(Phragmites australis), 伴生黃花蒿(Artemisia annua)和馬唐(Digitaria sanguinalis)等一、二年生植物, 中游及中下游均以長芒稗(Echinochloa caudata)為絕對優勢種, 下游優勢植物為蘆葦及稗(Echinochloa crusgalli), 現有植被整體缺乏層次, 親水設施缺失, 不能滿足城市居民對良好生態環境和濱水休憩空間的需求。

生物棲息地喪失現狀水質惡化、水資源短缺、植被結構單一、生態功能退化等問題導致了鳥類和魚類等生物喪失了棲息生存的空間和繁衍的場所[16]。

2 生態修復總體思路

依據房山琉璃河濕地的功能定位和發展需求,以恢復濕地生態服務功能為目標, 充分利用區域自然生態條件, 統籌水資源、水環境、水生態和水景觀等技術進行集成優化(圖4和表2), 以保護和恢復典型河流型濕地生態系統為核心, 建設成集水文調蓄、生物多樣性保護、水質凈化、科研宣教及休閑娛樂為一體的城市濕地公園, 使其具有健康的水生態系統、多樣化的生物棲息地及健全的生態景觀體系, 充分利用濕地資源, 輻射帶動濕地公園周邊產業發展。

表2 現狀問題及對應治理工程Tab.2 The current situation of river channel and corresponding control project

圖4 總平面布局圖Fig.4 General layout

3 生態環境綜合治理措施

3.1 生態廊道連通技術

生態廊道有無斷開是確定通道和屏障功能效率的重要因素[17], 因此連通性是廊道結構的主要量度指標。生態廊道連通技術主要包括結構連通、水文水力連通[18]和功能連通[19]。

針對于結構連通, 實現縱向、橫向連通。主要包括縱向生態障礙消除、橫向生態斷點消除(圖5)。

圖5 結構連通措施總體布局Fig.5 General layout of structural connectivity measures

針對于水文水力連通, 主要包括水量恢復、水動力調控(圖6)。

圖6 水文水力連通措施總體布局Fig.6 General layout of hydrological and hydraulic connection measures

功能連通主要通過核、斑、廊和島模式(核心保護區、斑塊、廊道、生態島), 使河流濕地作為一個整體, 發揮重要棲息地、通道、過濾屏障、源和匯生態功能。

3.2 生態水文調控技術

北方缺水地區缺少充足的水量進行調配, 經過水資源論證比選、選擇合理的水資源配置和適宜的調水途徑來滿足琉璃河濕地公園的生態補水需求。通過周邊再生水廠進行生態補水, 每天補水3×104m3/d(圖7), 并新建泵站和管道進行水動力改善達到水系循環的目的。

圖7 琉璃河濕地生態補水及水系循環圖Fig.7 Ecological water supplement and water system cycle diagram of Liuli River Wetland

3.3 復合垂直流人工濕地技術

采用復合垂直流人工濕地[20—23]人工濕地對再生水及循環水進行處理, 保障景觀水體水質。

濕地的設計處理規模1.42×105m3/d, 其中處理再生水3×104m3/d, 處理循環水1.12×105m3/d。復合垂直流人工濕地面積約為30.78 hm2, 其中處理再生水的濕地面積7.24 hm2, 處理循環水的濕地面積23.54 hm2(圖8)。再生水及循環水均通過管道輸送至人工濕地, 通過電動調流調壓閥進入布水管渠,通過布水管渠再進入上行池(或下行池), 然后經集水管道收集, 進入下行池(或上行池), 出水通過集水管收集, 經過排水干管, 排至琉璃河中。

圖8 濕地單元總體布置Fig.8 General layout of wetland unit

結合工程實際特點, 考慮材料易得性、經濟性同時考慮施工方便, 采用石灰石-沸石-礫石作為處理再生水補水的填料組合。石灰石主要用于除磷,沸石可在除氮過程中發揮重要功能, 而礫石則主要用于去除有機物。基質配置具有除磷、脫氮及去除有機物的多種功能。

針對北方低溫條件下運行效率低的問題, 在填料層中預埋高效耐低溫菌劑, 使其附著在濕地系統的植物根際以及填料基質表面, 形成優勢菌群, 實現對低溫條件下含氮污染物的去除效果。篩選多年生、抗逆性強, 特別是耐污性、耐寒性和水質凈化能力強的植物; 根系比較發達, 生物量大; 具有一定的美學價值及經濟價值的本土植物。經過植物試驗最后篩選出蘆葦、千屈菜(Lythrum salicaria)和香蒲(Typha orientalis)3種植物比較適合人工潛流濕地的種植環境。人工濕地出水回流也是應對低溫的一種強化人工濕地處理污水的有效技術措施,能有效地提高濕地系統的氮的去除率和濕地的運行效果。

3.4 水生態系統構建措施

良好水生態系統是保障城區水系水質良好長效運行的重要保障。在水質提升后重構良好水生態系統, 進一步恢復河道的自凈作用和水生態系統的穩定性, 重點需從水生植物群落、水生動物群落等方面開展。

水生植物群落構建根據房山地區情況, 遵循生態適應性、物種抗性、生態位和生物操控等生態學原理, 對先鋒種、過渡種及優勢種進行選擇、引導和優化, 對植物群落時空演替進行優化設計(圖9), 將人工調控與自然調控相結合, 構建生態水系生物群落要素, 形成完整食物鏈網, 發揮水體自凈作用, 使水體趨于生態平衡, 強化生態修復、水質凈化、生態景觀技術的有機融合。結合項目區實際情況, 本工程所選擇水生植物時考慮因素如下:a.具有較強抗逆性包括耐污性、耐寒性和耐澇性等; b.沉水植物的先鋒物種必須是具有生長快、耐污性強, 能快速有效改善水質的植物, 且魚類不喜食; c.植物的根系比較發達, 生物量大; d.物種生態位; 植物對藻類的化感作用; e.具有一定的生態、美學及經濟價值; f.以本土植物為主, 選擇本土現存或歷史上存在的植物種類, 避免生物入侵風險。

圖9 水生植物群落構建示意圖Fig.9 Sketch map of aquatic plant community construction

具體種類選擇見表3: 沉水植物——苦草(Vallisneria natans)、黑藻(Hydrilla verticillata)和金魚藻等; 挺水植物——蘆葦、水蔥(Scirpus validus)、菖蒲(Iris pseudacorus)、香蒲、千屈菜和花葉蘆竹(Arundo donax var.versiocolor)等; 漂浮及浮葉植物——荇菜(Nymphoides peltata)、荷花(Nelumbo nucifera)和睡蓮(Nymphaea tetragona)等。

表3 常用水生植物特點Tab.3 Characteristics of common aquatic plants

沉水植物合理搭配暖季、冷季與常綠種, 以黑藻、苦草為優勢物種。挺水植物形成以蘆葦、香蒲和菖蒲為優勢物種, 兼顧植物多樣性的植物群落;浮葉植物以睡蓮為優勢物種。

水生動物群落構建水生動物是水生生態系統生物鏈中的重要“消費者”, 消費、轉化水體中初級生產和次級生產的生物量, 吞食數量巨大的細菌與微型生物生物量, 吞食一些生物的排泄物和有機殘屑, 從而在水體凈化中發揮重要作用。

利用生物操控原理, 待沉水植物多樣性恢復后,開始進行水生動物多樣性恢復, 來控制藻類等浮游植物的生長, 完善食物鏈。首先選擇投放底棲類生物, 然后放養鰱鳙等魚類; 待群落穩定后, 引入本地肉食性魚類。魚類按10 尾/100 m2, 尾重200—250 g,密度放養。放養的底棲動物主要為當地螺、蚌, 底棲動物按2 kg/100 m2密度放養。微生物、水生植物與水生動物逐步形成健康穩定的生態系統, 恢復自凈能力。

3.5 生態景觀重構

房山區功能定位及發展需求是在改善水環境的基礎上要進一步提升生態景觀。琉璃河濕地公園生態景觀重構的主要內容包括: 地形改造, 植物配置, 生態濕地島、生態木棧道及親水平臺等生態景觀設施設計。

地形改造技術地形是生態景觀重構的最為基本的因素[24], 是景觀作為“景”的基本骨架構成,影響著生態景觀中的其他因素, 如植物配置、微氣候營造[25]和構筑物建造等, 它直接聯系著眾多的環境因素和環境外貌[26]。

不同地形設計形成不同的生態和景觀效果。其基本的形態構成要素包括高程、坡度、坡向、立面形態和平面形態等。

琉璃河示范區內地形改造主要是通過工程措施平整局部地勢、削低過陡地形和構建河流基底形態, 最大限度的保護原有河流、濕地、坑塘和溝渠等水生態敏感區, 留有足夠涵養水源, 應對較大強度降雨的林地、草地、湖泊和濕地, 維持城市開發前的自然水文特征。基底形態構建主要包括基底坡度、深潭淺灘構建及基底材料的選擇等。地形改造不僅能重塑濕地景觀形態, 而且高低起伏的基底形態更有利于污染物的去除。

琉璃河濕地A區與C區水域面積大, 地形肌理較為復雜, 除了主河道, 其中有大量溪流和坑塘等濕地地形。既豐富景觀面貌, 又增加地域生態特性(圖10)。

圖10 琉璃河濕地豎向圖及實景圖Fig.10 Vertical view of Liuli River wetland

植物生態設計按照琉璃河濕地的水位梯度, 進行水生植物配置, 如狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、澤瀉(Alisma plantago-aquatica)和紅蓼(Polygonum orientale)等群落既發揮其水質凈化功能[27—29]、生物棲息地功能, 又發揮其景觀美學功能。水生植物擁有特有的形態美和意境美, 在景觀園林中發揮重要的造景和觀賞功能。相比來說, 沉水植物生態效果強于其景觀效果, 沉水植物群落營造的“水下森林”亦具有較強的觀賞和景觀效果。

構建相對穩定的喬灌草群落, (喬木+灌木+地被花卉)、喬灌(喬木+灌木)、喬草(喬木+地被花卉)等多種復層混交種植結構的植物群落, 不但具有較好的景觀層次效果, 而且能夠使群落結構穩定,提升區域生態服務功能。琉璃河喬灌木品種為國槐(Styphnolobium japonicum)、垂柳(Salix babylonica)、欒樹(Koelreuteria paniculata)、五角楓(Acer pictum subsp.mono)、銀杏(Ginkgo biloba)、櫻花、山桃(Amygdalus davidiana)、石榴(Punica granatum)、丁香(Syringa oblata)、山杏(Armeniaca sibirica)和紫薇(Lagerstroemia indica)等; 地被品種為藍花鼠尾草(Salvia farinacea)、紫穗狼尾草、山桃草(Gaura lindheimeri)、細葉芒(Miscanthus sinensis)、波斯菊(Cosmos bipinnatus)和委陵菜(Potentilla chinensis)等。

景觀設施布設濕地景觀設計應進行全方位、多角度的思考, 如駁岸景觀既要有防洪防澇的實效功能, 又要給人以親水的體驗機會; 濕地景觀設施既能夠滿足參與者休憩休閑的空間又要融入整個自然的濕地環境; 琉璃河濕地生態景觀設施包括: 潛流濕地景觀、生態農業體驗、歲月生態步道、親水平臺和生態木棧道等, 賦予地域特性的生態保育, 又展現豐富多元的景觀元素(圖11)。

圖11 琉璃河濕地公園生態景觀設計Fig.11 Landscape area of Liuli River Wetland

琉璃河濕地公園打造了集生態保護、水質凈化和休閑娛樂為一體的潛流濕地景觀, 景觀設施主要有生態木棧道、生態鳥島和功能型濕地肌理等。同時體現歷史文化底蘊, 設計了歲月步道景觀,將事件的發生、歷史的變遷融入體現在景觀中, 留下歲月的痕跡。琉璃河濕地水域面積廣闊, 為了滿足人們娛樂需求, 設計了景觀木棧道、親水平臺、生態植物島、花溪以及親水小木屋等。

4 實施效果分析

4.1 水質改善情況分析

2021年3月、4月和5月對河道7個點位的pH、DO、CODCr、氨氮和總磷的進行檢測, 均值如表4所示。

表4 琉璃河水質檢測數據Tab.4 Water quality monitoring data of Liuli River (mg/L)

在項目建設前, 受到上游來水、生活污水和面源污染等影響, 項目區河流水質多為Ⅴ類和劣Ⅴ類水平, 富營養化問題嚴重。2017年5月對河流選取了7個樣點進行了水質采樣及分析, 結果顯示, 河流水質屬于劣Ⅴ類, 污染較重, 遠遠超過了地表水Ⅳ類標準, 其中CODcr、氨氮、總氮和總磷值均超標。在示范工程實施后, 2021年水質數據顯示, 污染物CODCr、氨氮和總磷比2017年分別消減69%、96.7%和95.6%, 氨氮和總磷已經達到地表水Ⅲ類以上標準, CODCr除個別點位, 達到地表水Ⅳ-Ⅴ類。

4.2 浮游植物

將2017年琉璃河生態調查數據作為修復前浮游植物數據的背景資料, 在調查的樣品中, 鑒定到硅藻門、綠藻門、隱藻門、裸藻門、藍藻門和甲藻門共計47種屬。本次調查鑒定到硅藻門和綠藻門種屬最多, 硅藻門占40.4%, 綠藻門占38.29%。藻類優勢種為硅藻門的小環藻、變異直鏈藻(Melosira varians)、輻節藻屬及綠藻門的集星藻。優勢種基本都為中污或重污指示種, 從藻類優勢種角度分析,琉璃河濕地公園建設前水體基本處于是中污與重污范圍內。

隨著水環境及水生態工程的實施, 2020年的調查結果顯示, 浮游植物仍以硅藻門和綠藻門占據主體, 但是隱藻門、裸藻門與甲藻門所屬藻類呈現明顯的增長趨勢, 由2016年占比的不足10%升至2020年的42%。優勢種由原先的小環藻與變異直鏈藻轉為了漢斯冠盤藻(Stephanodiscus hantzschii)與馬索隱藻(Cryptomonasmarssonii), 清潔水體的硅藻門數量開始增加, 而指示水體污染的藻類耐污種開始減少, 說明生態修復工程發揮了較好的效果。

4.3 水生植物

通過對河道實地調查, 區域內優勢植物群落主要是濕生和旱生植物群落。植物種類以蘆葦、稗、狗尾草(Setaria viridis)、豬毛蒿(Artemisia scoparia)和披堿草(Elymus dahuricus)為主; 物種結構較為單一, 以蘆葦或稗為建群種且伴生一年生的植物, 多為野生雜草; 2020年琉璃河的優勢植物增加水生植物群落, 主要有香蒲、菖蒲、黃花鳶尾(Iris wilsonii)、水蔥、澤瀉和荷花等挺水植物, 金魚藻、菹草、黑藻和苦草等沉水植物, 水生植物豐度和多樣性水平大幅提高, 植物覆蓋度明顯升高,由原來的不足10%提高到了62.9%。

4.4 底棲生物

2017年9月調查顯示, 底棲生物共計16種, 均為常見水生生物。以環節動物門與節肢動物門為主體; 隨著截污工程、生態清淤工程的實施, 水環境質量逐步改善, 底棲生物從環節動物門寡毛綱生物與節肢動物門昆蟲綱生物生物密度急劇降低, 而軟體動物門生物密度出現恢復的趨勢。以搖蚊屬搖蚊幼蟲與顫蚓屬蘇氏尾鰓蚓(Branchiura sowerbyi)為主的環節動物門與節肢動物門生物生存所需的生境條件消失, 為軟體動物門生物的成長創造了條件。同時, 人工投放螺和蚌等底棲動物, 底棲動物耐污種數量降低32%, 底棲動物清潔種大量增加,水體透明度逐步改善。

4.5 濕地鳥類

以2017年9月, 琉璃河濕地公園現場觀測到涉禽和游禽共計43只, 主要物種為大白鷺(Ardea alba)、池鷺(Ardeola bacchus)、扇尾沙錐(Gallinago gallinago)、黑水雞(Gallinula chloropus)、綠頭鴨(Anas platyrhynchos)和小鷿鷈(Tachybaptus ruficollis)等。

通過豐富水陸群落, 構建完善的食物鏈及物理生境, 為濕地鳥類提供了安全穩定的棲息環境,2020年調查結果顯示, 濕地公園涉禽和游禽共計360只, 增加了黑鸛(Ciconia nigra)、白天鵝(Cygnus)、夜鷺(Nycticorax nycticorax)、金眶鸻(Charadrius dubius)和黑翅長腳鷸(Himantopus himantopus)等物種, 濕地公園建成后多年不見的珍稀鳥類又重新歸來(圖12)。

圖12 黑鸛、天鵝及紅隼Fig.12 Ciconia nigra, swan Cygnus and Falco tinnunculus

5 討論

近年來國內河流濕地生態修復技術的研究日益深入, 水環境治理工程也日益增加, 但總體來看,治理措施的前瞻性、系統性及長效性不強, 整體治理效果并不理想, 缺乏統一的行業標準規范, 治理效果評價體系不健全等一系列問題[30]。結合中國河流治理的實際情況, 總結出應堅持“流域統籌、系統治理”的理念, 在今后的河流濕地生態修復工作還需要加強水資源、水環境、水生態及景觀設計等相關專業的融合, 統籌上下游、左右岸及干支流, 提升生態修復效果。同時, 在濕地生態修復的過程中, 要注重濕地資源的開發利用和濕地修復長效運維機制研究, 協同濕地保護與城市發展需求。

未來濕地生態修復應進一步加強精細化設計及精細化運維, 如利用模型模擬水生態系統構建技術如何長期穩定的達到生態系統平衡狀態, 特別是做好水生植物和水生動物的管理維護, 如研究食物網結構對于保護水生態環境和維持生物多樣性的重要作用, 為生態保護和修復提供決策依據[31]。優化配置水生植物, 以水質目標與生物多樣性為導向,建立最優化管理模式, 包括設定水位變動幅度和頻率、植物收割時間和控制藻類生物量, 并及時調整動植物群落結構等[32], 建立動植物群落與水質的動態響應模型關系。

針對河道、污水處理廠尾水等微污染建設北方大型濕地, 如何實現濕地的均勻布水、低溫條件下穩定運行等都需要進一步的精細化研究與設計,避免在濕地建成運維管理過程中反復出現水質不達標、水動力不足和人工濕地堵塞等一系列問題。

本研究積極創新濕地生態修復技術與模式, 針對琉璃河生態基流不足, 水污染嚴重(TP、NH3-N超標較為嚴重), 水生態系統退化, 水景觀單一等環境問題, 基于“三位一體+”的濕地系統治理理念,統籌考慮水安全、水資源、水環境、水生態和水景觀等, 開展生態廊道連通技術、生態水文調控、人工濕地及水生態系統構建等一系列技術, 改善水環境, 并逐漸形成健康、穩定的水生態系統; 將綠廊、生態木棧道和親水平臺等要素融入景觀系統以滿足人們對親水的需求。房山琉璃河濕地公園生態修復技術有利于實現濕地公園生態環境的持續改善, 依托濕地優勢資源, 堅持濕地保護和合理利用緊密結合, 堅持工程建設與長效管理兩手抓,實現濕地保護和經濟的雙贏, 可為北方濕地公園生態修復提供相應的技術參考依據。

致謝:

本文研究內容主要依托房山琉璃河濕地公園建設項目和國家重點研發計劃課題“京津冀城市群生態安全保障技術研究(2016YFC0503000)”，是課題技術研究和工程項目應用的成果之一，在課題研究及示范工程建設過程中北京東方園林環境股份有限公司楊春梅、王學杰、徐志、劉濤、張曉樂和蔚建闖等參與了部分研究及工程建設工作，在此衷心感謝一起參與研究及工程建設工作的各位同事！