李咏红
(1.北京东方园林环境股份有限公司, 北京 100015; 2.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 北京 100015;3.北京东方利禾景观设计有限公司, 北京, 100015 )
湿地是自然界生物多样性最丰富的生态系统之一[1,2], 为人类社会经济发展提供了重要保障, 但是近年来, 由于全球气候变暖和人类活动高强度的开发模式, 湿地正面临着面积萎缩[3]、功能减弱[4]和多样性降低[5]等问题, 就京津冀地区来讲, 近年来湿地面积呈现萎缩减少趋势, 湿地退化已经成为制约区域可持续性发展的重大阻碍, 深入开展恢复湿地的工作已经迫在眉睫。湿地公园是解决湿地保护和合理利用的一种有效方法, 在对湿地进行有效修复与保护的同时, 也为广大居民提供休憩、娱乐和科普的场所, 助力城市发展[6,7]。目前国内河流湿地生态修复技术有很多[8,9], 但是针对北方河流湿地生态修复技术体系还缺乏一定的创新性、系统性及长效性。相比南方河流湿地, 北方河流多为季节性河流, 丰水枯水期水量变化大, 通常水量小,且补给水源匮乏, 冬季河流有结冰封冻现象等[10]。因此, 研发适宜北方区域特征的河流湿地公园生态修复技术体系, 以期指导京津冀区域的湿地公园建设, 并指导、规范北方湿地公园的生态建设与修复工作具有重要意义。
本文以北京房山区琉璃河湿地公园为例, 针对河流湿地现有水量少, 水质污染严重, 水生态退化、水景观差等一系列问题提出了统筹水资源、水环境、水生态和水景观的生态环境系统治理理念, 以生态景观系统与河流水系空间格局及水文过程的耦合关系为基础, 以改善水环境、提升水生态为目标, 采用水系廊道连通技术、生态水文调控技术和人工湿地技术等, 建设成集水文调蓄、生物多样性保护、水质净化、科研宣教及休闲娱乐为一体的城市湿地公园, 协同湿地保护与城市发展战略需求, 在修复受损湿地的同时助力城市发展。
1.1 区域概况
房山区位于北京市西南部, 是南水北调中线工程入京的第一站, 其功能定位是首都高端制造业新区和现代生态休闲新城, 作为首都西南绿色生态屏障, 承担着涵养水源、防风固沙和城市休闲等重要功能[11]。琉璃河湿地公园位于琉璃河镇西北大石河(入琉璃河至兴礼桥段)的两堤之间, 总占地面积528.6 ha, 长10.6 km, 将成为北京市最大规模的湿地公园。同时项目的建设对于大石河流域以及河北境内拒马河、白沟河流域的水环境都将产生非常积极的影响, 对京津冀的生态建设至关重要。
1.2 生态环境问题
水资源短缺, 水动力不足根据房山区漫水河站记录多年平均地表水资源量6.4×107m3, 减去最小生态需水量和汛期难以控制利用的洪水量, 计算出其多年平均情况下地表水资源可利用量低方案为2.1×103m3, 高方案为2.4×103m3。地表水资源可利用率分别是33%和38%, 地表水资源利用率较低, 有些河段无自然基流, 维持河流基本生态功能的生态需水量严重匮乏, 水动力不足且缺乏合理的补充方式, 水量协调问题亟需解决。
水体水质差, 富营养问题严重地表水环境质量较差, 河道水质现状为劣Ⅴ类[12]。受到上游来水、生活污水和面源污染等影响, 项目区河流水质指标多为Ⅴ类和劣Ⅴ类水平, 富营养化[13]问题严重。2017年5月对河流选取了7个样点进行了水质采样及分析, 结果显示, 河流水质为劣Ⅴ类, 污染较重, 均超过了地表水Ⅳ类标准, 其中CODcr、氨氮、总氮和总磷值均超标(图1和表1)。
表1 琉璃河水质现状情况Tab.1 River water quality of Liuli River (mg/L)
图1 水质采样点位图Fig.1 Water quality sampling point diagram
水生态结构受损, 水生态功能脆弱2016年9月, 在琉璃河湿地公园内选取4处典型河流断面(图2)。水文调查结果显示: 核心示范区河段处于近坑塘状态, 流速接近于0。
图2 典型河流断面取点布设Fig.2 Layout of typical river section sampling points
由于缺乏必要的生态基流, 水体流动性差, 河道有明显的淤积现象[14]。部分河段浮游藻类和水葫芦等生长旺盛, 沉水植物以金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、菹草(Potamogeton crispus)为主,零星分布。水生动植物群落发生了重要的演替, 从原有的清水型转向了耐污型, 整体水生态系统结构和功能受到严重损害(图3)。
图3 生态环境现状Fig.3 Current situation of ecological environment
水景观破碎单一河流断流、河流水体浑浊、河道垃圾遍布、水面分布大量藻类, 景观效果极差, 滨岸带植被种类单一[15], 项目上游优势植物为多年生芦苇(Phragmites australis), 伴生黄花蒿(Artemisia annua)和马唐(Digitaria sanguinalis)等一、二年生植物, 中游及中下游均以长芒稗(Echinochloa caudata)为绝对优势种, 下游优势植物为芦苇及稗(Echinochloa crusgalli), 现有植被整体缺乏层次, 亲水设施缺失, 不能满足城市居民对良好生态环境和滨水休憩空间的需求。
生物栖息地丧失现状水质恶化、水资源短缺、植被结构单一、生态功能退化等问题导致了鸟类和鱼类等生物丧失了栖息生存的空间和繁衍的场所[16]。
依据房山琉璃河湿地的功能定位和发展需求,以恢复湿地生态服务功能为目标, 充分利用区域自然生态条件, 统筹水资源、水环境、水生态和水景观等技术进行集成优化(图4和表2), 以保护和恢复典型河流型湿地生态系统为核心, 建设成集水文调蓄、生物多样性保护、水质净化、科研宣教及休闲娱乐为一体的城市湿地公园, 使其具有健康的水生态系统、多样化的生物栖息地及健全的生态景观体系, 充分利用湿地资源, 辐射带动湿地公园周边产业发展。
表2 现状问题及对应治理工程Tab.2 The current situation of river channel and corresponding control project
图4 总平面布局图Fig.4 General layout
3.1 生态廊道连通技术
生态廊道有无断开是确定通道和屏障功能效率的重要因素[17], 因此连通性是廊道结构的主要量度指标。生态廊道连通技术主要包括结构连通、水文水力连通[18]和功能连通[19]。
针对于结构连通, 实现纵向、横向连通。主要包括纵向生态障碍消除、横向生态断点消除(图5)。
图5 结构连通措施总体布局Fig.5 General layout of structural connectivity measures
针对于水文水力连通, 主要包括水量恢复、水动力调控(图6)。
图6 水文水力连通措施总体布局Fig.6 General layout of hydrological and hydraulic connection measures
功能连通主要通过核、斑、廊和岛模式(核心保护区、斑块、廊道、生态岛), 使河流湿地作为一个整体, 发挥重要栖息地、通道、过滤屏障、源和汇生态功能。
3.2 生态水文调控技术
北方缺水地区缺少充足的水量进行调配, 经过水资源论证比选、选择合理的水资源配置和适宜的调水途径来满足琉璃河湿地公园的生态补水需求。通过周边再生水厂进行生态补水, 每天补水3×104m3/d(图7), 并新建泵站和管道进行水动力改善达到水系循环的目的。
图7 琉璃河湿地生态补水及水系循环图Fig.7 Ecological water supplement and water system cycle diagram of Liuli River Wetland
3.3 复合垂直流人工湿地技术
采用复合垂直流人工湿地[20—23]人工湿地对再生水及循环水进行处理, 保障景观水体水质。
湿地的设计处理规模1.42×105m3/d, 其中处理再生水3×104m3/d, 处理循环水1.12×105m3/d。复合垂直流人工湿地面积约为30.78 hm2, 其中处理再生水的湿地面积7.24 hm2, 处理循环水的湿地面积23.54 hm2(图8)。再生水及循环水均通过管道输送至人工湿地, 通过电动调流调压阀进入布水管渠,通过布水管渠再进入上行池(或下行池), 然后经集水管道收集, 进入下行池(或上行池), 出水通过集水管收集, 经过排水干管, 排至琉璃河中。
图8 湿地单元总体布置Fig.8 General layout of wetland unit
结合工程实际特点, 考虑材料易得性、经济性同时考虑施工方便, 采用石灰石-沸石-砾石作为处理再生水补水的填料组合。石灰石主要用于除磷,沸石可在除氮过程中发挥重要功能, 而砾石则主要用于去除有机物。基质配置具有除磷、脱氮及去除有机物的多种功能。
针对北方低温条件下运行效率低的问题, 在填料层中预埋高效耐低温菌剂, 使其附着在湿地系统的植物根际以及填料基质表面, 形成优势菌群, 实现对低温条件下含氮污染物的去除效果。筛选多年生、抗逆性强, 特别是耐污性、耐寒性和水质净化能力强的植物; 根系比较发达, 生物量大; 具有一定的美学价值及经济价值的本土植物。经过植物试验最后筛选出芦苇、千屈菜(Lythrum salicaria)和香蒲(Typha orientalis)3种植物比较适合人工潜流湿地的种植环境。人工湿地出水回流也是应对低温的一种强化人工湿地处理污水的有效技术措施,能有效地提高湿地系统的氮的去除率和湿地的运行效果。
3.4 水生态系统构建措施
良好水生态系统是保障城区水系水质良好长效运行的重要保障。在水质提升后重构良好水生态系统, 进一步恢复河道的自净作用和水生态系统的稳定性, 重点需从水生植物群落、水生动物群落等方面开展。
水生植物群落构建根据房山地区情况, 遵循生态适应性、物种抗性、生态位和生物操控等生态学原理, 对先锋种、过渡种及优势种进行选择、引导和优化, 对植物群落时空演替进行优化设计(图9), 将人工调控与自然调控相结合, 构建生态水系生物群落要素, 形成完整食物链网, 发挥水体自净作用, 使水体趋于生态平衡, 强化生态修复、水质净化、生态景观技术的有机融合。结合项目区实际情况, 本工程所选择水生植物时考虑因素如下:a.具有较强抗逆性包括耐污性、耐寒性和耐涝性等; b.沉水植物的先锋物种必须是具有生长快、耐污性强, 能快速有效改善水质的植物, 且鱼类不喜食; c.植物的根系比较发达, 生物量大; d.物种生态位; 植物对藻类的化感作用; e.具有一定的生态、美学及经济价值; f.以本土植物为主, 选择本土现存或历史上存在的植物种类, 避免生物入侵风险。
图9 水生植物群落构建示意图Fig.9 Sketch map of aquatic plant community construction
具体种类选择见表3: 沉水植物——苦草(Vallisneria natans)、黑藻(Hydrilla verticillata)和金鱼藻等; 挺水植物——芦苇、水葱(Scirpus validus)、菖蒲(Iris pseudacorus)、香蒲、千屈菜和花叶芦竹(Arundo donax var.versiocolor)等; 漂浮及浮叶植物——荇菜(Nymphoides peltata)、荷花(Nelumbo nucifera)和睡莲(Nymphaea tetragona)等。
表3 常用水生植物特点Tab.3 Characteristics of common aquatic plants
沉水植物合理搭配暖季、冷季与常绿种, 以黑藻、苦草为优势物种。挺水植物形成以芦苇、香蒲和菖蒲为优势物种, 兼顾植物多样性的植物群落;浮叶植物以睡莲为优势物种。
水生动物群落构建水生动物是水生生态系统生物链中的重要“消费者”, 消费、转化水体中初级生产和次级生产的生物量, 吞食数量巨大的细菌与微型生物生物量, 吞食一些生物的排泄物和有机残屑, 从而在水体净化中发挥重要作用。
利用生物操控原理, 待沉水植物多样性恢复后,开始进行水生动物多样性恢复, 来控制藻类等浮游植物的生长, 完善食物链。首先选择投放底栖类生物, 然后放养鲢鳙等鱼类; 待群落稳定后, 引入本地肉食性鱼类。鱼类按10 尾/100 m2, 尾重200—250 g,密度放养。放养的底栖动物主要为当地螺、蚌, 底栖动物按2 kg/100 m2密度放养。微生物、水生植物与水生动物逐步形成健康稳定的生态系统, 恢复自净能力。
3.5 生态景观重构
房山区功能定位及发展需求是在改善水环境的基础上要进一步提升生态景观。琉璃河湿地公园生态景观重构的主要内容包括: 地形改造, 植物配置, 生态湿地岛、生态木栈道及亲水平台等生态景观设施设计。
地形改造技术地形是生态景观重构的最为基本的因素[24], 是景观作为“景”的基本骨架构成,影响着生态景观中的其他因素, 如植物配置、微气候营造[25]和构筑物建造等, 它直接联系着众多的环境因素和环境外貌[26]。
不同地形设计形成不同的生态和景观效果。其基本的形态构成要素包括高程、坡度、坡向、立面形态和平面形态等。
琉璃河示范区内地形改造主要是通过工程措施平整局部地势、削低过陡地形和构建河流基底形态, 最大限度的保护原有河流、湿地、坑塘和沟渠等水生态敏感区, 留有足够涵养水源, 应对较大强度降雨的林地、草地、湖泊和湿地, 维持城市开发前的自然水文特征。基底形态构建主要包括基底坡度、深潭浅滩构建及基底材料的选择等。地形改造不仅能重塑湿地景观形态, 而且高低起伏的基底形态更有利于污染物的去除。
琉璃河湿地A区与C区水域面积大, 地形肌理较为复杂, 除了主河道, 其中有大量溪流和坑塘等湿地地形。既丰富景观面貌, 又增加地域生态特性(图10)。
图10 琉璃河湿地竖向图及实景图Fig.10 Vertical view of Liuli River wetland
植物生态设计按照琉璃河湿地的水位梯度, 进行水生植物配置, 如狐尾藻(Myriophyllum verticillatum)、泽泻(Alisma plantago-aquatica)和红蓼(Polygonum orientale)等群落既发挥其水质净化功能[27—29]、生物栖息地功能, 又发挥其景观美学功能。水生植物拥有特有的形态美和意境美, 在景观园林中发挥重要的造景和观赏功能。相比来说, 沉水植物生态效果强于其景观效果, 沉水植物群落营造的“水下森林”亦具有较强的观赏和景观效果。
构建相对稳定的乔灌草群落, (乔木+灌木+地被花卉)、乔灌(乔木+灌木)、乔草(乔木+地被花卉)等多种复层混交种植结构的植物群落, 不但具有较好的景观层次效果, 而且能够使群落结构稳定,提升区域生态服务功能。琉璃河乔灌木品种为国槐(Styphnolobium japonicum)、垂柳(Salix babylonica)、栾树(Koelreuteria paniculata)、五角枫(Acer pictum subsp.mono)、银杏(Ginkgo biloba)、樱花、山桃(Amygdalus davidiana)、石榴(Punica granatum)、丁香(Syringa oblata)、山杏(Armeniaca sibirica)和紫薇(Lagerstroemia indica)等; 地被品种为蓝花鼠尾草(Salvia farinacea)、紫穗狼尾草、山桃草(Gaura lindheimeri)、细叶芒(Miscanthus sinensis)、波斯菊(Cosmos bipinnatus)和委陵菜(Potentilla chinensis)等。
景观设施布设湿地景观设计应进行全方位、多角度的思考, 如驳岸景观既要有防洪防涝的实效功能, 又要给人以亲水的体验机会; 湿地景观设施既能够满足参与者休憩休闲的空间又要融入整个自然的湿地环境; 琉璃河湿地生态景观设施包括: 潜流湿地景观、生态农业体验、岁月生态步道、亲水平台和生态木栈道等, 赋予地域特性的生态保育, 又展现丰富多元的景观元素(图11)。
图11 琉璃河湿地公园生态景观设计Fig.11 Landscape area of Liuli River Wetland
琉璃河湿地公园打造了集生态保护、水质净化和休闲娱乐为一体的潜流湿地景观, 景观设施主要有生态木栈道、生态鸟岛和功能型湿地肌理等。同时体现历史文化底蕴, 设计了岁月步道景观,将事件的发生、历史的变迁融入体现在景观中, 留下岁月的痕迹。琉璃河湿地水域面积广阔, 为了满足人们娱乐需求, 设计了景观木栈道、亲水平台、生态植物岛、花溪以及亲水小木屋等。
4.1 水质改善情况分析
2021年3月、4月和5月对河道7个点位的pH、DO、CODCr、氨氮和总磷的进行检测, 均值如表4所示。
表4 琉璃河水质检测数据Tab.4 Water quality monitoring data of Liuli River (mg/L)
在项目建设前, 受到上游来水、生活污水和面源污染等影响, 项目区河流水质多为Ⅴ类和劣Ⅴ类水平, 富营养化问题严重。2017年5月对河流选取了7个样点进行了水质采样及分析, 结果显示, 河流水质属于劣Ⅴ类, 污染较重, 远远超过了地表水Ⅳ类标准, 其中CODcr、氨氮、总氮和总磷值均超标。在示范工程实施后, 2021年水质数据显示, 污染物CODCr、氨氮和总磷比2017年分别消减69%、96.7%和95.6%, 氨氮和总磷已经达到地表水Ⅲ类以上标准, CODCr除个别点位, 达到地表水Ⅳ-Ⅴ类。
4.2 浮游植物
将2017年琉璃河生态调查数据作为修复前浮游植物数据的背景资料, 在调查的样品中, 鉴定到硅藻门、绿藻门、隐藻门、裸藻门、蓝藻门和甲藻门共计47种属。本次调查鉴定到硅藻门和绿藻门种属最多, 硅藻门占40.4%, 绿藻门占38.29%。藻类优势种为硅藻门的小环藻、变异直链藻(Melosira varians)、辐节藻属及绿藻门的集星藻。优势种基本都为中污或重污指示种, 从藻类优势种角度分析,琉璃河湿地公园建设前水体基本处于是中污与重污范围内。
随着水环境及水生态工程的实施, 2020年的调查结果显示, 浮游植物仍以硅藻门和绿藻门占据主体, 但是隐藻门、裸藻门与甲藻门所属藻类呈现明显的增长趋势, 由2016年占比的不足10%升至2020年的42%。优势种由原先的小环藻与变异直链藻转为了汉斯冠盘藻(Stephanodiscus hantzschii)与马索隐藻(Cryptomonasmarssonii), 清洁水体的硅藻门数量开始增加, 而指示水体污染的藻类耐污种开始减少, 说明生态修复工程发挥了较好的效果。
4.3 水生植物
通过对河道实地调查, 区域内优势植物群落主要是湿生和旱生植物群落。植物种类以芦苇、稗、狗尾草(Setaria viridis)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)和披碱草(Elymus dahuricus)为主; 物种结构较为单一, 以芦苇或稗为建群种且伴生一年生的植物, 多为野生杂草; 2020年琉璃河的优势植物增加水生植物群落, 主要有香蒲、菖蒲、黄花鸢尾(Iris wilsonii)、水葱、泽泻和荷花等挺水植物, 金鱼藻、菹草、黑藻和苦草等沉水植物, 水生植物丰度和多样性水平大幅提高, 植物覆盖度明显升高,由原来的不足10%提高到了62.9%。
4.4 底栖生物
2017年9月调查显示, 底栖生物共计16种, 均为常见水生生物。以环节动物门与节肢动物门为主体; 随着截污工程、生态清淤工程的实施, 水环境质量逐步改善, 底栖生物从环节动物门寡毛纲生物与节肢动物门昆虫纲生物生物密度急剧降低, 而软体动物门生物密度出现恢复的趋势。以摇蚊属摇蚊幼虫与颤蚓属苏氏尾鳃蚓(Branchiura sowerbyi)为主的环节动物门与节肢动物门生物生存所需的生境条件消失, 为软体动物门生物的成长创造了条件。同时, 人工投放螺和蚌等底栖动物, 底栖动物耐污种数量降低32%, 底栖动物清洁种大量增加,水体透明度逐步改善。
4.5 湿地鸟类
以2017年9月, 琉璃河湿地公园现场观测到涉禽和游禽共计43只, 主要物种为大白鹭(Ardea alba)、池鹭(Ardeola bacchus)、扇尾沙锥(Gallinago gallinago)、黑水鸡(Gallinula chloropus)、绿头鸭(Anas platyrhynchos)和小鷿鷈(Tachybaptus ruficollis)等。
通过丰富水陆群落, 构建完善的食物链及物理生境, 为湿地鸟类提供了安全稳定的栖息环境,2020年调查结果显示, 湿地公园涉禽和游禽共计360只, 增加了黑鹳(Ciconia nigra)、白天鹅(Cygnus)、夜鹭(Nycticorax nycticorax)、金眶鸻(Charadrius dubius)和黑翅长脚鹬(Himantopus himantopus)等物种, 湿地公园建成后多年不见的珍稀鸟类又重新归来(图12)。
图12 黑鹳、天鹅及红隼Fig.12 Ciconia nigra, swan Cygnus and Falco tinnunculus
近年来国内河流湿地生态修复技术的研究日益深入, 水环境治理工程也日益增加, 但总体来看,治理措施的前瞻性、系统性及长效性不强, 整体治理效果并不理想, 缺乏统一的行业标准规范, 治理效果评价体系不健全等一系列问题[30]。结合中国河流治理的实际情况, 总结出应坚持“流域统筹、系统治理”的理念, 在今后的河流湿地生态修复工作还需要加强水资源、水环境、水生态及景观设计等相关专业的融合, 统筹上下游、左右岸及干支流, 提升生态修复效果。同时, 在湿地生态修复的过程中, 要注重湿地资源的开发利用和湿地修复长效运维机制研究, 协同湿地保护与城市发展需求。
未来湿地生态修复应进一步加强精细化设计及精细化运维, 如利用模型模拟水生态系统构建技术如何长期稳定的达到生态系统平衡状态, 特别是做好水生植物和水生动物的管理维护, 如研究食物网结构对于保护水生态环境和维持生物多样性的重要作用, 为生态保护和修复提供决策依据[31]。优化配置水生植物, 以水质目标与生物多样性为导向,建立最优化管理模式, 包括设定水位变动幅度和频率、植物收割时间和控制藻类生物量, 并及时调整动植物群落结构等[32], 建立动植物群落与水质的动态响应模型关系。
针对河道、污水处理厂尾水等微污染建设北方大型湿地, 如何实现湿地的均匀布水、低温条件下稳定运行等都需要进一步的精细化研究与设计,避免在湿地建成运维管理过程中反复出现水质不达标、水动力不足和人工湿地堵塞等一系列问题。
本研究积极创新湿地生态修复技术与模式, 针对琉璃河生态基流不足, 水污染严重(TP、NH3-N超标较为严重), 水生态系统退化, 水景观单一等环境问题, 基于“三位一体+”的湿地系统治理理念,统筹考虑水安全、水资源、水环境、水生态和水景观等, 开展生态廊道连通技术、生态水文调控、人工湿地及水生态系统构建等一系列技术, 改善水环境, 并逐渐形成健康、稳定的水生态系统; 将绿廊、生态木栈道和亲水平台等要素融入景观系统以满足人们对亲水的需求。房山琉璃河湿地公园生态修复技术有利于实现湿地公园生态环境的持续改善, 依托湿地优势资源, 坚持湿地保护和合理利用紧密结合, 坚持工程建设与长效管理两手抓,实现湿地保护和经济的双赢, 可为北方湿地公园生态修复提供相应的技术参考依据。
致谢:
本文研究内容主要依托房山琉璃河湿地公园建设项目和国家重点研发计划课题“京津冀城市群生态安全保障技术研究(2016YFC0503000)”，是课题技术研究和工程项目应用的成果之一，在课题研究及示范工程建设过程中北京东方园林环境股份有限公司杨春梅、王学杰、徐志、刘涛、张晓乐和蔚建闯等参与了部分研究及工程建设工作，在此衷心感谢一起参与研究及工程建设工作的各位同事！
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