管 桂 玲,付 东 王,程 昝,黄 龙 燕

(南京市水利规划设计院股份有限公司,江苏 南京 210022)

0 引 言

长江经济带是全国经济密度最大的流域经济带,作为我国生态安全屏障的重要一环,对走出一条绿色生态发展新路具有重要作用。习近平总书记提出的“要坚持把修复长江生态环境摆在推动长江经济带发展工作的重要位置,共抓大保护,不搞大开发。”明确了长江经济带发展的方向。长江中下游流域既是长江流域人类活动最为频繁的区域,也是湿地资源极为丰富的区域,沿岸广泛发育江心洲、江心滩、边滩等,湿地面积约占流域总面积的7.4%[1]。长江中下游洲滩型湿地属于非封闭状态,作为陆地生态系统与水生态系统的交错地带,存在季节性水流、水位变化,且受到不同程度的污染、过度捕捞和采集、基建占用、围垦和外来物种入侵等威胁[2],面临着生态功能退化、生物多样性减少等严峻问题。南京市作为长江流域重要的区域中心城市、长江下游唯一跨江布局的特大城市、拥有江苏省近1/4干流岸线的省会城市[3],如何保护好南京市长江岸线,在长江大保护和长江经济带高质量发展中发挥南京的责任担当是一项系统的工作。

目前,中国对湿地生态系统重构的研究主要集中在湿地动植物群落类型、湿地的结构及湿地的功能3个方面[4],重构的手段包括水文水质控制、生态驳岸改造及物种多样性恢复等[5],针对性地通过分析指示物种生境变化及偏好来重构湿地生态系统的较少。湿地生态系统重构研究中的湿地类型以河流湿地、湖泊湿地为主[6],对水文、环境条件复杂的洲滩型湿地研究较少。因此,文章以长江中下游典型洲滩型湿地——绿水湾湿地作为研究对象,分析指示物种生境情况,对其生态系统原始风貌与结构完整性受损最为严重的区域进行生态系统重构,提出修复的总体思路与方法、关键技术与方案。

1 研究区概况

绿水湾湿地位于南京市江北新区长江岸线南段江滩,南至高旺河南岸,北抵纬七路过江隧道下游江滩尾端(包括部分水域),西至长江主江堤与子堤东岸,东至江滩东侧(与长江江豚保护区接壤),主要包括长江江滩、夹江水域、长江水域及子堤内圩垸区域,岸线总长12 km,总面积15.8 km2,其湿地类型丰富,湿地自然属性突出,是长江中下游洲滩型湿地的典型代表。

近20 a来,绿水湾湿地内自然地貌被改变,地表径流的天然平衡条件遭到破坏,蓄水量失调。不同时相遥感影像图显示,20世纪90年代,湿地内芦苇沼泽湿地和森林沼泽湿地遍布江滩,面积约11.1 km2;至2009年,多数自然湿地被圈圩开垦成鱼塘,芦苇沼泽与柳树林湿地面积约4.7 km2,生态系统不断遭到破坏。作为长江湿地沿江水系重要的入江门户与生态安全屏障,绿水湾湿地生态系统重构是南京市践行长江大保护的重要抓手,对提升区域生态环境质量具有重要意义。

《江苏南京长江绿水湾省级湿地公园总体规划》明确提出了保护长江中下游沿江地区江滩等湿地生态系统原始风貌与结构完整性、提高湿地生物多样性和保障沿江水系水生态安全的目标,规划绿水湾湿地分为保育区(7.13 km2)、恢复重建区(4.90 km2)及合理利用区(3.77 km2)。

经调查,绿水湾湿地恢复重建区的湿地生态系统原始风貌与结构完整性受损最为严重,因此,文章选取该区域为研究区进行生态系统重构(见图1)。

图1 研究区范围Fig.1 Study area

研究区位于夹江东侧江滩内子堤合围区域,子堤堤顶高程在7.0～10.0 m之间(85高程,下同),区域长约10 km,宽度在120～910 m,总面积4.90 km2。研究区由历史自然湿地被圈圩开垦成鱼塘,生态环境受人为干扰严重,现状生态特征如下:

(1) 气候。属亚热带季风气候区,四季分明,年平均气温15.8 ℃,年平均日照2 008 h,年均降雨量1 140 mm、蒸发量1 365 mm,雨量在年际、季节之间差异较大,丰枯明显,降雨量分布不均,其中60%以上降水集中于5～9月汛期。

(2) 水文水环境。研究区78%为人工养殖鱼塘,池塘大小各异,基本为长方形,水系不连通,现状来水主要为降雨,排水通过涵闸(管)外排至长江。洲滩湿地水位由于受到江水水量变化影响,季节性波动很大,生态环境稳定性较低。当长江水位低于7.0 m 时,研究区内水面面积为3.8 km2;高于7.0 m时,研究区将被淹没。2019年1月水质检测结果显示水质在Ⅳ～Ⅴ类之间,对研究区内各类生物影响较大。

(3) 土壤。由江水带来的泥沙冲积而成的独具特色的洲滩湿地,地质上主要是河漫滩沉积物,土质松软肥沃。上层土为素填土,以可塑状黏性土为主,层厚2.0～13.5 m,整个场地分布,保水保肥能力强,但孔隙小,通气透水性能差,湿时黏干时硬。按照中国水科院《全国河流湖泊水库底泥污染状况调查评价》中的评价方法对2020年9月采样底泥进行评价,结果显示底泥营养盐含量较高,为三级断面。

(4) 动植物。研究区内物种较丰富,但物种组成较为单一,共有植物29目48科124属142种,植被覆盖率为67.6%,高等植物科数占江苏省的24.24%,共有高等动物33目67科132属178种。研究区内主要为塘埂上人工种植的杨树林,池塘边的芦苇荡、菹草、狐尾藻等,区域内丰富的鱼类资源,在冬季水位下降时会吸引大量越冬水鸟,如红嘴鸥、绿头鸭、斑嘴鸭、普通鸬鹚等。

(5) 景观格局。由于研究区近20 a景观特征变化较大,因此选取1998年和2020年的SinoLC-1及Landsat遥感影像作为景观格局分析的基础影像数据。根据研究区景观特征,依托国内外现有湿地景观分类标准,研究区景观类型被划分为水域、耕地、林地、草地、建设用地5大类(见图2),并利用ENVI软件对基础影像数据进行遥感解译,识别景观类型。生境的破碎化在景观格局上主要通过3个指标反映,分别是平均斑块面积指数(MPS)、聚集指数(AI)、形状指数(SHAPE),各指标的含义依次是景观孤立程度、景观斑块数量、景观复杂性。

图2 研究区景观分类Fig.2 Landscape classification of the study area

运用Fragstats软件计算分析研究区在1998年和2020年各景观类型的3个指标,均有较大变化,其中平均斑块面积指数(MPS)大幅下降,由162.91 hm2下降到43.24 hm2;聚集指数(AI)大幅下降,由94.28下降到67.14;形状指数(SHAPE)大幅上升,由36上升至76。这说明研究区在20多年来,景观格局由完整转向破碎、聚集转向分散,生境破碎化加剧。

综上所述,研究区湿地生态系统重构主要需要解决以下问题:① 水产养殖导致湿地由自然湿地转变为人工湿地,湿地类型发生不合理换转变,生境类型单一,且破碎化程度加剧,湿地基底需要恢复;② 水产养殖等人类生产活动造成各塘间水体相对独立,水系不连通,水体存在污染,调洪蓄洪能力降低,湿地水文水质需要恢复;③ 研究区内人工痕迹明显,岸线形态单一,鱼塘塘埂水岸缺乏多层次、结构完善的滨岸植被带,野生动植物生存空间被压缩,适宜的栖息繁殖地减少,生物多样性降低,湿地生态系统结构需要恢复。

3 设计思路

(1) 生态恢复目标设定。湿地生态系统重构以“长江大保护”为基础,依据《中华人民共和国湿地保护法》《江苏省湿地公园管理办法》(苏林规〔2012〕1号)、《湿地公园总体规划导则》(林湿综字〔2018〕1号)、LY/T 1755-2008《国家湿地公园建设规范》《城市湿地公园设计导则》《江苏南京长江绿水湾省级湿地公园总体规划》等相关建设要求,遵循“生态优先、最小干预、彰显特色、协调发展”“自然恢复为主、自然恢复与人工修复相结合”的原则与生态理念,最终确定以近自然河流湿地生态系统作为生态修复的总体目标,力求增加适宜生境面积与连续性,恢复湿地原生态风貌,实现湿地生态价值。

(2) 生境空间总体布局。据现状调查和资料记载,绿水湾湿地公园范围内有鸟类15目44科88属121种,鸟类资源十分丰富,另外考虑到研究区78%的水面率,可为涉禽、游禽提供良好的栖息环境,为大量游禽类候鸟提供越冬栖息地,因此,最终选取涉禽和游禽作为指示物种(见表1)。根据指示物种栖息偏好、生活习性[7-11]以及长江洲滩水文特征、现状地形等因素进行研究区生境空间总体布局:① 生境空间主要特征应为水深较浅,拥有丰富的挺水植物和沉水植物,可提供大量的开阔浅水和浅滩环境,修复后能为涉禽、游禽提供良好的栖息环境,因此,浅水生境(水深0.7～1.0 m)应不低于总体水面的50%,深水生境(水深1.0～2.0 m)不超过20%,近岸浅滩(水深0.3～0.7 m)和浅沼生境不低于25%,但在空间上呈现周期性变化;② 生境空间应满足防洪要求,长江江滩整治前后平均高程不应改变,因此,结合生态需求,设置供生物筑巢、停歇、繁衍的不规则形态岛屿,使设计前后做到挖填方量平衡,并根据岛屿的大小设计为草滩绿洲、稀树灌丛岛屿与密林岛屿等不同生境。

表1 绿水湾湿地设计指示物种分析Tab.1 Analysis of indicated species of Lushuiwan Wetland

(3) 关键技术应用。基于目标与布局,研究区生态系统重构主要采用以下关键技术:① 通过退渔还湿、微地形营造,实现水系连通,恢复浅滩、开敞水面、深水区、生态岛屿等多种湿地生境,恢复湿地基底,实现洲滩湿地再自然化;② 通过构建生态补水系统,优化区间水量分配,改善水环境水生态条件,恢复湿地水文水质;③ 通过植物配植、动物放养等,恢复大片草本沼泽和森林沼泽,提供适宜的栖息环境,提高物种多样性,恢复湿地生态系统结构。基底恢复技术要综合考虑湿地内生物状况与水文水环境特征需求;水文水质恢复技术要考虑湿地生物对水文水环境的需求;生态系统结构恢复技术则要充分考虑地形地貌和水文水质条件,三项技术相互关联和影响,互为支撑。其中,湿地基底恢复技术侧重于湿地地形地貌改造,湿地水文水质恢复技术侧重于湿地水文条件和水环境质量改善,两项技术旨在恢复湿地生境,提高生境的异质性和稳定性。湿地生态系统结构恢复技术是在生境恢复的基础上,侧重于恢复湿地生物,旨在提高湿地的生态系统完整性,最终实现湿地生态价值。

3 关键技术方案

3.1 湿地基底恢复

湿地基底是湿地生态修复的空间载体,是生物空间分异的主要自然约束因子,是影响生物多样性的重要因素[12]。研究区现状为网格状鱼塘,塘埂高程6.0～6.5 m,塘底高程3.0～5.0 m(见图3),塘底高程在整个研究区呈现两端低,中间高的特征,人工痕迹明显,生境单一。通过对指示物种及其栖息偏好分析(见表1),明确湿地基底恢复的相关参数,基底恢复与生境营造有机结合,通过对原有塘埂进行打破和改造,实现水系连通,构建河流湿地系统。

图3 湿地基底恢复设计Fig.3 Design drawing of wetland base restoration

为保持长江江滩土方平衡,减少外运弃土对环境的影响,结合场地条件,对研究区塘底较低的两端主要采取开挖措施,对中间塘底较高的区域采取堆填措施。应用BIM技术进行场地挖填平衡设计[13],结合打破塘埂的弃土对保留塘埂和新增岛屿进行堆填,保留的塘埂增宽,原塘埂高程不变,新增岛屿顶高程不高于原塘埂高程,总体控制在6.0～6.5 m。挖填过程中尽量营造多样化的水底微地形,通过滩、河、岛、桥、堤等形成多样化水深。通过水面、陆面形态调整和布局创造阴阳、陡缓、干湿等多样化的环境条件。驳岸设计结合实际场地条件,以自然生态的渗透性、自然式缓坡为主。必要的护岸可采用木桩柳条等辅助措施,岸坡坡度设计缓于1∶4,空间充足的区段岸坡坡度设计介于1∶10～1∶20之间。最终形成适宜生物栖息的浅滩、湾型岸带、生境岛、开敞水面、急流带和滞水带等多样生境[14],增强湿地系统稳定性。

3.2 湿地水文水质恢复

通过调研分析历史水文资料,研究区在长江丰水时期承担着排洪蓄涝的功能,水位上升使得研究区出现浅沼、浅水及深水栖息地的生境转换。在此期间不耐长时间水淹的植物种类被自然淘汰,其他时期因外围高程7.0～10.0 m的堤埂保护,研究区主要以浅水生境为主。遇到特殊干旱年份,研究区部分区域以裸露出的滩涂为主。绿水湾湿地现状来水源主要为降雨、五里泵站排水及城南河、七里河流域退水,水质在Ⅳ～Ⅴ类之间波动,干旱年份水系生态水量得不到保障。经过湿地基底恢复,研究区已形成浅滩、湾型岸带、岛屿、开敞水面等不同湿地地形,湿地水文水质恢复主要考虑通过滞水和补水方式保证湿地生态水量并改善水质,应对特殊干旱问题。

滞水设计在湿地出水口处,修建水闸阻滞水资源流失,通过水利设施对湿地水位进行调控,在特殊水文年份,可实现湿地水位周期性良性变化,水位下降时裸露出的滩涂将为涉禽鸟类提供良好的觅食空间,水位上升时浅水环境的增加则为游禽鸟类提供更多的栖息地[15]。

补水设计首先分析湿地周边水源条件,现状水源主要包括湿地上游高旺河以及长江水源。由于高旺河水质水量不稳定,经比选选择长江为湿地补水水源。补水目标为保障湿地生态需水;补水路径为自绿水湾上游长江取水,分两路,一路自西南侧补水,一路自东南侧补水,沿线可设置多处出水点。

构建MIKE21水动力-水质模型,建模范围为绿水湾湿地全域,设计不同补水工况,水位边界条件见表2。水质考虑COD、NH3-N、TP 3个指标,水质初始浓度按照V类水标准,入流边界污染物浓度采用实测数据,COD为40 mg/L、NH3-N为2 mg/L、P为0.4 mg/L,补水水质为Ⅱ类水标准。科学设置水利设施(见图4),实现精细化连通、差别化连通,确定合理的补水路线及规模。

表2 补水工况Tab.2 Working condition of water supplement

图4 湿地水文水质恢复设计Fig.4 Design of wetland hydrology and water quality restoration

模型模拟得到水位、水深、流量、流速分布情况,见图5～7。经模型分析,研究区总面积4.90 km2,4.5 m水位对应水面面积为2.58 km2,水域面积占比为52.6%,研究区过水面积为2.63 km2,为湿地总面积的53.7%。工况1中区域内流速小于0.001 m/s的面积为99.53%,流速介于0.001～0.01 m/s的面积为0.47%;工况2中流速最小接近于0,最大为0.25 m/s,区域整体表现为深槽内流速较大,部分池塘

图5 工况1水位、流速分布情况Fig.5 Distribution diagram of water level and flow velocity under condition 1

图6 工况2水位、流速分布情况Fig.6 Distribution of water level and flow velocity under condition 2

图7 工况3水位、流速分布情况Fig.7 Distribution of water level and flow velocity under condition 3

水体流动较缓,甚至无流动,流向整体表现为自南向北流动趋势,对过水区域(深槽区域)中不同流速区间水域面积及比例进行统计,流速超过0.01 m/s区域占全部水域面积的60.66%,基本接近预期。通过补水,湿地内水质可得到有效改善。因此,湿地水文水质恢复方案最终确定为:研究区设计水位为4.5 m,设计1座闸、2座泵站、16座连通涵,实现补水规模4 m3/s。

3.3 湿地生态系统结构恢复

在地形营造的基础上,遵循生态学原理明确研究区内动植物栖息地斑块及生态廊道的分布[16],从植物、动物两方面入手,通过适度的干预,逐步恢复绿水湾恢复重建区生态系统的结构和功能,最终达到湿地生态系统的自我持续状态[17]。

植物作为第一生产者,在湿地生态系统结构恢复中具有重要作用。植物群落在不同的生态环境下采用不同的配置方法,采用“顺应水文特征分带分段、以洪水为友,遵循乡土化和多样化原则”的弹性方法,构建水生-灌草-乔木竖向空间种植体系,满足湿地生物食物链的草滩、泥滩、石滩、沼泽、林地、灌丛、水域等不同的生境类型,改善研究区物种组成单一的现状,增加湿地生态系统的生物多样性[12],再现自然生态特征[18-19]。首先分析研究区场地高程与淹没频次关系,结果显示高程6.5 m以下的场地易受洪水影响,因此设计采用最小干预措施,尽可能保持地理风貌,以6.5 m 高程为界限,场地低于6.5 m的以湿地草甸为主,场地高于6.5 m的可适当增加耐湿乔木、草花地被等。其次,采取保留、清除、补植等手段,重点保护鸟类密集栖息的草甸及巢树,生长良好的本地植物群落;清除旱莲子草、加拿大一枝黄花和凤眼蓝等入侵植物,受病虫害影响严重及其他生长不良的植物;根据不同高程洪水淹没频率,考虑指示物种栖息需求,补植湿生乔-草植物群落,营造不同深度的水域和湿生植物群落,覆盖水域、草甸、湿地及陆地多种生境,满足涉禽、游禽的不同活动需求,形成近自然湿地。绿水湾湿地植物恢复设计如图8所示。

图8 湿地植物恢复设计Fig.8 Design of wetland plant restoration

动物放养主要考虑水生动物的投放,通过完善研究区水体内食物链,进而完善湿地水生态系统。在湿地中投放滤食性软体动物(三角帆蚌、褶纹冠蚌和背角无齿蚌),通过其对水的过滤,净化水体水质;投放刮食性软体动物(梨形环棱螺、铜绿环棱螺和耳萝卜螺),摄食沉水植物附着物及有机碎屑等;投放滤食性鱼类(鲢鱼、鳙鱼)、肉食性鱼类(鳜鱼、乌鳢、鲶鱼、黄颡鱼),控制藻类、草食性鱼类,降低沉水植物被牧食压力,通过捕食、竞争等关系制约湿地内各种生物的生物量,通过水体中营养盐的吸收与转化进一步改善湿地水环境质量[20]。

4 结 语

绿水湾湿地是典型的长江洲滩型湿地,其建设对保护江滩湿地自然资源、稳定生态环境、涵养水源、蓄洪排涝、调节小气候等方面具有积极作用。本文以绿水湾生态系统原始风貌与结构完整性受损最为严重的恢复重建区为研究对像,抓住水、土、生物等关键自然要素,针对现状湿地类型发生不合理转变、水质恶化、生态功能退化等问题,以近自然河流湿地生态系统作为生态修复的总体目标,以涉禽和游禽为指示物种,结合长江防洪要求、水文特征等,提出生态系统重构的生境空间总体布局思路与方法,以及湿地基底恢复、湿地水文水质恢复、湿地生态系统结构恢复三项关键技术思路与方案。通过生态系统重构,研究区将实现水系连通,改善水体水质,增加生境多样性,营造适宜的栖息地,湿地由养殖鱼塘人工湿地逐步向自然湿地的转变,以期通过3～5 a实现湿地近自然状态。文章提出的以恢复近自然湿地为目标对湿地生态系统重构的思路与方法,其核心理念是遵循生态学原理,通过适度的人工干预,创造条件实现自然恢复,进而实现湿地的生态功能。