生态河流缓冲带构建技术初探_诸葛亦斯

第17卷第2期2006年　4月

水资源与水工程学报

Jo urnal o f Water Reso urces &Water Eng ineering

V o l. 17No. 2A pr . , 2006

　

生态河流缓冲带构建技术初探

诸葛亦斯1, 刘德富1, 黄钰铃1, 2

(1. 三峡大学土木水电学院, 湖北宜昌443002; 2. 西北农林科技大学, 陕西杨凌712100) 摘　要:运用缓冲带技术进行面源污染控制已成为社会各界关心的焦点问题。本文简要介绍了生态型河流岸边缓冲带的作用, 并对缓冲带中植被的搭配, 植物物种的选取, 以及缓冲带宽度的确定进行了较为细致的论述, 形成了初步的缓冲带体系。并为缓冲带技术处理面源污染, 提供一定的理论依据。关键词:生态河流; 缓冲带; 植被; 构建技术

中图分类号:T V 861; X 171. 4　　　文献标识码:A 　　　　文章编号:1672-643X(2006) 02-0063-05

Primarily discussion on structuring technology of

buffer zone in eco -stream

111, 2

ZHUGE Yi -si , LIU De -f u , HUANG Yu -ling

(1. College of Civil and H y dr oeleclectr ic Engineer ing , China T hr ee Gorg es U niv er sity , Yichang , H ubei 443002, China ;

2. N orthw est A &F U niv er sity , Yang ling , S haanx i 712100, China )

　　Abstract :

Issues of using buffer technolog y to contro l non-point pollutio n hav e been beco me the fo cus

pr oblem. The paper has briefly presented the functions of eco -stream buffer and rather detailed intruduced the vegetation arrang em ent, species selection and w idth o f buffer zone. T he paper can pr ovide som e academic bases for buffer technology to deal w ith no n -point po llution . Key words :eco -stream ; buffer zone; vegetation; structuring techno logy 　　生态岸堤带是指邻近或直接影响一部分水体的所有陆地。它包括:河流旁的土地, 以及河岸本身; 一些常年蓄满水的集水沟和小池塘; 湖泊周边的区域; 湿地和洪泛区。应特别注意, 生态岸堤带是一片需要特殊管理和维护的宽广地带, 不要把生态岸堤带看成一条沿着河岸的狭窄区域。

生态岸堤带可以分解成河道、块石护岸、铺设层和缓冲带等几个主要的部分(见图1) 。河道是水流流动的通道和水生动植物栖息生长的主要场所。块石护岸和铺设层可以抵制河道水流作用力的侵蚀。抵制侵蚀能力的强弱与下列因素有关:块石护岸中块石的形状、大小、重量和耐冲刷能力; 块石护岸的块石分级情况和铺设层的厚度; 以及河道的综合影响, 包括河道过水断面, 河道坡度和流速流场分布状况。河床物质组成、结构和特性, 以及当地冲刷特征决定了岸堤堤脚的设计, 这是块石护岸和铺设层稳定性

的关键因素。河岸物质组成和地下水条件等可能影响块石护岸及铺设层与底层物质之间的交流转换。对于成功的河岸保护, 块石本身、块石护岸和铺设层的布置, 三者的结构质量控制都是非常重要的。块石

护岸和铺设层要经过仔细设计, 才能对河道及其附属结构的防洪起到良好的保护作用。块石本身的空隙又为植物根系的生长提供了空间, 在块石护岸上覆土、撒种, 就能够生长植物。缓冲带则是位于水体与陆地之间的过渡地带, 可描述为狭长的、线状的、滨水的水陆两栖植被带。本文针对生态岸堤的缓冲带构建进行初步探讨, 为河流和滨水带的综合整治提供一定参考, 为生态水工学的逐步完善提供相关依据。

1　缓冲带的作用

修建缓冲带是保护水资源最有效的方法之一。

收稿日期:2005-09-12; 　修稿日期:2005-11-15

基金项目:湖北省教育厅重大项目(2004Z 003) ; 湖北省科技攻关项目(2005A A 401C 38) ; 三峡大学重大项目(2004C 02)

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图1　生态岸堤带示意图

这些沿着江河、溪流堤防的草本植物带, 灌木带或是乔木带起着过滤受污染径流的作用, 并在水体和人为用地之间形成一片过渡区域。缓冲带同时也是复杂的生态系统, 为河流生物群落提供栖息地和避难所。下面具体介绍缓冲带的各种作用。1. 1　过滤径流, 吸收养分, 改善河流水质

缓冲带可以过滤和截留地表径流中的沉积物和动植物残骸等粗大有机物。根据缓冲带的宽度和复杂性, 附着在上面50%～100%的沉积物和有机残骸能够被吸收分解。宽阔的、草木混生的缓冲带要比狭窄的、单一草本构建的缓冲带具有更强的截污分解效率。缓冲带能够同时截留分解地下水及地表水中的污染物质。当径流流过缓冲带时, 污水中的磷会被土壤颗粒吸附, 去除80%～85%的磷含量。土壤的化学和生物作用, 特别是依森林而构建的缓冲带, 能够吸附截留大量的氮磷及其他污染物质并将其转化成低害或无害形态, 担当转化器的角色。当营养物质和过多的水分被植物根系吸收并存储时, 此时的缓冲带的作用就相当于一个贮存池。当然, 那些来自农药化肥和畜禽粪便的氮磷等营养物质, 如果超过植物能够吸收范围时会造成水体富营养化, 从而带来严重的污染。

1. 2　调节河流流量, 降低洪、旱灾害机率

缓冲带可以降低地表径流的流速, 增大水流入渗和补给地下水。与没有植被缓冲带的河岸相比, 具有缓冲带的河岸其地下水能够在一个较长的时间内以较缓慢的流速进入河流, 保持河流流量的相对稳定。因此缓冲带具有明显削减河流洪峰流量, 稳定河流流量的作用。

1. 3　保护河岸, 稳定河势

将堤坝土壤紧密结合起来, 茎干通过自身对水浪、冰块和暴雨径流的抵制来保护河岸。缓冲带同样可以通过吸收地表径流和降低流速来减少水流对河岸和河床的冲刷。当植被覆盖被清除后, 更多的地表径流迅速流入河道中, 致使在暴雨或是融雪时水头增高。强烈的水流可以冲刷河床并干扰水生生物的生存和繁衍。

1. 4　为陆地动植物提供栖息地及迁徙通道, 为水生

生物提供能量及食物, 改善生存环境

缓冲带所形成的特定空间是众多植物和动物的栖息地, 这些生物中还包括在缓冲带以外很难找到的一些物种。缓冲带的不断延伸还可成为野生动植物各个群落之间的往来通道。草木丛生的缓冲带通过遮蔽、过滤和降低河水流速等作用来改善周边的水质条件, 从而改善水生生物栖息地。在酷夏, 特别是在小型溪流中, 遮蔽作用能够维持较低的水温。凉爽的水体能够保存更多的氧气, 利于鱼类和其他水生生物更好地生存。温度的小幅变化都会对水生生物的存活造成很大的影响。植物残骸对河岸、河床的侵蚀能起到很好的控制。特别是大型树木残骸滞留在河道中, 会形成很好的河道梯度结构, 增加河流内部流态复杂性, 水流流速大幅度降低, 水流带来的冲刷侵蚀减少。当水流经过枝条和树干时, 由于撞击作用, 增加了水中的溶解氧; 由于阻碍作用, 植物残骸周边的流场分布不一致, 间接造成了水生动植物多样性。植物残骸除了有提供遮蔽、改变水流流态和变化水深等物理作用之外, 还有许多重要的生态作用。为藻类的生长营造一片安全而平静的水面, 为水生无脊椎动物提供栖息地。大型树木残骸还能截留水流中树叶碎片和其他有机物质, 成为各种动物食物

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1. 5　提供休闲、娱乐场所, 提高临近土地利用价值

草木丛生的缓冲带的另一特殊功能, 即在河岸、滨水地带构建出一片绿色的风景, 与周围的景观结合形成一种舞台层次感, 最大限度地发挥其景观效应。同时它还可为人们提供徒步旅行或是野营等户外活动的场所, 为人类提供亲水场所, 充分满足人类与生俱来的亲水性。

接着种植当地能够长时间存活物种和演替后期物种对缓冲带进行恢复。

2. 2　缓冲带植被的选取

缓冲带植被的选取要遵循自然规律。自然选择已经为该流域选出最适宜的植物种类。通过调查河岸周围, 可以了解哪些是适应该环境的优势种。缓冲带植被中土著种越多, 缓冲带看上去就越接近天然状态, 并且它的生态功能也就越强。此外, 本地的野生动植物之间也会更加和谐。相比起土著种, 外来种可能需要更多养护才能发挥其生态效应。所以, 在进行缓冲带植被的选取时, 需要有一份详细的计划, 调查并记录当地乔木、灌木、地面覆盖物、蔓生植物和草本等各类植被的特性。如某物种的特性:落叶/常绿; 成熟植株的高度; 生长率; 根系生长情况; 日晒下植株生长情况; 部分遮阴下植株生长情况; 干燥土中植株生长情况; 潮湿土中植株生长情况; 充当栖息地和食物作用; 用于装饰作用; 完全遮阴下植株生长情况; 植株寿命等等。

构建缓冲带的目的也会影响植物种类的选取和种植。在城市和人口聚居区域, 通过公园和景观绿地的形式, 乔木和灌木截留分解污染物质的效果更佳, 并可形成良好的生态景观和动植物栖息地。在农田和水路之间那些没有喜阴植物的缓冲带中, 灌木和草本植物就可以形成一个草木丛生的缓冲带, 乔木可以栽在这区域的边界。在提高水质和提供栖息地的作用上, 乔木比其他植物有许多优势。乔木林不容易被沉淀物质堵塞而窒息, 并有发达的根系固土防冲刷侵蚀。在地面以上, 乔木为那些沿水道迁移的鸟类和野生动植物提供更好的遮蔽。当然, 如上述, 当地的土著乔木种要比外来物种有更好的效果。表1可为缓冲带植被类型的选择提供参考。

表1　不同植被类型对缓冲带作用的影响作　　　用稳固河岸

过滤沉淀物, 营养物质, 杀虫剂以及附着在它们上面的病原体从地表径流中过滤营养物质, 杀虫剂和微生物

保护地下水和饮用水的供给改善水生生物栖息地

为牧场动物改善生物栖息地为森林动物改善生物栖息地提供经济作物的生产提供景观视觉影响草地低高中低低高低中低灌木高中低中中中中中中乔木高高中高高低高高高2　缓冲带的构建

健康的河流生态系统需要缓冲带, 但如何将光秃秃的岸堤缓冲带构建成既能净化水质、稳固河岸, 又能为鱼类、鸟类、野生动植物提供栖息地的生态缓冲带呢? 为此有两个因素必须确定, 一是该缓冲带植物种类的分布和选取, 二是缓冲带宽度的确定。2. 1　缓冲带植被的搭配

在构建合适的植被缓冲带时, 首先要考虑缓冲带的内部复杂度, 复杂度也可称为植被的搭配, 分为垂直分层和水平分异。复杂度可包括植被的分层情况; 每层中的物种组成; 物种间的竞争作用; 以及存留的各种植物残骸。缓冲带植被可划分为乔木层、小乔木层、灌木层、蔓生植物层和草本植物层。相对于垂直分层, 缓冲带植被结构中的物种组成和成熟株与幼龄株比例都相当重要。诸如缺乏乔木层的单一草本植物带, 或是缺乏幼年植株的单一成年乔木带, 这些植被结构越简单, 所能提供的生态稳定性就越差, 从而使得物种数目进一步减少。植被总量和种类数目的减少又会影响果实、种子、根系等生物量。这些陆生动物赖以为生的食物一旦减少, 陆生动物的生命活动就受到了影响。完善的缓冲带植被的垂直分层, 就是要增加植被的种类, 加大植株的年龄跨度, 丰富物种和生长形态, 包括草、藤、灌、乔, 从而达到单位面积内生物数量的稳定。

缓冲带植被的水平分异也需要仔细确定。物种的分布取决于径流情况、地下水状况、土壤类型和排水条件, 且随着时间发生动态变化。采用不同的植被恢复计划, 通过不同的干扰方式, 会形成特有的植物演替模式。比如通过干扰, 那些需要遮阴和保护的物种能够替代那些能适应裸露土壤和大量光照的先锋物种。

新的干扰能够导致新的演替进程。在缓冲带中, 干扰主要来源于径流、水流变化、河道冲刷, 不同生物群落间的相互作用和火灾等。要对某缓冲带进行植被恢复, 从水平分异的角度考虑, 就要了解该地自

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　　种植植物不是种植所有可能适当的物种, 而是种植优势物种或是那些无法完全统治当地的物种。试着掺入一些不同种类的植物, 以利于构建更多不同种类的栖息地, 延长落叶期, 增加落叶种类, 为水生昆虫化蛹提供各种食物。这样可以避免针对某种特定植物的病虫害的发生。尽可能在种植的缓冲带植物中加入一些落叶植物, 因为它们的树叶碎片对营养物质的捕获意义重大。要优先考虑种植那些有多重价值的植物, 如:植物的深根系能加固岸堤, 本身又可用做木料, 还可以提供水果, 供鸟类筑巢等等。当然也不要忽略美学价值——应该考虑植物各个季节的颜色、花、果实和枝条的形态。缓冲带的植物高度应该不小于小溪的宽度, 这样才可以提供充足的树阴来保持水体的凉爽, 抑制藻类大量生长。

选定了合适的物种之后, 还需要制定一份详尽的种植计划: 安排进度表, 将植物栽种的时间安排好。在乔木和灌木休眠的时候栽种, 即早春蓓蕾初破之前和大地解冻之后或是深秋树叶凋落后。 划分功能区。考虑边界制约因素, 边界的使用情况, 特殊的自然/文化属性和栖息地的生态敏感性等情况。 拟订种植计划, 确定所需树木的数量。确保树木具有生态效应, 灌木间隔空间应为120～200cm ; 小乔木间隔空间为6m (当完全成熟时10m) ; 大乔木为10m; 而草本植株间隔为40～120cm 。各种植株间的间隔越大, 对水质的保护也越有利, 当然也造成了很多空间浪费。 考虑土壤是否饱和, 排水性是否良好。某些植物适合于湿土, 而另一些则不然。 确定物种幼苗的来源并检查其的质量, 这一点相当重要。2. 3　缓冲带宽度的设计

缓冲带到底需要多大? 缓冲带宽度是由以下多个因素决定的。 缓冲带建设所能投入的资金。 该地点缓冲带河岸的几何物理特性, 如坡度、土壤类型、渗透性和稳定性等。 该流域上下游水文情况和周边土地利用情况。 缓冲带所要实现的功能。 土地所有部门或是业主提出的要求和限制。

上述各种情况下所构建的缓冲带宽度是不一样的, 详见图2。一般情况下, 缓冲带的宽度由缓冲带所要发挥的功能决定。并不能说构建一个缓冲带能够同时起到净化水质、稳固河岸、保护鱼类和野生动植物、满足当地人生活需求等各种作用。通常考虑“能接受最小宽度”这个指标。能接受最小宽度是指满足所有需求的缓冲带宽度中最少花费的那种。基础的缓冲带骨架离河岸顶部的距离是20

m 。缓冲带的宽图2　缓冲带宽度示意图

当缓冲带的作用是巩固正在遭受侵蚀的河岸时。在小型的溪流中, 良好的侵蚀控制只需要在河岸覆盖上灌木、乔木, 和一片经过管理的14m 宽的草地缓冲带即可。如果此地段的侵蚀作用严重, 或是在大河流中, 则在河岸后将缓冲带延伸至20m , 这是最低的要求。许多大河河岸需要用工程的方法来加以稳固和保护, 可以将工程法与生态法结合使用。若

为了更好的稳固岸堤, 可在缓冲带多种植灌木和乔木, 以利用此类植物的发达根系达到固土效果。

当缓冲带的作用是过滤沉淀物质和吸收径流中的污染物质时。在高宽比小于15%的斜坡中, 14m 宽的草地缓冲带可以截留大量沉积物。但当斜坡的坡度增加时, 缓冲带的宽度也要相应的增加, 在沉淀作用特别重要的地方, 还要多种植灌木和乔木。当缓冲带的作用是过滤径流中的可溶解营养物质和杀虫剂时。在较为陡峭斜坡或是土壤渗透能力较差的地带, 缓冲带的宽度需要40m 或更宽, 这样才可使径流能够充分的进入土体, 植物和微生物有充分的时间吸收和分解营养物质和杀虫剂。40m 的宽度已能够去除大多数的污染物了, 但是如果缓冲带建立在粘性土上, 宽度至少要200m 。

当缓冲带的作用是保护渔业时。缓冲带的宽度取决于鱼类群落。对于冷水渔业, 树阴要将其完全地遮盖。如果不存在藻类泛滥的问题, 热水渔业不需要过宽的缓冲带和遮盖, 但缓冲带的水质净化功能还是会对其有益。要使水生生物的食物网保持健康, 40m 是最低限度, 当然, 宽度越大, 效果越好。

当缓冲带的作用是保护野生动植物栖息地时。缓冲带的宽度要根据需要保护物种而确定, 通常120m 是所能接受的最小值。考虑动植物保护的缓冲带宽度要远远大于保护水质所需的宽度。缓冲区域越大, 其价值也就越大。大型动物和内陆森林树种通常需要更多的空间。在大区域的栖息地之间, 构建较窄

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——比如对于鸟类的迁移, 哪怕是小片的树林也要远比没有树林的好。

当缓冲带的作用是抵制洪水破坏时。小型溪流可能只需要宽度很狭窄的乔木和灌木; 大型溪流或是河流就需要一片能够彻底覆盖一部分洪泛区的缓冲带。在流域内不能建造永久性建筑就是考虑到这个原因。

态和景观的健康持续发展。本文仅就构建生态岸堤缓冲带作了初步探讨, 由于生态岸堤带是一个完整的结构, 河道、块石护岸、铺设层和缓冲带间并不是孤立开来的, 要将其结合起来考虑, 有待于在今后的实践和进一步研究中不断深入。参考文献:

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3　结　语

随着科学进步, 人们认识到水利工程对于河流生态系统可能造成负面影响。在河流整治工程中, 对生态系统冲击最大的因素是缓冲带的岸坡防护结构。缓冲带是滨水区域中植物茂盛地, 为动物提供觅食、栖息、产卵和避难场所, 也是陆生和水生动植物生命活动迁移的廊道, 在滨水生态系统中占据至关重要的地位。因此, 缓冲带的恢复和构建应从强调人与自然和谐的生态建设要求出发, 采用与周围自然景观协调的结构形式, 在满足工程的前提下, 确保生

(上接第62页)

4　结　语

由于实测潜水蒸发量系列很短, 不能满足计算的需求, 而且潜水蒸发量受水位埋深的影响较大, 故本文用经验公式来推求实测水面蒸发量, 从而可以延长潜水蒸发量系列, 以满足计算的需求, 便于预报地下水位和地下水开采量, 为农业生产服务。参考文献:

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