长潭水库湖滨带、缓冲带范围划定及生态修复实践

2022-12-05徐宜雪魏伟伟李春华叶春郑烨王昊

环境工程技术学报 2022年6期

徐宜雪，魏伟伟，李春华，叶春*，郑烨，王昊

1.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室,中国环境科学研究院

2.国家环境保护湖泊污染控制重点实验室,中国环境科学研究院

3.环境基准与风险评估国家重点实验室,中国环境科学研究院

湖滨带是湖泊流域中陆地生态系统和湖泊水域生态系统的生态过渡带，是以水文过程为纽带、以湿地生物为特征的水陆生态交错带[1]，是健康湖泊生态系统不可缺少的一部分，对维持湖泊生态系统的结构和功能起着积极作用。缓冲带作为一种保护隔离措施，能够有效减缓人类活动或自然过程对保护目标的负面影响，在国内外被广泛应用于生态保护、面源污染治理等领域[2-4]。湖泊缓冲带是将缓冲带的概念应用到湖泊保护中的一种实践，是通过环境管理和生态建设来减轻湖泊所受干扰和破坏的隔离生境。相较于具有水陆生态交错带特征的湖滨带，湖泊缓冲带是从湖泊管理和保护的角度人为进行划定的，是由湖滨带向陆域扩展一定范围的空间区域[5]，对于入湖污染物拦截净化和湖泊生态保护具有重要意义。

在湖泊流域点源污染逐步得到控制、面源污染问题突出的背景下，开展湖滨带保护修复、设置湖泊缓冲带并开展生态建设和管理，对湖泊生态保护变得更为重要。自“九五”以来，在对湖泊治理与保护的研究工作中，研究人员对湖滨带和湖泊缓冲带的划定和生态修复已开展了一系列实践探索[6-8]，但一直缺乏系统性的技术指南。2020 年，浙江省率先制订了《浙江省湖库生态缓冲带划定与生态修复技术指南(试行)》[9](简称《指南》)，《指南》中的湖库生态缓冲带包括湖滨带和缓冲区2 个部分，其中缓冲区即通常所说的湖泊缓冲带[10]。《指南》结合理论方法和浙江省地方实际情况，对浙江省湖库生态缓冲带类型划分、宽度划定和生态修复技术选择进行了技术指导。

笔者选取浙江省台州市唯一的地级以上集中式饮用水水源地——长潭水库作为研究对象，参考《指南》开展长潭水库湖滨带及缓冲带划定和生态修复研究，从保障水库岸带生态空间、削减水库近岸污染源、提高污染物的缓冲拦截能力方面提出可行的方案，以期为长潭水库生态保护和水质稳定达标提供参考，同时对浙江省乃至全国湖泊的湖滨带和缓冲带划定及生态修复起到示范作用。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

长潭水库位于浙江省台州市黄岩区中西部，是台州南部最主要的饮用水水源，为台州市区及温岭、玉环等地300 多万市民和数万家企业供水，同时又具有灌溉和调度洪水的功能[11]。长潭水库流域面积为441.3 km2，包括富山乡、上垟乡、上郑乡、平田乡、屿头乡、宁溪镇全部行政村、北洋镇部分行政村及长潭水库管理局下辖的行政村，其主要入库溪流有瑞岩溪、柔极溪、永宁溪、日溪、上垟溪、象岙溪、桐外岙溪、小坑溪等（图1）。长潭水库正常水位为36 m，相应库容为4.57 亿m3，相应水域面积为35.50 km2，平均水深为12.9 m。

图1 长潭水库流域水系Fig.1 Water system map of Changtan Reservoir

长潭水库流域范围内山脉多、水面少，2015 年流域内林地面积占比66.55%，耕地面积占比11.91%，建设用地面积占比7.83%，河湖水面面积占比6.48%。长潭水库被山体环绕，山体植被以次生林木为主，由山脚至半山腰存在大量琵琶、小蜜橘树等经济林木，山体水源涵养能力较弱。水库周边耕地面积虽整体占比不大，但紧邻水库南部有连片农田集中分布，农业面源污染风险较大。水库周围村落生活污水、村落径流污染也对长潭水库水质造成一定影响。

过去几年长潭水库在农田面源污染控制、村落污染控制、山体生态修复、河口生态修复等方面已实施了一系列措施，包括减少农药化肥使用、退渔还库、退耕还库、村落污水处理、森林抚育建设、河口湿地建设等。2010—2019 年，长潭水库水质总体上逐步好转。截至2019 年，坝口断面（水库出口断面）水质达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅰ类标准，长潭水库达到Ⅱ类标准，均达到考核标准。但长潭水库总磷浓度却呈现出较大幅度的上升趋势，仍具有一定的生态环境风险。肖喆等[12]的研究也表明，长潭水库属于磷限制型水体，耕地和林地面源污染是长潭水库水体总磷的重要来源，可通过建设面源污染隔离带改善长潭水库水生态环境。

1.2 研究方法

湖滨带包括陆向辐射带、水位变幅带和水向辐射带（图2）。根据图2 显示的湖滨带与湖泊缓冲带结构，参考《指南》中提出的湖库生态缓冲带划定方法，开展长潭水库湖滨带及缓冲带宽度识别和范围划定。缓冲带与湖滨带紧密衔接，其宽度根据流域面积、湖库功能、湖库水深和缓冲带类型来划定[13]。

图2 湖滨带与湖泊缓冲带结构示意Fig.2 Structure diagram of lake littoral zone and lake buffer zone

长潭水库湖滨带与缓冲带划定及生态修复具体研究流程如图3 所示。在现场调研和资料收集的基础上，开展长潭水库湖滨带与缓冲带类型划分和范围划定，基于划定成果，分析主要生态环境问题，结合地方实际情况，确定重点生态修复区范围，并针对重点生态修复区提出生态修复对策。

图3 长潭水库湖滨带与缓冲带划定及生态修复流程Fig.3 Flow chart of delimitation and ecological restoration of lake littoral zone and lake buffer zone of Changtan Reservoir

2 湖滨带与缓冲带范围划定

2.1 长潭水库湖滨带范围与类型

2.1.1 湖滨带范围划定方法

湖滨带的自然结构包括陆向辐射带、水位变幅带和水向辐射带，基于管理的便利，本研究采用水位变幅带与陆向辐射带范围之和作为长潭水库湖滨带的管理范围。水位变幅带是最低水位线和最高水位线之间的区域，长潭水库设计运行控制最低水位为16.05 m（国家85 高程基准），最高水位为38.09 m，故水库的水位变幅带为16.05～38.09 m 的区域。陆向辐射带的范围是从水位变幅带的上边界向陆域延伸的区域，该区域应与湖泊水体有很强的关联性，对于贴近健康的自然缓坡型岸带，即平缓滩地型湖滨带，其陆向辐射带是从水位变幅带的上边界延伸到湿生草本植物消失的边缘，其他类型的湖滨带的陆向辐射带范围划定方法参考《指南》。因此，长潭水库湖滨带的下边界为设计运行控制最低水位16.05 m，上边界需根据湖滨带类型具体划定。

2.1.2 湖滨带类型及范围

根据长潭水库岸带土地利用类型、地形地貌、水文条件等的现场调查，结合《指南》中浙江省湖滨带分类方法和定义，提出长潭水库的湖滨带包括山体型、平缓滩地型、道路型、农田型、河口型、水库大坝型6 种类型（图4）。其中，山体型是长潭水库湖滨带的主要类型，其次是道路型和平缓滩地型，农田型、河口型及水库大坝型面积占比较小。山体型湖滨带分布相对连续且集中在长潭水库中部湖岸；道路型湖滨带在长潭水库东岸分布相对集中，在西岸分布相对分散；平缓滩地型湖滨带分散分布于全湖岸，主要位于相对水浅的库湾地区；农田型湖滨带主要分布在南部湖岸，河口型湖滨带分布在入库河流的河口区域，水库大坝型湖滨带位于水库东侧大坝处。

图4 长潭水库不同类型湖滨带的空间分布Fig.4 Distribution of different types of lake littoral zone in Changtan Reservoir

（1）平缓滩地型湖滨带

平缓滩地型湖滨带长度为24.57 km，占长潭水库湖滨带总长度的25.3%。平缓滩地型湖滨带的上边界为湿生草本植物消失的边缘，采用移动分割窗技术[14]定量确定。移动分割窗技术被广泛应用于判定各类交错带的位置和宽度[15-16]，其原理是在样带上以数目一定的偶数个样方为1 个分割窗，并将1 个分割窗平分为2 个半窗体，计算2 个半窗之间的相异度，再将窗体后移1 个样方，保持窗体中包含的样方数量不变，再次计算2 个半窗之间的湿生植物的相异度，直到样带上的样方都参与计算。以相异度为纵坐标、样方编号为横坐标绘图，可以相对客观地反映出样带上湿生植物的变化过程，绘图中的峰值即为湿生—中生/旱生草本植物交错带出现的位置，峰宽末点即为湿生植物消失的边界。

在长潭水库平缓滩地型湖滨带内设置8 条样线，在每条样线上，每隔1 m 设置一个1 m×1 m的草本样方，以10 个样方为窗体宽度。选取平方欧式距离作为距离系数表征半窗之间的相异度，并采用长潭水库平缓滩地型湖滨带内的代表性湿生草本植物（小蓬草、莲子草、狼粑草）的重要值作为计算距离系数的指标，根据8 条样线的计算及绘图结果，得出长潭水库平缓滩地型的湖滨带宽度范围为19～31 m，即平缓滩地型的湖滨带上边界为最高水位线向外延伸19～31 m[17]。

（2）农田型湖滨带

农田型湖滨带长度为3.28 km，占长潭水库湖滨带总长度的3.4%。长潭水库农田型湖滨带为侵占原有湖滨滩地形成，农田型湖滨带上边界划定参照平缓滩地型湖滨带，即农田型湖滨带上边界为水库最高水位线向外延伸19～31 m。

（3）山体型湖滨带

山体型湖滨带长度为41.34 km，占长潭水库湖滨带总长度的42.6%，是长潭水库湖滨带的主要类型，山体型湖滨带的陆向辐射带由高水位线一直延伸到山脚处。

（4）河口型湖滨带

河口型湖滨带长度为7.40 km，占长潭水库湖滨带总长度的7.6%。长潭水库共有瑞岩溪、柔极溪、永宁溪、日溪、上垟溪、小坑溪、象岙溪和桐外岙溪8 条主要入库河流，8 个河口的湖滨带上边界，是以河口中心线和湖岸延伸线交会处为圆心，以河口宽度为半径的扇形区域的弧。

（5）道路型湖滨带

道路型湖滨带长度为19.93 km，占长潭水库湖滨带总长度的20.6%。道路型湖滨带的上边界为道路背水侧路基保护范围的边界线，道路型湖滨带的宽度根据道路实际情况来确定。

（6）水库大坝型湖滨带

长潭水库大坝为水库大坝型湖滨带，水库大坝型湖滨带长度即坝顶长度，为480 m，占长潭水库湖滨带总长度的0.5%，水库大坝型湖滨带上边界为大坝背水坡脚处。

2.2 长潭水库缓冲带范围与类型

2.2.1 缓冲带范围划定方法

《指南》提出了浙江省湖库在不同流域面积、湖库功能、水深等情况下，不同类型缓冲带宽度的参考值。其中按照流域面积分为小流域（<10 km2）、中流域（10～1 000 km2）和大流域（≥1 000 km2），按照湖库功能分为饮用水水源地和非饮用水水源地，按照水深分为浅水区(≤6 m)和深水区（>6 m）。长潭水库流域面积为441.3 km2，属于中流域类型，水体功能为饮用水水源地，水库基本为深水区，只在南部小部分库区为浅水区，根据这些信息可以计算出长潭水库不同类型缓冲带的宽度参照值。

根据长潭水库岸带及周边土地利用类型分布，其缓冲带类型包括山体型、农田型和水库大坝型。虽然缓冲带内存在少量村落，但由于村落往往分布在农田中或沿山脚分布，且村落型的缓冲带宽度参考值低于农田型和山体型，故将村落型并入山体型、农田型缓冲带中，不单独进行村落型缓冲带的划定。

长潭水库农田型和山体型缓冲带的宽度参照值计算结果见表1。农田型缓冲带的宽度根据农田面积和沿岸带水深不同而有不同的参照值，山体型缓冲带的宽度参照值则均为延伸到山脊分水岭处，水库大坝型缓冲带的边界参考长潭水库划定的大坝保护范围。

表1 长潭水库缓冲带宽度参照值Table 1 Reference values of lake buffer zone width of Changtan Reservoir

2.2.2 缓冲带类型及范围

根据长潭水库缓冲带类型与宽度参照值，结合长潭水库实际情况，划定长潭水库缓冲带范围如图5 所示。由图5 可以看出，绝大部分缓冲带为山体型缓冲带，农田型缓冲带位于水库南侧，水库大坝型缓冲带位于水库东侧的大坝处。

图5 长潭水库缓冲带类型空间分布Fig.5 Distribution of lake buffer zone types in Changtan Reservoir

（1）山体型缓冲带

由于长潭水库被山体环绕，绝大部分缓冲带为山体型，山体型缓冲带延伸到山脊分水岭处，其上边界为第一重山脊线，面积为46.73 km2。山体型缓冲带面积大、范围广，除了林地，还包含零散的农田、村落和部分环库道路，且不同区域山体的水土流失情况也有差异，在进行生态修复方案的设计时应充分考虑这些因素。

（2）农田型缓冲带

农田型缓冲带位于长潭水库南部，面积为2.89 km2。长潭水库南部紧沿岸带有大片农田分布，面积为266 hm2。该面积远超过6.667 hm2，根据表1，该区域缓冲带宽度的参照值为207～257 m，在实际划定工作中，考虑到该区域农田面积较大，同时为便于缓冲带的管理和标识，划定时将附近的道路作为缓冲带边界，缓冲带实际宽度为250～700 m。

（3）水库大坝型缓冲带

水库大坝型缓冲带的上边界参考大坝背水侧保护范围线。长潭水库大坝划定的大坝背水坡侧管理范围线为大坝背水坡脚以外300 m，保护范围为管理范围以外50 m 区域，故长潭水库大坝型缓冲带的边界为大坝背水坡脚以外350 m，水库大坝型缓冲带面积为0.168 km2。

3 长潭水库湖滨带、缓冲带主要生态环境问题与修复对策

3.1 主要生态环境问题

3.1.1 湖滨带主要生态环境问题

长潭水库的6 种湖滨带类型中，平缓滩地型、山体型、河口型属于自然存在的类型，农田型是由于湖滨带被农田侵占形成的，道路型是由于在湖滨带内修建公路形成的，大坝型湖滨带是水库型湖泊所特有的湖滨带类型，因此，长潭水库湖滨带生态环境问题主要存在于农田型、道路型和河口型湖滨带。

农田侵占原有湖滨带导致湖滨带的原有生态功能降低，且产生的农田面源污染会直接进入水库，对水库水质造成较大影响；沿库道路在大量降雨时会产生道路径流，道路暴雨径流污染[18]作为一种非点源污染，带有不持续性、延展性和滞后性的特点，长潭水库道路型湖滨带长达19.93 km，但缺乏针对道路暴雨径流的防控措施，存在明显的生态环境风险；河口型湖滨带指长潭水库的主要河口区域，河口是河流与湖泊之间能量流动与物质交换过程强烈的生态过渡区，生态系统相对脆弱敏感，虽然长潭水库的主要河口均建设了湿地，但仍存在一些问题，如瑞岩溪河口湿地由于维护管理等方面的问题导致湿地净化功能较弱，河口处水质较差，2018 年、2019 年总磷年平均浓度均超过Ⅲ类水质标准。

3.1.2 缓冲带主要生态环境问题

长潭水库的3 种缓冲带类型中，山体型缓冲带分布范围较广，其中有村落、农田、道路分布，其主要生态环境问题是山体水土流失和其中的村落生活污染。水库周围山体林木结构尚有缺陷，且由山脚至半山腰存在大量经济林木，破坏了原本山体林灌草结构，导致山体水源涵养能力较差，水土流失风险大。长潭水库山体型缓冲带内的村落生活污水虽然已基本实现了截污纳管，处理后达到DB33/ 2169—2018《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》的要求，但对于长潭水库而言，尾水中污染物浓度仍然较高，不经过深度净化处理直排入库会对长潭水库水质造成较大影响。2020 年10 月开始实施的《台州市长潭水库饮用水水源保护条例》[19]规定在饮用水水源一级保护区和二级保护区内禁止设置排污口，应逐步实现污水收集处理后输送至饮用水水源保护范围外达标排放，目前长潭水库缓冲带内的村落生活污水处理终端均位于饮用水水源一级保护区或二级保护区内，尾水排放尚不满足相关要求。农田型缓冲带位于长潭水库南部，该区域为大片集中农田，且农药、化肥施用量偏大，农业面源污染负荷高，缺乏面源污染防治措施会导致污染物直接进入水库，对水库的水质造成较大影响。

3.2 生态修复对策

3.2.1 修复范围与技术路线

以解决湖滨带与缓冲带主要生态环境问题为导向，在进行长潭水库湖滨带与缓冲带的生态修复的设计中，将没有农田和村落分布、受人类活动影响较小的低污染区域剔除，但属于饮用水水源一级保护区的部分不剔除，得到长潭水库的重点生态修复区域（图6），其面积为11.25 km2。

图6 长潭水库重点生态修复区范围Fig.6 Scope of key ecological restoration areas of Changtan Reservoir

从恢复湖滨带与缓冲带生态功能的角度提出长潭水库湖滨带与缓冲带的生态修复对策。对于湖滨带，应尽量维护其结构的完整性，尽可能去除湖滨带内的人类活动干扰，对不可去除的干扰要采取防护措施尽量降低干扰程度；缓冲带作为保护湖泊的隔离生境，首先应降低缓冲带内的人为活动对水库的影响，其次应提高缓冲带的生态功能，发挥其隔离缓冲外部干扰的作用。由于湖滨带与缓冲带在空间上紧密连接，在功能上相互联系，所以在生态修复方案设计中，对湖滨带和缓冲带的生态修复进行统一考虑。根据以上思路，结合湖滨带和缓冲带现存的生态环境问题，在重点生态修复区内，从去除干扰、污染防治、生态恢复3 个方面入手，设计各类工程措施。具体技术路线见图7，工程平面布置见图8。

图7 长潭水库湖滨带与缓冲带生态修复技术路线Fig.7 Technology roadmap for ecological restoration of lake littoral zone and lake buffer zone of Changtan Reservoir

图8 长潭水库湖滨带与缓冲带生态修复工程布置Fig.8 Layout of ecological restoration projects of littoral zone and lake buffer zone of Changtan Reservoir

3.2.2 修复对策

（1）干扰去除

干扰去除主要针对湖滨带区域。根据长潭水库湖滨带范围的划定结果，逐步退出湖滨带范围内的农田，降低湖滨带内农业面源污染对水库的影响，促使湖滨带恢复生态功能。对于道路型湖滨带和大坝型湖滨带，由于道路和大坝均属于不可去除的干扰，应按照设施相关的管理和保护要求执行，并对可能产生的生态环境影响采取一定的防治措施。

（2）污染防治

针对农业面源污染、村落生活污水尾水污染、道路暴雨径流污染，开展污染防治。农业面源污染治理范围包括农田型缓冲带内的集中式农田、分布在山体型缓冲带内的分散式农田和高程落差较大的节点式农田；针对不同类型的农田，根据沟渠分布、高程落差等实际情况布设生态拦截沟、跌水净化系统、湿地稳定塘等工程[20-22]，实现农田面源污染物的拦截、蓄滞和净化。村落生活污水处理终端的尾水通过湿地进行深度净化，根据《台州市长潭水库饮用水水源保护条例》的要求，将缓冲带内位于饮用水水源保护区内的污水处理终端出水通过引水管道引至在保护区外建设的人工湿地（根据可利用土地条件，选择近自然湿地或潜流水平人工湿地[23]）进行生态处理。道路暴雨径流污染防治需考虑道路的实际情况，一级公路将其向山体一侧原有排水沟渠改建为生态拦截净化沟渠，并根据山体和道路间实际的地形地势选择位置建设生态蓄滞池；二级公路选择在向山体一侧新建径流拦截净化沟渠，进行暴雨径流的汇集、缓冲和净化。

（3）生态恢复

生态恢复主要包括山体水土流失综合治理、河口湿地优化恢复和村落绿篱带建设，通过修复措施增强山体水源涵养能力、提升河口生态系统的稳定性、改善缓冲带区域村落生态环境，增强湖滨带、缓冲带生态功能，充分发挥对水库的保护作用。水土流失综合治理的范围包括果树种植区域及水土流较为严重的山体。在现有果树种植区域采用生草覆盖、植草沟等措施，减轻疏松表土和污染物的流失，增强山体水源涵养能力；对水土流失较为严重的山体采取坡沟兼治，增强坡面和山沟的稳定性。河口湿地优化恢复主要解决瑞岩溪湿地缺乏维护管理、水质较差，以及日溪河口水杉湿生境单一、生态功能较弱的问题。瑞岩溪河口湿地优化主要是对原有水生植物进行整理和恢复，开展水生植物适宜的生物量管理[24]，及时进行水生植物的收割与补种，维持湿地的可持续运行；日溪河口原有水杉湿地通过新开挖水道，对水道的坡岸进行自然防护，构建局部水系，营建多样地形和丰富的生境，增强河口湿地对污染物的去除能力。针对缓冲带内村落绿化不足的问题，在村落房前屋后建设绿篱带，科学配置草林复合系统[25]，改善村落生态环境，降低村落污染对水库的影响。

通过以上生态工程的实施，可从源头上减轻山体水土流失、降低村落生活污水污染负荷，在过程中可以拦截净化农田面源污染、道路暴雨径流、山体径流、村落径流等，而河口湿地的优化恢复工程则保障了入湖河口湿地充分发挥净化作用，形成河流与水库水体间的最后一道生态屏障。长潭水库湖滨带与缓冲带的污染物输出将大幅降低，并具有更强的生态保护功能。