挡水坝对若尔盖湿地恢复治理研究综述

2023-01-04陆庆楠王芝福张志鹏

四川水利 2022年6期

王飞，陆庆楠，王芝福，张志鹏

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311112)

0 引言

20世纪50年代开始，若尔盖湿地为增加草场面积，提高放牧效益，开始在湿地内大范围开挖排水沟。排水沟疏干沼泽湿地水分，对湿地造成破坏，导致湿地面积萎缩、减少。2006年，我国正式启动实施湿地保护项目工程。在保护和恢复湿地的行动号召下，针对如何解决若尔盖湿地内排水沟大量疏干沼泽湿地水分的问题，相关专家学者及组织机构积极开展实地调研，探寻补救措施，进行保护与恢复[1]湿地的努力实践。其中，在排水沟内修建挡水坝以蓄存水量是一项切实有效的工程实践，取得了一定成效。但修建挡水坝工程对若尔盖湿地恢复所产生的具体生态效应却研究甚少，对其流域范围内土壤质量的研究分析也不多。本文通过总结分析若尔盖湿地恢复过程中修建挡水坝工程措施研究状况，拟深入研究若尔盖湿地修建挡水坝后对其流域范围内生态环境所产生的具体改善效应。

1 湿地简介

1.1 定义

湿地(wetland)一词正式起源于20世纪初。关于湿地的定义主要有两个:一是陆地和水域的交汇处，水位接近或处于地表面，或有浅层积水，至少有一个至几个以下特征:(1)至少周期性地以水生植物为植物优势种；(2)底层土主要是湿土；(3)在每年的生长季节，底层有时被水淹；二是指天然或人工、长久或暂时的沼泽地、泥炭地、静止或流动的淡水、半咸水、咸水区域，包括低潮时水深不超过6米的海水区[2]。从科研角度讲，各国湿地研究者更倾向于接受第一种定义。但从经营管理方面讲，人们更愿意接受第二种定义。

1.2 价值

1997年，美国生态学家Costanzant提出，湿地[3]生态系统的服务总价值为10万亿美元/年，是地球三大生态系统(森林、海洋、湿地)中服务价值最高的生态系统。2005年，联合国千年生态系统评估(The Millennium Ecosystem Assessment)将湿地生态系统服务分为四大类:文化服务、调节服务、供给服务和支持服务。湿地生态系统服务价值包括使用价值和非使用价值，使用价值又包括直接使用价值和间接使用价值(见图1)。直接使用价值是指湿地生态系统的用途价值，包括消耗性的、有形的资源产品价值和非消耗性的、无形的服务价值。间接使用价值是指湿地生态系统所具有的载体功能、调节功能和信息等潜在价值，是无法商品化的价值。非使用价值则是对湿地生态系统未来利用方式选择的评价，是独立于现期利用的价值。正因为湿地生态系统的巨大开发利用价值[4]，20世纪初就开始了对湿地的大规模开发利用。

图1 湿地生态系统服务价值

1.3 若尔盖湿地

1.3.1 概况

若尔盖湿地是中国三大湿地之一，分布在四川省若尔盖县、阿坝县、红原县和甘肃玛曲县、碌曲县，是长江、黄河上游重要的水源涵养地和长江、黄河流域重要的生态屏障[5]，黄河30%～40%[6]的水量来自这里，被誉为我国的“中华水塔”。同时若尔盖湿地也是全球最大的高原泥炭沼泽地，有机碳储量远远高于森林、农田和草原生态系统[7]，泥炭层厚度最厚达12m[8]，有机质含量大于50%[9]。其平均海拔3500m，属大陆性高原寒温带湿润半湿润季风性气候。年平均气温0.7～1.1℃，最低气温可达－33.7℃，年平均降水量650～750mm，降雨集中在5～9月，占全年总降水量的80%[10]。若尔盖湿地具有巨大的生态价值，富有各类沼泽植被(如木里苔草、毛果苔草、乌拉苔草、藏蒿草等)和草甸植被(如蒿草属、蓼属、禾本科草等)[11]，拥有黑颈鹤、梅花鹿、藏鸳鸯、白鹳、小熊猫、牦牛、藏系绵羊、河曲马等珍稀物种，盛产麝香、虫草、贝母、鹿茸、雪莲等珍贵药材，植物种类1100多种，动物种类250多种。

1.3.2 退化、沙化

若尔盖湿地地处青藏高原，海拔高、面积大，对全球气候和环境变化具有极端的敏感性，是典型的生态脆弱区[12]。20世纪50年代以前，若尔盖湿地还保持着原始沼泽湿地景观面貌。然而，自20世纪50年代开始，随着对若尔盖湿地开发与利用的逐渐兴起，湿地遭到了严重破坏，湿地面积急剧减少，出现了大面积的退化、沙化区，甚至有些地方出现了荒漠区[13]。仅1966至1986年20年间，自然湿地面积减少了近9.05亿m2[14]，现存湿地面积不足50亿m2。周国军(2003)[15]研究发现，截至2000年，仅若尔盖县草地沙化面积就达4.67亿m2，还有潜在沙化面积6.1亿m2，与20世纪80年代相比，草地沙化以每年12%的速度增长。四川省荒漠化沙化监测中心数据显示，2005年若尔盖县全县沙化面积达到6亿m2，每年还以11.65%的速度扩展。目前，关于若尔盖湿地退化、沙化成因已经达成共识，是自然因素与人文因素共同作用的结果。主要有以下几点:(1)海拔高，气候寒，生态环境脆弱；(2)地质构造、岩性及成土母质的影响；(3)气温升高，降水减少，蒸发量加大；(4)人口增长过快，过度放牧，大量开采泥炭；(5)相关政策决策失误；(6)大面积开挖排水沟；(7)鼠害严重等。

1.3.3 保护与恢复

湿地是“自然之肾”，关于湿地的保护与恢复问题一直以来都是国际社会研究的热点[16－17]。1996年，«湿地公约»常务委员会在第19次会议上决定，从1997年起，将每年的2月2日定为“世界湿地日”。2000年，我国颁布«中国湿地保护行动计划»，2006年，我国正式启动湿地保护工程。若尔盖湿地的保护与恢复建设工程自20世纪90年代就已经开始，1994年设立了若尔盖湿地自然保护区。主要采取以下几种保护与恢复措施:(1)建立湿地自然保护区；(2)采取“限牧还湿”，禁采泥炭等政策；(3)治沙种草，营造防护林；(4)建立生态监测系统，建立湿地生态补偿机制；(5)优化经济结构，转变经济发展方式，发展生态型经济产业；(6)加大科技投入，健全科技支撑、技术推广体系；(7)建立健全相关法律法规；(8)加大宣传和教育力度，提高牧民素质；(9)沟壑填堵，修建挡水坝；(10)加强治鼠防虫力度等。一大批学者就若尔盖湿地保护与恢复问题进行了深入研究。比如设想在若尔盖湿地发展生态旅游产业；运用行政措施进行干预指导；建议生态移民；构想在若尔盖湿地建立生态特区；生态补偿措施；运用内外补偿和代际补偿的生态补偿模式。目前，湿地保护与恢复建设工程正如火如荼地进行，已经取得了显著效果。若尔盖湿地面积也正在稳步恢复，截至2000年仅10多年的保护与恢复期间里，湿地总面积就净增加3.07万hm2，湿地率达到9.66%[14]。现如今，随着力度的加强，若尔盖湿地保护与恢复的效果将会愈来愈明显。

2 若尔盖湿地中的沟壑状况

若尔盖湿地中的沟壑是在人文因素和自然因素共同作用下形成的。导致若尔盖湿地退化、沙化的各因素中沟壑排水是关键因素。人工开挖排水沟自1955年开始，主要是为了疏干沼泽湿地水分、增加草场面积、提高放牧效益、发展畜牧业。开沟排水也是国内外广泛采用的开发利用湿地的一种方式，如北欧各国的排水泥炭地林业[18]。若尔盖湿地尤其以1965年至1973年这8年间开挖排水沟最为严重。截至2000年，开挖排水沟以及自然冲蚀形成的沟壑总计1600多条，总长达1200km，累计改造沼泽湿地面积21亿m2，占当时若尔盖湿地面积的43.5%[19]。自然冲蚀形成的沟壑有泥炭底质沟和水成土质沟，形状大都为U型或V型。这些沟壑致使湿地沿着“湿地－草甸－退化草甸－沙化草甸－沙地－荒漠”的方向逆向发展，同时加剧了水土流失的严峻情况，使这片20世纪50年代前还保持原始沼泽湿地景观面貌的海拔最高、面积最大[20]的湿地遭到了严重破坏。研究发现，疏水排干会直接影响若尔盖湿地有机碳的积累；泥炭地排水后将使泥炭地面积萎缩、压实和下沉，增加土壤容重；张骁栋(2015)[14]研究发现，开挖排水沟后，若尔盖湿地土壤表层有机质分解加速，土壤中碳、氮及其他营养元素含量明显下降，湿地面积减少，沼泽破碎化程度加重。周文昌(2016)[21]研究发现，由于沟壑排水，导致泥炭地深层土壤有机碳储量降低，其值约为(574.01±66.86)tC/万m2，较正常水平减少38%。泥炭地有机碳储量的减少将导致空气中二氧化碳浓度的增加，进而进一步加剧温室效应，形势严峻。自2000年开始，虽然已经停止开挖排水沟，但已存在的排水沟在5－9月份集中降雨、草皮破坏、泥土外漏的影响下，其沟壑深度和宽度在不断增加，并向源头扩展，其对疏干沼泽的影响愈发严重。开沟排水成了湿地破坏的重要因素，如何解决如此数量硕大而长度又长的排水沟所带来的湿地破坏问题和采取什么措施能有效恢复湿地建设已迫在眉睫。

3 挡水坝工程措施效果评价

3.1 挡水坝建设工程

目前，针对若尔盖湿地数量众多的排水沟所造成的疏干沼泽湿地水分的恶劣影响[22]，开始采取在排水沟中修建挡水坝的措施来进行治理。修建挡水坝以蓄存水量，能有效提升沼泽湿地地下水位，进而可以帮助恢复湿地面积，提高湿地生态环境质量。Xiang S(2009)[20－23]也提出填堵沟壑能提升地下水位，有助于若尔盖湿地沿着“沙地－草甸－湿地”的方向恢复。王育礼(2010)在“环境污染与大众健康”学术会议上也提出了对湿地沟壑进行填堵和改造的建议。在全球环境基金组织的支持下，若尔盖湿地地区超过200km的沟壑被填埋，帮助恢复了5亿m2的湿地和1000万m2的湖泊湿地。修建挡水坝既避免了填埋沟壑所需庞大劳动力和对湿地再破坏的麻烦，又对恢复湿地良好水状况、恢复湿地植被大覆盖和土壤好肥力、增加物种多样性和提高生态系统自我调节能力起到了不可估量的作用。同时蓄存水源成为湖泊、水库，为湿地景观画上浓墨重彩的一笔，对促进区域社会、经济的发展大有裨益。

沟中建坝的方式目前有土石坝、土石袋筑坝、土石和土石袋相结合筑坝、木板坝和小型混凝土重力坝等方式。土石坝是一种历史悠久而应用又广泛的坝型。它就地取材，可以节省大量水泥、木材、钢材等，同时施工技术简单、工序少，操作方便。而且土石坝结构简单，工作可靠，便于维护和管理，同时适应地基变形能力强。采用土石和土石袋相结合的筑坝方式，先将当地土石填埋于沟中，上面码齐土石袋，再覆以牛粪、草皮等，水流可以从土石袋之间的缝隙中流向下游，在一定程度上能达到蓄水而又不致溃坝的目的，既方便快捷又节约成本，还能达到预期效果，是目前若尔盖湿地地区采用最多的一种筑坝方式。重力坝主要依靠坝体自重来维持自身稳定和满足强度要求，耗用大量混凝土、水泥等材料，成本相对较高，在若尔盖高原湿地地区也不易施工。但它相对安全可靠，抵抗渗漏、漫顶、地震等能力强。目前仅甘肃尕海湿地保护区采用溢流式混凝土重力坝，重力坝的应用相比于土石与土石袋相结合的筑坝方式来说，应用少得多。红原日干乔湿地保护区则采用木板坝的筑坝方式，应用范围也很小。

图2 若尔盖湿地地区常见筑坝方式

3.2 效果评价

张明(2010)[12]对若尔盖湿地修建挡水坝的例子就工程措施、恢复情况作出了定性评价，并对建坝技术优化提出建议。刘旭(2016)[23]就已经建造完成的微型挡水坝作了对比与分析，指出沟中建坝能有效达到“填沟还湿”的目的，湿地面积、水位提升效果明显，对湿地生态系统的恢复起到了积极效果。甘肃玛曲县黄河首曲湿地保护区采用的是土石坝筑坝方式，建坝蓄水后，流域范围内土壤有机质含量，全氮、全磷含量明显增高。表层土壤有机质含量为52.8%，而土壤垂直剖面0.6m处有机质含量仅为8.5%，表层土壤有机质含量是垂直剖面0.6m处的6.21倍，表明建坝后对其流域范围内土壤恢复起到了显著而积极的作用。若尔盖县排水沟中大多采用土石袋筑坝的方式，上覆牛粪或草皮，通过重力下沉和砾石的反滤作用来达到雍高水位的目的。若尔盖县花湖大坝建成后，积水区土壤有机碳、全氮和含水率都比非积水区高，有机碳含量高2.4～2.7倍，全氮高2.2～3.2倍[25]。在若尔盖县阿西乡阿西村(102°57′27″E，33°46′54″N)调研取样发现，挡水坝建成3天后其周围土壤含水率明显提高，表层0～0.1m处土壤含水量为62.52%，而垂直剖面0.7m－0.9m处则为37.71%，提高了1.66倍。红原县一大坝(102°37′25″E，33°10′39″N)采用土石与土石袋相结合的筑坝方式，沿沟修建4道坝(见图3)，建坝后其两岸植被生长茂盛，流域范围内土壤含水量大都在150%～300%之间。修建挡水坝对若尔盖湿地恢复起到了积极作用。

图3 红原县一大坝俯视 (单位:m)

挡水坝建成后，其对若尔盖湿地恢复所起到的具体效应，可以从其水源涵养功能[11，26]和湿地土壤质量情况来分析。水源涵养功能主要包括对土壤持水(蓄水)能力、土壤容重大小以及孔隙状况的研究，包括测定其容重、含水率、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等指标。土壤质量是指土壤肥力质量、土壤环境质量及土壤健康质量三方面的综合度量，即土壤在生态系统范围内，维持生物的生产能力、保持环境质量及促进动植物健康的能力。土壤质量指标包括土壤物理学指标，土壤化学指标和土壤生物学指标。Larson和Piece提出的最小数据集(Minimum Data Set，MDS)中包括的土壤质量指标有有机碳、速效养分、pH、电导率、质地、根系深度、容重、水分传导率和有效持水量。Doran和Parkin后来将微生物生物量和可矿化的N加入到MDS中。田应兵[27－28]研究发现，在若尔盖湿地生态恢复过程中，湿地土壤的恢复演替以及土壤有效水分和养分含量的变化均表现出与湿地生态环境条件变化的一致性，土壤有机质的数量变化、分布特征及品质变化均表现出与湿地生态条件和环境变化的高度一致性，生态恢复有利于湿地土壤肥力的提高，同样，土壤质量的改善也能反映出湿地生态环境的恢复。熊远清(2011)[11]研究发现，土壤持水量与有机质含量、毛管孔隙度和总孔隙度呈显著正相关，与土壤容重呈显著负相关，土壤有机质也与容重呈显著负相关，与毛管孔隙度和总孔隙度呈显著负相关。我国也有学者从土壤pH值、电导率[29]、有机碳储量等方面来研究了若尔盖湿地地区的土壤质量。因此，在研究分析排水沟内修建挡水坝后对湿地生态系统的具体恢复效应时，就可以从其流域范围内土壤质量和水源涵养功能两个方面来间接反映排水沟内修建挡水坝对湿地恢复所产生的效果。

4 发展趋势与展望

4.1 发展趋势

20世纪80年代开始，遥感技术开始应用于湿地调查。2000年开始，对若尔盖湿地的研究也逐步深入，方法呈现多样化、现代化。利用3S技术对若尔盖湿地景观格局[30－32]进行调查发现，若尔盖湿地景观格局趋于复杂化、破碎化，景观格局多样性呈均衡发展。孙妍[33]通过破碎化指数分析发现，若尔盖湿地原始完整连续分布的基质景观变化为破碎的廊带景观和零星分布于草甸中的小斑块景观。在1989年～2012年间，通过王晶的研究成果显示，在其选定的若尔盖湿地固定范围内，湿地总面积及生态系统服务功能均呈现出持续衰减趋势。景观格局变化是自然因素[34]和人文因素综合作用的结果，其中人文因素占据主导作用。而人文因素中一项大范围的对湿地的损害就是开挖排水沟。受湿地保护与恢复热潮，人类意识提高及文明进步的影响与带动，解决这些排水沟疏干沼泽湿地水分的问题，已是大势所趋。对沟中建坝的工程实践以及其对若尔盖湿地恢复所产生的生态效应研究也势必会受到越来越多人的关注。

2005年开始，若尔盖湿地地区开始尝试摸索在排水沟中修建各种类型的挡水坝。沟中建坝工程是一项省时、省力、省钱的有效而关键的好方法。目前，若尔盖湿地已经开展了比较多的小规模的沟中建坝工程，也建成了花湖大坝这样的大工程，对其流域范围内湿地的恢复起到了显著作用。但是，沟中建坝范围还不够广，挡水坝建成后面临的安全评价、病害整治以及后期维护、管理措施还不够完善，数量众多的排水沟仍需要治理。所建挡水坝大都坝高不超过3m，在集中降水情况下容易致使一些水坝产生破坏性裂缝、发生管涌现象、甚至被冲毁和发生溃坝。极端气温对挡水坝的影响也很大，冻胀造成坝体、坝基变形破坏，局部坝体、坝基渗漏现象时有发生。张明(2010)对沟中建坝的施工方法、坝址选择、材料、维护等方面提供了一些建议；刘旭(2016)也对在石渠县使用的微型挡水坝的优缺点进行细致分析，并对其坝型、尺寸、材质等方面进行论述，对微型挡水坝的改进提出优化建议。但若尔盖湿地偌大的地区加之沟壑填堵工程的范围之广、之大，现有的有关沟中建坝工程的研究还是不够完善。随着沟中建坝工程的开展，对其效应、评价特别是定质评价等方面的研究也必将成为新的研究热点。