高海拔淡水湖泊群生态修复技术研究——以宁武天池高山湖泊群为例

白钰，程靓，刘倩

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710000）

引言

高海拔淡水湖泊群的形成历史悠久，其位于高山之中，树木环绕、湖水清澈，是珍贵动植物的栖息地与保护地、高山淡水生态系统的主要载体，也是河流的重要发源地与水源涵养区。高海拔淡水湖泊群生态环境独立性强，生物群落特征明显，保留了大量的原始生态环境信息，生物群落单一，环境承载力低，对外界气候环境变化适应能力较弱，针对其开展的保护与研究具有极高价值。高海拔淡水湖泊群与平原湖泊相比，受到环境的综合影响较弱，生物多样性指数低，群落结构较为简单，稳定性不高[1]，面对水量减少、气候变化、人为干扰等外界环境变化时，适应性与自我调节修复能力较弱[2]。高海拔淡水湖泊的水源多依赖于降水与径流，水源稳定和水量保障是维护其生态环境的基本前置条件，过度开采提取与非正常下渗，对于高海拔天然淡水湖泊群影响甚大。由于自身的脆弱性，目前我国淡水湖泊生态系统污染与退化问题严重，在一定程度上失去了系统活力与自我调节能力[3]。

山西省忻州市宁武天池高山湖泊群是具有高海拔天然湖泊独特地质、气候、水文条件的特殊生态系统，经长期自然演替形成了和湖泊群水情动态相适应的非地带性生境。宁武天池高山湖泊群形成于300 万年前，是具有独特性的珍贵动植物的栖息地与保护地。以宁武天池高山湖泊群为例，开展对高海拔淡水湖泊群生态修复技术的研究，可为我国高山湖泊的生态保护和自然恢复提供宝贵的工程经验。

1 宁武天池高山湖泊群概况

宁武天池高山湖泊群位于晋西北高原东部边缘，山峦叠嶂，挺拔高峻，山区面积达90%左右。该湖泊群发育在一个大型向斜核部西缘的NNE 向断裂带边缘，由于小型断层以及构造挤压、拉张作用，导致流水岩石裂隙、节理和砂岩岩体向下渗透, 在透水性差的砂质泥岩层顶形成含水层补给湖泊的现象[4]，又由于断裂带附近形成了低洼地带，并在基岩之上出现砂砾石沉积物的堆积，随着积水不断增加,最终形成了湖泊[5]。通过对宁武天池高山湖泊群的科学勘探，发现湖区沉积物主要以草炭、泥炭、粘土及砂层为主，反映了全新世湖相沉积地层序列[6]，在湖泊演化、地质构造、古生物等方面具有极高的研究价值。

宁武天池高山湖泊群地处芦芽山风景区，以芦芽山天池（别称“马营海”）为中心，是中国北方珍贵的高山淡水湖泊群和地质历史遗迹自然资源。曾发育了15 个以降水补给为主的天然大小湖泊，包括天池、元池、琵琶海、鸭子海、老师傅海、干海、暖海等，总面积约4km2，处于海拔1771～1849m 之间，蓄水量达800 万m3[7]。近年来，受降水、地下水等补给要素的影响，宁武天池高山湖泊群水面面积逐渐缩小，水量衰减明显，多个中小湖泊已干涸，床底沼泽化，仅天池、公海和琵琶海常年有水，生态屏障脆弱，自然资源流失，亟需科学地进行生态保护及修复。

2 宁武天池高山湖泊群生态环境现状

2.1 水量减少

宁武天池高山湖泊群的水量年内受降水丰枯调节的影响较为明显，年际水量总体呈逐年减少趋势。湖泊群水量的主要补给途径是降水、地表径流及地下水，主要排泄途径有水面蒸发、湖水渗漏。据统计，1980～2000 年宁武天池高山湖泊群年渗漏损失量为15 万～30 万m3，年蒸发损失为1100～1200mm，地下水补给量为48.9 万～75.9 万m3，径流补充量为11.8万～15.8万m3[8]。对比分析2008～2012 年宁武天池高山湖泊群水量监测数据（见表1），降雨量的变化对于湖泊水量的影响并不明显，蒸发量也不存在明显变化，因而宁武天池高山湖泊群水量的衰竭并非降水蒸发量变化引起的。通过对宁武天池高山湖泊群渗漏量和地下水补给量的统计分析发现，由于矿业开发、隧道施工等人类活动造成天池底部隔水底板产生不同程度的裂隙，导致宁武天池水沿基岩裂隙下渗排出，渗漏量大幅度增加。同时，人为工程的扰动破坏了区域地下水的补给通道，使得地下水补给量减少，湖泊补给能力降低明显。另外，通过对宁武天池高山湖泊群附近隧道、隧洞和排渣洞的实地调查发现，隧道、隧洞有多处出水量较大，甚至有几处出现涌水严重的现象，导致湖泊群总水量逐年减少。

表1 2008～2012 年宁武天池高山湖泊群水量监测统计表

2.2 植被退化

人类频繁活动扰动造成的水资源流失，以及自然补给降低造成的水源涵养能力下降，使得大多湖泊面临干涸缺水的状态，自然环境变迁很大。经过现场调研发现，宁武天池高山湖泊群水生植物群落共55 种（含变种和变型），分别属于24 个科42 个属，包括蕨类植物、双子叶植物、单子叶植物等。宁武天池高山湖泊群水生植物在特殊的高山环境下具有鲜明特征，植物区系的温带性质主要体现在属种水平上，属在科中的分布表现不均匀，种在科中的分布也不均衡，湖泊群中植物种群结构畸化，稳定性差，自然恢复能力差。

宁武天池高山湖泊群水生植物按种群的生活型可划分为湿生植物、挺水植物、浮叶植物和沉水植物4 种类型。近年来，湖泊群水量减少，大多湖泊面临干涸缺水的危机，水生植物总量逐渐减少，湿生植物在数量上占据了绝对优势，植物群落与植物生态结构发生转变。随着生境变化，有部分沉水植物在水体较浅处表现为浮叶植物、挺水植物类型，还有挺水植物、沉水植物、浮叶植物转化为湿生植物（见表2），甚至一些常年得不到水源补充的湖泊边缘区域逐渐演化成旱生草地。在湖泊群水量减少的情况下，高山湖泊原始植被退化，植物群落结构也受到了极大影响，传统的保护保育已不能满足自然恢复要求，需要遵循湖泊群的历史生态辅助再生。

表2 宁武天池高山湖泊群水生植物现状统计表

3 宁武天池高山湖泊群生态修复实践

为保护宁武天池高山湖泊群的原生环境，治理应以生态保护为前提，采用针对性强、扰动小的治理措施，在尊重原生环境的前提下，按照“修复生境条件→恢复水生生物→调控系统结构”的总体修复思路，通过治理渗漏、补给水源、生态修复、自然保育来修复高海拔淡水天然湖泊群。本研究拟通过同位素监测技术确定渗漏位置及流量数据，根据不同的渗漏裂隙特征，实施具有针对性的治理方案。通过对宁武天池高山湖泊群进行综合分析与修复，制定水源补给方案，维持湖泊水深，强调物种多样性的自然选择和适应进化的生物学属性，制定科学的植被修复策略等，最终实现丰富湖泊生物多样性，稳定生态系统，提高生态系统产出率的效果。

3.1 针对岩体特性采取渗漏治理措施

以生态保护为前提，通过同位素监测技术确定渗漏位置及流量数据，根据不同的渗漏裂隙特征，实施具有针对性的治理方案。如，针对影响岩体结构的渗漏裂隙，采用水下“壁可”注浆堵漏技术；针对水下岩体裂缝，通过橡胶管或注入器向裂缝内低压（0.3MPa）注入高强度树脂胶，使胶液注入到裂缝深处，既可解决岩体渗漏问题，又可稳固岩体结构的整体性；针对细小渗漏部位，采用天然防渗材料抛掷方案，为避免污染扰动水质，用可水解牛皮纸袋装填粘土在渗漏区域多层抛掷，形成0.8～1.0m 的粘土防渗层，抛掷完成后用草木灰和细砂均匀抛洒嵌缝，待牛皮纸袋降解后，经过天然沉降，即可形成一层生态的防渗层，阻止湖水下渗损失。

3.2 确定经济可行的水源补给方案

为解决宁武天池高山湖泊群水量减少问题，考虑采用人工补水，维持湖泊水深。根据湖泊群的各海水量情况，经过综合分析和现场寻访，决定对公海、干海、老师傅海、鸭子海、小海进行水源补给，总体方案是通过建设提水设施泵站和引水管网向各海补水。

据测算，公海需每年人工补水20.5 万m3，鸭子海、老师傅海、小海和干海每年人工补水31.5 万m3。根据湖泊群的地理位置和需水量来选择水源是补给的关键。经充分考虑附近水源的水文、水质、水量及地质情况，设计水源两处，一处为暖泉沟水库，另一处为中马坊河修筑雍水坝，满足本项目取水需求。通过修筑引水渠将河水引至泵房简易集水池，配备水泵房及配套设施2 座，提引水管线8.39km，补水面积可达0.91km2。公海海拔较高，规划单设一条输水线路，配备提升能力较强的设备，从泵房提水至公海；鸭子海、老师傅海、小海和干海整体地形平缓，可直接从泵房提水至各海。公海由一号泵站供水，一号泵站引水口高程1778m，提水管线最大地形扬程111m，提水管线长4438m，单次供水量4.1 万m3。鸭子海、老师傅海、小海和干海由二号泵站供水，二号泵站引水口高程1769m，提水管线最大地形扬程41m，最远提水管线长3949m，单次供水量6.3 万m3。

3.3 科学修复湖区生态系统

宁武天池高山湖泊群独特的、相对独立的生态系统具有重要研究价值，在其植被修复过程中应综合分析水生植物物种数量、科属种的组成特征，探索生态系统的发展过程，并以此作为区域植物物种多样性保护和生态植物修复的基础。同时，应考虑当地的生态环境，以及区域生物多样性进化历史，基于物种多样性的自然选择和适应进化的生物学属性，来制定科学的植被修复策略。

植被修复的植物选择和植被配置应尽量选用湖泊群的乡土植物，审慎引进外来植物。在现有植被丰富的区域，要进行原状保护，不破坏原有生境。结合湖面补水后的设计水面位置，科学配置湿生植物、挺水植物、沉水植物、浮叶植物，注重配置比例、栽植密度，预留植物伸展空间。湖泊群水体较浅，水面较为平静，基质较厚，可按挺水区和沉水区进行植物配置，如挺水区可栽培芦苇、菖蒲、水蓼、花叶芦竹、木贼等；沉水区可栽植眼子菜、荇菜、川蔓藻、黄花狸藻、黑藻、杉叶藻、狐尾藻等。湖体里天然的浮水植物水葫芦自身繁殖能力很强，应进行有效的监控与无害化处理。另外，应适当补植，丰富湖泊生物多样性，提高生态系统产出率，为鱼类的自然繁殖和水禽的迁徙越冬提供基础，并在湖泊岸边种植芦苇、荻、柳、水杉等大型植物，使陆地与湿地连成一体，为鸟类繁衍和逃避敌害创造条件。

结论

宁武天池高山湖泊群具有独特的地质和自然资源特性，对其生态环境的保护与修复研究具有极高的价值与意义。建议针对宁武天池高山湖泊群提出综合的修复技术措施，保护湖区生态系统，通过治理渗漏、补给水源、修复植被，恢复宁武天池盛景。