基于生態設計理論的黃土丘陵區淤地壩景觀再造與更新

白曉霞, 武慧平, 劉翠英

(榆林學院 生命科學學院, 陜西 榆林 719000)

淤地壩是我國黃土高原丘陵區重要治溝工程措施之一，是人民群眾在長期同水土流失斗爭實踐中創造的一種行之有效的環境治理工程手段。淤地壩既能攔截泥沙、保持水土，又能淤地造田、增產糧食。淤地壩至今已有幾百年的發展歷史，為我國黃土高原地區的生產、生活、生態建設帶來了極大的便利，創造了歷史性的輝煌成就[1]。如今，95%以上的淤地壩都已經發揮了其淤沙攔沙的本質功能，部分淤地壩通過造田種糧也已實現了農民增收[2]。但其中不乏少量支毛溝淤地壩由于地形地勢、交通等因素的制約，淤沙、截水功能欠佳。長期處于閑置狀態的淤地壩，壩地雜草叢生，水流帶來的塑料袋、枯枝落葉等雜物嚴重影響區域的景觀格局和生態美觀。本研究以辛店溝水土保持示范園區北側淤地壩為例，基于美麗鄉村建設、改善生態景觀格局和增加景觀多樣性的基本原則，提出通過建設人工濕地景觀來改善淤地壩現狀和景觀面貌的雙贏措施。

1 研究區概況

辛店溝水土保持示范園區位于陜西省綏德縣境內，屬于陜北黃土高原丘陵溝壑區第Ⅰ副區。該區梁峁起伏，溝壑縱橫且地表侵蝕嚴重，為保持水土，實現防洪、淤沙、攔沙等環境治理目標，當地建設了大量的淤地壩，在縣區各小流域形成了相對完善的淤地壩體系[2]。辛店溝位于綏德縣城東無定河中游左岸。1953年，建立了綏德辛店溝試驗場。試驗場占地面積1.44 km2，至今共建成淤地壩24座。園區主要由林地、梯田、淤地壩組成，生態環境優良，自然風光秀美，梯田、臺地、壩地地形交錯起伏，形態多樣，林地、果園、農田、草地等風景獨特，形成集示范治理、科學研究、生態觀光于一體的多功能科技示范園區。園區內淤地壩經多年的拓展建設，本著“地盡其用”的原則，形成了多樣化的壩地生產體系。但部分淤地壩因兩側山體較高，坡度較陡，溝道狹窄，不適合進行壩地生產建設。以辛店溝水土保持示范園區北側淤地壩為例，坡底距離西側監測小區的高程為53 m，坡度約40°，淤地壩長約140 m，最寬處為31 m，窄處僅11 m，地形狹長，溝道內土壤肥力高，水資源充足，但由于缺乏監測小區經由壩底的連接道路，造成交通不便，壩地缺乏管理，溝道內荒草叢生，林木蒼翠凌亂。壩地內優生植物種主要有楊樹、紫穗槐、沙棘、檸條、側柏、白草、草木犀及禾本科雜草等，壩地及兩側坡體綠化植被覆蓋度高，植物長勢較好。同時，由于洪水沖擊，給溝道內帶來了枯枝、垃圾等雜物，影響了整個試驗園區的生態環境美感。

生態設計理論基于人類對地球生命及生命活動的整體認知，使設計與自然相結合，在盡量減少對環境破壞影響的前提下，對場地資源進行理性、科學的分析利用。生態設計“4R”[3]理論強調保護與節約自然資本，其中包括“Reuse”和“Renewable”，意為再用(再造)與更新，即通過設計手段對廢棄的場地、資源賦予新的功能，達到節約資源、減少能耗的目的。

2 淤地壩景觀再造與更新的必要性

(1) 開發景觀特質，維持景觀多樣性。黃土丘陵區環境的典型特征就是水資源匱乏，物種稀少，生態脆弱。通過生態景觀設計，利用工程措施或生物措施可以增加景觀尺度上的空間異質性，提高生態系統的抗干擾能力和恢復能力，提升整個生態系統的穩定性[4]。隨著農業用地的不斷擴張，黃土丘陵區土地利用強度和集約化程度日益增強,與之相伴的是農業景觀中生物多樣性的喪失和生態系統服務功能的持續性下降和波動，迫切需要通過挖掘景觀特質，增加景觀尺度上的空間異質性，實現區域景觀的多樣性[4]。

(2) 提高區域生態效益。辛店溝水土保持示范園近年來致力于打造集“水保示范、監測試驗、成果展示、科普教育、休閑觀光”等功能一體化的“水土保持示范園”。要實現這一目標，生態環境建設必須先行。應結合園區內的地形地貌、氣候水文及農業生產建設狀況，主要從以下3個方面來實施。 ①調節局部氣候環境。通過工程措施改善園區內的環境氣候條件，有助于實現其科普宣傳與旅游觀光功能。具體可采用人工濕地、綠化設計等景觀工程措施，發揮植物的生態特性，降低區域內SO2，CO2，氮氧化物等有害物質，增加氧氣，凈化空氣，同時通過調節氣溫、濕度和蒸發量等來改善局部小氣候，消除光污染和吸收噪聲。 ②改善水體，包括調節水量和凈化水體。由于周邊鐵路建設破壞了原有水源供應，致使園區內河段蓄水量大大下降，嚴重影響農、林、牧業的發展。從生態環境可持續發展的層面審視園區景觀再造，須調節園區河段水流量，增加水量來源，補給地下水。同時，黃土高原丘陵區特有的丘陵溝壑地貌造成了泥沙混合型不良水體，單純地依賴淤地壩結構，難以滿足水體凈化的要求，人工濕地作為優化開發策略的工程措施之一，其核心功能就是調蓄水量，凈化水體，特別是針對鄉村地區，具有極高的可實施性[5]。 ③打造田園生態旅游。近年來，園區引進了大量的花卉、果樹新品種，旅游開發資源充足，特色明顯[6]。通過合理的規劃設計來整合優勢資源，開發生態觀光項目，挖掘區域旅游發展價值，真正實現辛店溝水土保持示范園“多功能復合、國家一流園區”的建設目標。

(3) 提高綜合利用價值。黃土丘陵區一直是貧窮落后的代名詞，“治溝”與“治窮”息息相關且同等重要。應開展集約化資源利用，兼顧各方利益訴求，綜合考慮景觀生態、水土保持、經濟發展等相關因素的協調發展。從生態設計角度進行丘陵區淤地壩的景觀再造與更新，就是利用景觀生態的良好效益來提升區域內的環境品質，使環境保護與開發利用有機結合，經濟發展與環境建設充分融合，生產建設、生態治理與生活服務科學搭配，在充分利用景觀環境資源的基礎上，發揮農業生產、旅游觀光、科普教育等多種功能，保證區域農民增收，最終實現區域內生態、經濟與社會效益的同步提升。

(4) 促進景觀生態設計與水土保持工程技術手段有機結合。水土保持和景觀生態設計以調整景觀單元空間結構和各項水土保持措施為基本手段，包括原有景觀格局的調整，新型景觀組分的引進等，以改善受脅迫或受損失生態系統的基本功能[7]。建立與水土保持措施相配套的地表徑流“蓄—引—排”技術體系[8]。通過人工濕地工程措施，加強流域水系工程建設，對徑流進行調控與管理，既可滿足暴雨條件下的排水要求，也可兼顧提升旱區土壤蓄水量的客觀實際，提高景觀系統的總體生產力和穩定性，將人類活動對于景觀演化的影響導入良性循環。

3 人工濕地工程建設的可行性

(1) 工程操作技術成熟，投資風險低。研究表明，盡管黃土丘陵區獨特的地理條件和氣候特征導致區域水量蒸發較大，地表水量消減迅速以及部分地基水體下滲嚴重等問題，但已有大量的實踐案例與研究機構對丘陵區水量蒸發及下滲的問題提出了應對措施，包括物理的、生物的、化學的手段和工程措施，且效果顯著[9-10]。因此，黃土丘陵區建設人工濕地雖然難度較大，但意義深遠。

(2) 建造與運行成本低。人工濕地是利用基質、植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用使污水得到凈化的一種水質凈化處理措施。人工濕地工程的主要優勢是建造和運行成本低，技術要求較低，污水處理高效安全，同時可提供水產、畜產、建材、綠化、野生動物棲息、科普休閑、科普教育等多種效益。適合于水量不大，水質變化較小，管理水平不高的農村、小城鎮區域污水處理。同時，選址上應選擇具有一定自然坡度的洼地或經濟價值不高的荒地[5]。

(3) 綜合效益顯著。建設人工濕地不僅能改善環境景觀，調節局部氣候，解決傳統淤地壩利用率低，景觀水平差，生態脆弱等問題，還可以利用人工濕地的蓄水功能為周邊生產和灌溉提供水源。應綜合考慮園區發展狀況和建設目標，以及黃土高原丘陵區環境生態效益、綜合利用價值等多方因素，提出基于人工濕地工程措施的丘陵區淤地壩景觀再造與更新策略。

4 辛店溝水土保持示范園區淤地壩人工濕地設計方案

4.1 工程概況

設計地塊位于辛店溝水土保持示范園北端，由東西兩座山體夾接而成，呈狹長型，該淤地壩為“兩大件”方案，僅有壩體和放水建筑物(豎井)，缺乏溢洪道。壩頂距離地面9 m，壩體穩固，豎井完好，蓄排水措施功效顯著，經受住了2017年“7·26”特大暴雨的考驗。

4.2 人工濕地類型選擇

本研究開展于2018年。人工濕地類型的選擇基于3方面的考慮： ①工程所需取水來源為污染較低的自然河水； ②溝道地形狹長，長寬比約為8∶1，坡度較小，僅為0.15%～0.32%； ③在低影響開發建設總體思路主導下，確定該措施的類型為自由表面流人工濕地(free water surface constructed wetlands)，簡稱表流人工濕地，它是指水在人工濕地介質層表面流動，依靠表層介質、植物根莖的攔截及其上的生物膜降解作用，促進水體凈化[11]。具體參數設計詳見表1。

表1 自由表面流人工濕地設計參數

4.3 構造設計

4.3.1 表流濕地的布水及出水 考慮到濕地進水區較窄且濕地呈狹長形，設計中采用單點進水。濕地出水采取“溢洪道+豎井”的排水方式。

4.3.2 表流人工濕地構造設計 自由表面流人工濕地包括進水區、處理區和出水區。處理區分為深水區和淺水區，深水區水深150 cm，淺水區水深60 cm。 ①深水區構造設計。深水區域具有較大的滯留能力，適當設置深水區可為表流濕地提供厭氧及兼氧反應區，深水區內宜種植沉水植物，也可通過設置人工水草等措施，改善微生物生長環境，增大生化反應面積。深水區設置在實地進水口處。水深150 cm,填料塊石粒徑宜為40～80 mm。 ②淺水區構造設計。表面覆蓋層種植土厚度為200 mm。填料層為細礫石，厚度為200 mm，礫徑5～8 mm。底部防滲層為黏土，厚度為600 mm，進行分層壓實。濕地床體水力坡度取2%(圖1)。

4.3.3 人工濕地駁岸設計 ①自然緩坡型駁岸。對于坡度緩或腹地大的河段，可以考慮保持自然狀態，配合植物種植，達到穩定河岸的目的。設計中主要通過栽植旱柳、白臘、檉柳等耐水濕喬灌木，以及蘆葦、慈菇、梭魚草等水生植物，利用其生長舒展的發達根系來穩固堤岸，加之其枝葉柔韌，順應水流，可增加抗洪、護堤的能力(圖2)。②砌塊型自然駁岸。對于較陡的坡岸，采用天然石材護底，可以利用原始塊石垂直砌筑(圖3)；也可以將塊石沿坡砌筑(圖4)，其上筑有一定坡度的土堤，斜坡種植植被，使喬灌草相結合，固堤護岸。

圖1 處理區人工濕地構造設計

圖2 自然緩坡型人工濕地駁岸設計

圖3 砌塊型陡坡人工濕地駁岸設計

圖4 砌塊型緩坡人工濕地駁岸設計

4.3.4 植物種植 綜合考慮植物的生態功能與景觀功能，沿岸種植白臘樹、旱柳、檉柳等鄉土植物，打造地域性景觀，濕地水域選擇挺水和浮葉兩類水生植物，發揮調蓄水量、凈化水質的基本功能，實現人工濕地景觀的異質性與多樣性。水生植物主要有蘆葦、千屈菜、荷花、再力花、黃菖蒲、慈菇、旱傘草、水生美人蕉、梭魚草、黑藻等。

5 結 論

本次景觀改造設計是一次以試驗和嘗試性的方式進行的創新與探索。大量研究表明，在黃土丘陵區修建人工濕地在技術和理論層面都是可行的，但考慮到區域地理、氣候等實際條件，有效地預防水體過度蒸發，保證夏季高溫下穩定的蓄水量是該項目研究的難點問題。人工濕地建成之后的可持續養護管理問題也非常重要。丘陵區獨特的氣候環境下，增加新的景觀空間形態本身存在巨大的困難，一旦管理疏漏或滯后，將會造成新的環境污染與破壞。

綜上所述，黃土丘陵區的景觀生態化建設任重而道遠，隨著工程技術手段的不斷提升以及城鎮居民觀念的轉變，發揮風景園林理論在西部人居環境建設中的應用優勢，以景觀帶動生態、以規劃實現生態的環境建設理念已逐漸取得了可觀的成效[12-14]。然而，黃土丘陵溝壑區的景觀生態設計是一項長期而復雜的工程，需要跨學科專業人員的有機結合，在水土保持理論基礎上，比較、總結各類工程案例，分析把握景觀生態設計的具體措施、研究方法，以及不同條件下進行景觀更新與改造的適用性與可行性，在生態安全、提升環境品質的前提下，探求一條適合于黃土高原丘陵區景觀生態設計的合理途徑，以及新的、科學合理、高效的可操作模式。