海岸帶侵蝕岸段濕地恢復(fù)設(shè)計及運行成效分析——以杭州灣北岸奉賢段為例

戴雅奇 陸金忠 陳雪初

海岸帶受自然侵蝕和人類活動影響，面臨生態(tài)功能退化、水質(zhì)惡化等問題，亟待實施以生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)為目標(biāo)的生態(tài)整治修復(fù)。在杭州灣北岸侵蝕岸段堤外進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)設(shè)計與實踐，構(gòu)建以“生態(tài)沉淀—強(qiáng)化凈化—生態(tài)恢復(fù)—清水涵養(yǎng)”為核心的復(fù)合生態(tài)凈化技術(shù)體系，在生態(tài)前置庫采用扦插拋種結(jié)合方式引種耐鹽沉水植物和構(gòu)建近自然生態(tài)浮島，表面流濕地種植蘆葦并在底層布置改性填料，在清水涵養(yǎng)塘堆壘人工島并投加水生動物和布設(shè)自然能造流系統(tǒng)，同時利用岸灘濕地富余空間構(gòu)建太陽能供電系統(tǒng)，形成內(nèi)循環(huán)流動，以此快速改善水質(zhì)；在濕地植物生長期，通過對涵管閥門的人工控制，使得濕地處于穩(wěn)定低水位，促進(jìn)種苗發(fā)育生長，當(dāng)濕地植被逐漸生長并適應(yīng)環(huán)境之后，打開閥門再次引入潮汐，以促進(jìn)鹽沼結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)育，并進(jìn)一步發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。長期運行表明，該技術(shù)能夠有效促進(jìn)鹽沼生長，使植被抗自然災(zāi)害能力增強(qiáng)，并進(jìn)一步改善水質(zhì)，且具有抑制藻類水華的能力。研究及后續(xù)的鸚鵡洲生態(tài)濕地實踐顯示，針對侵蝕岸段采取人工干預(yù)與自然演替相結(jié)合的復(fù)合技術(shù)可實現(xiàn)鹽沼植物快速恢復(fù)，并為底棲動物、幼魚及蝦蟹等提供良好生境，是較為可行的快速恢復(fù)受損岸段，改善近岸水域水質(zhì)的工程手段。

侵蝕岸段；生態(tài)恢復(fù)；水位調(diào)控；植被

海岸帶是陸地海洋相互作用的地帶，且是中國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要區(qū)域。近年來由于自然侵蝕[1]、氣候變化、城市擴(kuò)張以及人口增長[2]，海岸帶資源受到了嚴(yán)重的破壞，面臨濱海濕地面積大幅減少、生態(tài)功能退化、漁業(yè)資源下降、水體環(huán)境質(zhì)量惡化等問題，亟需對海岸帶實施以生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)為目標(biāo)的生態(tài)整治修復(fù)[3]。在我國，最先提出的海岸帶整治修復(fù)主要針對受自然侵蝕或者過度開發(fā)利用而受損的岸段，通過空間整理、淤積防護(hù)、侵蝕防護(hù)、沙灘養(yǎng)護(hù)等工程措施修復(fù)海岸帶空間形態(tài)和自然景觀，提升防災(zāi)能力。2010年以來，我國日益重視海岸帶生態(tài)保護(hù)，在開發(fā)利用海洋空間的同時，海岸帶生態(tài)整治修復(fù)成為工作重點，主要針對受損、退化、服務(wù)下降的海岸帶區(qū)域，采取適當(dāng)人工干預(yù)措施保護(hù)岸線免受侵蝕并維持空間形態(tài)穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上利用生態(tài)工程技術(shù)手段修復(fù)濱海生態(tài)系統(tǒng)景觀，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的完整性并促進(jìn)自然演替，進(jìn)而發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[4]。

本研究所在區(qū)域杭州灣北岸奉賢段（N 30°49′42，E 121°34′15），受科氏力影響，是典型侵蝕岸段，局部受損嚴(yán)重區(qū)域植被消失，鹽沼轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉃８鶕?jù)前期現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，部分點位TN（總氮）、NH3-N（氨氮）和Chl-a（葉綠素a）含量高，水質(zhì)遠(yuǎn)低于四類海水標(biāo)準(zhǔn)，且富營養(yǎng)化趨勢明顯。為此，在國家海洋局海域使用金返還項目資金支持下，啟動了“杭州灣北岸整治修復(fù)奉賢岸段示范項目”，擬在現(xiàn)有保灘工程的基礎(chǔ)上，結(jié)合碧海金沙東庫區(qū)實際情況，營造復(fù)合型濕地，進(jìn)一步提升近岸水域水質(zhì)，發(fā)揮生態(tài)功能，為海岸帶生態(tài)整治修復(fù)提供實踐經(jīng)驗。具體工程目標(biāo)為通過工程措施快速恢復(fù)本地鹽沼濕地植被，并修復(fù)水質(zhì)達(dá)到三類海水標(biāo)準(zhǔn)。

1 國內(nèi)外研究及實踐現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的海岸帶防護(hù)工程以滿足防災(zāi)減災(zāi)需求為目標(biāo)，大多采用混凝土構(gòu)件或拋石等水工結(jié)構(gòu)建設(shè)，較少考慮對海岸帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)，造成不同程度的破壞[5]。在我國，應(yīng)對海岸侵蝕主要采取結(jié)構(gòu)性措施包括硬質(zhì)結(jié)構(gòu)和軟防護(hù)結(jié)構(gòu)兩種[6]，其中硬質(zhì)結(jié)構(gòu)對近岸生態(tài)的破壞作用較為明顯。荷蘭等國為增加岸段的韌性與生態(tài)功能，充分利用濕地，結(jié)合水閘、防護(hù)結(jié)構(gòu)等設(shè)施，融合水利工程和生態(tài)工程實現(xiàn)保護(hù)目標(biāo)[7]；比利時Schelde河口建設(shè)低于風(fēng)暴潮水位的外堤，依靠滯洪區(qū)營造出濕地生境[8]；美國舊金山灣索諾瑪海灣濕地修復(fù)項目、紐約Jamaica灣修復(fù)項目等在潮間帶結(jié)合基底修復(fù)恢復(fù)鹽沼濕地，不但可防護(hù)海岸侵蝕，而且可形成可供居民感受自然的空間[4]。近年來，活生命海岸（living shorelines）技術(shù)逐漸受到重視，主要在鹽沼外緣構(gòu)建牡蠣礁、巖床等生態(tài)工程設(shè)施，提升基底穩(wěn)定性，以應(yīng)對海平面上升和極端天氣增加帶來的風(fēng)險，局部高風(fēng)險區(qū)域則通過構(gòu)建由障壁島、牡蠣礁、鹽沼組合而成的復(fù)合系統(tǒng)，削減風(fēng)浪對岸線的侵蝕作用并發(fā)揮生態(tài)功能[9]。

2 杭州灣北岸奉賢段濕地恢復(fù)設(shè)計與實施效果

2.1 總體布置與工藝設(shè)計思路

針對工程區(qū)自然濕地退化，來水懸浮物質(zhì)含量較高，氮磷污染嚴(yán)重的特點，以恢復(fù)濕地植被、形成自然景觀、獲取優(yōu)質(zhì)海水為目標(biāo)，通過水位調(diào)控、基底修復(fù)等方法，達(dá)到在岸灘區(qū)恢復(fù)本地濕地植物的目的。主要通過構(gòu)筑生態(tài)壩，阻止海浪的直接沖刷，起到相對獨立封閉的目的，生態(tài)壩與海塘主堤、庫區(qū)隔堤之間形成一塊約6 000 m2的復(fù)合型濕地區(qū)，共有三個核心生態(tài)功能區(qū)（圖1）。

1. 復(fù)合濕地分區(qū)平面圖

濕地內(nèi)部利用太陽能水泵形成內(nèi)循環(huán)，采取以“生態(tài)沉淀—強(qiáng)化凈化—生態(tài)恢復(fù)—清水涵養(yǎng)”為核心的多級生態(tài)凈化設(shè)計理念，構(gòu)建以“生態(tài)前置庫工程—葦草型表面流人工濕地水質(zhì)強(qiáng)化凈化工程—清水涵養(yǎng)區(qū)水質(zhì)生態(tài)修復(fù)工程”為核心的復(fù)合生態(tài)凈化技術(shù)體系（圖2）。其中，生態(tài)前置庫通過種植沉水植物和構(gòu)建近自然生態(tài)浮島來吸收水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，并在植物根部吸附懸浮物質(zhì)。表面流濕地來水為生態(tài)前置庫出水，底部布置改性填料，通過植物、微生物、基質(zhì)的復(fù)合作用對生態(tài)前置庫出水進(jìn)行深度凈化，去除氨氮、無機(jī)磷、有害藻類等，在清水涵養(yǎng)塘處調(diào)控水位，種植沉水植物，并投加貝類濾食水中藻類。

2. 復(fù)合型濕地設(shè)計工藝思路

2.2 分區(qū)設(shè)計

（1）生態(tài)前置庫。生態(tài)前置庫為不規(guī)則狹長形，面積約為520 m2，平均水深為1.5 m，停留時間為12 h。水體表面設(shè)置80 m2的近自然浮島，并懸掛彈性填料。前置庫底泥表層覆蓋種植土層，采取扦插和拋種相結(jié)合的方式引種川蔓藻和狐尾藻等耐鹽沉水植物（圖3），在初始低水位條件下拋投碎石，碎石層厚度10 cm，有利于沉水植物能夠快速穩(wěn)定生長。前置庫植被恢復(fù)后，在自然沉降、填料吸附和植物根系的綜合作用下，可去除來自水中的懸浮物和營養(yǎng)物質(zhì)。

3. 前置庫中的耐鹽狐尾藻

（2）表面流濕地。表面流濕地占地面積480 m2，平均水深20 cm，平均停留時間為4.8 h，來水為前置庫出水，并均勻進(jìn)入表面流濕地。基底以上覆蓋40 cm改性種植土層，種植土層以上覆蓋30 cm改性填料層。蘆葦是能快速生長的本地物種，并且地上部分具有較高的氮儲存能力，因此挺水植物以蘆葦為主，植被初植密度達(dá)到20株/m2以上。將種苗直接移植在基質(zhì)中，種植后控制濕地水位在填料層以上5～10 cm。出水水位控制在3.5 m，并通過PVC管道進(jìn)入清水涵養(yǎng)塘。

（3）岸灘自然濕地。岸灘自然濕地面積為2 500 m2，采用營養(yǎng)基質(zhì)對自然濕地表層20 cm土壤進(jìn)行改良，同時投加微生物菌劑。高程較低部分種植400 m2的海三棱藨草（圖4），其間鑲嵌種植100 m2海三棱藨草；高程較高位置種植1 900 m2的蘆葦，鑲嵌種植燈心草100 m2、糙葉苔草100 m2。為防止水流侵蝕，采用松木樁對種植區(qū)域基質(zhì)進(jìn)行圍護(hù)，為植物生長創(chuàng)造更好的基質(zhì)條件。利用岸灘自然濕地構(gòu)建了太陽能供電系統(tǒng)，為內(nèi)循環(huán)水泵和自然能造流系統(tǒng)提供電力。

4. 岸灘自然濕地中的海三棱藨草

（4）清水涵養(yǎng)區(qū)。清水涵養(yǎng)區(qū)（圖5）面積2 500 m2，底標(biāo)高1.5 m，平均停留時間為120 h。清水涵養(yǎng)區(qū)和外壩水體之間設(shè)置涵閘，水位可以通過涵閘調(diào)控。利用原位土方堆壘一座200 m2的人工島，布設(shè)三處面積共360 m2的近自然浮島，其上種植蘆葦?shù)塞}生植物；投加水生動物螺、貝類、魚類等共100 kg，抑制水體中藻類增殖；布置兩套自然能造流系統(tǒng)，使清水涵養(yǎng)區(qū)水流充分均勻，使水體更好地復(fù)氧，促進(jìn)水中微生物、水生動、植物的生物活性，降低各類污染物的濃度，使水體達(dá)到再利用的標(biāo)準(zhǔn)。棧橋蜿蜒貫穿涵養(yǎng)區(qū)，可以使人們近距離感受濕地景觀，發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能。

5. 清水涵養(yǎng)區(qū)

2.3 實施效果

2014年8月份建成后初期循環(huán)運行，運行水量500 m3/d，按運行順序依次分為清水涵養(yǎng)塘、生態(tài)前置庫和表面流濕地，出水返回清水涵養(yǎng)塘。濕地水源來自于外壩水體，利用清水涵養(yǎng)塘閘門進(jìn)行水位調(diào)控。2014年8月-2015年7月，在濕地植物生長期調(diào)控水位維持3.0～3.2 m，為種苗提供適宜的非淹水生境，使其快速生長；2015年7月以后，濕地植被成熟，開啟清水涵養(yǎng)塘閘門，引入自然潮汐，形成潮汐水位變化，達(dá)到在岸灘區(qū)恢復(fù)本地濕地植物、促進(jìn)濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)育的目的。

總體而言，截至2014年7月中旬，對于濕地恢復(fù)區(qū)內(nèi)2013年已試種蘆葦?shù)膮^(qū)域（約占恢復(fù)區(qū)總面積70%），植物生長良好，蓋度達(dá)到80%（圖6）。從9月份以來的植物生長情況來看，恢復(fù)區(qū)整體蓋度已接近80%，新種區(qū)域海三棱藨草、糙葉苔草、藨草生長情況良好，部分區(qū)域蓋度也達(dá)到70%以上（圖7）。在濕地恢復(fù)期間，還遭遇了兩次極端惡劣天氣侵害，潮水翻越外壩，整個復(fù)合型濕地持續(xù)淹沒達(dá)10 h以上，水深超過1 m，并且在此期間，海流在風(fēng)浪作用下還具有較大的擾動。事后對現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，濕地植被和基底沒有大規(guī)模破壞跡象，僅有個別邊坡被侵蝕。結(jié)果表明濕地植被恢復(fù)后，具有很強(qiáng)的抗自然災(zāi)害的能力。

6. 植被蓋度變化圖

7. 2014年9月2日濕地現(xiàn)場圖

2014-2017年復(fù)合型濕地連續(xù)運行，在此過程中開展持續(xù)監(jiān)測，通過對濕地各單元進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測并進(jìn)一步測算發(fā)現(xiàn)，濕地的DIN（溶解態(tài)無機(jī)氮）去除能力平均值為0.19 g·m-2·d-1，DIP（溶解態(tài)無機(jī)磷）為0.039 g·m-2·d-1，其中生態(tài)前置庫對DIN的平均去除率為81.8%。與外部海域相比較，經(jīng)復(fù)合型濕地處理，DIN均值由劣四類降至二類以上，DIP由三類降至二類以上[10]。另一方面，在濕地運行后，水體中的藻類群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化。占據(jù)浮游植物密度68.1%的旋鏈角毛藻消失，微小原甲藻則占據(jù)優(yōu)勢。運行期間，外壩水體爆發(fā)水華，但濕地內(nèi)部并未出現(xiàn)水華現(xiàn)象，這與濕地的藻類結(jié)構(gòu)改變密切相關(guān)，也從側(cè)面展現(xiàn)出復(fù)合型濕地具有抵御水華的能力。

3 海岸帶侵蝕岸段濕地恢復(fù)策略建議

為免受風(fēng)暴潮和洪災(zāi)的影響，各大沿海城市都積極整治修復(fù)岸線，并興建了大規(guī)模的堤防工程。然而，所形成的沿海“新長城”不具備生態(tài)服務(wù)功能，對當(dāng)?shù)厣锒鄻有栽斐闪瞬煌潭鹊挠绊慬10]。為了應(yīng)對人類活動和自然壓力帶來的挑戰(zhàn)，應(yīng)當(dāng)反思以往由鋼筋混凝土構(gòu)建的硬質(zhì)邊界存在的生態(tài)問題，考慮是否可以重塑人與自然之間的邊界，即通過精心設(shè)計的工程措施，再加上生態(tài)系統(tǒng)的自組織，使之成為同時具有抵抗力和彈性的活生命系統(tǒng)。

基于上述理念和奉賢岸段示范工程取得的實踐經(jīng)驗，以華東師范大學(xué)為技術(shù)支撐，在2015年度中央海域與海島保護(hù)資金的支持下，進(jìn)一步實施了“金山城市沙灘西側(cè)綜合整治及修復(fù)工程”。在金山濱海景觀區(qū)構(gòu)建總面積約23.2 hm2的濱海生態(tài)空間—鸚鵡洲生態(tài)濕地[11]（圖8）。該項目主要采取以“工程保灘、基底修復(fù)、本地植物引種、潮汐水動力調(diào)控”為核心的潮灘濕地生態(tài)恢復(fù)技術(shù)，重構(gòu)與恢復(fù)海岸帶潮灘鹽沼濕地景觀；同時基于“生態(tài)沉淀—強(qiáng)化凈化—清水涵養(yǎng)”為核心的技術(shù)理念，構(gòu)建生態(tài)凈化單元修復(fù)水質(zhì)；并導(dǎo)入空間規(guī)劃設(shè)計技術(shù)，促進(jìn)恢復(fù)濕地與人工濕地的緊密融合，構(gòu)建形成“生態(tài)保護(hù)—水質(zhì)修復(fù)—景觀游憩”為一體的城市濱海生態(tài)空間。該項目于2017年底開始免費向市民開放，已成為當(dāng)?shù)厥忻窀惺軡竦亍⒂H近海洋的好去處。從鸚鵡洲生態(tài)濕地4年多的運行情況來看，通過濕地不同單元的協(xié)同凈化作用可以實現(xiàn)對來水中污染物的有效去除，DIN和DIP去除率均達(dá)到50%以上，SS（懸浮固體）的平均去除率為60%[12]；濕地整體表現(xiàn)為碳匯，其平均增溫潛勢（GWP）達(dá)到-17.6 umol·m-2·s-1[13]。此外，園內(nèi)觀測并記錄到近70種野生鳥類，吸引到國家一級保護(hù)動物黃胸鹀，國家二級保護(hù)動物震旦鴉雀、鴛鴦、紅隼、燕隼、鶚等。

8. 鸚鵡洲濕地生態(tài)單元示意圖

以杭州灣北岸為例，長期的基底侵蝕和外源污染造成了海岸帶濕地等生態(tài)系統(tǒng)的退化消失。針對上述外部干擾問題，必須通過人工干預(yù)的方法才能確保在較短時間恢復(fù)岸線植被，為生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)創(chuàng)造條件。在人工干預(yù)實施整治修復(fù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)為自然演替過程預(yù)留空間，提供基于自然的解決方案（naturebased solution）。針對侵蝕岸段生態(tài)整治修復(fù)問題，杭州灣北岸奉賢岸段整治修復(fù)項目取得了構(gòu)建“大型復(fù)合生態(tài)斑塊”（large composite patch）的重要經(jīng)驗，即在外側(cè)設(shè)置生態(tài)堤減少波浪侵蝕，結(jié)合基底修復(fù)和地形塑造形成高位鹽沼濕地和低位淺塘，并在生態(tài)堤下部設(shè)置涵管連通淺塘和外側(cè)海域；在濕地植物生長期，通過對涵管閥門的人工控制，使得濕地處于穩(wěn)定低水位，促進(jìn)種苗發(fā)育生長；當(dāng)濕地植被逐漸生長并適應(yīng)環(huán)境之后，打開涵管閥門，再次引入潮汐，這樣就能促進(jìn)鹽沼濕地結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)育，并進(jìn)一步發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

4 結(jié)語

針對杭州灣北岸侵蝕岸段的實踐顯示，構(gòu)建復(fù)合濕地是較為可行的快速恢復(fù)受損岸段，改善近岸水域水質(zhì)的工程手段。采取人工干預(yù)與自然演替相結(jié)合的方式，構(gòu)建“大型復(fù)合生態(tài)斑塊”，可實現(xiàn)鹽沼植物快速恢復(fù)，植被覆蓋度在一年內(nèi)達(dá)到70%以上。連續(xù)監(jiān)測結(jié)果顯示，氮、磷指標(biāo)較開放水域提升一個級別以上，系統(tǒng)還可以抑制藻類增殖避免水華發(fā)生，從而為底棲動物、幼魚及蝦蟹、鳥類等提供良好生境。