高海拔淡水湖泊群生態(tài)修復技術研究
——以寧武天池高山湖泊群為例

白鈺，程靚，劉倩

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710000）

引言

高海拔淡水湖泊群的形成歷史悠久，其位于高山之中，樹木環(huán)繞、湖水清澈，是珍貴動植物的棲息地與保護地、高山淡水生態(tài)系統(tǒng)的主要載體，也是河流的重要發(fā)源地與水源涵養(yǎng)區(qū)。高海拔淡水湖泊群生態(tài)環(huán)境獨立性強，生物群落特征明顯，保留了大量的原始生態(tài)環(huán)境信息，生物群落單一，環(huán)境承載力低，對外界氣候環(huán)境變化適應能力較弱，針對其開展的保護與研究具有極高價值。高海拔淡水湖泊群與平原湖泊相比，受到環(huán)境的綜合影響較弱，生物多樣性指數(shù)低，群落結構較為簡單，穩(wěn)定性不高[1]，面對水量減少、氣候變化、人為干擾等外界環(huán)境變化時，適應性與自我調節(jié)修復能力較弱[2]。高海拔淡水湖泊的水源多依賴于降水與徑流，水源穩(wěn)定和水量保障是維護其生態(tài)環(huán)境的基本前置條件，過度開采提取與非正常下滲，對于高海拔天然淡水湖泊群影響甚大。由于自身的脆弱性，目前我國淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)污染與退化問題嚴重，在一定程度上失去了系統(tǒng)活力與自我調節(jié)能力[3]。

山西省忻州市寧武天池高山湖泊群是具有高海拔天然湖泊獨特地質、氣候、水文條件的特殊生態(tài)系統(tǒng)，經長期自然演替形成了和湖泊群水情動態(tài)相適應的非地帶性生境。寧武天池高山湖泊群形成于300 萬年前，是具有獨特性的珍貴動植物的棲息地與保護地。以寧武天池高山湖泊群為例，開展對高海拔淡水湖泊群生態(tài)修復技術的研究，可為我國高山湖泊的生態(tài)保護和自然恢復提供寶貴的工程經驗。

1 寧武天池高山湖泊群概況

寧武天池高山湖泊群位于晉西北高原東部邊緣，山巒疊嶂，挺拔高峻，山區(qū)面積達90%左右。該湖泊群發(fā)育在一個大型向斜核部西緣的NNE 向斷裂帶邊緣，由于小型斷層以及構造擠壓、拉張作用，導致流水巖石裂隙、節(jié)理和砂巖巖體向下滲透, 在透水性差的砂質泥巖層頂形成含水層補給湖泊的現(xiàn)象[4]，又由于斷裂帶附近形成了低洼地帶，并在基巖之上出現(xiàn)砂礫石沉積物的堆積，隨著積水不斷增加,最終形成了湖泊[5]。通過對寧武天池高山湖泊群的科學勘探，發(fā)現(xiàn)湖區(qū)沉積物主要以草炭、泥炭、粘土及砂層為主，反映了全新世湖相沉積地層序列[6]，在湖泊演化、地質構造、古生物等方面具有極高的研究價值。

寧武天池高山湖泊群地處蘆芽山風景區(qū)，以蘆芽山天池（別稱“馬營海”）為中心，是中國北方珍貴的高山淡水湖泊群和地質歷史遺跡自然資源。曾發(fā)育了15 個以降水補給為主的天然大小湖泊，包括天池、元池、琵琶海、鴨子海、老師傅海、干海、暖海等，總面積約4km2，處于海拔1771～1849m 之間，蓄水量達800 萬m3[7]。近年來，受降水、地下水等補給要素的影響，寧武天池高山湖泊群水面面積逐漸縮小，水量衰減明顯，多個中小湖泊已干涸，床底沼澤化，僅天池、公海和琵琶海常年有水，生態(tài)屏障脆弱，自然資源流失，亟需科學地進行生態(tài)保護及修復。

2 寧武天池高山湖泊群生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

2.1 水量減少

寧武天池高山湖泊群的水量年內受降水豐枯調節(jié)的影響較為明顯，年際水量總體呈逐年減少趨勢。湖泊群水量的主要補給途徑是降水、地表徑流及地下水，主要排泄途徑有水面蒸發(fā)、湖水滲漏。據(jù)統(tǒng)計，1980～2000 年寧武天池高山湖泊群年滲漏損失量為15 萬～30 萬m3，年蒸發(fā)損失為1100～1200mm，地下水補給量為48.9 萬～75.9 萬m3，徑流補充量為11.8萬～15.8萬m3[8]。對比分析2008～2012 年寧武天池高山湖泊群水量監(jiān)測數(shù)據(jù)（見表1），降雨量的變化對于湖泊水量的影響并不明顯，蒸發(fā)量也不存在明顯變化，因而寧武天池高山湖泊群水量的衰竭并非降水蒸發(fā)量變化引起的。通過對寧武天池高山湖泊群滲漏量和地下水補給量的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，由于礦業(yè)開發(fā)、隧道施工等人類活動造成天池底部隔水底板產生不同程度的裂隙，導致寧武天池水沿基巖裂隙下滲排出，滲漏量大幅度增加。同時，人為工程的擾動破壞了區(qū)域地下水的補給通道，使得地下水補給量減少，湖泊補給能力降低明顯。另外，通過對寧武天池高山湖泊群附近隧道、隧洞和排渣洞的實地調查發(fā)現(xiàn)，隧道、隧洞有多處出水量較大，甚至有幾處出現(xiàn)涌水嚴重的現(xiàn)象，導致湖泊群總水量逐年減少。

表1 2008～2012 年寧武天池高山湖泊群水量監(jiān)測統(tǒng)計表

2.2 植被退化

人類頻繁活動擾動造成的水資源流失，以及自然補給降低造成的水源涵養(yǎng)能力下降，使得大多湖泊面臨干涸缺水的狀態(tài)，自然環(huán)境變遷很大。經過現(xiàn)場調研發(fā)現(xiàn)，寧武天池高山湖泊群水生植物群落共55 種（含變種和變型），分別屬于24 個科42 個屬，包括蕨類植物、雙子葉植物、單子葉植物等。寧武天池高山湖泊群水生植物在特殊的高山環(huán)境下具有鮮明特征，植物區(qū)系的溫帶性質主要體現(xiàn)在屬種水平上，屬在科中的分布表現(xiàn)不均勻，種在科中的分布也不均衡，湖泊群中植物種群結構畸化，穩(wěn)定性差，自然恢復能力差。

寧武天池高山湖泊群水生植物按種群的生活型可劃分為濕生植物、挺水植物、浮葉植物和沉水植物4 種類型。近年來，湖泊群水量減少，大多湖泊面臨干涸缺水的危機，水生植物總量逐漸減少，濕生植物在數(shù)量上占據(jù)了絕對優(yōu)勢，植物群落與植物生態(tài)結構發(fā)生轉變。隨著生境變化，有部分沉水植物在水體較淺處表現(xiàn)為浮葉植物、挺水植物類型，還有挺水植物、沉水植物、浮葉植物轉化為濕生植物（見表2），甚至一些常年得不到水源補充的湖泊邊緣區(qū)域逐漸演化成旱生草地。在湖泊群水量減少的情況下，高山湖泊原始植被退化，植物群落結構也受到了極大影響，傳統(tǒng)的保護保育已不能滿足自然恢復要求，需要遵循湖泊群的歷史生態(tài)輔助再生。

表2 寧武天池高山湖泊群水生植物現(xiàn)狀統(tǒng)計表

3 寧武天池高山湖泊群生態(tài)修復實踐

為保護寧武天池高山湖泊群的原生環(huán)境，治理應以生態(tài)保護為前提，采用針對性強、擾動小的治理措施，在尊重原生環(huán)境的前提下，按照“修復生境條件→恢復水生生物→調控系統(tǒng)結構”的總體修復思路，通過治理滲漏、補給水源、生態(tài)修復、自然保育來修復高海拔淡水天然湖泊群。本研究擬通過同位素監(jiān)測技術確定滲漏位置及流量數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的滲漏裂隙特征，實施具有針對性的治理方案。通過對寧武天池高山湖泊群進行綜合分析與修復，制定水源補給方案，維持湖泊水深，強調物種多樣性的自然選擇和適應進化的生物學屬性，制定科學的植被修復策略等，最終實現(xiàn)豐富湖泊生物多樣性，穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)，提高生態(tài)系統(tǒng)產出率的效果。

3.1 針對巖體特性采取滲漏治理措施

以生態(tài)保護為前提，通過同位素監(jiān)測技術確定滲漏位置及流量數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的滲漏裂隙特征，實施具有針對性的治理方案。如，針對影響巖體結構的滲漏裂隙，采用水下“壁可”注漿堵漏技術；針對水下巖體裂縫，通過橡膠管或注入器向裂縫內低壓（0.3MPa）注入高強度樹脂膠，使膠液注入到裂縫深處，既可解決巖體滲漏問題，又可穩(wěn)固巖體結構的整體性；針對細小滲漏部位，采用天然防滲材料拋擲方案，為避免污染擾動水質，用可水解牛皮紙袋裝填粘土在滲漏區(qū)域多層拋擲，形成0.8～1.0m 的粘土防滲層，拋擲完成后用草木灰和細砂均勻拋灑嵌縫，待牛皮紙袋降解后，經過天然沉降，即可形成一層生態(tài)的防滲層，阻止湖水下滲損失。

3.2 確定經濟可行的水源補給方案

為解決寧武天池高山湖泊群水量減少問題，考慮采用人工補水，維持湖泊水深。根據(jù)湖泊群的各海水量情況，經過綜合分析和現(xiàn)場尋訪，決定對公海、干海、老師傅海、鴨子海、小海進行水源補給，總體方案是通過建設提水設施泵站和引水管網(wǎng)向各海補水。

據(jù)測算，公海需每年人工補水20.5 萬m3，鴨子海、老師傅海、小海和干海每年人工補水31.5 萬m3。根據(jù)湖泊群的地理位置和需水量來選擇水源是補給的關鍵。經充分考慮附近水源的水文、水質、水量及地質情況，設計水源兩處，一處為暖泉溝水庫，另一處為中馬坊河修筑雍水壩，滿足本項目取水需求。通過修筑引水渠將河水引至泵房簡易集水池，配備水泵房及配套設施2 座，提引水管線8.39km，補水面積可達0.91km2。公海海拔較高，規(guī)劃單設一條輸水線路，配備提升能力較強的設備，從泵房提水至公海；鴨子海、老師傅海、小海和干海整體地形平緩，可直接從泵房提水至各海。公海由一號泵站供水，一號泵站引水口高程1778m，提水管線最大地形揚程111m，提水管線長4438m，單次供水量4.1 萬m3。鴨子海、老師傅海、小海和干海由二號泵站供水，二號泵站引水口高程1769m，提水管線最大地形揚程41m，最遠提水管線長3949m，單次供水量6.3 萬m3。

3.3 科學修復湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)

寧武天池高山湖泊群獨特的、相對獨立的生態(tài)系統(tǒng)具有重要研究價值，在其植被修復過程中應綜合分析水生植物物種數(shù)量、科屬種的組成特征，探索生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展過程，并以此作為區(qū)域植物物種多樣性保護和生態(tài)植物修復的基礎。同時，應考慮當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，以及區(qū)域生物多樣性進化歷史，基于物種多樣性的自然選擇和適應進化的生物學屬性，來制定科學的植被修復策略。

植被修復的植物選擇和植被配置應盡量選用湖泊群的鄉(xiāng)土植物，審慎引進外來植物。在現(xiàn)有植被豐富的區(qū)域，要進行原狀保護，不破壞原有生境。結合湖面補水后的設計水面位置，科學配置濕生植物、挺水植物、沉水植物、浮葉植物，注重配置比例、栽植密度，預留植物伸展空間。湖泊群水體較淺，水面較為平靜，基質較厚，可按挺水區(qū)和沉水區(qū)進行植物配置，如挺水區(qū)可栽培蘆葦、菖蒲、水蓼、花葉蘆竹、木賊等；沉水區(qū)可栽植眼子菜、荇菜、川蔓藻、黃花貍藻、黑藻、杉葉藻、狐尾藻等。湖體里天然的浮水植物水葫蘆自身繁殖能力很強，應進行有效的監(jiān)控與無害化處理。另外，應適當補植，豐富湖泊生物多樣性，提高生態(tài)系統(tǒng)產出率，為魚類的自然繁殖和水禽的遷徙越冬提供基礎，并在湖泊岸邊種植蘆葦、荻、柳、水杉等大型植物，使陸地與濕地連成一體，為鳥類繁衍和逃避敵害創(chuàng)造條件。

結論

寧武天池高山湖泊群具有獨特的地質和自然資源特性，對其生態(tài)環(huán)境的保護與修復研究具有極高的價值與意義。建議針對寧武天池高山湖泊群提出綜合的修復技術措施，保護湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，通過治理滲漏、補給水源、修復植被，恢復寧武天池盛景。