基于多源數據的羊曲水電站人工濕地水質改善效能評估

編者按：黃河流域是我國重要的生態屏障和戰略資源區，其上游地區在保障下游水資源安全和維系流域生態功能方面發揮著基礎性作用。隨著羊曲水電站等重大水利樞紐的建設與運行，區域水文格局、濕地生態過程以及生物多樣性均發生明顯變化。如何在清潔能源開發與生態環境保護之間尋求動態平衡，是全社會普遍關注的核心議題。在國家電投集團黃河上游水電開發有限責任公司的統籌組織與資金支持下，華東師范大學、陜西省動物研究所及其他科研院校、技術團隊等科研人員聯合開展了“黃河羊曲水電站工程濕地生態過程與濕地鳥類的影響評價及適應性研究”，研究成果形成了“監測-模擬-推演-決策”的綜合技術體系，推動了區域濕地生態功能的恢復與優化。本刊擇其主要成果予以集中刊出，以饗讀者。

關鍵詞：人工濕地；水質改善；污染物削減；水文調控；羊曲水電站中圖分類號：X171.1;TV62;TV882.1 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j. issn. 1000-0941.2025.10.004引用格式;楊云峰，梁濤，姚政宇，等.基于多源數據的羊曲水電站人工濕地水質改善效能評估[J].中國水土保持，2025（10） ：15-19.

隨著全球環境問題的加劇，水質污染和生態退化已成為制約眾多地區可持續發展的關鍵問題[1]。在此背景下，濕地因其獨特的凈化功能和多樣化的生態服務，被廣泛視為水資源管理和生態修復的重要途徑。濕地系統不僅能夠改善水質、調節水文過程，還可為生物提供重要棲息地，因而在維系生態安全中具有不可替代的作用。在我國，水電開發雖為能源供應和經濟發展提供了重要支撐，但也伴隨著庫區水質惡化、水生生境喪失及生態功能退化等問題[2]。人工濕地作為一種綜合性生態工程措施，可通過物理沉降、化學吸附及生物作用協同去除水體污染物，并在恢復水生生態系統多樣性和穩定性方面發揮積極作用。特別是在高原地區，人工濕地不僅具備削減洪峰、延緩徑流、調節水文過程的優勢，還能有效提升水質與生態修復水平[3]

羊曲水電站作為黃河上游干流的重要水利樞紐，受工程調控和水體交換率下降的影響，在維護、優化庫區水質和生態環境方面正面臨巨大壓力。為此，本研究基于多源監測數據，對羊曲水電站人工濕地系統的水質改善效能進行定量評估，重點分析其在化學需氧量（COD）、氨氮（ ）和總磷（TP）削減方面的表現，旨在揭示人工濕地在高原河谷地區的水質凈化與生態恢復作用機制，為黃河上游及類似高原地區人工濕地建設與管理提供理論依據和實踐參考。

1 研究區概況

羊曲水電站（在建）位于青海省海南藏族自治州興海縣與貴南縣交界處黃河上游干流的羊曲峽谷段，地理位置 35^°44^′44^′′N ！ 100^°16^′46^′′E ，是黃河上游梯級水電開發體系中的關鍵節點工程，其上游接續班多水電站（距離約 75km （見圖1），下游銜接龍羊峽水利樞紐（距離約 100km ），是黃河上游梯級水電開發的重要組成部分。羊曲水電站是以發電為主、兼具灌溉與生態調度功能的控制性水利樞紐工程，主要由攔河壩體、泄洪系統、引水系統及地下廠房等組成。工程建成后將形成規模較大的水庫，總庫容16.39億 m³ ，正常蓄水位 2 715m ，最大壩高 150m ，對下游水資源配置與生態保護具有重要調控作用。

工程控制流域面積約13.4萬 km² ，地形以沖積扇與階地為主。屬于典型的高原大陸性氣候區，冬季嚴寒干燥、夏季溫涼濕潤，年均氣溫普遍低于 -4°C ，年均降水量不足 312mm ，且集中于6—9月，年蒸發量遠高于降水量。植被類型以檉柳、沙棘、蘆葦等灌叢為主，生態系統敏感，恢復能力較弱

圖1羊曲水電站位置示意

水電站建成后，將形成一定淹沒范圍，改變原自然水文過程，導致部分植被群落退化，水生生物棲息地破碎，水質變化波動明顯，而壩下河段將因生態流量減少、流速減緩，面臨水體富營養化、魚類資源衰退等問題。為應對庫區及壩下水環境退化問題，項目同步規劃建設人工濕地系統 47.45km² ，選取典型灘地、低坡岸段及廢棄河道為載體，構建潛流與表流復合型濕地結構，以達到污染物削減、水質凈化和生態功能提升的協同自標。人工濕地系統主要由沉淀區、凈化區和排水區組成，配套實施生態調蓄、季節性補水及植物群落重建等措施，初步構建高原河谷地區適應性

人工濕地運行機制。

2 研究方法與數據

2.1 數據來源與處理

本研究所使用的數據主要包括水質監測、水文徑流、植被與土地利用數據。水質數據來源于羊曲水電站環境影響評價及2015—2020年的長期生態監測成果，監測點布設于庫區入流口及濕地進出水口，主要監測指標為COD、 NH₄⁺-N 和 TP，采樣頻率為每季度一次，所有監測均嚴格按照國家標準方法實施。水文數據來源于2000—2020年青海水文站多年觀測資料，采用月均流量及其占全年比例來表征徑流過程的季節性，并結合水庫調度資料推算濕地平均水深，以反映濕地運行的水文基礎條件。植被與土地利用數據基于Landsat8OLI遙感影像（ 30m 分辨率）和第二次全國土地調查成果進行分類解譯，并結合2020年野外調查進行修正，從而獲取森林、草原、灌叢和農田等主要植被類型的面積與生物量。部分分析所需的參數與對比資料參考KADLECetal.[4]、VYMAZAL[5]等文獻，同時結合國內人工濕地實測成果進行驗證。所有空間數據在ArcGIS10.6中完成配準與處理，數值計算在Excel軟件和R語言中完成，包括缺失值修正、異常值剔除及均值統計；污染物削減率和等效去除因子作為核心指標，為后續的水質改善效能評估與模型分析提供基礎數據支持。

2.2 研究方法

本研究從污染物削減效能、植被群落貢獻及水文調控等方面對羊曲水電站人工濕地的水質改善功能進行評估。

1）在污染物削減效能評價中，采用污染物削減率η 和等效去除因子 θ 作為核心指標。污染物削減率反映濕地進出水濃度的變化；等效去除因子反映濕地在單位水量條件下對污染物的凈化效率，其值越大，表明污染物的去除效果越顯著。兩者計算公式分別為

式中： C_in?C_out 分別為進水、出水污染物濃度，單位mg/L 。

2）在植被群落貢獻分析中，依據遙感解譯與野外調查獲得的森林、草原、灌叢及農田的面積與生物量，結合相關文獻中植被吸收與固定氮、磷的典型參數，對不同植被類型在濕地系統污染物削減中的作用進行定量對比。通過面積占比與生物量貢獻的綜合評價，識別草原群落的“面源吸收”作用和森林群落的“點源強化”作用。

3）在水文調控分析中，利用多年徑流資料計算月均流量及其占全年的比例，識別汛期與枯水期的時序差異，并結合水庫調度資料評估濕地在不同來水條件下的運行穩定性。通過“汛期攔蓄、枯水期補水”的模式，分析水文過程對濕地生態功能和污染物削減效能的支撐作用。

4）在模型驗證與對比方面，將實際監測結果與一階動力學模型計算值進行比對，并通過敏感性分析檢驗等效去除因子 θ 的適用性。同時，將羊曲水電站人工濕地的污染物削減率與國內外典型人工濕地的研究成果進行對比，評估其在全球經驗框架下的相對水平。

3 結果與分析

3.1植被群落結構與生物量特征

遙感解譯與實地調查結果表明，羊曲水電站人工濕地的植被格局以草原為主，森林與灌叢為補充，農田零星分布（見表1）。其中草原面積達39316.3hm² ，占濕地總面積的 82.86% ，生物量 237492t ，占濕地總生物量的 50.89% ，是濕地系統中最主要的植被類型;森林面積雖僅 2 335.9hm² ，占比不足 5% ，但生物量達 175180t ，占比達 37.53% ，顯示出較高的單位面積生產力；灌叢面積 2 353.4hm² ，多分布于灘地和坡腳區域，生物量 47 068t ，在水土保持與棲息地供給方面作用突出；農田面積 3443.2hm² ，生物量低，占比不足 1.5% ，其作物殘體和耕作活動也在一定程度上參與了濕地物質循環。

表1人工濕地植被類型、面積與生物量

從生態功能角度看，草原群落通過大面積根系吸收和有機碳輸入，為濕地系統提供了穩定的污染物固定能力；森林憑借根際通氣作用，促進氮素的硝化與反硝化過程，并通過高生物量輸入增強了濕地的物質循環;灌叢則在減少水土流失和提供多樣生境方面具有獨特作用。整體上，草原提供了“面源式吸收”，森林提供了“點源式強化”，兩者形成互補，保障了濕地在高原寒旱環境下的生態功能。然而，這些植被功能能否有效發揮，取決于濕地是否具備穩定的水文

條件。

3.2 徑流過程特征與濕地運行條件

多年水文資料表明，羊曲水電站壩下徑流量（以流速表示，下同）具有顯著的季節性波動特征（見表2）。總體來看，黃河上游受高原氣候影響，降水和融雪主要集中在夏秋季，徑流過程呈現“汛期集中、枯水期不足”的格局。具體而言，6一10月為主汛期，月均徑流量在 889～1290m³/s 之間，汛期徑流量占全年徑流量的 70% 以上，其中7月最高，達 1290m³/s ，徑流量占全年總量的 17.22% 。汛期徑流量大、波動幅度強，為人工濕地提供了相對充足的補水條件，但若未加以調控，則極端洪峰可能導致濕地短時過度淹沒，從而不利于挺水植物的穩定生長。與之相對，11月至翌年4月為枯水期，月均徑流量普遍不足 500m³/s ，其中2月最低，僅 165m³/s 。在這一時期，河道補水能力顯著下降，若無額外調蓄，則濕地水位可能出現過度下降甚至干涸現象，導致微生物群落活性減弱、反硝化作用受阻，從而降低濕地對氮素等污染物的削減效率。

表2羊曲水電站壩下多年平均月徑流量及濕地平均水深

此外，徑流分布還表現出一定的年際不均衡性，5月和10月徑流量分別占全年徑流量的 6.99% 和12.76% ，處于汛期起始和結束階段，反映出濕地在迎汛、退汛過渡期的關鍵調節功能。如果在此階段實施合理的水庫調度，例如提前蓄水、延后補水，那么可在一定程度上緩解洪峰壓力，并為枯水期預留生態用水。從運行條件來看，羊曲人工濕地對水庫調度的依賴性遠高于自然條件下的河谷濕地：一方面，合理的汛期攔蓄與分階段下泄可維持濕地水位平穩，避免大起大落的不利影響；另一方面，在枯水期通過生態補水，可保障濕地的基本生態需水，防止植物萎縮和系統功能衰退。這表明，水文過程不僅決定了人工濕地的生態穩定性，也是污染物削減效能能否持續發揮的關鍵外部因素。

3.3水質改善效能與模型驗證

監測數據顯示，羊曲水電站人工濕地在污染物削減方面表現突出（見表3）。在典型運行條件下，進水COD 濃度為 18.20mg/L ，出水濃度為 7.30mg/L ，削減率達 59.9% ： NH₄⁺-N 濃度由 0.68mg/L 降至0.34mg/L ，削減率 50.0% ;TP濃度由 0.12mg/L 降至0.05mg/L ，削減率 58.3% 。由此計算的等效去除因子分別為 0.914.0.693 和0.875，表明人工濕地系統在有機物降解、氮素轉化和磷素沉降方面均具有較強的凈化效能。

表3人工濕地污染物削減效能

從污染物削減機制看，COD的降低主要依賴于濕地基質與微生物群落的協同作用。濕地底部的碎石和土壤基質為異養菌群提供了附著界面，促進了生物膜的形成，加快了有機物的氧化分解過程；同時，植物根系釋放的有機碳為微生物提供了額外能量來源，使COD去除過程更加高效。 NH₄⁺-N 的削減則與植物根際通氣作用密切相關。蘆葦和香蒲等挺水植物能夠通過根系向周圍環境釋放氧氣，形成微好氧帶，促進NH₄⁺-N 的硝化，將 NH₄⁺ 轉化為 NO₃^- ;而在濕地潛流通道的低氧環境中，反硝化細菌進一步將 NO₃^- 還原為氮氣，從而實現氮素負荷的削減。TP的去除主要依賴于兩條途徑：一是植物根系對磷素的吸收與固定；二是顆粒物沉降與化學吸附過程，碎石與沉積物中的鐵、鋁、鈣離子能夠與磷結合形成沉淀物，從而降低水體中 TP 濃度。

在模型驗證方面，將等效去除因子 θ 值代人一階動力學模型進行模擬，得到COD、 NH₄⁺-N 和 TP的出水濃度分別為7.35、0.34和 0.05mg/L ，與實測結果偏差均控制在 ±2% 以內，說明模型能夠較好地解釋濕地的凈化機理和運行穩定性。敏感性分析表明，當 θ 值在 ±0.2 范圍內波動時，削減率區間為 51. 0% ～67.2% ，覆蓋了監測數據的波動范圍，顯示出濕地系統在不同水文條件下依然能夠保持穩定的凈化效能。

與國際典型人工濕地研究結果相比[4-6]，羊曲水電站人工濕地的COD削減率 59.9% 處于全球范圍40%～60% 的上限； NH₄⁺-N 削減率 50.0% 高于多數低海拔人工濕地的平均水平 30%～45% ;TP削減率58.3% 亦與國際經驗水平 40%～60% 相符。這表明，即使在高原寒旱環境下，羊曲人工濕地依然能夠通過合理的植被配置與科學的水文調控實現較高的污染物去除效率，其綜合表現已接近甚至優于部分低海拔地區的濕地系統。

4討論

本研究結果表明，草原與森林是羊曲水電站人工濕地中最主要的植被類型，兩者在污染物削減過程中形成了“面源吸收-點源強化”的互補格局。草原群落以大面積分布為優勢，其根系能夠持續吸收和固定水體中的氮、磷元素，為濕地系統提供穩定的營養物質削減功能；森林雖面積有限，但單位面積生物量高，其根際通氣作用能夠在根區形成微氧環境，有利于硝化與反硝化過程的協同發生，從而強化氮素削減效果。灌叢與農田雖在整體貢獻中占比較小，但其邊緣效應和有機殘體循環也在維持系統多樣性和物質循環方面發揮了重要作用。已有研究指出，植被類型和多樣性是濕地長期穩定運行的核心要素[7-9]，本研究的結論與之相吻合，進一步驗證了高原人工濕地在植被群落配置上的重要性。

多年徑流資料表明，羊曲水電站壩下徑流分布呈現“汛期集中、枯水期不足”的典型特征，導致濕地在天然條件下難以維持穩定水位。通過水電站調度實現的“豐水期攔蓄、枯水期補水”模式，能有效緩解洪峰徑流帶來的水位過高風險，同時能保障枯水季的基本生態需水，使濕地平均水位維持在 0.6～0.8m 的適宜區間。這一結果說明，水文條件不僅能決定濕地植被的生長狀態，也能直接影響污染物削減過程的連續性。郭士林等[\"]的研究指出，水位波動是影響人工濕地氮磷去除效率的關鍵因素，而本研究結果則進一步表明，在高原寒旱地區，水庫調控是人工濕地穩定運行不可或缺的外部條件。

與國際典型人工濕地對比，羊曲水電站人工濕地的COD削減率處于全球范圍的上限， NH₄⁺-N 削減率高于多數低海拔濕地的平均水平，TP削減率與國際經驗水平一致。這表明在科學的植被配置和水文調度條件下，高原寒旱區人工濕地同樣能夠實現與低海拔地區相當甚至更優的污染物削減效能[1I-12]。這一發現具有重要意義：一方面說明人工濕地能夠成為高原地區水電開發背景下的有效生態補償手段；另一方面也為類似區域的水質改善與生態修復提供了經驗借鑒。尤其是在黃河上游梯級水電開發逐步推進的背景下，人工濕地的建設不僅能緩解水質污染壓力，還能提升區域生態系統的整體韌性。

5 結論

本研究以羊曲水電站人工濕地為對象，系統評估了其在污染物削減、植被群落貢獻及水文調控方面的功能表現，并結合國際典型人工濕地案例進行了對比分析，得出以下主要結論：

1）人工濕地在污染物削減方面表現出顯著成效。監測結果顯示，COD、 ΔNH₄⁺-N 和 TP的削減率分別達到59. 9% 、50. 0% 和 58.3% ，等效去除因子分別為0.914、0.693和0.875，表明濕地在有機物氧化、氮素轉化和磷素沉降方面均具備較高的凈化效能，能夠有效緩解庫區及下游的水質壓力。

2）植被群落配置與水文調度是濕地穩定運行的關鍵。草原群落通過大面積根系實現“面源式吸收”，森林群落憑借高生物量和根際通氣提供“點源式強化”，兩者形成互補，能提升系統整體凈化效能。多年徑流分析表明，人工濕地在天然條件下面臨“汛期集中、枯水期不足”的挑戰，水電站調度通過“豐水期攔蓄、枯水期補水”的方式，能有效保障人工濕地的連續性和穩定性。

3）羊曲水電站人工濕地的污染物削減效能與國際典型人工濕地相當甚至更優，表明在合理的工程調控和植被配置下，高原寒旱區人工濕地同樣能夠發揮良好的生態功能。這不僅能為黃河上游水電開發背景下的水質改善提供有效路徑，也能為類似區域的濕地建設與生態修復提供實踐參考。

參考文獻：

[1]付俊峰，楊淑敏，宋炳月，等.人工濕地植被覆蓋對營養物質凈化作用的模擬研究［J].昆明理工大學學報（自然科學版），2024，49（4）：199-210.

[2]胡一棟，閆姝婉，張雅敏，等.黃河羊曲水電站陸生生態影響區域土地類型解析[J].中國水土保持，2024（11）：1-7.

[3］申志新，王國杰，李柯懋，等.黃河龍羊峽上游魚類資源現狀及保護對策[J].水生態學雜志，2014，35（1）：70-76.

[4]KADLECRH，WALLACES.TreatmentWetlands[M].Flori-da：CRC Press，2008：12-16.

[5]VYMAZAL J. Constructed wetlands for wastewater treatment：Five decades of experience[J]. Environmental Science andTechnology，2011，45（1） ：61-69.

[6]BRIX H. Do macrophytes play a role in constructed treatmentwetlands？[J].Water Science and Technology，1997，35（5）：11-17.

[7]段軍邦，閆姝婉，梁濤，等.黃河羊曲水電站陸生生態影響區域的生態補償機制研究[J].中國水土保持，2024（11）：12-15.

[8]雷生鑫，尹鑫，劉何靜，等.黃河羊曲水電站河岸緩沖帶生態安全評價與功能區劃［J].中國水土保持，2024（11）：16-21.

[9]KADLEC R H. Chemical，physical and biological cycles intreatment wetlands[J].Water Science and Technology，1999，40（3） ：37-44.

[10］郭士林，葉春，李春華，等.水位波動對水平潛流人工濕地脫氮效果的影響［J].中國環境科學，2017，37（3）：932-940.

[11］吳海明.人工濕地的碳氮磷循環過程及其環境效應［D].濟南：山東大學，2014：24-26.

[12］余俊霞，陳雙榮，劉凌言，等.復合人工濕地系統對低污染水總氮的凈化效果及其微生物群落結構特征[J].環境工程，2022，40（1）：13-20.

（責任編輯 張緒蘭）