CN114215000B - 一种基于水系重构的湿地生态修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水系重构的湿地生态修复方法，包括以下步骤：S1、勘察待修复潮滩湿地的植被、地表水特征和地下水特征；S2、构建潮滩湿地的地表水与地下水水动力模型；S3、分析潮滩湿地的地表水与地下水水动力特征，分析湿地植被生长条件和分布特征；S4、根据潮滩湿地水与地下水水动力特征，构建连通潮沟水系和铺设排水暗管。本发明方法主要基于地表水与地下水循环机制，明确湿地水动力特征及植被生长条件，通过增强湿地水动力和改善土壤通气条件，控制、降低潮滩湿地盐度，促进低盐植被复种，实现潮滩湿地生态修复目标。

Description

一种基于水系重构的湿地生态修复方法

技术领域

本发明属于海岸环境保护和生态工程技术领域，具体涉及一种基于水系重构的湿地生态修复方法。

背景技术

海岸潮滩盐沼湿地是地球上生产力最高的生态系统之一，其生态系统功能为人类提供丰富的产品和服务，具有非常高的生态经济价值。近年来日趋增强的滨海湿地开发利用活动显著改变了沿海滩涂自然演变规律，不断增多的垦区、港口、道路、风电场、工业园区使滨海自然湿地逐步破碎化，使原来的生态系统与自然平衡机制不复存在，破坏了滨海区域生物栖息、索饵、繁殖的自然生态环境，严重影响动植物自然演替，导致滨海生物多样性逐步减少，海岸湿地资源迅速缩减，因此需要正确对认识海岸湿地资源和修复潮滩湿地生态，以利于湿地生态系统的可持续利用。

目前，国内外的湿地生态修复工作主要是在生态学原理指导下，以生物修复为基础，结合各种物理修复、化学修复以及工程技术措施，通过优化组合，使之达到最佳效果和最低耗费的一种综合的修复污染环境的方法，可以广泛应用于各类生态系统保护。这种方法目前主要利用控制地表水位对湿地植被进行原位修复。

但是潮滩湿地处于潮间带，地表和地下水位波动频繁，同时海水相对于内陆水含盐量高，潮滩湿地环境对植物种类及分布影响较大。因此，目前针对海陆交界处的潮滩湿地生态修复方法及工作方面还具有较多的空白和不足。

发明内容

解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种基于水系重构的湿地生态修复方法，该方法通过构建地表水与地下水耦合模型，掌握区域水动力特征，评估水系重构组合方案，通过提升潮沟排水性及降低地下水位，改善湿地植被生长水环境，最终实现潮滩湿地植被多样性目标，保护湿地生态。

技术方案：一种基于水系重构的湿地生态修复方法，包括以下步骤：

S1、勘察待修复潮滩湿地的植被、地表水特征和地下水特征；

S2、构建潮滩湿地的地表水与地下水水动力耦合模型；

S3、分析潮滩湿地的地表水与地下水水动力特征，分析湿地植被生长条件和分布特征；

S4、根据潮滩湿地地表水与地下水水动力特征，构建连通潮沟水系和铺设排水暗管。

优选的，步骤S1中勘察待修复潮滩湿地的具体包括对待修复潮滩湿地的植被种类、生长条件的调查，直接获取水位、盐度、流速、流量、降雨量的数值，以及对土壤渗透性的评估。

优选的，步骤S2中所述的潮滩湿地为位于河口或海岸地区，地表水范围宽广，床面以下为饱和水体，地表水与地下水交换以水平形式为主，所述地表水与地下水水动力耦合模型采用二维形式，其中，地表水水动力的控制方程如下所示：

式中：

为偏导函数，V为速度，t为时间，

为拉普拉斯算子，ρ_m为水体密度，P为自由表面压力，r为水体容重，z为水深，υ为运动粘滞系数；

地下水水动力的控制方程如下所示：

式中：F为流体在多孔介质中运动所受阻力项，其用下式表示：

式中：α、β是与多孔介质颗粒的形状、粒径、孔隙率、级配和流体性质有关的常数，n_e为介质孔隙度，C_m为附加质量系数，一般C_m＝0。

该式通过二次项扩展了达西定律，考虑了惯性力作用，当多孔介质中的颗粒较大时，二次项会起到显著的阻尼效应，将该式代入式(2)，可得运动方程：

式中：α、β分别用下式表示：

式中：d为颗粒粒径，d₀＝10mm，基于无弹性释水和均质假定，可建立统一的三维地下水和地表水运动方程：

式中：u、v、w分别为x、y、z向的流速，该方程较方程(1)增加阻力项F(u)，该项反映了空隙介质对水体的阻力效应。

地表水与地下水水动力控制方程联立后，在低渗透系数(渗透系数小于10^-9m/s)的潮滩地区，可简化为下式

式中：g为重力加速度，ξ为水位，n_e为介质孔隙度，n为曼宁系数，q为降雨量或蒸发量，α、β是与多孔介质颗粒的形状、粒径、孔隙率、级配和流体性质有关的常数。

进一步的，对潮滩湿地的地表水与地下水水动力耦合模型进行离散，在低渗透系数的潮滩地区，简化为控制方程公式(10)，具体为采用三角网格剖分的方式对地表水和地下水模拟区域进行剖分，将地表水二维网格覆盖于地下水三维网格之上，保证地表水网格中的节点与地下水网格顶部节点的空间坐标一致，依据地表水与地下水之间的水头差，通过达西定律描述地表水地下水之间的水量交换，在每个时间步长内并行同步求解地表水和变饱和地下水。

优选的，步骤S2构建潮滩湿地的地表水与地下水水动力耦合模型中，当地表水覆盖地下水时，单位面积上的水量增减反映在地表水水位的变化，而当水位低于床面时，水量的增减则通过地下水水头的升降来体现。

优选的，步骤S2中采用耦合模型分别计算每个季度的湿地水动力场，计算时间至少为30天，所述耦合模型构建在地形高程上，需考虑潮滩地区潮沟、沙坎和高滩的分布情况。

优选的，步骤S3中，以30天内最低地下水位线对应的最大非饱和区厚度作为指标，评估不同潮沟形态和土壤渗透系数下的土壤通气条件和潜在的植被影响区域。

优选的，步骤S3中植物生长条件和分布特征的依据为从土壤中非饱和区厚度和含盐量。

优选的，步骤S4中连通潮沟水系是将潮沟延伸进入高滩地区，利用潮沟快速排水特点，促进高滩地区的地下水下降。

优选的，步骤S4中排水暗管采用水平方式布置，布置数量以所在区域的渗透系数相关，且布置原则为不破坏现有滩面地形，所述排水暗管设有防沙滤层，且防沙滤层为土工布，管壁设有孔洞。

有益效果：

与现有技术相比，本发明一种基于水系重构的湿地生态修复方法，通过构建了潮滩湿地地表水与地下水水动力耦合模型，分析海岸地区潮滩湿地植被分布和生长条件，通过连通潮沟水系及铺设排水暗管的方法，促进潮滩高滩地区排水，提高土壤渗透系数，降低地下水位，技术上简单易操作，能够从根本上解决潮滩湿地植被退化问题，降低潮滩湿地盐度，促进低盐植被复种，实现潮滩湿地生态修复目标。

附图说明

图1是本发明一种基于水系重构的湿地生态修复方法的流程图；

图2是本发明的变量分布图；

图3是本发明模型示意图；

图4a是渗透系数为1e-2m/s的非饱和区最大厚度分布图；

图4b是渗透系数为1e-3m/s的非饱和区最大厚度分布图；

图4c是渗透系数为1e-4m/s的非饱和区最大厚度分布图；

图4d是渗透系数为1e-5m/s的非饱和区最大厚度分布图；

图5a是渗透系数为1e-2m/s的最低水位分布图；

图5b是渗透系数为1e-3m/s的最低水位分布图；

图5c是渗透系数为1e-4m/s的最低水位分布图；

图5d是渗透系数为1e-5m/s的最低水位分布图；

图6是高滩区域特征点分布图；

图7是图6中潮滩A点位的地下水位排水过程图；

图8是图6中潮滩B点位的地下水位排水过程图；

图9是图6中潮滩C点位的地下水位排水过程图；

图10a是潮沟延长工程方案图；

图10b是暗管铺设工程方案图；

图11a是实施例方案一工程前最大非饱和区厚度分布图；

图11b是实施例方案一工程后最大非饱和区厚度分布图；

图12a是实施例方案二工程前最大非饱和区厚度分布图；

图12b是实施例方案二工程后最大非饱和区厚度分布图；

图13a是实施例方案三工程前最大非饱和区厚度分布图；

图13b是实施例方案三工程后最大非饱和区厚度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明：

实施例1

如图2所示，一种基于水系重构的潮滩湿地生态修复方法，包括如下步骤：

S1、勘察待修复潮滩湿地的植被、地表水特征和地下水特征；

勘察待修复湿地的植被、地表水和地下水特征包括对该区域植被种类、生长条件的调查，从而直接获取水位、盐度、流速、流量、降雨量的数值，另外通过渗透系数体现对土壤渗透性的评估，改变土壤渗透性就是改变模型渗透系数。

S2、构建潮滩湿地的地表水与地下水水动力耦合模型；

地表水水动力的控制方程如下所示：

式中：V为速度，P为自由表面压力，r为水体容重，ρ_m为水体密度，z为水深，υ为运动粘度系数，均通过测量潮滩湿地获得，另外，

为拉普拉斯算子，

为偏导函数；

地下水流速小于地表水，可忽略对流项作用，其动力控制方程如下所示：

式中：F为流体在多孔介质中运动所受阻力项，具体可表示如下：

该式通过二次项扩展了达西定律，考虑了惯性力作用。当多孔介质中的颗粒较大时，二次项会起到显著的阻尼效应。将式(3)代入式(2)，可得运动方程：

式中：n_e为孔隙率，C_m为附加质量系数，一般C_m＝0。α、β是与多孔介质颗粒的形状、粒径、孔隙率、级配和流体性质有关的常数，可用下式表示：

式中：d₀＝10mm。

基于无弹性释水和均质假定，可建立统一的三维地下水和地表水运动方程：

该方程阻力项F(u)反映了空隙介质对水体的阻力效应。

由于河口、海岸地区地表水范围宽广，床面以下基本为饱和水体，地表水切割含水层较少，与地下水的交换以水平流形式为主，因此对该现象的模拟常采用平面二维模型。对方程(9)沿垂向积分，可得适用于地下水和地表水运动的扩展型浅水方程：

式中：g为重力加速度，ξ为水位，n_e为介质孔隙度，n为曼宁系数，υ为运动粘滞系数，q为降雨量或蒸发量，α、β是与多孔介质颗粒的形状、粒径、孔隙率、级配和流体性质有关的常数。

地下水模型中时间步长与介质导水系数成反比，它明显大于地表水模型时的值，特别在潮汐动力较强的河口区，两者时间步长的差别可达数十倍。在本模型中，暂不考虑渗透介质本身的可压缩性，因此当地表水覆盖地下水时，单位面积上的水量增减反映在地表水水位的变化，而当水位低于床面时，水量的增减则通过地下水水头的升降来体现。由于方程形式类似传统浅水方程的形式，因此本模型采用非结构网格下全隐E-L有限体积差分格式对方程进行离散，该方法计算时间步长不受CFL条件的限制，可增大提高地表水计算中的时间步长，有效克服地表水与地下水模型在时步上的不匹配现象。

在相邻单元共边上重构新的坐标系统：如图2所示，令x方向垂直于单元侧边，y方向平行于侧边，U、V分别表示侧边的法向和切向流速，水位布置在单元格中心。图3为模型立面示意图，其中d1代表滩面至水平面的距离(滩面在水平基面以下时为正，以上为负)，d2为潜水层厚度。

S3、分析潮滩湿地地表水与地下水水动力特征，分析湿地植被生长条件和分布特征；以盐城丹顶鹤国家自然保护区外围滩涂湿地以及条子泥北部梁垛河口湿地为例，基于权利要求书所述耦合模型(10)，将其应用于保护区的潮滩地区，模型考虑潮沟、沙坎和高滩的分布，采用非结构三角形网格形式，在高滩和潮沟附近的网格最小在30m，模型计算时候地表水与地下水同时计算。该区域的潮汐动力特征，每隔30天左右，有一次高高潮，潮水淹没范围最大，此时潮滩基本全部被淹没，随后潮差逐渐减小，非淹没期地下水水位逐渐降低，待下一轮潮水淹没后，地下水位再次提升并接近滩顶高程。土壤中的非饱和区厚度越大，则对于植被根系呼吸提升、雨季淡水的储存、土壤中盐度的降低有较好的作用，进而影响了不同类型湿地植被分布特征。

结合地表水与地下水水动力耦合模型，以30天内最低地下水位线对应的最大非饱和区厚度作为指标，评估不同潮沟形态和土壤渗透系数下的土壤通气条件和潜在的植被影响区域，从模拟结果可以看出：

(1)在潮沟附近的非饱和区分布条件最好，潮沟内地表水的运动速度较快，潮沟内水位随外海水位的涨落能快速响应，并在潮沟壁面两侧形成了有效的水位梯度差，促进了潮滩内高位地下水的排泄。大潮期潮水淹没时通过压力入渗的咸水在下一次大潮淹没前有一定的时间进行排泄，减少了盐分集结和滞留，缓解土壤中的盐度，在雨季可有效的削弱土壤中的含盐量，有利于低盐度植被的生长。

(2)提高土壤渗透系数是降低高滩地区地下水位的重要手段，如图5，对比不同渗透系数下的土壤非饱和区分布也可以看出，如图4，在没有潮沟存在、远离外海的高滩地区，高渗透系数条件下土壤中的非饱和区分布范围更广，这也有利于土壤中盐分的降低。

(3)苏北地区的潮滩往往多以淤泥质为主，因此渗透系数较小，往往在10^-5m/s及以下，因此潮沟两侧非饱和区范围有限，这也导致潮沟两侧高滩大部分时间的含水量较高，盐度较大，利于米草等植被的生长。

(4)如图7-9所示，根据高滩地区A、B和C三点的水位过程可以看出，在大渗透系数下，高滩地区的地下水位可以显著降低，但针对渗透系数为10^-4m/s及其以下的土壤，两次高高潮的间隔期，地下水位下降有限。

S4、根据潮滩湿地地表水与地下水水动力特征，构建连通潮沟水系和铺设排水暗管结合苏北地区的潮滩地质特征，根据潮沟和高滩地区的地下水运动特征，结合潮滩植被根系生长发育的特殊动力需求，提出三个改善水系的方案：潮沟延长、暗管铺排和组合方案。

方案一：潮沟延长方案

通过延伸潮沟进入高滩地区，如图10a，利用潮沟的快速排水特点，促进高滩的地下水下降，在两次高高潮的间隔期，确保充足的时间排出咸水。

从模拟结果可以看出，将潮沟延伸至深槽后，确实提高了高滩的排水能力，原先较慢的地下水流速被提高，并且促进了高滩地下水位的下降。但是由于潮滩的渗透系数较小，引入潮沟的作用范围非常有限，通气条件显著改善的非饱和区也仅仅局限在潮沟附近。

方案二：排水暗管铺设方案

渗透系数的提升也是促进高滩排水的重要手段，该方案考虑在滩面以下铺设暗管，如图10b，以增加地下水在水平方向上的流动，提升地下水的排水效果。通过将暗管引入潮沟内，可在潮沟为低水位的期间快速排水，降低两侧潮滩内的地下水位。本方案选择高滩区域(米草区)布置水平暗管，水平暗管不破坏现有滩面地形，能较好的维持现状地貌。暗管的外侧管壁采用土工布包裹，管壁留有孔洞，地下水可以自由渗入。

对比暗管铺排前后的地下水非饱和区分布可以看出，暗管较好的促进了潮沟附近的地下水汇入潮沟，流量外海，但是由于淤泥质土壤的渗透系数较小，暗管促排有效作用区域也仅仅在潮沟附近。

方案三：潮沟延长和排水暗管铺设组合

结合潮沟和暗管促排的特点，充分发挥两者的优势，同时考虑潮沟延伸和暗管铺排组合工艺。对比工程前后的非饱和区分布可以看出，在潮沟和暗排的双重作用下，排水速度加快，高滩地区的地下水位显著降低，改善了当地的土壤通气条件。在降雨作用下，非饱和区的盐度能够有效的控制并降低，有利于低盐植被(碱蓬)的复种，同时也对高盐植被(米草)的生长起到了一定的抑制作用。

综合方案一、方案二和方案三的模拟分析结果，推荐采用潮沟延伸和暗管铺排的组合工艺对潮滩地下水系进行重新构建，利用两次高高潮之间的窗口期，促进高滩的地下水排泄，增加非饱和区的分布范围和厚度，降低滩面盐分和含水量，为低盐(碱蓬)植被的生长创造条件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于水系重构的湿地生态修复方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、勘察待修复潮滩湿地的植被、地表水特征和地下水特征；

S2、构建潮滩湿地的地表水与地下水水动力耦合模型，所述潮滩湿地为位于河口或海岸地区，地表水范围宽广，床面以下为饱和水体，地表水与地下水交换以水平形式为主，所述地表水与地下水水动力耦合模型采用二维形式，其中，地表水水动力的控制方程如下所示：

式中：

为偏导函数，V为速度，t为时间，

为拉普拉斯算子，ρ_m为水体密度，P为自由表面压力，r为水体容重，z为水深，υ为运动粘滞系数；

地下水水动力的控制方程如下所示：

其中：F为流体在多孔介质中运动所受阻力项，即

式中，α、β是与多孔介质颗粒的形状、粒径、孔隙率、级配和流体性质有关的常数，n_e为介质孔隙度，C_m为附加质量系数，一般C_m＝0，

将式(1)、(2)、(3)联立后，得到潮滩湿地地表水与地下水水动力耦合模型的控制方程，在低渗透系数的潮滩地区，可简化为下式

式中：i表示二维平面横向方向，j表示二维平面竖向方向，

为平均流速，u为流速，x为平面距离，g为重力加速度，ξ为水位，n为曼宁系数，h为水深，q为降雨量或蒸发量；

S3、分析潮滩湿地的地表水与地下水水动力特征，分析湿地植被生长条件和分布特征；

S4、根据潮滩湿地地表水与地下水水动力特征，构建连通潮沟水系和铺设排水暗管，所述连通潮沟水系是将潮沟延伸进入高滩地区，利用潮沟快速排水特点，促进高滩地区的地下水下降；排水暗管采用水平方式布置，布置数量与所在区域的渗透系数相关，且布置原则为不破坏现有滩面地形，所述排水暗管设有防沙滤层，且防沙滤层为土工布，管壁设有孔洞。

2.根据权利要求1所述的一种基于水系重构的湿地生态修复方法，其特征在于：步骤S1中勘察待修复潮滩湿地具体包括对待修复潮滩湿地的植被种类、生长条件的调查，直接获取水位、盐度、流速、流量、降雨量的数值，以及对土壤渗透性的评估。

3.根据权利要求1所述的一种基于水系重构的湿地生态修复方法，其特征在于：对潮滩湿地的地表水与地下水水动力耦合模型进行离散，在低渗透系数的潮滩地区，简化为控制方程公式(10)，具体为采用三角网格剖分的方式对地表水和地下水模拟区域进行剖分，将地表水二维网格覆盖于地下水三维网格之上，保证地表水网格中的节点与地下水网格顶部节点的空间坐标一致，依据地表水与地下水之间的水头差，通过达西定律描述地表水地下水之间的水量交换，在每个时间步长内并行同步求解地表水和变饱和地下水。

4.根据权利要求3所述的一种基于水系重构的湿地生态修复方法，其特征在于：步骤S2构建潮滩湿地的地表水与地下水水动力耦合模型中，当地表水覆盖地下水时，单位面积上的水量增减反映在地表水水位的变化，而当水位低于床面时，水量的增减则通过地下水水头的升降来体现。

5.根据权利要求3所述的一种基于水系重构的湿地生态修复方法，其特征在于：步骤S2中采用耦合模型分别计算每个季度的湿地水动力场，计算时间至少为30天，所述耦合模型构建在地形高程上，需考虑潮滩地区潮沟、沙坎和高滩的分布情况。

6.根据权利要求1所述的一种基于水系重构的湿地生态修复方法，其特征在于：步骤S3中，以30天内最低地下水位线对应的最大非饱和区厚度作为指标，评估不同潮沟形态和土壤渗透系数下的土壤通气条件和潜在的植被影响区域。

7.根据权利要求1所述的一种基于水系重构的湿地生态修复方法，其特征在于：步骤S3中植物生长条件和分布特征的依据为土壤中非饱和区厚度和含盐量。

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