一种河口湿地植被生境修复方法

摘要

本发明公开了一种河口湿地植被生境修复方法，按照以下步骤进行：首先，利用水动力模型及泥沙输运模型，计算潮滩涨落潮水动力和地形演化过程，通过科学地设计潮滩潮沟特征，对长度、宽度、深度、形状等做出针对性设计，加强潮滩的功能连通，合理引导潮汐水体进出盐地碱蓬植被区。其次，通过构建的潮滩水文连通生态效应模型，减少潮沟的侵蚀与植被区的泥沙沉积，调节内部水流状况，达到对植被种子的有效定植作用，延长湿地滞水时间，获取最佳的盐地碱蓬植被适宜生境，促进盐沼植物种子定植和自然生长；最后，潮滩上的淹水频次、潮沟形态、地形地貌特征等均会改变植被生长生境条件，包括盐分、水分及营养，进而影响碱蓬植被群落的生长。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋环境保护和生态工程技术领域，尤其涉及一种河口湿地植被生境修复方法，其是一种潮间带湿地植被群落生境水文修复方法，具体地说是一种适于河口潮滩湿地进行“水系连通”的修复盐地碱蓬植被生境的方法。

背景技术

湿地享有“地球之肾”的美誉，具有保护生物多样性、调节径流、改善水质、以及提供食物及工业原料、提供旅游资源等多种功能，对人类生活影响巨大。其中，湿地植物对于维持整个湿地生态系统的平衡具有重要作用，在对退化的湿地生态系统进行恢复时，需要重点关注湿地植物群落的组成、结构状况，恢复湿地植物缓冲带和其特有的生态功能，其对湿地生态系统的恢复发挥着巨大的积极作用。

潮沟作为河口潮滩上海陆相互作用最活跃的微地貌单元，是河口潮滩和外海之间输运沉积物、有机物和污染物以及进行水体交换的通道，对潮水的分配以及泥沙和有机物的供应都起着至关重要的作用。同时潮沟分布形态也直接影响着湿地生态环境变化和植被的空间分布规律，是河口潮滩湿地演变的重要标志之一。

目前，国内外对于湿地植被群落生境修复方法主要包括自然修复法，物理修复法和生态修复法三个研究方向。其中自然修复法是通过自然过程恢复湿地的功能和价值，优势在于低成本以及恢复的湿地与周围景观的协调一致，但是该方法时间长，见效慢。物理方法是目前研究较早，使用普遍也较为简单的方法，常用的物理方法有引流冲污、底泥疏浚等方法，这种方法在短时间内可以看到明显的效果，但是对于长期生境修复则存在工程量大，治标不治本的缺点。而生态修复法是近来兴起发展较快的，发展前景较大的一种方法。这种方法目前主要有利用控制地表水位对湿地植被进行原位修复，通过湿地地形整改和植物配置进行湿地植被生态恢复等手段。

但是，以上方法存有不足：全面性、时效性还有待进一步提高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种河口湿地植被生境修复方法，能够增加湿地微地形结构来改善海陆纵向、潮沟侧向水文连通，改善种子萌发与幼苗存活环境，促进植物定植。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种河口湿地植被生境修复方法，包括以下步骤：

模型建立步骤：结合待修复河口湿地水文资料，建立研究区域范围的近海深度平均二维数值模型，获取现状条件下研究区域范围的涨潮、落潮流场分布情况，并对建立的近海深度平均二维数值模型的参数进行率定验证；所述近海深度平均二维数值模型耦合了二维浅水控制方程、泥沙输移方程和河床变形方程；

潮沟设计步骤：在对近海深度平均二维数值模型率定与验证的基础上，以待修复河口湿地的潮间带碱蓬植被待修复区域为对象，模拟其水动力及泥沙输运状况，分析潮间带碱蓬植被待修复区域的水动力强度，规划多级潮沟的设计参数，包括深度、宽度及弯曲曲率；

潮沟优化步骤：依据所述潮流泥沙模型，优化多级潮沟的设计参数；

水文-植被联合修复模式建立步骤：以搜集到的待修复河口湿地资料与现场调查资料作为源数据，设计不同高程、不同水交换条件的多个人工种植盐地碱蓬试验区，从湿地水文和湿地景观格局的空间配置两方面对研究区进行分析，通过相关关系法与逐步回归分析法，构建试验区内盐地碱蓬量与相应的水文条件、植被种子定植方法的定量关系，构建河口盐地碱蓬湿地“水文-植被”的修复模式。

进一步地，还包括源数据收集步骤：通过资料搜集和现场调查的方式获取待修复河口湿地的相关信息，包括水文信息、地形和植被信息。

进一步地，获取研究区域的水下地形高程和陆上地形高程，利用地形高程信息构建研究区域及邻近海域三角形网格，在此基础上，对研究区域的网格进行常规地形插值获得计算域的地形信息；所述植被信息包括植被面积、高度、株数和盖度。

进一步地，利用RTK或者无人机遥感技术测量研究区域的水下地形高程和陆上地形高程，利用地形高程信息构建研究区域及邻近海域非结构三角形网格，在水平方向上采用不规则三角形网格对地形较复杂的区域进行局部加密，使得植被区和潮沟通道的空间精度不低于1米，在此基础上，对研究区域的网格进行常规地形插值获得近海深度平均二维数值模型计算域的地形信息；利用遥感与现场调查方法获取研究区域的植被信息，包括植被面积、高度、株数和盖度。

进一步地，基于非结构三角形网格，耦合二维浅水控制方程、泥沙输移方程和河床变形方程构建近海深度平均二维数值模型，在所述二维浅水控制方程的源项中加入植被拖曳力项，考虑湿地植被对河口水流运动和泥沙输移扩散的影响。

进一步地，所述近海深度平均二维数值模型在河岸设置为无滑移的固壁边界条件；在开边界给定潮位过程曲线及悬浮泥沙通量；上游河流给定流量边界条件，初始条件采用冷启动方法。

进一步地，在所述模型建立步骤中，对所述近海深度平均二维数值模型的参数进行率定验证的操作如下：基于研究区域的潮位和海流实测数据对所述近海深度平均二维数值模型进行校验和率定，具体操作是通过对大小潮期潮位、速度和流向的计算值和实测值进行对比，验证模型的精度及可靠性。

进一步地，在所述潮沟设计步骤中，在验证模型的基础上，在潮间带碱蓬植被待修复区域附近规划设计不同工况条件下潮沟的形态，包括潮沟数量、潮沟深度、潮沟宽度和潮沟曲率。

进一步地，在所述潮沟优化步骤中，分析各个工况条件下潮滩湿地区域的水动力特征，包括潮滩湿地区流态、流速、流向、泥沙冲淤以及湿地植被区每天的淹水时间；通过对比分析，根据研究区域的水流流态、淹水时间、及地形冲淤变化特征，选取待修复区域潮沟的最佳设计工况。

进一步地，在设计不同工况条件下潮沟的形态时，参考现状条件下的潮沟分布路径、弯曲趋势，对近岸滩涂高程在1m以上的潮沟进行拓宽、疏通，使潮沟与河道或滨海海水相连，保证潮滩湿地植被试验区的水流交换通畅。

进一步地，在所述潮沟优化步骤中，包括以下操作：利用计算的水动力要素和泥沙输移方程计算潮沟的淤积与侵蚀，进行床层厚度变化模拟，若床层厚度值为正值，则潮沟呈现淤积状态，若床层厚度值为负值，则潮沟呈现冲刷状态，设定侵蚀和淤积量低于0.04m/a。

进一步地，在所述水文-植被联合修复模式建立步骤中，所述源数据包括植被面积、高度、株数、盖度信息、潮滩湿地区流态、淹水时间、水体泥沙浓度和景观格局斑块；“水文-植被”的修复模式的具体过程如下：首先利用SPSS软件做水文连通和潮滩湿地植被群落生境的相关关系分析，确定二者存在定量关系；其次，对水文要素与植被群落生境进行多元线性回归分析，确定具体各个因子的影响程度，所述水文要素包括水流流速、流向、水体泥沙浓度以及湿地植被区淹水时间。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明所提供的河口湿地植被生境修复方法，基于湿地植被周围环境因素相互影响相互关联的特点，灵活应用水动力修复模型，利用水文连通变化对湿地生境和生态过程产生的影响，对湿地植被群落生境的修复加入水盐调控，是物质流调控的“水文-植被”联合修复方法。本发明增加湿地微地形结构来改善海陆纵向、潮沟侧向水文连通，改善种子萌发与幼苗存活环境，促进植物定植，突破以前的水文、地形、植被资源的单一调控方法。

附图说明

图1为实施例1辽河口潮沟疏通区域具体位置图；

图2为实施例1辽河口已知的地形信息图；

图3为实施例1辽河口模型计算域范围及计算域内网格分布图；

图4为实施例1潮沟附近的网格加密区域图；

图5a为实施例1G1点潮位计算值和实测值对比图；

图5b为实施例1G3点潮位计算值和实测值对比图；

图5c为实施例1G1点流速计算值和实测值对比图；

图5d为实施例1G1点流向计算值和实测值对比图；

图6为实施例1辽东湾整体海域流场图；

图7为实施例1潮沟疏通局部区域的逐时流场及水位图(t＝2h)；

图8为实施例1潮沟疏通局部区域的逐时流场及水位图(t＝3h)；

图9为实施例1潮沟疏通局部区域的逐时流场及水位图(t＝4h)；

图10为实施例1潮沟疏通局部区域的逐时流场及水位图(t＝5h)；

图11为实施例1潮沟疏通局部区域的逐时流场及水位图(t＝6h)；

图12为本发明实施例1所提供的河口湿地植被生境修复方法的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本发明考虑到河口沿岸滩涂是由河流泥沙填充及潮流挟沙淤落形成的冲积、海积和冲洪积淤泥，潮滩地形地貌发生很大的改变，致使滩涂土壤及水文条件不断发生时空上的动态变化。其中，水文过程对滨海湿地的景观格局至关重要，对河口潮滩湿地的生态系统结构和功能均具有重要影响，其主导了潮滩湿地的基本生态格局和生态过程，是河口潮滩湿地生态系统演替的主要驱动力。基于此，如图12所示，本发明提出了一种河口湿地植被生境修复方法，包括以下步骤：

步骤1，信息收集步骤：选取河口潮间带盐地碱蓬植被待修复区域，利用RTK或者无人机遥感技术测量该区域的水下和潮间带的陆上高精度地形高程，利用地形高程信息构建研究区域及邻近海域三角形网格，即在水平方向上采用不规则三角形网格对地形较复杂的区域进行局部加密，要求植被区和潮沟通道的空间精度不低于1米。在此基础上，对研究区域的网格进行常规地形插值获得模型计算域的地形信息，利用遥感与现场调查方法获取植被面积、高度、株数、盖度等近岸植被信息，以便在数学模型中考虑潮滩盐沼湿地植物对水流的阻碍作用。

步骤2，模型建立步骤，根据步骤1中的信息，基于非结构三角形网格，耦合二维浅水控制方程、泥沙输移方程、河床变形方程构建近海深度平均二维数值模型。模型采用质量守恒的有限体积法离散方程，在动量方程中增加植物拖曳力项(植被拖曳力项加入二维浅水控制方程的源项中，具体可参考方程2-3)，考虑湿地植被对水流运动和泥沙输移扩散的影响。

由Navier-Stokes方程深度平均的二维浅水方程包括连续性方程和动量方程，其具体形式为：

式中：u和v分别为x和y方向上深度平均的流速；h为水深；η为水位；v

悬浮泥沙输运方程：

泥沙沉降通量：

D＝αwC

泥沙上扬通量：

E＝αwc

式中：C是水体中悬浮泥沙浓度，α是一个泥沙恢复饱和系数，w是泥沙沉降速度，c

沉降速度可表达为

垂向平均泥沙输移能力可用下式来计算：

q

底床变形方程：

z是海底床面的高程，P’是海底床沙的孔隙度。

模型在河岸设置为无滑移的固壁边界条件；在开边界给定潮位过程曲线及悬浮泥沙通量；上游河流给定流量边界条件，初始条件采用冷启动方法。

步骤3，潮沟设计和优化步骤，结合步骤2中的数学模型开展模拟工作，首先基于研究海域的潮位和海流实测数据对近海二维数学模型进行校验和率定，具体操作是通过对大小潮期潮位、速度和流向的计算值和实测值进行对比，验证模型的精度及可靠性。在验证模型的基础上，在潮滩湿地植被试验区附近规划设计不同工况条件下潮沟的形态(潮沟数量、潮沟深度和宽度、潮沟曲率)，详细分析各个工况条件下潮滩湿地区域的水动力特征，主要包括潮滩湿地区流态、流速、流向、泥沙冲淤以及湿地植被区每天的淹水时间。通过对比分析，根据研究区域的水流流态、淹水时间、及地形冲淤变化特征，科学合理选取待修复区域潮沟的最佳设计工况，目的是合理引导潮汐水体进出盐地碱蓬植被区，确保湿地植物区水系流动通畅，延长湿地淹水时间，提供营养物质需求，使流场分布较均匀，为河口湿地区域提供最佳的淹水流速，有利于盐地碱蓬种子扩散沉淀，并且能够促进盐沼植物种子在潮滩上的有效定植。具体操作是：参考现状条件下的潮沟分布路径、弯曲趋势，对近岸滩涂高程在1m以上的潮沟进行拓宽、疏通，使潮沟与河道或滨海海水相连，保证潮滩湿地植被试验区的水流交换通畅。其次，利用计算的水动力要素和泥沙模型计算潮沟的淤积与侵蚀，进行床层厚度变化模拟，若床层厚度值为正值，则潮沟呈现淤积状态，若床层厚度值为负值，则潮沟呈现冲刷状态，一般侵蚀和淤积量低于0.04m/a内为适宜。例如，经过长时间序列的模拟计算，如果潮沟在一段时间后，整体床层变化值大部分为正值，则出现较大的淤积或者冲刷，说明潮沟的走向与流体运动不符，需重新对潮沟进行规划设计。

步骤4，水文-植被联合修复模式建立步骤，结合步骤3获得潮滩湿地的水文信息，基于碱蓬植被分布、生境适应性的关联性，提出河口水文调节的生境修复模式。具体操作步骤如下：以搜集到的辽河口湿地资料与现场调查资料包括植被面积、高度、株数、盖度信息和潮滩湿地区流态、淹水时间、水体泥沙浓度、景观格局斑块等作为源数据，从湿地和湿地景观格局的空间配置两方面对研究区进行分析，通过相关关系法与逐步回归分析法，构建水文连通和潮滩湿地的生境格局、关键生态过程的定量关系，获取盐地碱蓬植被最佳水文生境，构建河口盐地碱蓬湿地水文修复模式。具体过程是首先利用SPSS软件做水文连通和潮滩湿地植被群落生境的相关关系分析，确定二者存在定量关系；其次，对水流流速、流向、水体泥沙浓度以及湿地植被区淹水时间等水文要素与植被群落生境进行多元线性回归分析，确定具体各个因子的影响程度。

实施例1

本方法已经在辽河口得到应用。辽河口受辽河径流与外海潮流等作用，形成了众多潮沟、潮滩交替分布的复杂地貌，其中辽河入海口西侧部分潮滩湿地上分布着约400种生物，该区域是沙蚕、天津厚蟹等生物的重要产地，也是丹顶鹤、黑嘴鸥等多种鸟类重要的栖息地。为了达到联合修复目的及相关技术要求，结合辽河口的实际情况，本发明综合运用了水动力模型、泥沙输运模型进行湿地海域潮流场和泥沙输运的数值模拟，通过科学地设计潮沟形态特征，因地制宜地采取潮沟疏通、微地形改造以促进植被恢复等措施，对辽河口进行生境修复，促进该区潮滩湿地的生态环境稳步提升。整个研究工作按照如下步骤进行：

首先，选定潮沟疏通位置。潮沟疏通区域具体位置如图1所示，其所选位置是对滩涂上正在发育的初级潮沟进行疏通，一方面是扩大原有潮沟的疏通宽度，最大疏通至20米，另一方面是利用涨落潮时潮流的冲刷作用，逐渐形成滩涂多级潮滩系统，保持潮滩的自然地貌特征。

然后，利用水动力模型和已知的地形信息(见图2)，采用潮位预报得到的潮位资料，给定开边界的潮位，进行工程附近海域的潮流场计算，完成对潮流场的水位、流速及流向等变量计算，了解研究区域附近海域的水文特征，为本次海岸动力研究提供基础数据。模型设置的过程如下：

结合技术方案步骤2中的数学模型原理及公式，建立本发明海域的数学模型，模型计算域范围及计算域内网格分布见图3，为能清楚了解本发明附近海域的潮流状况，将本发明附近海域进行局部加密，潮沟附近的网格加密区域见图4；本次潮沟疏通长约6000米，宽约5-20米。计算范围主要为辽东湾海域，网格系统采用三角形网格，在距潮沟工程较远的区域采用较大的网格，潮沟附近采用较小网格，同时，潮沟宽阔处网格密度大，分布多，20米宽潮沟可容纳20个网格，5米宽潮沟则平均包含10个网格分布。

根据潮流泥沙模拟技术规范并结合技术方案步骤3，完成对大潮期潮位、流速和流向的验证，具体如图5所示，由图可见，计算和实测潮位过程的高、低潮位及过程线均符合良好，说明数学模型模拟的工程周边海域潮波运动与天然潮波运动基本相似，数学模型采用的边界控制条件是合适的，潮位的模拟结果符合计算精度要求。

接着，进行模型验证：潮沟工程的附近海域主要受到辽东湾整体涨落潮汐的影响。由于本潮沟工程主要位于近岸滩涂区域，涨落潮期以淹没-干出过程为主，因此图6给出了辽东湾整体海域流场图，图7-11给出了潮沟疏通局部区域的逐时流场及水位图。在整个计算域内，流场变化均匀，无突变。参照技术方案步骤4，从流场结果分析得知：潮沟疏通后，其主要位于近岸滩涂区域，主要影响修复区域滩涂的水动力场，对辽东湾整体海域的涨落潮基本无影响；潮沟疏通后，潮滩的涨落潮过程与之前一致，主要以漫滩过程为主，但潮沟内水动力略大。疏通后的近岸潮沟的水动力增强，同时潮沟两侧的漫滩水动力也有所增大，潮滩湿地滞水时间加长，淹水深度加大，促进盐沼植物种子定植和自然生长。

最后，利用泥沙输运模型对潮沟工程海域的整体冲淤变化进行模拟，得到潮沟整体及局部潮沟状态。要求潮沟疏通后，整体上潮沟年均淤积量控制在0.01～0.02m/a之内，其局部冲淤量保持在0.03～0.04m/a左右，其淤积不影响潮滩湿地的贯通性，能够有效引导潮汐水体进出盐地碱蓬植被区，达到湿地植被所需的淹水时间和淹水频次，对植被种子能够提供充足的营养物质，同时对盐沼植物起到有效的定植作用。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。