典型高山堰塞湖湖滨带和缓冲带的划定及生态修复思路——以镜泊湖为例

谢自建， 魏伟伟*， 李春华， 叶春， 王昊

1.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室， 中国环境科学研究院2.国家环境保护湖泊污染控制重点实验室， 中国环境科学研究院

湖滨带是指湖泊流域中陆地生态系统与水域生态系统间的生态过渡带，是在湖泊水动力和周期性水位变化等环境因子的作用下，形成的以水文过程为纽带、以湿地生物为特征的水陆生态交错带[1-2]。湖滨带分布范围为湖泊的最低水位线延伸到湖岸湿生植物消失的区域，包括水向辐射带、水位变幅带和陆向辐射带。作为湖泊生态系统的重要组成部分[2-3]，湖滨带对维持湖泊生态系统的结构和功能起着积极的影响。缓冲带是人为设置的由湖滨带的陆向辐射带上边界向陆域扩展一定宽度的隔离生境，是从湖库管理角度划定的缓冲或减轻人类活动和自然过程对湖泊、水库干扰的区域，其范围根据不同水体的实际情况有所差别，一般宽度在几十米到几公里不等[4-5]。缓冲带作为湖泊外围的保护带，是以绿色流域建设和协调发展为理念，在湖滨带的外围设立一定区域，建立流域经济发展区与自然湖泊间的过渡区，以有效拦截、净化陆域污染物，减缓人类开发活动对湖泊的压力，保护湖泊生境。湖滨缓冲带由湖滨带和缓冲带组成[1,5]，是湖库水体与陆地之间的过渡带和隔离缓冲空间。近年来，由于我国湖库流域点源污染逐步得到控制，面源污染占比增大，湖滨缓冲带的划定和生态修复成为改善湖库生态环境质量、实现生态增容的重要手段，对维护湖库生态系统的安全和稳定具有重要意义[6-7]。

我国湖滨缓冲带概念始于“九五”期间，经过不断的推广应用，从最初的模糊概念逐步发展为一系列理论及成套技术，并在我国湖泊生态保护修复中发挥了重要作用[8-11]。目前，湖滨带和缓冲带的划定主要在太湖、巢湖等平原型湖库开展[11-12]，有关高山堰塞湖等山地型湖库湖滨缓冲带划定的研究鲜见报道。平原型湖库湖滨缓冲带多因人类活动影响而遭到破坏，而山地型湖库自身具有生境结构单一、土壤侵蚀严重等特点，其湖滨缓冲带多因自身生态退化而受到破坏，因此，开展山地型湖泊的湖滨缓冲带划定并提出生态修复思路更具有迫切性和必要性。笔者以典型高山堰塞湖——镜泊湖作为研究对象，通过资料收集和野外勘察，对镜泊湖湖滨缓冲带进行划定，探明区域内湖滨带和缓冲带的特征及生态环境存在的主要问题，提出镜泊湖湖滨缓冲带生态修复思路，旨在为镜泊湖流域水环境保护和水生态修复提供依据。

1 研究区概况与技术路线

1.1 研究区概况

镜泊湖位于黑龙江省东南部宁安市境内，是中国最大、世界第二大火山熔岩高山堰塞湖，是国家5A级风景名胜区、世界地质公园，流域总面积为 11 665 km2。镜泊湖流域内有近30条河流，年均流入量为90.8 m3/s，年均径流量为28.7×108m3，其中牡丹江是湖水主要来源[13]。湖泊南北长45 km，东西最宽处达6 km，平均水深为13.8 m，面积为79.3 km2。湖泊多年平均水位为347.95 m；最高水位为354.43 m，多出现在8—9月；最低水位为339.17 m，多出现在3—4月[14-15]。

流域土壤类型主要是基性岩火山石质土和暗棕壤火山灰石，流域内典型植被是红松针阔叶混交林和以蒙古栎为主的次生落叶阔叶林，植被覆盖率达68%[16-17]。流域主要土地利用类型包括耕地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地等，2000—2010年，耕地和建设用地面积分别由232.2和16.4 km2增至277.1和29.3 km2，而林地和草地面积则分别由 1 144和107 km2降至 1 133 和31.3 km2。由于冻融侵蚀、雨水冲刷和湖水冲击作用，流域内水土流失严重，水土流失面积达 5 000 hm2，水土流失加重面源污染，给区内生态系统带来不同程度的危害[18]。此外，近年来镜泊湖湖滨区域大型水生植物生物量和多样性明显下降[19]，导致植物吸收、富集的水体污染物量减少。

20世纪中期，镜泊湖水质为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅰ类；由于旅游业发展和人类活动加剧，到80年代水质下降为Ⅲ类，湖面以蓝藻为主的藻类分布面积逐渐增加，最高时占据40%的水面；2018年镜泊湖水质为Ⅳ类，同比水质进一步下降[18,20]。目前，镜泊湖执行Ⅲ类水质标准[21]。

1.2 技术路线

基于资料收集和现场勘察，对镜泊湖湖滨带和缓冲带进行划定，分析区域内的主要生态环境问题，并提出湖滨缓冲带生态修复思路，研究的技术路线如图1所示。

图1 镜泊湖湖滨缓冲带划定及生态修复的技术路线Fig.1 Technology roadmap of littoral zone and buffer zone demarcation in Jingpo Lake and ecological restoration

2 镜泊湖湖滨带类型划分

2.1 镜泊湖湖滨带类型及宽度划定

湖滨带的自然结构一般分为陆向辐射带、水位变幅带和水向辐射带[8]。但基于管理的方便，常选择陆向辐射带和水位变幅带来代表湖滨带的宽度范围。本研究使用陆向辐射带和水位变幅带宽度之和作为镜泊湖湖滨带宽度。通过2018—2019年对镜泊湖湖滨带的实地勘察，结合镜泊湖湖滨带地形地貌、水文条件及滩地分布情况，将镜泊湖湖滨带分成山体型、大堤型、道路型、河口型、村落型和农田型6种类型。

水位变幅带的宽度相对来说比较容易界定，即最低水位线与最高水位线之间的区域。陆向辐射带宽度边界可以认为是从水位变幅带的上缘延伸到陆向喜湿植物消失的边缘，陆向辐射带宽度划定需要确保该区域与湖泊水体有很强的关联性，即延伸部分要实现与湖泊融为一体，而不是中间被道路、山坡、大地等障碍物隔离[1,5-6]。通过文献调研、资料收集和现场调查，确定镜泊湖不同类型湖滨带陆向辐射带宽度划定方法为：1)山体型湖滨带。指湖泊水体直接与山体相邻的湖滨带类型，其陆向辐射带宽度由最高水位线延伸到山脚处。2)大堤型湖滨带。指湖滨带区域建有大堤，其陆向辐射带由最高水位线延伸到大堤背水侧向陆域延伸5～30 m，参照《水利部关于加快推进河湖管理范围划定工作的通知》(水河湖〔2018〕314号)要求，1级堤防防护堤宽度延伸20～30 m，2、3级堤防防护堤宽度延伸10～20 m，4、5级堤防防护堤宽度延伸5～10 m。3)道路型湖滨带。指原岸带空间修建有道路的湖滨带，其陆向辐射带由最高水位线延伸到道路背水侧路基保护范围的边界线。4)河口型湖滨带。指有出入湖库河流、河道的湖滨带区域，其陆向辐射带是以河口中心线和湖岸延伸线交汇处为圆心，以河口宽度为半径的扇形区域，并与其他类型的湖滨带平滑连接。5)农田型湖滨带。指原岸带空间被开垦为农田，永久性或季节性被农田侵占的湖滨带区域。农田型湖滨带陆向辐射带宽度采用历史数据对照法或横向类比法确定，且优先选择历史数据对照法；同时应根据实际情况和发展状况，因地制宜地确定宽度。结合镜泊湖农田分布状况，农田型陆向辐射带宽度应从最高水位线向陆域扩展不少于15 m，最大宽度一般不超过50 m。6)村落型湖滨带。指原岸带空间被村落侵占的湖滨带类型。村落型湖滨带又可分为零星房屋型和集中居住区型，零星房屋型湖滨带陆向辐射带宽度划定方法与农田型相同，采用历史数据对照法或横向类比法确定，且优先选择历史数据对照法，并结合实际情况确定宽度，集中居住区型划至集中居住区边缘。结合镜泊湖村落分布状况，村落型湖滨带陆向辐射带宽度应从最高水位线向陆域扩展不少于15 m，最大宽度一般不超过50 m。

镜泊湖湖盆形态由南向北逐渐加深，湖水呈南浅北深趋势。湖区北部为深水区，湖岸为陡峭的岩石或紧贴山坡，有山体阻隔，景区部分被大堤包围，湖滨带宽度较小，为0～50 m，其中陆向辐射带宽度为0～40 m，水位变幅带宽度为3～6 m；而湖区南部及被镜泊镇包围的湖湾则以浅水区为主，部分深水区在靠岸处也有局部浅水区湖滨带，湖滨带宽度较大，为10～140 m，其中陆向辐射带宽度为10～80 m，水位变幅带宽度为0～60 m。

2.2 镜泊湖湖滨带分布及主要特征

镜泊湖山体型、大堤型、道路型、河口型、村落型、农田型(图2)6种类型湖滨带的分布及特点如下。

图2 镜泊湖不同类型湖滨带分布Fig.2 Distribution of different types of littoral zones in Jingpo Lake

2.2.1山体型湖滨带

湖水毗邻山体，由于湖水长期的冲刷作用，水位变幅带沿线底质以碎石、沙地为主，湖滨区域土壤侵蚀严重，很少有大型水生植物生长。山体型湖滨带主要分布在镜泊湖中部和北部湖岸，长约150.28 km，占湖滨带总长度的78.3%，是镜泊湖湖滨带的主要类型。

2.2.2大堤型湖滨带

镜泊湖部分岸带建有堤岸，且湖水在最低水位时已到达大堤的堤脚或以上部位。由于风浪对基底的持续冲蚀，该区域只有眼子菜、矮生耐寒枯草等少量沉水植物存活。大堤型湖滨带一般建于旅游景区或居住区沿岸，通过堤岸建设保护湖滨带或在湖滨区修建有码头，属非自然岸坡。该类湖滨带长5.91 km，占镜泊湖湖滨带总长度的3.1%。

2.2.3道路型湖滨带

镜泊湖原岸带空间修建有道路，道路多依靠山体，由于长期受到湖水侵蚀，少有大型水生植物生长。道路人为改变了湖滨带的地形地貌和径流状态，一般无法去除干扰和恢复原貌。道路型湖滨带主要分布在镜泊湖中部和北部湖岸，长7.42 km，占镜泊湖湖滨带总长度的3.9%。

2.2.4河口型湖滨带

该类型湖滨带位于河流的入、出湖口，主要地貌特征为河口的边缘处有边滩，前缘有心滩和浅滩，有着复杂的滩地、水面镶嵌结构，大型水生植物种类较多，其中湿生植物以菖蒲、毒芹为主，挺水植物以水蒿、芦苇为主，浮叶植物以两栖蓼、东北菱为主，沉水植物以眼子菜、杉叶藻为主。有些河流因输沙量较大，泥沙堆积在河口，逐渐发育成河口三角洲湿地。有些河流基于人类通航及滨水环境利用的需要，河口处被采用不同方式进行了改造，如河口滩地被开挖，底质被疏浚，河口处水较深，加上过往船舶以及油污染的影响，大型水生植物难以生存。该类型湖滨带零星分布，主要位于镜泊湖南部入湖河口、北部出湖河口，湖滨带长10.21 km，占镜泊湖湖滨带总长度的5.3%。

2.2.5村落型湖滨带

镜泊湖村落型湖滨带与农田型湖滨带交错分布，湖滨区域有大型水生植物分布，其中湿生植物以菖蒲、三棱水葱为主，挺水植物以芦苇、蔺草为主，浮叶植物以东北菱、丘角菱为主，沉水植物以马来眼子菜、杉叶藻为主。村落型湖滨带主要位于南部湖岸，长7.12 km，占镜泊湖湖滨带总长度的3.7%。

2.2.6农田型湖滨带

该类型湖滨带多位于湖湾区域，湖滨带结构复杂，湖湾内水动力条件相对缓和，水质相对较好，有利于大型水生植物的生长，以芦苇、水蒿等挺水植物为主，也有其他大型水生植物分布，但在湖湾间的岬脚下一般形成陡岸深水环境，多块石，不适合大型水生植物生长。农田型湖滨带主要分布在南部湖岸，长10.92 km，占镜泊湖湖滨带总长度的5.7%。

3 镜泊湖缓冲带类型划分

3.1 镜泊湖缓冲带宽度划定原则

湖泊缓冲带宽度的划定需要考虑湖泊流域面积、水功能定位、水体深浅、土壤侵蚀状况、周边土地利用、污染源强度等。1)随着流域面积增大，湖泊面临的压力也会增长，需要的湖泊缓冲带宽度越大。一般将流域面积<10 km2的湖(库)划为小流域类型，流域面积为10 ～1 000 km2的湖(库)划为中流域类型，流域面积≥1 000 km2的湖(库)划为大流域类型。2)按照水功能定位，湖泊可划分为饮用水水源地、非饮用水水源地，饮用水源地相较于非饮用水源地，水功能定位更高，湖泊缓冲区宽度更大。3)按照水体深浅，湖泊可划分为深水湖泊和浅水湖泊(深/浅水湖泊水深界限一般为6 m)，与浅水湖泊相比，深水湖泊需要设置更宽的缓冲带。4)流域的土壤类型及土壤侵蚀强度直接关系到污染物的迁移扩散速率。土壤侵蚀强度越大，污染物迁移速度越快，对湖泊污染越严重，需要的缓冲带宽度也越大。根据镜泊湖的土壤类型及土壤侵蚀强度现状，需设置较宽的缓冲带。5)土地利用类型与流域污染源类型及强度密切相关，污染源强度高的流域应该设置更宽的缓冲带。

镜泊湖流域面积为 11 665 km2，属大型湖泊，湖泊水体功能按照非饮用水水源地考虑，湖区北部为深水湖区，南部湖湾区域为浅水湖区。结合镜泊湖湖滨区域土地利用类型，将镜泊湖缓冲带划分为山体型、农田型和村落型3种类型。通过文献调研、资料收集和现场调查，确定镜泊湖各类型缓冲带的宽度划定方法如下。1)山体型缓冲带。指湖岸边紧邻山体的缓冲带类型，其缓冲带宽度延伸到山脊线处。2)农田型缓冲带。指湖泊岸线向陆向延伸400 m以内具有分片或连片农田的缓冲带类型，该类型缓冲带宽度划定原则：连片农田面积<3.333 hm2时，缓冲带宽度不小于155 m，应因地制宜地设置生态拦截沟渠；连片农田面积为3.333～6.667 hm2时，缓冲带宽度不小于180 m，且设置的农田生态拦截沟渠面积占比不少于农田面积的1%；连片农田面积≥6.667 hm2时，缓冲带宽度不小于230 m，且设置的农田生态拦截沟渠面积占比不少于农田面积的1.5%，其中不少于0.5%的面积为生态水塘或湿地。3)村落型缓冲带。指湖泊岸线向陆向延伸500 m 范围内有村落分布的缓冲带类型，结合镜泊湖村落分布状况，建议村落型缓冲带的宽度设为155 m。

3.2 镜泊湖缓冲带的分布及主要特征

镜泊湖3种类型缓冲带分布如图3所示，各类型缓冲带宽度的划定及主要特征如下。

图3 镜泊湖不同类型缓冲带分布Fig.3 Distribution of different types of buffer zones in Jingpo Lake

3.2.1山体型缓冲带

镜泊湖周围大都被山体包围，又处于土壤侵蚀强烈区域，总体上可把湖体周围第一重山脊作为湖泊缓冲带的边界。山体型缓冲带长度约为205.9 km，是镜泊湖最主要的缓冲带类型，其宽度为80～550 m(水平距离)，估算平均值为260 m，坡面距离按照实际山脚到山脊距离来定，山体第一重山脊距离镜泊湖的斜面平均距离约为436 m。有些区域有多重山丘包围，临近水体的为小山丘，后面有更高的山体，且高山山脚与临水小山丘相连，这种情况下需要把直接能汇入镜泊湖水体的高山坡面也划入湖泊缓冲带范围内。区域内植被类型以落叶阔叶林和针叶阔叶林为主，优势物种包括枫桦、山槐、臭冷杉、红松、紫椴、鱼鳞云杉等。

3.2.2农田型缓冲带

农田型缓冲带主要分布在镜泊湖南部湖区，尤其是濒临镜泊镇的区域。北部湖区有少部分农田区域，但因北部湖区农田区域临界山体，缓冲带划定可参照山体型缓冲带，因此镜泊湖农田型缓冲带划定主要针对濒临镜泊镇区域的农田型缓冲带。镜泊湖岸带农田类型包括水田和旱地，其中水田主要种植水稻，旱地种植的作物包括玉米、大豆、蔬菜等。考虑到湖区南部的连片农田区域面积均大于6.667 hm2，所以镜泊湖农田缓冲带的参照宽度设为230 m。划定结果显示，农田型缓冲带外围长度约为15.8 km。在农田型缓冲带划定时需注意，在坡度≥10°的岸带不能有农田存在，否则缓冲带再宽，起到的保护作用也甚微。在该情况下，首先考虑将临湖200 m范围内的农田全部退出，若近期实施存在困难，则要考虑实施农田面源污染控制氮磷生态拦截沟渠工程。

3.2.3村落型缓冲带

村落型缓冲带主要分布在南部湖区的镜泊镇。因北部湖区村落临界山体，可参照山体型缓冲带划定，因此镜泊湖村落型缓冲带主要针对濒临镜泊镇区域的村落型缓冲带。根据实际调查结果，村落型缓冲带外围长度约4.8 km。对分布在湖区周围的村落型缓冲带，管理上要求至少距离湖岸400 m内的村落设有分散式污水处理装置或者接入城镇污水处理厂管网，否则须将沿湖400 m内村落全部拆除。

4 镜泊湖湖滨缓冲带主要生态环境问题

4.1 湖滨带植被覆盖率低，生物量和多样性锐减

湖滨带植被能减缓陆向入湖水流，特别是洪水的流速，降低洪峰流量，使悬浮颗粒物沉降下来。湿生植物、挺水植物和沉水植物的根系和植株可直接减小风浪袭击湖岸的强度，保护湖岸免受风浪的直接冲刷和侵蚀。同时，植被的持水能力对涵养水源和水土保持也很重要。镜泊湖湖滨带大型水生植物分布稀少，与20世纪80年代相比，挺水植物由原来的33种减少到4种，其他生活型大型水生植物减少了16种。大型水生植物生物量和多样性明显下降，部分临湖滩地常年裸露，难以发挥湖滨带原有功能。

4.2 大面积林地被开垦为农田，阔叶林地面积增加

镜泊湖流域耕地主要分布于流域北部的吉林省敦化市。2000—2015年，镜泊湖流域耕地面积逐步扩大。过量施用的化肥、农药通过径流、土壤侵蚀和淋溶等方式进入水体，造成镜湖泊水环境质量下降。镜泊湖流域(牡丹江市)面源入湖污染负荷中农业种植面源占比最高，其总氮、总磷、氨氮和化学需氧量(COD)占比分别为43.65%、83.42%、73.28%和35.81%。截至2019年5月，牡丹江市东京城林业局有超过 1 655 hm2林地被农田侵占，面积占流域内该局管辖总面积的17%，这些农田多沿湖分布，产生的污染负荷基本直接入湖，给镜泊湖带来很大的污染。此外，现存的林地遭到各种经营活动的干扰和破坏，森林结构发生了很大的变化，常绿针叶林面积缩减，落叶阔叶林面积增加，导致森林群落逆行演替，落叶腐解物入湖造成污染。

4.3 流域内山体土壤侵蚀强烈，暴雨期污染物入湖率高

山体型缓冲带是镜泊湖缓冲带的主要类型。从山体第一重山脊距离镜泊湖的斜面平均距离约为436 m，镜泊湖周围山体沿镜泊湖岸线长度约为205.9 km，则镜泊湖周围山体第一重山脊到镜泊湖岸线汇水区面积约89 km2。镜泊湖处于强土壤侵蚀区，暴雨期由于桃花水、洪水影响，每年会出现3～4 次水量激增峰值，且携带大量污染物的径流在短时间内进入湖泊，易造成水质急速下降。

4.4 流域内村镇无污水处理设施，垃圾乱丢乱堆现象严重

镜泊湖流域在牡丹江境内辖3镇1乡1局，除了景区内有分散式污水处理设施外，其他绝大部分区域都没有污水处理设施，也没有污水截污纳管工程将污水接入污水处理厂。农村生活污水随雨水径流被快速冲刷入湖，影响湖泊水体质量。另外，村落内垃圾随意丢弃在道路、农田、河沟及湖泊周边，对周围环境和湖泊水体造成污染。

5 镜泊湖湖滨缓冲带生态修复思路

针对镜泊湖湖滨带及缓冲带的生境状况，提出其生态修复思路如图4所示。在湖滨带区域，通过恢复大型水生植物群落结构，促进水体生境改善与水生态系统恢复，增加湖泊水环境容量，改善水环境质量。在缓冲带区域，通过实施农田面源污染、农村生活污染治理方案，使污染源达标排放，减少污染物排放量，进而降低污染物入湖负荷量。此外，通过实施环湖山体水土保持措施，减缓融雪期桃花水和暴雨期洪水对湖泊水质的冲击。

图4 镜泊湖湖滨缓冲带生态修复思路Fig.4 Ideas on ecological restoration of littoral zone and buffer zone in Jingpo Lake

6 结论

(1) 镜泊湖湖区南部和北部湖滨带宽度明显不同，湖区北部湖滨带宽度较小，约为0～50 m，湖区南部湖滨带宽度较大，为10～140 m。镜泊湖湖滨带可划分为6种类型，分别是山体型(长150.28 km，占78.3%)，大堤型(长5.91 km，占3.1%)，道路型(长7.42 km，占3.9%)，河口型(长10.21 km，占5.3%)，村落型(长7.12 km，占3.7%)和农田型(长10.92 km，占5.7%)，其中，山体型是镜泊湖最主要的湖滨带类型。

(2) 镜泊湖缓冲带划定参照大型湖泊、非饮用水水源地考虑，其中湖区北部和南部分别参照深水湖区和浅水湖区划定方法划定。镜泊湖缓冲带划分为3种类型，分别是山体型、农田型和村落型，其中山体型缓冲带是镜泊湖最主要的缓冲带类型。

(3) 根据镜泊湖湖滨带和缓冲带类型，结合流域内生境条件、土地利用状况、水文条件及植被分布状况，明确湖滨缓冲带面临的主要生态环境问题，提出镜泊湖湖滨缓冲带生态修复思路，包括湖滨带大型水生植物恢复、环湖山体水土保持、农田面源污染综合治理及农村生活污染控制等。