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抽水蓄能电站岩质边坡消落带生态修复研究

来源：花匠小妙招时间：2025-09-03 10:52

摘要：为解决抽水蓄能电站岩质边坡消落带生境重建和植物遴选难题，在河南天池抽水蓄能电站岩质边坡消落带建立1 001 m2生态修复试验区，采用土工格栅+生态袋+挂网喷播复合技术构建植物生境。基于植物生长特性和水位波动节律，在试验区按照上、中、下三段梯级共配置13种耐淹植物物种，开展植物生长监测和水质监测。结果表明：①试验区乔木实生苗存活率达100%，灌木植物平均存活率为58.7%，植物长势优良排序为消落带上段＞消落带中段＞消落带下段；②试验区三个高程修复段草本植物平均盖度达81.7%，土工格栅+生态袋+挂网喷播复合工程技术在抽水蓄能电站岩质边坡生态修复中能有效保持水土，构筑植物生长生境；③试验区建成后水体总氮浓度消减了25.4%，消落带生态修复能有效消减水体面源污染，发挥生态效益。研究成果可为抽水蓄能电站岩质边坡消落带生态修复提供参考依据。

关键词：天池抽水蓄能电站；岩质边坡消落带；生态修复；植物遴选

中图分类号：X171.4 " " " " " " 文献标志码：A

0 引言

“十四五”以来，中国抽水蓄能行业进入高质量发展新阶段。2022年度我国抽水蓄能装机容量同比增长25.8%，截至2023年12月，中国抽水蓄能总规模超过2亿kW[1-2]。抽水蓄能电站的蓬勃发展对生态环境影响带来了一定影响。近年来，抽水蓄能电站生态环境相关研究取得了一些成果，相关研究多集中于生态风险评价、生态环境影响、水土流失、边坡土壤特征和生态环境协调发展等[3-7]，但对于抽水蓄能电站运行后产生的消落带生态问题关注较少。

受边坡稳定性、水土流失、坡度和地势等限制，抽水蓄能电站边坡在建设过程中一般采取喷锚支护，快速封闭坡面，以保证施工安全[8]，电站建成运行后形成大量的岩质边坡消落带。与常规水电站消落带不同，抽水蓄能电站岩质边坡消落带既存在植物生长困难的问题，又兼有水位波动更加频繁的特性，消落带的生态修复对库区生态环境保护是一项挑战[9-10]。如何快速构建适合植物生长的生境，筛选出耐淹植物物种是抽水蓄能电站岩质边坡消落带生态修复的关键。本文以河南天池抽水蓄能电站岩质边坡消落带为例，开展抽水蓄能电站岩质边坡消落带生态修复研究，以期为抽水蓄能电站库区生态环境保护提供实践经验。

1 试验区概况

1.1 试验区设置

天池抽水蓄能电站位于河南省南阳市南召县马市坪乡境内，电站装机容量为1 200 MW，具有周调节性能，厂房内布置4台单机容量为300 MW单级立轴单转速混流可逆式水泵水轮发电电动机组，电站额定水头510.0 m，设计年发电量峰荷9.62亿kW·h，年抽水耗用低谷电量12.83亿kW·h。电站的开发任务主要是承担河南电网的调峰填谷、调频调相、事故紧急备用和黑启动等。电站上水库建在黄鸭河左岸支流，马蹄河范家沟与炮房沟交汇处的下游，正常蓄水位1 063 m，死水位1 020 m。试验区为上水库右岸扩库岩质边坡，高程范围1 080～1 020 m，宽度11 m，总面积1 001 m2。试验区边坡为岩质边坡，采用混凝土喷锚支护，并修建有三级马道。一级马道高程1 040 m，高程1 040～1 020 m边坡坡度为33.7°，局部存在反坡；二级马道高程1 060 m，高程1 060～1 040 m边坡坡度为36.5°；三级马道高程1 080 m，高程1 080～1 060 m边坡坡度为49.6°（见图1）。

1.2 上水库水位波动节律

上水库水位波动频率高，消落带高程变幅较大。水库正常水位波动规律为日间上涨至高水位，夜间消落至低水位，具体水位依据实际发电调度需求和库水量变化（见图2）。根据2023年4月至2023年12月上水库水位波动数据，高程1 080～1 060 m淹水时间为23 h，高程1 060～1 040 m淹水时间3 617 h，高程1 040～1 020 m淹水时间5 715 h，如图2所示。

1.3 试验区气象

试验区所在的黄鸭河流域属亚热带北部季风湿润、半湿润气候。天池抽水蓄能电站所在马市坪乡的降雨量和气温统计显示，研究区域多年平均气温14.9 ℃，极端最高气温41.6 ℃，极端最低气温-14.6 ℃，多年平均相对湿度72%，多年平均降雨量863.4 mm，降水年际变化较大，年内分配不均匀。

研究区域降雨主要集中在6月、7月、8月，这三个月平均最低气温分别是19、23、22 ℃，平均最高气温分别是29、31、31 ℃。4月份是植物种子萌发、发芽展叶、开花时间，5—8月是植物快速生长的时间，雨热同期有利于植物生物量积累，5月和6月两个月降雨较少一定程度上影响了植物生长。另外，1月马市坪乡平均最低温为-3 ℃，天池抽水蓄能电站上水库海拔比下水库高出526 m，气温更低，消落带修复试验区多年生植物生长能否抵御低温和频繁水位变动的叠加影响，需要进行长时间持续的监测研究。

2 研究方法

2022年8月至2023年4月，完成天池抽水蓄能电站岩质边坡消落带试验区建设及植物种植，2023年5月开始植物生长监测，逐月调查记录每株木本苗木生长存活生长情况，采用精度0.1 cm测高杆和精度1 mm胸径尺分别测量苗木高度和乔木胸径。木本植物存活率取存活数量与栽种总数的比值。草本监测采用样方调查，在三个高程段四角及中间共布设15个大小为1 m×1 m的草本样方，记录草本植物物种及盖度，根据中国植物图像库和《中国植物志》对修复区植物进行鉴定。

2022年3月至2023年12月，对天池抽水蓄能电站水质进行监测，共布设了3个监测点位，分别位于上库坝址下游1 km处（SS1）、下库坝址下游1 km处（SS2）和马蹄河汇入口上游1 km处（SS3），每年监测3次。监测指标包括pH、水温、悬浮物、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、总氮（TN）和总磷（TP）等。水温、pH利用YSI 6600多参数水质分析仪进行现场测定，其余指标采样带回实验室进行测定，采样均参照《地表水环境质量监测技术规范》（HJ 91.2—2022）进行。悬浮物利用万分之一天平BSA124S测定，参照《水质悬浮物的测定重量法》（GB/T 11901—1989）进行。COD浓度利用滴定管测定，参照《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》（HJ 828—2017）。BOD5浓度利用精度0.5 mg/L溶解氧测定仪测定，参照《水质五日生化需氧量（BOD5）的测定稀释与接种法》（HJ 505—2009）进行。TP浓度和TN浓度均采用精度0.01 mg/L紫外分光光度计（UV-6100）测定，分别参照《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》（GB/T 11893—89）和《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）进行。

数据分析采用Microsoft Excel软件，绘图采用Origin 2019软件。

3 消落带生态修复

3.1 生境构建

岩质边坡具有覆土少及硬度高的特点，植物生长必需的营养元素难以积累，水分难以保持，且坡度大时容易发生水土流失，生态因子变化频繁且强烈，植被自然恢复十分困难，需要辅助工程措施进行生态重建[11]。岩质边坡生态修复是指在人为干预下，通过对边坡岩壁采用一定的生态修复技术手段，恢复边坡生态系统原有结构与功能，形成统一协调的植物群落。常用的边坡生态修复技术可分为单一技术形式和多种技术组合形式。单一技术形式有液压喷播护坡、网笼式护坡、自嵌砖式护坡和生态袋或植生袋堆叠式护坡等，多种技术组合形式有格构梁+生态袋式护坡、挂网+液压喷播式护坡等[12-15]。袁磊等[15]对比多种边坡修复工艺生态修复效果发现，从长期生态修复效果来看，格构+生态袋+挂网喷播复合工艺在高陡岩质边坡生态修复中更具优势。

本研究中，生境构建采用土工格栅+生态袋+挂网喷播复合工程技术，在稳定边坡的同时营造植物生长必要环境。土工格栅规格为30 cm，节距、焊距均为44 cm，生态袋规格为40 cm×50 cm。土工格栅+生态袋+挂网喷播复合工程技术工艺如图3所示。施工流程为：①清理平整坡面，清除浮石、碎泥块及杂物等；②测量定位、钻孔并固定锚杆；③塑料合金钢土工立体格栅铺设，使用限位帽固定格栅与锚杆；④填充并固定装有改良种植土和种子的生态袋；⑤挂网，植生混凝土喷播；⑥覆盖无纺布，浇水养护。

3.2 植物遴选与配置

抽水蓄能电站岩质边坡消落带生态修复中生境构建不仅要考虑岩质边坡自身特性，还需考虑水位频繁涨落的影响，因此，植物物种遴选尤为重要。本研究中，试验区植物生长面临夏季出露高温、冬季出露低温和高频率水淹等多重影响，植物遴选需综合考虑耐旱、耐寒和耐淹特性。结合前期三峡库区、干热河谷库区和已运行抽水蓄能电站消落带生态修复调查，以及天池抽水蓄能电站现场植物调查和消落带生态修复相关研究文献[16-19]，天池抽水蓄能电站岩质边坡消落带生态修复共选择植物物种13种，其中乔木3种，包括竹柳、中山杉和皂柳；灌木5种，包括小梾木、秋华柳、疏花水柏枝、中华蚊母和黄荆；多年生草本2种，包括狗牙根和美人蕉；一年生草本3种，包括藜、诸葛菜和秋英。

随着海拔梯度的降低，消落带内水淹强度增大，土壤养分含量及植被随着海拔梯度变化在空间格局呈现差异分布，消落带生态修复常依据水淹强度和高程采用分段配置[20-21]。根据试验区立地特征和水淹强度，将试验区划分为3个修复高程段：消落带上段（高程1 080～1 060 m）、消落带中段（高程1 060～1 040 m）和消落带下段（高程1 040～1 020 m）。消落带下段主要配置耐淹能力强的草本植物，中段配置耐淹能力较强的灌木和草本植物，上段配置耐淹能力相对较弱但耐寒性强的乡土植物及景观植物，高程1 040 m和1 060 m马道内侧开挖种植槽配置乔木。综合考虑植物的生态学及生理学特性，在消落带上段配置乔木、灌木和草本植物，如黄荆、皂柳、竹柳、中山杉、秋英、诸葛菜、藜、美人蕉和狗牙根等，在保持水土的同时增加景观效果；中段种植耐淹灌木和草本，如秋华柳、小梾木、疏花水柏枝、中华蚊母、秋英、诸葛菜、藜、美人蕉和狗牙根等；下段种植草本狗牙根，以及扦插竹柳和秋华柳等。植物配置如图4所示。试验区苗木栽植后进行日常养护，并定期调查记录植物生长存活状况。

4 生态修复成效

4.1 植物生长

截至2023年12月，试验区木本植物生长监测结果显示，栽种的中山杉和竹柳实生苗存活率100%。中山杉存在枯梢现象，胸径平均生长0.12 cm；竹柳新枝萌发较多，距离树干基部0.4 m到树干顶端均有新枝萌发，胸径平均生长0.13 cm，扦插于消落带下段的竹柳无存活。中山杉及竹柳实生苗均能较好地适应天池抽水蓄能电站水库岩质边坡消落带生境，适宜用于抽水蓄能电站坡消落带生态修复。

试验区灌木植物存活率监测结果见图5。灌木植物平均存活率为58.7%，消落带上段灌木存活率由高到低依次是：疏花水柏枝（95%）＞小梾木（93.75%）＞中华蚊母（86.4%）＞黄荆（50%）＞秋华柳（12.8%）。消落带中段灌木存活率由高到低依次是：小梾木（83.3%）＞疏花水柏枝（76.7%）＞黄荆（62.5%）＞秋华柳（16.2%）＞中华蚊母（10.5%）。灌木植物物种在消落带上段和中段存活率差异明显，疏花水柏枝、小梾木、中华蚊母在消落带上段存活率大于消落带中段，黄荆、秋华柳在消落带中段存活率高于上段。按照消落带上段和中段不同灌木平均存活率计算，5种灌木在抽水蓄能电站岩质边坡消落带的适应性强弱依次是：小梾木＞疏花水柏枝＞黄荆＞中华蚊母＞秋华柳。消落带疏花水柏枝、小梾木存活率及消落带上段中华蚊母存活率均在75%以上，表明疏花水柏枝、小梾木和中华蚊母适宜用于天池抽水蓄能电站岩质边坡消落带生态修复，其中中华蚊母适宜配置在消落带上段。受水淹和土壤侵蚀影响，消落带生境存在较高的空间异质性，主要体现在不同高程植物生长所需的光照、水分、营养元素等物质环境差异[22]，试验区同种灌木在上段和中段的存活差异主要受水淹影响。

表1为草本植物生长监测结果。可知，试验区内草本植物生长更新良好，其中狗牙根占据生长优势，三个修复高程段平均盖度为75%。消落带上段美人蕉、秋英、藜和诸葛菜正常生长并开花结实，其中美人蕉根部萌发1～3个新株，消落带中段和下段种植草本除狗牙根外，其他均无存活。草本植物在消落带不同高程段生长差异较大，草本总盖度由高到低依次是消落带上段（95%）gt;消落带中段（90%）gt;消落带下段（60%），平均盖度为81.7%。截至2023年12月，整个试验区内共监测生长草本植物物种17种，除5种配置的生态修复草本植物，还生长有苜蓿、水蓼、苍耳、鬼针草、葎草、光头稗、一年蓬、野莴苣、狗尾草、高羊茅、龙葵和苘麻等12种草本植物，其中有9种为一年生草本植物。研究表明，一年生植物具有生活周期短、适应性强的特点，在消落带上段可以通过休眠避开水淹干扰成为消落带优势生活型，而在水淹强度较大的消落带下段，一年生草本种子活性丧失，成苗率低，多年生草本具有较强分殖能力，快速生长，占据生长优势，随着消落带高程降低，一年生草本占比降低，多年生草本占比升高，这与三峡水库消落带植被变化趋势一致[23]。

另外，狗牙根、鬼针草、水蓼三种草本植物在三个修复高程段均能生长，说明3种草本对周调节水淹节律具有良好的适应性。已有研究表明，狗牙根和鬼针草可作为先锋植物应用于小流域的植被恢复与重建[24]，水蓼能通过改变叶片形状、形成不定根及改变生物量分配等方式适应水淹环境，对水淹具有较强适应性[25-26]，值得注意的是鬼针草被中国外来入侵物种信息系统（Invasive Alien Species of China，IASC）列为恶性入侵（1级）植物物种，可能会对当地植物资源造成不良影响，不适宜用于生态修复。因此，狗牙根和水蓼可用于抽水蓄能电站消落带生态修复。

非人工种植的12种草本植物可能是其植物种子由风吹或水位涨落携带进入试验区发芽并生长，说明这些乡土植物物种适应能力较强，且植物生长繁殖周期与水位波动节律存在一定重叠。张鑫等[27]研究表明，在喷播基质中加入一定配比的乡土植物物种、豆科和禾本科等植物物种，有利于岩质边坡植物群落的构建及稳定。因此，在抽水蓄能电站岩质边坡生态修复中可以考虑在消落带中上段搭配种植乡土草本植物，作为伴生种提升植物群落物种多样性和丰富度。

4.2 水土保持成效

监测结果显示，试验区消落带上段和中段多年生草本狗牙根生长联结成片，基本覆盖生境重建工程措施，坡面无明显水土流失，达到近自然生态修复效果。消落带下段水淹强度较大，水浪淘蚀及局部反坡导致部分水土流失，草本植物盖度相对较低。在经历长达半年的频繁水位涨落后，三个修复高程段草本植物平均盖度达81.7%，试验区生态修复现状如图6所示。试验区所在坡面未修复区域未见植物生长，表明土工格栅+生态袋+挂网喷播复合技术能有效保持水土，构建植物生长生境，促进植物生长，可推广应用于抽水蓄能电站岩质边坡消落带生态修复，促进植被与土壤良性互动，增强消落带固土护岸功能，保持消落带近自然景观。

4.3 水体污染防治

水质监测结果显示，2022年3月至2023年9月，3个监测点位（SS1、SS2和SS3）处的pH、水温、悬浮物、COD、BOD5、TP指标分别在7.3～8.6、7.5～25.3 ℃、5～15 mg/L、4～14 mg/L、0.6～3.0 mg/L、0.03～0.16 mg/L范围内变化，温度、pH、COD、BOD5和TP均符合《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中III类标准限值要求。TN浓度在1.43～2.79 mg/L范围内变化，均值为1.96 mg/L，超出《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中III类标准限值要求。主要水体环境因子变化规律如图7所示。

试验区建成后，SS1、SS2和SS3监测点位的BOD5呈现下降趋势，TP和COD浓度在2023年9月均较高，可能是受上游农业生产施肥影响，导致电站水质呈现季节性差异。2022年3月至2023年9月，SS1、SS2和SS3三个监测点位TN浓度均值分别为1.94、1.94、2.00 mg/L，差异不明显。相比于试验区建成前，建成后相同月份三个点位TN浓度总体呈现下降趋势，2023年9月TN浓度比2022年9月消减了25.4%。根据现场调查，上、下水库属于黄棕壤土类，该土类易产生比较明显的淋溶作用，使得易溶盐分、游离碳酸钙和氮被淋失，可能造成上、下水库监测点TN超标。刘曦等[28]研究表明，库区消落带采用适宜物种进行生态修复，可以截留、吸收库区屏障带进入消落带湿地生态系统的含氮污水，具有重要生态效益，是防治库区水体富营养化的有效途径。由此可见，消落带生态修复在消减面源污染方面发挥了一定的作用。

5 结论与展望

基于天池抽水蓄能电站岩质边坡消落带生态修复试验，构筑了适宜植物生长的生境，并对试验区植物生长存活状况和水质进行了监测及分析。主要结论如下：

（1）上库岩质边坡消落带生态修复中植物生长主要受水淹影响，总体而言植物长势优良排序为消落带上段＞中段＞下段，其中乔木实生苗存活100%，灌木植物平均存活率为58.7%。

（2）共配置包括乔木、灌木和草本在内的13种植物物种。调查监测发现，试验区还生长有12种非人工种植的草本植物。根据植物生长存活情况，筛选出8种适宜抽水蓄能电站消落带生态修复的植物物种，包括竹柳、中山杉、小梾木、疏花水柏枝、中华蚊母、狗牙根、美人蕉和水蓼等，其中中华蚊母和美人蕉适宜配置在消落带上段。

（3）试验区三个高程段草本植物平均盖度达81.7%，土工格栅+生态袋+挂网喷播复合工程技术能有效保持水土，构筑植物生长生境，并在消落带上段和中段达到近自然生态修复效果，可推广应用于抽水蓄能电站岩质边坡生态修复。

（4）试验区水质TN浓度长期处于高值，对比消落带生态修复区建设前后，TN浓度明显下降，消减了25.4%，生态修复有效消减了水体面源污染，发挥环境效益。

不同抽水蓄能电站消落带因所在区域气候和水位调度节律的不同存在局部环境差异，生态修复适宜植物筛选可参照天池抽水蓄能电站消落带生态修复遴选思路。本研究中筛选的8种适生植物物种是否能推广应用于其他抽水蓄能电站消落带生态修复，有待进一步检验。此外，天池抽水蓄能电站岩质边坡消落带生态修复区栽种植物淹水周期不长，现阶段表现出的生长和群落特征尚不稳定，长周期水淹和出露下植物适应能力和群落结构变化有待进一步进行监测研究。

植物生长表现是多种环境因子共同作用的结果，天池抽水蓄能电站岩质边坡消落带生态修复区植物生长除了考虑生境重建和频繁水淹这些主要影响因素，还应考虑土壤、生物和气象等影响因子，后续可综合多种植物生长影响因子研究天池抽水蓄能电站岩质边坡消落带植物生长存活制约因子及其内在联系。

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Ecological Restoration in Water-Level Fluctuation Zone of Rock Slope in Pumped Storage Power Station

XING Jihong，YANG Juwei，ZHAO Jie，CHANG Shiju

（Henan Tianchi Pumped Storage Co.，Ltd.，Nanyang 473000，China）

Abstract：To address the difficulty of habitat reconstruction and plant screening in water-level fluctuation zone of rock slope in pumped storage power station，a 1 001 m2 ecological restoration experimental zone was established in Tianchi Pumped Storage Power Station in Henan Province. Plant habitat was constructed by using the composite technology integrating geogrid，ecological bags，and net-suspended spray seeding. According to plant growth characteristics and water-level fluctuation rhythms，we arranged 13 kinds of flood tolerant plants at upper，middle and lower elevation stages，and monitored the plants growth and water quality. Results show that：1）The survival rates of arbor seedlings and shrub seedlings were 100% and 58.7%，respectively. Plants grow better in the upper segment，then the middle segment and lower segment in descending order. 2）The average coverage of herbaceous plants in the three elevation segments was 81.7%，demonstrating that the composite engineering technology effectively preserves soil and water，and builds plant growth habitat in the ecological restoration of rock slope in pumped storage power station. 3）The content of total nitrogen reduced by 25.4% after the construction of the experimental zone，indicating that ecological restoration in water-level fluctuation zone could effectively reduce the non-point source water pollution and exert ecological benefits. The research findings provide reference basis for ecological restoration in water-level fluctuation zone of rock slope in pumped storage power station.

Key words：Tianchi pumped storage power station；water-level fluctuation zone of rock slope；ecological restoration；plant screening

基金项目：国网新源控股有限公司科技项目（SGXYKJ-2022-073）

作者简介：邢继宏，男，高级工程师，本科，主要从事抽水蓄能电站建设与运行管理工作。E-mail：jihong-xing@sgxy.sgcc.com.cn

通信作者：常世举，男，高级工程师，本科，主要从事抽水蓄能电站建设及运行管理工作。E-mail：csjlucky@163.com