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世界遗产九寨沟

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火花海保育:开创自然遗产修复恢复先河

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发表于 2022-10-24 14:53:02 | 显示全部楼层 |阅读模式 <
火花海重现:开创自然遗产修复恢复先河

项目名称:九寨沟世界自然遗产地火花海保护与培育实验性研究项目

项目地点:火花海区域

项目周期:2019年4月至2020年9月

项目主体:遗产修复恢复组

项目人员:赵德猛、徐荣林、李怡、杜杰、高天雷、杨永钦、安超、肖维阳、朱忠福、杨青霞、任锦海、郎尕色朗、杨保长、王燕、友香、江丽君、蔡永寿、葛凤琼、曹玉桃、卓曼他、贡波索朗、何茂、周率、张荣、祝红梅、徐么佐、贺淑宜、田秀华、索朗王秋、任锦涛、付勇、王兴贵

参与单位:成都理工大学、四川大学、四川农业大学、中国水利水电第七局

项目概述:火花海是九寨沟世界自然遗产地27处遗产点之一。2017年“8·8”九寨沟7.0级地震导致火花海堤坝溃决,形成了长40m、宽12m、深15m的决口,湖泊几近干涸,湖区发育裂缝100余条,其中长5m以上的有23条。

本项目基于地震后一年多的监测,分析了火花海湖群的演化趋势,结合社会调查,明确了火花海修复恢复的必要性和紧迫性;通过多方案比选,确定了以传统材料糯米灰浆和地震中垮塌的块石、钙华土为主要原料的修复恢复技术方案,得到了联合国教科文组织、世界自然保护联盟的肯定支持。

科学减灾是民生领域的重大难题,突出普遍价值保护是世界遗产领域的核心命题。本项目以“科研实验、科学监测、科普教育”三位一体的方式推进,在没有先例可循的条件下,经过一年多的实践,成功恢复了火花海区生态系统,实现了防灾减灾与美学价值保护的有机统一。

一、项目背景

(一)震后火花海湖群水文地质条件与生态环境变化

火花海位于树正沟卧龙海与双龙海之间,海拔2211m、长232m、宽134~294m、深16m、面积约3.5万m²、库容45万m³,因阳光斜射湖面波光粼粼,似火花闪烁而得名。火花海堤坝为自然形成的均质钙华土坝。地震前湖水通过坝顶溢流,形成火花海瀑布,别有一番诗意。震前监测表明,火花海堤坝的钙华年沉积速率为0.38~0.49mm。

地震导致火花海堤坝溃决,形成长40m、宽12m、深15m的决口,湖泊几近干涸。火花海堤坝溃决的钙华土随着水流被带入双龙海、芦苇海等下游湖泊,致使这些湖泊淤塞,湖床抬升,库容减少。

地震后一年多的观测显示,在没有水体涵养的情况下,火花海区域水文地质条件改变,生态环境急剧恶化,上游湖泊溃决风险增加,下游湖泊沼泽化进程加快,美学价值有所减损,突出表现在:

一是湖区堤坝裂缝发育。

根据现场调查,火花海湖群发育裂缝100余条,其中5m及以上的有23条。裂缝长度一般为5~15m,最长约50m,宽为5~20cm,最宽近1m,最大可见深度约6.9m。受溯源侵蚀、侧蚀及钙华裸露风化、沙化等因素影响,这些受损坝体持续退化和垮塌。

二是溃决堤坝坝基失稳。

研究表明,火花海决堤钙化堤坝通过至少6600年的钙化沉积才得以形成。勘探表明,坝基位置上部为新近冲积层,松散软弱,厚度约为2m;下部为钙华土,厚度约为6~7m;钙华土下还有一层约0.3~0.4m厚的淤泥软土。淤泥在湖泊和沼泽静态的、缓慢的流水环境中沉积,通过生物化学作用形成。淤泥含有大量的有机质,具有含水量高,压缩性高,孔隙密度低,抗剪强度低和承载力低的特点。天然含水率大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的黏性土,有机质含量大于等于10%且小于等于60%的为泥炭质土。软弱淤泥层的存在使火花海坝体稳定性较差,大大增加了生态保育的难度。

三是湖泊内部钙华体退化。

通过实地调查测量,火花海内共分布有13处集中松散堆积物,总量约14300m³,主要堆积于堤坝、钙华丘下方以及沟道两侧,部分松散堆积物已进入沟道内。在缺乏水源涵养的条件下,火花海湖底出现严重的钙华风化、沙化、黑化、溶蚀情况,出露的钙华体沙化比例超过60%。

四是湖区生态环境恶化。

火花海决堤后,生长在火花海钙华堤坝上以及湖泊中的植物,特别是湿地植物不少开始死亡,湖底植被发生原生演替。植株以杨柳科、禾本科、蔷薇科、龙胆科、柳叶菜科为主,在2019年初幼苗高度已接近40cm。

(二)震后强降水影响

九寨沟景区2003-2013年年均暴雨频次为1.27次,2014-2019年达到3.5次,上升趋势明显。地震前,九寨沟景区从未出现湖群全面性浑浊,更没有危及当地社区安全。2018年6月25日、7月10日,两次暴雨引发九寨沟景区多处山洪泥石流灾害,景区内湖泊水位上涨5~20cm,湖水一夜变色,浑浊不堪。受山洪影响,景区村寨部分群众房屋进水,电力通信、道路管网、旅游服务设施受到不同程度的损害,经济损失达6570万元。虽然以上两次洪水与火花海决堤没有直接关系,但是也显示了地震后九寨沟湖群应对强降水的韧性降低。

二、项目实施考量

出于安全、遗产价值保护与公众支持等因素考虑,火花海保育项目实施必要且紧迫。

(一)保护群众生命财产安全。

火花海上游1km范围内分布着火花海叠瀑、卧龙海、树正群海等24个湖泊。火花海决堤后,受钙华沙化、风化、溶蚀、裂缝变宽、钙华堤坝上下游水头差、地基失稳、钙华体本身在无水涵养下的力学强度弱及强降水等因素影响,上游湖群溃决风险大,威胁下游当地居民及游客安全。

在世界自然遗产地进行人为干预以消除洪水对人民生命财产风险已有先例,如尼泊尔萨加玛塔国家公园。全球气候变暖导致冰川融化加速,冰川湖迅速扩张。这种湖泊的冰碛湖岸由松散的沉积物构成,而当湖泊蓄满水,或者当雪崩体落入湖泊时,湖岸可能崩溃,进而导致下游山谷出现猛烈的洪水,给整个下游地区的人口和生物多样性带来灾难性的后果。尼泊尔萨加玛塔国家公园,150m高的冰碛湖岸蓄起了大约9×10^7~1×10^10m³水,一旦出现缺口,将会淹没山谷。1998-2002年,尼泊尔政府与国际伙伴合作,实施了冰湖溃洪管理项目,对湖泊进行了排水,使湖泊水位下降了3m,并且在下游的村庄安装了早期预警系统,水位降低使洪水的风险及相关的生命、财产损失影响减少了20%。

(二)保护世界遗产突出普遍价值

突出普遍价值是世界遗产评定、保护、管理的核心概念和主要依据。《实施〈世界遗产公约〉操作指南》中将其定义为:罕见的、超越了国家界限的、对全人类的现在和未来均具有普遍的重要意义的文化和(或)自然价值,包含10项评价标准(其中第7~10项为自然遗产标准)、真实性和(或)完整性、保护和管理机制三大要素。就世界自然遗产而言,只有符合4项标准中的一项或多项标准,具备完整性特征,且有恰当的保护和管理机制,才能真正被视为具有突出普遍价值。1992年,九寨沟因符合世界遗产第7项遴选标准——“绝妙的自然现象或具有罕见自然美和美学价值的地区”,被联合国教科文组织列入世界遗产名录,成为我国首批世界自然遗产地。历史上,九寨沟景区中,天鹅海至箭竹海区域曾拥有超过1km的钙华湖群,但20世纪60年代由于河流改道而干涸,现已完全被植被覆盖,成为森林生态系统。若不进行人为干预,火花海也将被植被覆盖,完全丧失原有的水体景观美学价值。同时,受火花海决堤影响,上游湖群坍塌风险高、下游湖群沼泽化进程加快,影响九寨沟世界自然遗产的完整性。

(三)社会公众支持

2019年初,对当地居民、行政管理人员、游客、旅游公司、科研专家等共1000人(有效问卷数972份)的调查表明:火花海修复的支持率达到82%,其中景区内居民、景区周边居民、其它地区居民支持率分别93%、83%和80%。修复恢复的主要原因为保护景观美学价值、维护群众生命财产安全及促进当地经济可持续发展等。

三、原则理念

(一)以人为本原则

有效防治次生地质灾害,保障当地群众、游客安全。

(二)生态优先原则

坚持环境友好、影响最小原则,项目实施不能对遗产地突出普遍价值造成任何实质性减损,且其剩余影响可得到有效消解。

四、材料选择

为确保质量安全性与景观协调性,项目舍弃了含有水泥、钢筋等与环境不和谐的材料,采用的主要材料为石渣料、钙华土和糯米灰浆。

(一)石渣料

充分利用地震后景区及周边地区崩塌的石料与泥石流中的石料,不仅保持材料岩性一致,而且变废为宝,经济可行。

(二)钙华土

火花海堤坝的成分为钙华土。项目采用地震后垮塌的少量钙华土,以保证修复后的堤坝决口在视觉景观上与周围堤坝一致,且更利于新生钙华沉积。项目使用的钙华土量远低于垮塌钙华土可利用的量,可避免造成二次破坏。

(三)糯米浆

糯米浆作为石料渣和钙华土的黏合剂,也是糯米-石灰砂浆传统生态材料。古往今来,糯米-石灰砂浆在古建筑加固与修复过程中发挥着不可替代的关键作用。中华民族的象征——万里长城在修建时使用的主要黏合剂就是糯米灰浆;被誉为天下第一潮的钱塘江大潮,其堤坝的修建也用到了糯米浆;云南省禄丰县黑井镇庆安堤是中国历史上最早的专门防治泥石流灾害的水利工程之一,亦用该材料修筑。

五、修复恢复

项目创制了“振冲碎石固基、糯米灰浆筑坝、竹锚加筋护坡、生态材料堵缝、分形景观设计、本土植物绿化”的绿色技术体系,还原了溃坝前地下水渗流、地表水溢流、生态水供给、大气降水调控,维持了微生物、钙华生态平衡,成功恢复了火花海震前生态系统。

(一)振冲碎石桩固基

地质勘查结果显示,坝基位置上部为新近冲积层,松散软弱,厚度约为2m;中部为钙质胶结、含有角砾的砂土,厚度约为5m;下部为0.3~0.5m的淤泥软土,在荷载作用下易发生不均匀沉降或失稳,需采取地基加固处理。振冲碎石桩作为地基加固技术,广泛应用于砂土、淤泥质土、粉土等地层和水下条件,具有地基承载力大、施工速度快、材料环境友好及经济性优良等优点。项目运用振冲碎石桩对坝基进行加固,提高坝基的稳定性与承载力,还原地下水渗流。设计参数为桩间距1.8m,设置17排,梅花形排列,深度10m,桩径1.1m,根据布桩面积和布桩形式植入423根碎石桩。复合地基稳定性分析计算结果显示,地基承载力达到305.3KPa。

(二)糯米灰浆筑坝

筛选了改性糯米灰浆的配比组成,创制了流动性可调120~250 mm,凝结时间可控90~360 min的改性糯米灰浆,解决了石灰基材料的动水难凝和耐久性技术难题。实验表明,该材料冻融循环25次,强度仅下降3.6%。重金属含量等环境指标正常,对水体无污染影响。修复坝体采用分层结构,坝芯采用浆砌块石结构。糯米石灰华浆砌石结构碎石来源于九寨沟泥石流冲出物或崩滑堆积体,并采用糯米石灰华胶结灰岩、钙华体充填裂隙。坝芯堆填体的上下游坝坡面采用糯米石灰华+钙华土混合物,铺设厚度约2~5m;坝顶标高根据两侧坝肩的高程进行微调,并对坝体表面进行毛糙处理,使拦停坝工程与震损堤坝工程相融合。坝顶溢洪口顶面铺设碳纤维,提升溢流口的抗冲刷能力。坝体恢复后,材料与自然钙华形成有机融合。

(三)竹锚加筋护坡

竹锚杆是用竹材代替原来普通锚杆中的钢筋制作而成的。用改性糯米灰浆代替水泥砂浆作为灌浆材料,制作形成一种新型、环保、低能耗的边坡治理、加固技术。糯米灰浆与竹锚杆形成的加筋结构可大大提高坝体坡面整体稳定性。竹锚杆塑性变形区主要出现在竹锚杆竹节部分,竹节与浆体胶结面由于受力等因素,在摩擦挤压等过程中不断被破坏,形成脱离摩擦变形区,最终失去效力。通过对竹锚杆的持续应变监测,竹锚加筋结构应变波动中不超过800με,保证了坝体坡面稳定。

(四)生态材料堵缝

火花海及其上游湖泊堤坝在地震中大量垮塌,坝体厚度变薄,坝体表面和内部分布有大量的裂缝,严重影响火花海的蓄水及蓄水后残余坝体的稳定性。项目以改性糯米灰浆进行灌浆加固、裂缝填充和面板加固的方式对残余坝体进行加固处理。根据受损坝体的厚度及不稳定程度,在上游残余坝体和下游残余坝体左岸、右岸的坝肩位置增加注浆孔。

(五)分形景观设计

由于数万年的重力地质作用及钙华沉积,九寨沟形成阶梯状钙华池“层湖叠瀑”景观,也就是俗称的“海子”,是分形景观的典型代表。分形景观的设计首先以火花海及其上下游树正瀑布、双龙海为基底,提取钙华湖泊生成元大致形态,然后缩小尺度聚焦火花海两侧残留坝体,抽象提取出生成元为不规则类长条形的阶梯池,以气泡图的形式在坝上部分进行平面定位,再根据残留坝体进一步调整,最后结合水流导向形成坝上微地形。通过分形维数评估修复坝体的形态参数进行坝体塑形,实现了景观视觉上的统一。

(六)本土植物绿化

调查显示,火花海坝上群落结构大致为油松+柏树+高山柳。油松作为九寨沟火花海坝上的主要树种,其分布规律深层次透视了植被演替和更新的内在过程。基于植物样方调查结果,选取12种本土木本植物覆绿坝体,配合土壤种子库法构建了乔-灌-草结构完整的近自然植物群落。2020年8月,九寨沟县发生百年一遇的洪涝灾害。火花海修复坝体保持稳定,有效发挥了减灾调控作用,并于同年国庆前夕正式恢复开放。

六、持续监测

尽管火花海修复恢复工作已取得阶段性成效,但是长期监测仍将持续,旨在通过比较地震前、地震后、修复期和修复后等不同时期的监测数据进行比较,评估地震与保育过程对火花海及其周边地区的环境影响,同时服务于九寨沟相关生态环境保护措施的制订和实施。

首先是加强安全监测。项目组在火花海堤坝安装了测斜、位移、水位等监测仪器数十组,结合实地勘探,实时动态监测坝体稳定及水位变化情况。其次是加强钙华景观监测。基于卫星遥感、无人机拍摄分析景观变化情况,结合实地取样分析新生钙华的沉积速率、组成及结构。再次是加强生态环境监测。安装了小型水文监测仪、水质监测仪、空气污染监测仪,并定期定点采集水样、藻类,对水化学、水生态、大气污染物变化等监测。

七、后记

世界自然遗产的修复恢复没有先例可循。破题至少要经历三重闯关。一是解决科学问题:能不能修复,采用什么样的材料修复?材料的安全性、生态性、景观性必须经得起现实和历史检验。二是应对程序难题:《实施<世界遗产公约>操作指南》规定 “在针对遗产地开展可能对突出普遍价值产生影响的重大恢复和建设项目之前,包括批准项目和实施项目之前,应通过遗产委员会秘书处向遗产委员会进行通报”。项目实施必须获得联合国教科文组织世界遗产中心及世界自然保护联盟认可。三是直面管理命题:如何以精细化管理、最小化干预,确保修复过程不造成新的负面影响。

1996年九寨沟管理局就成立了专门的科研部门,逐步建立了相对完善的监测体系,监测内容涵盖气象、水文、水质、森林病虫害、山地灾害、生物多样性等。2017年地震发生前,九寨沟管理局被科技部授予了“九寨沟生态保护国际联合研究中心”“中国-克罗地亚生态保护国际联合研究中心”,并成立了“九寨沟生态环境与可持续发展国际联合实验室”“院士(专家)工作站”“博士后工作站”等科研平台,与四川大学、中国科学院成都生物研究所等机构签订了战略合作协议,长期开展景区监测研究。

地震发生后,九寨沟管理局立即对火花海实施封闭式保护,成立了应急监测小组,对景区气象、水文、景观景点变化进行监测分析。其中,气象监测每天报告4次;水文监测每小时报告1次;景点监测主要通过定点巡护、拍照记录展开,做到一点一档,每天报告1次。高强度监测报告维持了两个月,之后逐渐降低频率。同时,借智借力,九寨沟管理局先后邀请了水利部中国科学院成都山地灾害与环境研究所、中国人与生物圈国家委员会、清华大学、四川大学、北京大学、中国科学院成都生物研究所、四川省地矿局区域地质调查队、中国科学院地质与地球物理研究所、西南科技大学、成都理工大学、中国科学院空天信息创新研究院、四川省水利科学研究院等10多家研究单位的专家学者进行实地踏勘,开展火花海震后生态、地质、水循环变化研究。经过一年多的监测研究,专家学者科学预判了火花海湖群的演变趋势,明确了修复恢复的必要性、紧迫性。借鉴我国传统智慧,九寨沟管理局提出了以糯米灰浆和震损山石、钙华体为材料开展修复恢复的技术路径,在此基础上邀请成都理工大学、四川大学等单位编制了项目技术方案与影响评价报告,得到了联合国教科文组织世界遗产中心及世界自然保护联盟的肯定和支持。

在项目实施过程中,针对性印发了《九寨沟管理局火花海保育项目工作方案》,成立专项工作小组,联合成都理工大学、四川大学、四川农业大学等单位共同推进项目实施,通过与项目人员签订遗产保护责任书、岗前遗产保护培训教育、现场督察等方式强化项目管理,确保项目实施过程对世界自然遗产突出普遍价值的影响最小。创新方式,以“科研实验、科学监测、科普教育”三位一体的方式系统推进项目开展,即通过系统勘察、室内试验模拟、现场构筑小型坝体等方式,不断调适、改进和优化技术方案;强化对火花海湖群在地震后、修复恢复过程中、修复恢复后三个阶段的安全监测、钙华景观变化、生态环境变化监测,以便充分了解其动态变化,制定相关应急预案,并采取相应保护管理措施;结合科研监测结果,制作科普视频、发布科普文章,促进公众对项目的了解,普及世界遗产价值。

火花海恢复开放以来,项目被中央广播电视总台多个频道以及新华社、川报观察等广为报道,受邀在首届国家公园论坛、联合国教科文组织世界遗产培训与研究中心、联合国教科文组织名录遗产地可持续旅游教席等做报告交流经验,并作为世界遗产自然生态环境的保护与修复成功案例参加第44届世界遗产大会展示。调查表明,公众对火花海修复恢复的满意度为88.3%(问卷放量1000份,有效问卷数996份)。同济大学徐祖信等院士专家认为项目“圆满完成了修复任务,实现了各项考核指标,创新建立了自然遗产地灾后修复与保护新模式,研究成果达到国际先进水平,部分成果达到国际领先”。

行百里者半九十。未来,项目组将持续做好科研监测、科普教育等工作。


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