許 楊 紀(jì)道斌 何金艷 阮 洲 陳 炯 石浩洋

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

生態(tài)區(qū)劃應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理,整合流域內(nèi)相似性和差異性規(guī)律,通過(guò)劃分生態(tài)環(huán)境的區(qū)域單元對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理[1-2].生態(tài)分區(qū)已逐漸成為國(guó)內(nèi)外生態(tài)環(huán)境流域熱點(diǎn)關(guān)注的話題,其分區(qū)成果被應(yīng)用于各日常的水資源管理及地區(qū)水環(huán)境保護(hù),對(duì)維護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)的健康有較為顯著的作用[2-4].Bailey根據(jù)自然植被、土壤形態(tài)、氣候等劃分了美國(guó)的生態(tài)區(qū)[5].Omernik 基于Bailey 的生態(tài)區(qū),加入自然植被、地形、土壤、植被等4個(gè)陸地區(qū)域性特征,進(jìn)一步詮釋了生態(tài)分區(qū)的概念與方法[6].Gannon等建立了關(guān)于水污染防治的水生態(tài)區(qū)劃[7].美國(guó)環(huán)保局基于營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)構(gòu)建水生態(tài)分區(qū)[8].國(guó)內(nèi)近些年來(lái)關(guān)于生態(tài)分區(qū)的研究也逐漸成熟,李思忠通過(guò)對(duì)我國(guó)的淡水魚(yú)類分布作區(qū)劃,總結(jié)出我國(guó)淡水魚(yú)類的分布規(guī)律[9].夏青首次提出水域功能的概念,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境保護(hù)部門(mén)對(duì)水資源功能的分類管理[10].傅伯杰,劉國(guó)華,陳利頂,等采用3級(jí)分區(qū)進(jìn)行中國(guó)生態(tài)區(qū)劃分方案研究[11].尹民界定河流生態(tài)水文特征,為全國(guó)河流生態(tài)環(huán)境需水量研究提供基礎(chǔ)與依據(jù)[12].梁靜靜,左其亭,竇明對(duì)淮河流域進(jìn)行了水生態(tài)分區(qū)研究[13].鑒于此,本文通過(guò)研究茅洲河流域生態(tài)狀況,建立以生態(tài)修復(fù)為基礎(chǔ)的生態(tài)區(qū)劃管理與技術(shù)體系,對(duì)茅洲河生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)性分區(qū),為后續(xù)茅洲河生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)提供較好的借鑒.

1 研究區(qū)域概況

茅洲河流域位于廣東省深圳市西部、東莞市境內(nèi),在東經(jīng)113°42′～114°33′與北緯22°36′～22°57′之間,是深圳市境內(nèi)流域面積第二大的河流.流域總面積為388 km2,流域內(nèi)地勢(shì)總體呈東北高西南低走向.根據(jù)地形地貌特征,可分3個(gè)區(qū)段：其中樓村橋以上為上游區(qū),地形地貌屬于低山丘陵區(qū)；從樓村橋至洋涌河水閘為中游區(qū),地形地貌以低丘盆地與平原為主；洋涌河水閘以下為下游區(qū),地形地貌為濱海沖積平原,地形平坦.茅洲河河床比降較為平緩,下游平原區(qū)比降約0.6‰,易受潮水頂托[14].近年來(lái)隨著人口的增長(zhǎng)和城市化的發(fā)展,茅洲河污染愈加嚴(yán)重,影響著深圳的水環(huán)境和聲譽(yù).本文為探明茅洲河流域生態(tài)健康狀況,選取茅洲河11 條支流：SLH(上寮河)、PLH(排澇河)、XQH(新橋河)、TTH(譚頭河)、TTQ(潭頭渠)、SGH(松崗河)、QZQ(東方七只渠)、LHK(老虎坑水)、LCS(樓村水)、DKS(東坑水)及 DDS(大凼水)作為代表,通過(guò)實(shí)地調(diào)研獲取研究區(qū)域內(nèi)各不同河段的水文、河岸帶及地貌等相關(guān)資料,并對(duì)各個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行取樣,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)指標(biāo)及生物指標(biāo)的檢測(cè),監(jiān)測(cè)各個(gè)斷面的生態(tài)情況,斷面布置情況及名稱如圖1所示.

圖1 茅洲河流域采樣點(diǎn)布設(shè)圖

2 材料與方法

2.1 指標(biāo)的選取

指標(biāo)的選擇是生態(tài)分區(qū)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵,地理學(xué)家在選擇指標(biāo)時(shí)更多考慮的是地點(diǎn)、尺度、自然和社會(huì)的基礎(chǔ),生態(tài)學(xué)家則更注重生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的過(guò)程[15-18].本文為了探究茅洲河生態(tài)系統(tǒng)的整體情況,結(jié)合其空間結(jié)構(gòu)、生態(tài)功能及生態(tài)過(guò)程進(jìn)行具體分析,從而篩選出主導(dǎo)性指標(biāo)進(jìn)行分區(qū).

調(diào)查表明,目前茅洲河流域存在的主要生態(tài)問(wèn)題是：

1)茅洲河為感潮型內(nèi)河,多數(shù)高危河段為保證防汛要求將河道兩岸固化,諸如松崗河、東方七只渠、新橋河等二級(jí)支流多流經(jīng)居民區(qū),渠化較為嚴(yán)重；下游靠近河口的典型一級(jí)支流排澇河渠道斷面均呈混凝土梯形河道,河道多設(shè)閘門(mén)防洪.故選取縱向連通性、河道蜿蜒度、河道硬化程度反映茅洲河流域河岸帶情況.

2)由于深圳工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,工業(yè)垃圾、生活污水等流入河流,遠(yuǎn)超過(guò)河流的納污能力,總氮濃度嚴(yán)重超標(biāo),總磷分布極不均勻,居民區(qū)氨氮濃度超標(biāo)等問(wèn)題致使河水黑臭、富營(yíng)養(yǎng)化程度嚴(yán)重,選取總氮、總磷、氨氮、高錳酸鉀及溶解氧5大水質(zhì)指標(biāo)探求茅洲河水質(zhì)污染狀況.

3)茅洲河上游地形多屬丘陵臺(tái)地,水土流失較嚴(yán)重,造成中下游河床逐年淤積,河道彎曲淺窄,淤積態(tài)勢(shì)從河口到上游河段逐漸減弱,河道行洪斷面被嚴(yán)重縮窄,流量變化明顯.選取水深、河寬、流速3大水文指標(biāo)探求茅洲河水文動(dòng)態(tài)變化.

4)茅洲河流域干流浮游動(dòng)植物情況稍好,各支流物種多樣性情況不容樂(lè)觀,生物量少,如排澇河支流浮游藻類密度大但種類較為單一,沙井河等多數(shù)點(diǎn)位未采集到底棲動(dòng)物,可見(jiàn)茅洲河流域藻種單一,生境條件苛刻,故選取浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物體現(xiàn)其生態(tài)系統(tǒng)完整性及生物多樣性.

綜合以上分析,選取涵蓋地形、水文及生物狀況的16項(xiàng)子指標(biāo)：流速、水深、河寬、總氮、總磷、氨氮、高錳酸鉀、溶解氧、河道蜿蜒度、河道內(nèi)底質(zhì)、縱向連通性、河流流動(dòng)性、河道硬化程度、浮游動(dòng)物、浮游植物、底棲動(dòng)物,設(shè)定量化標(biāo)準(zhǔn)對(duì)茅洲河現(xiàn)狀進(jìn)行分析.

2.2 數(shù)據(jù)獲取

現(xiàn)場(chǎng)攜帶HydrolabDS5 多參數(shù)水質(zhì)分析儀、便攜式流速儀等測(cè)量工具現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定溶解氧、流速、水深、河寬,拍照記錄各樣點(diǎn)閘門(mén)、底質(zhì)、植被、護(hù)岸情況.同時(shí)在各采樣點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集兩瓶平行水樣各2 L,置于低溫保溫箱中,并于48 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室.取混合水樣測(cè)定高錳酸鹽指數(shù)、氨氮(NH4+-N)、總氮(TN)、總磷(TP).水樣的采集、保存和室內(nèi)測(cè)定均參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(GB 3838—2002)[19].

浮游植物的鑒定取水樣加入4%福爾馬林和魯哥氏碘液進(jìn)行固定,靜置48 h后,吸去上清液,濃縮至50

m L,用于浮游植物定量的分析.藻類鑒定參考胡鴻鈞等人著作[20].浮游動(dòng)物鑒定取水樣采用4%福爾馬林固定,靜置48 h后濃縮,在顯微鏡下對(duì)濃縮樣品進(jìn)行全瓶種類鑒定和計(jì)數(shù)[21-23].底棲動(dòng)物的采集使用彼得森采泥器,采集上來(lái)的泥樣用篩網(wǎng)沖洗,拿回實(shí)驗(yàn)室鑒定.

蜿蜒度利用ArcGIS 10.0軟件從茅洲河流域水系統(tǒng)中獲取河流中心線與河流流域中心線,使用公式S=Lr/Lv(S為蜿蜒度,Lr是河流中心線,即所測(cè)河段本身長(zhǎng)度,Lv是河流流域中心線,即所測(cè)河段上下游兩點(diǎn)間的直線距離)得出樣點(diǎn)處蜿蜒度[24].縱向連通性結(jié)合流域水文資料,并現(xiàn)場(chǎng)勘察各樣點(diǎn)的河道障礙物,使用公式W=N/L(W是指縱向連通性系數(shù),N指河流的斷點(diǎn)(或節(jié)點(diǎn))等障礙物數(shù)量(如閘、壩等),L指連續(xù)河流的有效長(zhǎng)度)得出樣點(diǎn)處連通性系數(shù)[25].

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

1)SPSS分層聚類分析

聚類能夠揭示不同樣點(diǎn)的相似性與關(guān)聯(lián)性[26].分層聚類分析是廣泛應(yīng)用的典型聚類方法,基本思想是根據(jù)物體的某些屬性按類分組,首先將每個(gè)樣本當(dāng)作一類,然后根據(jù)樣本之間的相似程度并類,直至最后剩下一個(gè)類[27].

2)多樣性指數(shù)計(jì)算方法

浮游生物的多樣性分析采用Shannon多樣性指數(shù)(H)[28]、Margalef種類豐富度指數(shù)(D)[29]進(jìn)行計(jì)算.各指數(shù)計(jì)算方法見(jiàn)表1[30].

表1 多樣性指數(shù)計(jì)算方法

2.4 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及方法

1)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

茅洲河各段河流的生態(tài)狀況參差不齊,為了能夠準(zhǔn)確地分析各個(gè)河段的生態(tài)問(wèn)題,基于國(guó)內(nèi)外研究成果,以河流自然狀態(tài)的接近程度為標(biāo)準(zhǔn),確定指標(biāo)的5級(jí)分值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),值域?yàn)?5～4)、(4～3)、(3～2)、(2～1)、1,分別解讀為健康、亞健康、脆弱、病態(tài)、惡劣5種河流健康狀態(tài).

2)指標(biāo)量化

營(yíng)養(yǎng)鹽理化指標(biāo)根據(jù)茅洲河黑臭水體的特性,并參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅳ類-III類水標(biāo)準(zhǔn),建立特定的評(píng)分依據(jù)；河流地貌主要依據(jù)GoogleEarth等地圖軟件和現(xiàn)場(chǎng)踏勘的實(shí)際情況進(jìn)行綜合,再參考相關(guān)文獻(xiàn)[25,31],生物狀況根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣及實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù),并參考相關(guān)文獻(xiàn)[32-34].

表2 指標(biāo)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)及賦分

續(xù)表2 指標(biāo)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)及賦分

3 結(jié)果與分析

3.1 “分項(xiàng)、分類、分區(qū)”三級(jí)體系結(jié)果

3.1.1 分項(xiàng)

為了探究茅洲河生態(tài)系統(tǒng)在不同空間尺度下的分布格局.本文力圖通過(guò)分項(xiàng)劃分水生態(tài)系統(tǒng)的空間層次結(jié)構(gòu),對(duì)茅洲河宏觀和中微觀環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),掌握其生態(tài)系統(tǒng)的水文過(guò)程、生態(tài)過(guò)程和人為干擾過(guò)程.宏觀尺度上有區(qū)域水文及河岸帶及地貌等因素的作用,一般具有作用范圍大,長(zhǎng)期穩(wěn)定的特點(diǎn),中微尺度上有水質(zhì)及水生生物等因素作用,相對(duì)不穩(wěn)定,作用范圍小.水文情勢(shì)的往復(fù)循環(huán)對(duì)河流的形成、發(fā)育和演化具有重要的意義,可作為分項(xiàng)指標(biāo)宏觀反映河流生命的規(guī)模和強(qiáng)度；河岸帶作為陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡區(qū)域,其是能量、物質(zhì)、生物交換的重要通道,并發(fā)揮廊道、過(guò)濾及屏障的作用[35-36],可作為分項(xiàng)指標(biāo)來(lái)宏觀反映河岸帶結(jié)構(gòu)的完整性.水體各理化指標(biāo)體現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量狀況和污染物的動(dòng)態(tài)變化,可作為分項(xiàng)指標(biāo)來(lái)掌握茅洲河各個(gè)河段水質(zhì)現(xiàn)狀及其變化趨勢(shì).水生生物的密度及多樣性對(duì)河流生態(tài)起到重要的指示作用,故可作為分項(xiàng)指標(biāo)來(lái)反映生物的多樣性.以上不同尺度上各種因素綜合作用決定了水生態(tài)系統(tǒng)的演變機(jī)理,揭示各個(gè)項(xiàng)目時(shí)空尺度的關(guān)系(如圖2所示).

圖2 各個(gè)項(xiàng)目時(shí)空尺度關(guān)系圖

3.1.2 分類

假設(shè)茅洲河共M個(gè)樣點(diǎn),通過(guò)SPSS 軟件輸入茅洲河各樣點(diǎn)的水文、水質(zhì)、河岸帶及地貌、水生生物評(píng)分情況.則按以下步驟進(jìn)行聚類.

Step 1：剛開(kāi)始將流域內(nèi)所有樣點(diǎn)都看成是各自不同的M類,則共有M類,記為C1,C2,…,CM.

Step 2：根據(jù)相似性矩陣S計(jì)算M類之間的相似度.

Step 3：所有類之間的相似度按從大到小進(jìn)行排序,然后將具有最大相似性的兩個(gè)類(比如Cl,Ck)合并為一個(gè)新類,記為CM+1,則CM+1類中所含的樣點(diǎn)為N M+1=Nk+Nl,CM+1類中所含的樣點(diǎn)序號(hào)為EM+1={Ek∪El},這樣一來(lái)類的總數(shù)目就減少1.

Step 4：計(jì)算新聚類CM+1與剩下聚類之間的相似性.

Step 5：重復(fù)第Step 3、Step 4,直至最后剩下一個(gè)類.

由SPSS軟件得出聚類樹(shù)狀圖,對(duì)4個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行分類.并根據(jù)各指標(biāo)得分情況對(duì)分類情況的合理性進(jìn)行驗(yàn)證.

1)利用SPSS軟件錄入29處樣點(diǎn)的水文、水質(zhì)、河岸帶及地貌、水生生物評(píng)分情況,聚類分析結(jié)果如圖3所示.

2)利用Origin軟件,展示各類別指標(biāo)得分情況,如圖4所示.

圖3 分類情況匯總

圖4 各類別指標(biāo)得分情況匯總

3.1.3 分區(qū)

根據(jù)受損程度,將茅洲河流域劃分為3 級(jí)生態(tài)區(qū),分別表征茅洲河生態(tài)系統(tǒng)的健康程度(見(jiàn)表3).

表3 茅洲河流域分級(jí)情況匯總

紅線區(qū)是河道喪失基本的自我恢復(fù)能力,河道內(nèi)無(wú)生境,主要是處于惡劣及病態(tài)的樣點(diǎn).黃線區(qū)是河道的人為干擾較大,還需一定的人工手段如引進(jìn)生物等才能實(shí)現(xiàn)河流的自我恢復(fù),主要是處于脆弱的樣點(diǎn).藍(lán)線區(qū)是河道的人為干擾較小,河道只需采取部分人工措施,改善生境條件,增強(qiáng)河流的自我恢復(fù)能力,實(shí)現(xiàn)河流的自我修復(fù),主要是處于亞健康及健康的樣點(diǎn).

3.2 分區(qū)特征描述與原因分析

茅洲河流域的三級(jí)生態(tài)區(qū)分別具有不同的生態(tài)系統(tǒng)特征及其背景條件,具體特征見(jiàn)表4.

表4 茅洲河流域水生態(tài)3級(jí)區(qū)域特征情況統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表4 茅洲河流域水生態(tài)3級(jí)區(qū)域特征情況統(tǒng)計(jì)表

分析各級(jí)區(qū)域不同類別的生態(tài)脅迫因子,發(fā)現(xiàn)各級(jí)分區(qū)在水文、水質(zhì)、河岸帶及地貌、水生生物等方面均具有較大的空間變異性.根據(jù)各級(jí)分區(qū)體現(xiàn)了茅洲河流域生態(tài)健康的差異,可為后續(xù)的生態(tài)修復(fù)提供有效的依據(jù),分區(qū)結(jié)果合理、科學(xué)、可靠[42].

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)茅洲河流域生態(tài)分區(qū)的探討,得出如下結(jié)論：

1)茅洲河流域生態(tài)分區(qū)的目的主要是體現(xiàn)茅洲河生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的空間差異性,遵循水文、水質(zhì)、河岸帶及地貌、水生生物各項(xiàng)目相互獨(dú)立的原則,提出以“分項(xiàng)基本項(xiàng)目確定—各項(xiàng)分類標(biāo)準(zhǔn)的量化—分層聚類分析—人工輔助歸類—分區(qū)特征描述及原因分析”為思路的三級(jí)生態(tài)分區(qū)方法體系.該體系針對(duì)城市河流嚴(yán)重的污染問(wèn)題,劃分紅線、黃線、藍(lán)線不同規(guī)格的治理需求.為茅洲河流域的生態(tài)環(huán)境治理提供有效的引導(dǎo).

2)通過(guò)分析分區(qū)等級(jí)體系,發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)分布均存在較大空間差異性.在茅洲河各支流靠近上游部分樣點(diǎn)水文情勢(shì)及河道地貌近乎滿分,達(dá)到健康狀態(tài),水生動(dòng)植物及水質(zhì)情況在全流域也處于最高水平.干流遠(yuǎn)離河口等樣點(diǎn)生態(tài)狀況較差,水文情勢(shì)得分均處于1～2分之間,處于惡劣狀態(tài).此外各支流河道下游段形態(tài)破壞明顯,水生動(dòng)植物指標(biāo)也處于中等水平.支流水生生物及水質(zhì)情勢(shì)極不理想,支流健康不理想的點(diǎn)位基本處于居民密集區(qū)及工廠密集區(qū),生活污水及企業(yè)排放量大,或?yàn)樯鷳B(tài)狀況惡化的根本原因.

本文借鑒前人的研究方法,并充分考慮生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境需求的影響,從流域生態(tài)完整性出發(fā),建立基于河流生態(tài)修復(fù)治理基礎(chǔ)上的分層聚類方法,為河流治理提供了新的思路.但目前國(guó)內(nèi)生態(tài)分區(qū)研究尚處于起步階段,生態(tài)分區(qū)作為一種新的管理單元,不僅可以作為河流生態(tài)區(qū)域治理的重要手段,還可以作為評(píng)價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)健康的單元,建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn),將會(huì)使流域管理更為科學(xué).