田 盼,吳基昌,宋林旭,紀道斌,李 斌,李亞莉,馮發(fā)堂,張必昊,陳一迪,方 嬌
(1.中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司,廣東深圳518102;2.三峽大學水利與環(huán)境學院,湖北宜昌443002)
河流生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜、開發(fā)、動態(tài)、非平衡和非線性系統(tǒng)[1],在水流和生物-物理-化學的相互作用下促進流域的物質(zhì)循環(huán)和能量流動[2]。隨著工業(yè)的快速發(fā)展,河流生態(tài)系統(tǒng)遭到了前所未有的退化和破壞[3,4],水文水資源的需求加大、水質(zhì)污染加劇、河岸地貌變形、水生生物消跡等現(xiàn)象頻發(fā),許多河流面臨著水文水質(zhì),結(jié)構(gòu)和功能,生境生物單一等多方面的問題[5]。城市河流生態(tài)系統(tǒng)的退化已然被公認為全球性的生態(tài)環(huán)境問題[6]。
茅洲河是深圳市重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)廊道,對深圳市的可持續(xù)發(fā)展舉足輕重,重要性不言而喻。但隨著城市化的快速發(fā)展,茅洲河流域河流受到了嚴重的破壞,影響了其水文、水質(zhì)、河岸地貌和水生生物,嚴重制約了城市的健康發(fā)展,嚴重阻礙了人民對美好生活的追求。茅洲河水環(huán)境治理工程已經(jīng)成為深圳市建設(shè)生態(tài)型現(xiàn)代濱水城區(qū)的重要戰(zhàn)略部署[7]。有關(guān)茅洲河的河流生態(tài)環(huán)境研究多從單個方面進行研究。本文在分析茅洲河流域面臨的多重生態(tài)問題的基礎(chǔ)上,采用“空間置換時間”的方法[8],研究茅洲河流域部分河流的分類和生態(tài)修復模式,以期為茅洲河河流的綜合生態(tài)系統(tǒng)健康的治理和恢復提供科學參考。
茅洲河是深圳第一大河流,其流域?qū)儆谥榻谒担瑥氖瘞r水庫上游流經(jīng)深圳市,匯入伶仃洋。流域總面積為388.23 km2,全河長41.61 km,其中干流河長為31.29 km,茅洲河流域水系呈不對稱樹枝狀分布,總共有45條支流。
隨著深圳市一直以來的快速發(fā)展,城市建設(shè)快且完善,但快速發(fā)展的同時卻忽略了對區(qū)域內(nèi)河流水體的保護?,F(xiàn)茅洲河進行了全面消除黑臭水體工程,清淤工程,正本清源工程,計劃補水工程,水質(zhì)改善工程等治理工程,卓有成效。但是目前,整個流域水系內(nèi),仍然存在較嚴重的河流生態(tài)健康的破壞問題。
(1)流域河流的水環(huán)境容量隨時間變化極大,雨季暴雨多,強度大;旱季天然基流很小,地表徑流主要是生活污水和工業(yè)污水。旱季流域內(nèi)部分河流斷流情況嚴重,水量不足現(xiàn)象更待解決。大部分河流水體流速小,甚至處于停滯狀態(tài)。
(2)水質(zhì)污染較為嚴重,且下游易咸潮入侵。經(jīng)過治理后,流域河流水質(zhì)整體上仍多處于Ⅳ類,Ⅴ類和劣Ⅴ類,沉積物污染也較為嚴重,因此不利于水體內(nèi)動植物的生存和繁殖。
(3)河道渠化現(xiàn)象較為嚴重,岸坡硬化,河道裁彎取直,部分河流河岸帶窄,河岸帶植被覆蓋率低,加劇了河流生態(tài)系統(tǒng)健康的破壞和退化。
總的來說,茅洲河在治理后,水文情況需進一步改善,水質(zhì)污染仍然嚴重,生境單一,河流生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能遭到,生物多樣性不高。故針對茅洲河流域的現(xiàn)狀特點,以修復河流生態(tài)系統(tǒng)健康為總目標,急需建立合適的生態(tài)修復模式以及相應(yīng)的可供參考的修復建議。
河流生態(tài)系統(tǒng)是自然界最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一。董哲仁[9]認為河流生態(tài)系統(tǒng)修復是指通過適度人工干預,促進河流生態(tài)系統(tǒng)恢復到較為自然狀態(tài)的過程,在這種狀態(tài)下河流生態(tài)系統(tǒng)具有可持續(xù)性,并可提高生態(tài)系統(tǒng)價值和生物多樣性。姜躍良[10]等也認為河流生態(tài)修復就是重建受損生態(tài)系統(tǒng)的功能及有關(guān)物理、化學和生物特征,恢復河流生態(tài)系統(tǒng)的原有結(jié)構(gòu)和功能,再現(xiàn)一個自然的、能自我調(diào)節(jié)河流生態(tài)系統(tǒng)。就目前,隨著修復實踐的發(fā)展,河流生態(tài)系統(tǒng)的修復也已經(jīng)從單純的結(jié)構(gòu)性修復發(fā)展到生態(tài)系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)、功能與動力學過程的綜合修復[11,12]。汪雯[13]等采用分類法來構(gòu)建修復模式,從水文、水質(zhì)、地貌、生物等4個方面構(gòu)思入手進行分類。本研究從綜合考慮的角度,通過建立評分指標和評分標準,對河流水文、水質(zhì)、河流地貌、水生生物的現(xiàn)狀打分,根據(jù)打分的實際情況,對所有點位進行SPSS 系統(tǒng)聚類分析,將各類別根據(jù)表二中判斷健康、亞健康、一般、較差、極差的標準,分析其河流破壞和退化特征,建立不同的生態(tài)系統(tǒng)修復模式,對不同修復模式提出相應(yīng)的修復建議。
詳細步驟如下:①建立評分指標和評分標準,將評分分為5~1 分,對應(yīng)健康、亞健康、一般、較差和極差五個等級,又根據(jù)修復需要,將五個等級分為3 種類型:一類為健康和亞健康,此類型表明河流段未遭受破壞,具有較好的生態(tài)系統(tǒng)功能,屬于無需修復型。二類為一般,此類河段生態(tài)健康隨時可能被破壞,處于退化邊緣,需要加強維護。三類為較差和惡劣,此類河段健康已經(jīng)受損,需要進行分階段性的針對修復。②水文要素中流速和生態(tài)需水量保證率的狀態(tài)等級處于健康和亞健康狀態(tài),則相應(yīng)河段屬于無需修復型;將等級為一般,較差和極差的河段,歸于修復型。③水質(zhì)狀態(tài)等級中,將健康和亞健康歸入無需修復型;將等級為一般,較差和極差的河段,歸于修復型。④對于河段地貌,除了河岸帶寬度是將較差和極差狀態(tài)歸為修復型;其他指標均將一般,較差和極差歸為修復型;健康和亞健康歸為無需修復型。⑤水生生物狀態(tài)等級為健康和亞健康,則歸為無需修復型;等級為一般,較差和極差歸為修復型。⑥根據(jù)河流河段不同的生態(tài)系統(tǒng)破壞和退化特征,提出相應(yīng)的修復模式。
數(shù)據(jù)來源于2018年野外調(diào)研,共選取了茅洲河流域水系的19 條河流,其中1 條干流,13 條一級支流和5 條二級支流,共采取50個點位,點位分布如圖1。
圖1 茅洲河流域河流調(diào)研取樣點位圖Fig.1 Sampling point map of the river survey in Maozhou River Basin
人類與河流的關(guān)系已經(jīng)逐漸從原始自然階段,河流工程控制階段,發(fā)展到了河流污染治理階段和河流生態(tài)系統(tǒng)綜合修復階段[14]。茅洲河流域內(nèi)大部分河流的生態(tài)健康狀態(tài)較差,水質(zhì)污染嚴重,水生生物豐富度低。因此本文直接建立指標評分體系,進行河流河段的系統(tǒng)聚類。文伏波[15]認為指標的選取要考慮河流的不同區(qū)域的地理及人類活動的差異性等因素。且要積極踐行生態(tài)保護與綠色發(fā)展理念,開展受損河流的治理與修復工作[16,17]。在以上思想的指導以及結(jié)合茅洲河實際情況的基礎(chǔ)上,本研究使用頻度分析法和理論分析法,從水文情況,水質(zhì)狀況,地貌結(jié)構(gòu)以及水生生物狀況四項一級指標,篩選出適合茅洲河河流特點并且具有代表性和針對性的12 項二級指標作為相關(guān)河流的評分分類指標體系。詳見表1。
表1 茅洲河流域河流生態(tài)系統(tǒng)分類指標體系[19]Tab.1 Classification index system of river management ecosystem in Maozhou River Basin
劉昌明[18]認為河流健康標準應(yīng)反映河流的自然功能狀態(tài),根據(jù)不同的自然特征和社會背景,不同河流的種類和數(shù)量是不同的。目前,由于茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康的歷史資料缺乏等問題,本文以茅洲河河流水質(zhì)治理目標要達到Ⅳ類水為基礎(chǔ),結(jié)合已有相關(guān)資料,并參考相關(guān)文獻和以往評分標準研究確定研究區(qū)域的各個指標的分類評分標準,詳見表2。
表2 茅洲河流域生態(tài)系統(tǒng)分類標準[25]Tab.2 Ecosystem Classification Standard of Maozhou River Basin
根據(jù)聚類分析圖的特征,將所測河段分為五類,如圖2。再通過Origin進行分值比對分析。
圖2 茅洲河流域河流河段分類圖Fig.2 Classification of river sections in Maozhou River Basin
類別一中共有19個點位,可知水文狀況中流速和生態(tài)蓄水量保證率的評分基本處于修復型,水質(zhì)情況中水質(zhì)綜合污染指數(shù)和沉積物綜合污染指數(shù)均處于修復型,河岸地貌特征中蜿蜒度、護岸形式、河岸帶寬均處于修復型,連通性處于無需修復型;水生生物情況中浮游動物、底棲動物和河岸帶植被覆蓋率均處于修復型,浮游植物無需修復。
類別二中共有10 個點位,可知水文狀況中流速處于修復型,生態(tài)需水量保證率無需修復,其余指標現(xiàn)狀與類別一相同。
類別三中共有4 個點位,可知水文狀況中流速均處于修復型,生態(tài)需水保證率僅點位SJH02無需修復,其余點位均處于修復型,河岸地貌各指標均無需修復,水生生物因素中浮游動物和底棲動物處于修復型,而河岸植被覆蓋率有兩個點位無需修復,點位SY04和SJH02處于修復型。
類別四中共有4個點位,其各指現(xiàn)狀與類別一狀態(tài)相同。
類別五中共有13個點位,可知水文和水質(zhì)狀態(tài)與類別二相同。河岸地貌特征中蜿蜒度處于修復型,護岸形式和河岸帶寬少部分處于修復型,連通性無需修復,水生生物情況中浮游動物、底棲動物和河岸植被覆蓋率處于修復型,浮游植物無需修復。
綜上所訴,根據(jù)4個一級指標的狀態(tài)可知,水文狀態(tài)中類別一、三、四各要素屬于修復型,類別二、五僅流速屬于修復型,水質(zhì)情況中各類別均屬于修復型,水質(zhì)污染情況嚴重,河岸地貌特征中,除連通性無需修復,類別三各要素無需修復外,類別一、二、四屬于修復型,類別五僅蜿蜒度屬于修復型,水生生物狀態(tài)中,除浮游植物無需修復外各類別其他要素均屬于修復型。
根據(jù)系統(tǒng)聚類分析結(jié)果,將50 個調(diào)研點位共分成5 個類別,經(jīng)分析明確50個調(diào)研點位所在河段均需要進行河流生態(tài)健康的修復。根據(jù)上述各類別的現(xiàn)狀和所需要修復的指標,結(jié)合對河流進行綜合生態(tài)修復的理念,且考慮不同修復模式中單一指標的不同,在應(yīng)用于工程時,工程量、工期、成本、質(zhì)量等會存在較大差異,更科學合理地將5 個類別分為水文(流速+生態(tài)需水)-水質(zhì)-地貌-生物修復模式(包含了類別一和四)、流速-水質(zhì)-地貌-生物修復模式(類別二)、水文(流速+生態(tài)需水)-水質(zhì)-生物修復模式(類別三)、流速-水質(zhì)-蜿蜒度-生物修復模式(類別五)等四種生態(tài)修復模式,并且依據(jù)實際對比,將類別一中的點位TTQ01 和類別四中的點位LHK02 歸為流速-水質(zhì)-地貌-生物修復模式;類別三中的點位SJH02 單獨修復,4 種修復模式占比依次為42%、24%、8%和26%。具體見圖3。
圖3 茅洲河流域河流生態(tài)修復模式分布圖Fig.3 Map of the ecological restoration pattern of the river in Maozhou River Basin
自然的水文水力過程可以修復復雜的生態(tài)系統(tǒng),并維持其環(huán)境特性。這一概念得到了示范工程的證明[30]。通過重新控制并形成原有的自然水文水力狀態(tài),就可以最大限度地達到修復工程的目的[31]。此外生態(tài)修復工作不可能一蹴而就,需要分階段的進行,因此在生態(tài)修復的過程中要遵循循序漸進的原則。同時,河流由于自身特性,屬于廊道、過渡帶,生態(tài)修復相對復雜,對河流生態(tài)的修復方案的制定,要做到綜合考慮,統(tǒng)籌兼顧,了解各指標的相互關(guān)系和影響,才能更好地發(fā)揮生態(tài)的功能,創(chuàng)造更完善的生態(tài)結(jié)構(gòu)[32]。依據(jù)上述各項原則,提出了針對茅洲河流域相關(guān)河流的4種修復模式下的修復建議。
3.2.1 水文-水質(zhì)-地貌-生物修復模式
此模式的修復首先要解決水文條件,改變水流流速,增加水量,水量的增加要考慮對水生生物的影響和對水質(zhì)改善的作用;然后,進行水質(zhì)的改善,水質(zhì)的改善與水文,地貌和生物等因素息息相關(guān),可通過物理方法和生物方法的結(jié)合來改善水質(zhì);在河岸地貌的修復中,要結(jié)合當?shù)氐慕ㄖ?,景觀等因素,河岸地貌的修復要以恢復物理結(jié)構(gòu)為主,在河岸植被稀疏的區(qū)域進行植物擴增,對硬化程度高的河段可采取懸掛植物等方式來修復,采用工程手段改變河流蜿蜒度,如建造丁壩等;在水文水質(zhì)等條件改善的條件下,進行生物的修復,生物的修復要結(jié)合地貌特點,食物鏈的創(chuàng)建要合理,以水生植物為主,反過來,生物的修復對水質(zhì)起重要作用。
3.2.2 流速-水質(zhì)-地貌-生物修復模式
該類型的生態(tài)修復首先要解決水流流速問題,在水量滿足的條件下,流速的改變可加快河流的能量和物質(zhì)循環(huán),有利于水質(zhì)的改善;然后進行水質(zhì)的改善,水質(zhì)的改善要先用物理方法,再用生物方法,如人工濕地,生態(tài)浮島等;同時可進行河岸地貌的修復,如拓寬河岸寬,種植喬-灌-草三級植物,改變河流蜿蜒度等;在水文水質(zhì)改善后,進行生物修復,生物修復的目的是增加生物多樣性,有利于創(chuàng)建自我修復能力。
3.2.3 水文-水質(zhì)-生物修復模式
該模式的生態(tài)修復首先解決水文條件,進行流速和水量的修復,水量可通過生態(tài)調(diào)度來實現(xiàn);然后進行水質(zhì)的改善,在水文水質(zhì)改善后,進行生物修復,生物修復以水生植物為主,植物布置要考慮河道寬和景觀要求。該模式無需對地貌進行修復,在此基礎(chǔ)上,要維護好地貌條件。
3.2.4 流速-水質(zhì)-蜿蜒度-生物修復模式
該類模式依然先解決水文條件,在水量滿足的前提下,改變河流流速;然后進行水質(zhì)的改善,此模式對于地貌的修復僅需修復蜿蜒度,可建造丁壩,或者增加深潭-淺灘的結(jié)構(gòu);在水文水質(zhì)改善后,進行生物修復。
對于單獨修復的河段,首先進行流速的修復,再對水質(zhì)進行修復,最后對水生生物進行修復。
本研究在河流生態(tài)修復研究和已有成功的工程實踐的基礎(chǔ)上,選取水文,水質(zhì),地貌結(jié)構(gòu),生物4 個一級指標,并篩選12個二級指標,構(gòu)建河流分類和標準體系,進行系統(tǒng)聚類,進行系統(tǒng)聚類,分析具有相同特征的河段,針對不同特征類別提出不同的生態(tài)修復模式以及修復建議。
(1)通過聚類分析,將河流劃分為5 類。類別一中共有19個點位,類別二中共有10 個點位,類別三中共有4 個點位,類別四中共有4 個點位,類別五中共有13 個點位。其中水文狀態(tài)中類別一、三、四各要素屬于修復型,類別二、五僅流速屬于修復型;水質(zhì)情況中各類別均屬于修復型,水質(zhì)污染情況嚴重;河岸地貌特征中,除連通性無需修復,類別三各要素無需修復外,類別一、二、四屬于修復型,類別五僅蜿蜒度屬于修復型;水生生物狀態(tài)中,除浮游植物無需修復外各類別其他要素均屬于修復型。
(2)根據(jù)五類河流的特征,可歸結(jié)成4 類修復模式,分別為水文-水質(zhì)-地貌-生物修復模式、流速-水質(zhì)-地貌-生物修復模式、水文-水質(zhì)-生物修復模式以及流速-水質(zhì)-蜿蜒度-生物修復模式,占比依次為42%、24%、8%和26%,包含所調(diào)研所有河流段。