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。

1 研究區(qū)域特點及主要生態(tài)問題

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。

2 研究區(qū)域河流分類研究

2.1 河流類別劃分方法

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。

2.2 分類指標建構(gòu)

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

2.3 分類標準確定

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

2.4 分類結(jié)果分析

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。

3 研究區(qū)域河流生態(tài)修復模式

3.1 生態(tài)修復模式構(gòu)建結(jié)果分析

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

3.2 不同修復模式下的修復建議

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。

4 結(jié) 論

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。