王寶華，黃 紅，鄧雪原，謝曉倩，楊先野，袁 夢

（1.廣州市水務規(guī)劃勘測設計研究院有限公司，廣州 510640；2.廣州市水務協(xié)會，廣州 510640；3.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635；4.水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術中心，廣州 510635；5.廣東省水利電力職業(yè)技術學校，廣州 510635；6.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635）

2018 年6 月，《中共中央 國務院關于全面加強生態(tài)環(huán)境保護 堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》發(fā)布，要求打好黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)。到2020 年，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體消除比例達90%。黨的二十大報告提出：深入推進環(huán)境污染防治，統(tǒng)籌水資源、水環(huán)境、水生態(tài)治理，推動重要江河湖庫生態(tài)保護治理，基本消除城市黑臭水體?；浉郯拇鬄硡^(qū)核心城市廣州，是個伴水而生、因水而興的城市，在兩千多年的發(fā)展史當中，治城先治水成為這座城市發(fā)展的關鍵。自20 世紀80 年代起，隨著人口的膨脹和經(jīng)濟迅猛發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水大量排放至河道，造成河涌黑臭，水生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞。近年，隨著廣州市城市黑臭水體整治力度加大，各級管理部門大力落實“河長制”，截污治污整治成效顯著。2019 年，廣州市147 條黑臭河涌基本消除黑臭［1］，2020 年一次性通過省黑臭水體治理驗收，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部監(jiān)管的147條黑臭水體全部消除黑臭。經(jīng)過近三年的重拳整治，多條黑臭河涌實現(xiàn)了“大變樣”，成為居民休閑的好去處，“水清、岸綠、景美”的風光，令游人流連駐足，實現(xiàn)了“清水綠岸、魚翔淺底”的目標［2］。本研究提出了消除黑臭水體“三源-四洗-五方針”整治模式、長治久清生態(tài)自修復模式等，實踐證明，沙河涌治理效果良好，最終實現(xiàn)了“清水綠岸、魚翔淺底”的目標。本成果對于黑臭水體水生態(tài)修復具有重要參考意義［3-5］。

1 研究區(qū)概況

沙河涌是廣州市147條黑臭河涌之一，北起白云山，由北向南穿越白云、天河、越秀三區(qū)后，匯入珠江前航道，干流全長14.14 km，流域面積34.3 km2（見圖1）。沙河涌為上游山區(qū)型，下游感潮型的復合型河流，干流河道曲折，寬窄不一，上游河道寬12～28 m，下游河道寬18～44 m，主涌涌口設有截污防潮閘。該涌上游有左右支流，左支流長約2.35 km，右支流長約3.45 km。右支流發(fā)源于白云區(qū)榕樹頭，左支流與耙齒瀝水庫相連，左右支流于元崗橋上游匯集成主涌，下游在越秀區(qū)珠江賓館附近匯入珠江（二沙涌）［6］。

圖1 沙河涌流域水系圖Fig.1 Water system of Shahechong

2 沙河涌黑臭消除歷程

為了實現(xiàn)河涌“清水綠岸、魚翔淺底”的目標，提出了消除黑臭綜合整治思路，在全面梳理黑臭河涌現(xiàn)狀及存在問題基礎上，系統(tǒng)采用“三源-四洗-五方針”綜合整治模式、保持長治久清生態(tài)自修復模式等（見圖2）。

圖2 消除黑臭水體綜合整治思路圖Fig.2 Comprehensive plan for the elimination of black and odor water

2.1 黑臭沙河涌

治理前，沙河涌上游利用三涌補水工程抽取珠江水長距離補水，水質較為渾濁，下游則通過水閘雙向調度，水體較深，水生態(tài)情況較差。上游山水被截流后缺乏生態(tài)基流；中下游河道變寬，坡度變緩，大量泥沙沉積；下游受潮汐影響，水體過深，水生態(tài)不佳，治理前的沙河涌照片見圖3。

圖3 治理前的沙河涌Fig.3 Shahechong before treatment

2.2 消除黑臭“三源-四洗-五方針”整治模式

全面系統(tǒng)梳理河涌現(xiàn)狀及存在問題，采用了三源（源頭控污、源頭截污、源頭雨污分流，達到從源頭降量的目標）、四洗（洗樓、洗管、洗井、洗河，要全面摸清排水戶排水管網(wǎng)現(xiàn)狀）、五方針（控源、截污、清淤、補水、管理方針）綜合治理措施。

通過采取上述“截污水、分清水、減溢流、補短板、降水位、補清水、強管理”等綜合手段后，沙河涌流域達到了源頭減量、沿程（沙河涌主干管）減壓、末端（獵德廠）減負、河涌減污和增加進廠濃度“四減一增”的效果，體現(xiàn)了污水收集與處理系統(tǒng)的提質增效，實現(xiàn)了沙河涌水環(huán)境質量明顯提升，治理后的沙河涌照片見圖4。

圖4 治理后的沙河涌Fig.4 Shahechong after treatment

2.3 保持長治久清生態(tài)自修復模式

沙河涌為保持長治久清的治理效果，采用三部曲，其一溢流口改造，開展渠箱清污分流，截留初雨；其二停調珠江水補水，改用京溪凈水廠尾水補水（再生水補水）；其三降低下游感潮段的景觀水位，保持低水位運行［7］。實現(xiàn)陽光透射到涌底，涌底生境得以恢復，水生生物群落開始豐富的生態(tài)自修復模式。

3 生態(tài)修復的定量分析

通過對沙河涌進行為期一年多（2019年5月至2020 年10 月）的水生生物監(jiān)測，定量分析闡明黑臭水體整理后河涌生態(tài)系統(tǒng)自修復效果與發(fā)展趨勢。建立二維河道水動力模型，分析計算沙河涌的水動力情況，重點計算河道水面線情況，并模擬枯水期、豐水期的水位、水流流速、流向情況。根據(jù)沙河涌監(jiān)測點河段枯水期、豐水期水動力模型結果，分析監(jiān)測點河段水流情況對水生植物的影響，得出不同水期水生生物群落結構變化和恢復狀況。

3.1 監(jiān)測位點布設與監(jiān)測數(shù)據(jù)收集

（1）監(jiān)測位點布置原則

沙河涌監(jiān)測位點的布置原則其一考慮流域內水系分布情況，包括支流匯入口、重要合流排水口以及補水點位置等因素；其二考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)代表性，監(jiān)測位點均勻布置在河涌上、中、下游。

沙河涌上游至下游共布設了7個監(jiān)測位點，各位點的具體信息見表1。

表1 沙河涌監(jiān)測位點基本信息Table 1 Basic information of monitoring points of Shahechong

（2）采樣時間與項目

本研究于2019 年5 月、2020 年2 月和10 月開展調查采樣工作。采集與指標測定主要包括：水質指標測定，浮游生物、附著藻類水生植物、大型底棲動物及魚類的采集鑒定。

3.2 水質指標評價

水質主要涉及溶解氧（dissolved oxygen，DO）、化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）、五日生化需氧量（five-day biochemical oxygen demand，BOD5）、總氮（total nitrogen，TN）、氨態(tài)氮（ammonia nitrogen，NH3-N）、總磷（total phosphorus，TP）指標，評價參照《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）進行。

3.3 水動力數(shù)學模型分析

采用河道MIKE21水動力模型計算，模擬區(qū)域為沙河涌上游左、右支流（監(jiān)測點S1、S2）至下游涌口（監(jiān)測點S7）的河道范圍。為確保監(jiān)測點河段模型結果精度，適當增加監(jiān)測點上、下游約200 m河段的三角形網(wǎng)格密度，沙河涌模型共生成計算網(wǎng)格102 546個，網(wǎng)格平均大小2.6 m2。

水動力學模塊是MIKE21水動力模型最核心的基礎模塊，可以模擬因各種作用力作用而產(chǎn)生的水位和水流變化。模型計算公式如下：

水流連續(xù)方程：

河道主流方向運動方程：

垂直主流方向（河寬方向）水流運動方程：

其中：h為水深，m；t為時間，s；u和v分別為x和y方向的流速，m/s，M=uh，N=vh；Z為水位，m；q為單位面積上水流的源匯強度，m/s；n為曼寧糙率系數(shù)；D為紊動粘性系數(shù)；J為雅克比數(shù)；U、V分別為曲線坐標中流速在ξ和η方向的分量［8］。

3.4 水生生物評價

水生生物采用物種組成、豐度、生物量、優(yōu)勢度指數(shù)（Y）、Shannon 多樣性指數(shù)（H）以及Pielou’s 均勻度指數(shù)（J）［9］等評價方法進行評價，各指數(shù)按《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB 17378.1—2007）的要求進行計算，具體計算方法如下［10］:

式中：ni為第i種的個體數(shù)；N為所有種類的總個體數(shù)；fi為第i種在各位點出現(xiàn)的頻率；Pi為第i種的個體數(shù)與總個體數(shù)的比值。Y＞0.02 的物種被定義為優(yōu)勢種［11-12］。Shannon 多樣性指數(shù)（H）是反映生物群落結構的復雜性和穩(wěn)定性的指標，該指數(shù)數(shù)值越大，表明生物多樣性水平越高。

2020 年10 月選用相對重要性指數(shù)（index of relative importance，IRI）描述了魚類群落生態(tài)優(yōu)勢度，將IRI≥1 000 定為優(yōu)勢種，100≤IRI＜1 000 定為重要種。計算公式為:

式中：N為各物種數(shù)量百分比，W為各物種質量百分比，F(xiàn)為各物種在所有抽樣次數(shù)中的出現(xiàn)頻率。

4 研究結果

4.1 水質指標測定

沙河涌以低水位運行模式為主，除河口受珠江潮汐影響水深為1～2 m 外，其他位點的水深在0.5 m左右變動，豐水期最大流速達1 m/s，而枯平水期，流速均低于0.4 m/s。2020 年水質較2019 年明顯提升（圖5），DO、COD、BOD5均達Ⅲ類地表水標準，與2019 年相比，2020 年水體的COD、BOD5、TN、NH3-N、TP濃度分別下降46%、54%、18.9%、29.4%、36.7%。

圖5 沙河涌三次水質調查結果對比圖Fig.5 Result comparison of three surveys of water quality at Shahechong

4.2 水動力數(shù)學模型計算結果

建立沙河涌河道MIKE21水動力模型，計算枯水期（10月至次年4月）、豐水期（5月至9月）沙河涌上游至下游7 個監(jiān)測位點水位、水深和流速。計算結果見表2，計算結果反映了沙河涌各斷面水位-流速關系的變化情況。

表2 沙河涌枯水期、豐水期各監(jiān)測河段水力特征值Table 2 Hydraulic characteristic values of each monitored river section during dry and rainy season of Shahechong

4.3 浮游生物

（1）浮游植物

2019 年5 月和2020 年2 月與10 月浮游植物物種組成對比見圖6。三次調查浮游植物物種組成均以綠藻和硅藻為主，2020年10月物種數(shù)較2020年2月大大增加，且物種明顯多樣化，出現(xiàn)了甲藻門物種，藍藻占比大幅減小（從19%減小到4%），而綠藻門、裸藻門和隱藻門物種占比增加。在一系列的生態(tài)恢復策略下，浮游植物群落逐漸重建，從營養(yǎng)鹽含量充足水域中的普生種類（硅藻）逐漸形成優(yōu)勢種且數(shù)量明顯增加（以綠藻最多），還出現(xiàn)了敏感種轉板藻和卵囊藻。在水質逐步改善的前提下，敏感種的出現(xiàn)有利于河涌浮游植物完整性修復。

圖6 沙河涌浮游植物物種組成占比圖Fig.6 Proportion of species composition of phytoplankton composition of Shahechong

（2）浮游動物

在沙河涌三次調查中，浮游動物物種組成對比如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，與2019年5月相比，2020年10月調查總物種數(shù)有所增多，且物種組成變化很大，原生動物組成占比在后兩次調查中有了極大的提升。與2020 年2 月相比，2020 年10 月浮游動物總物種數(shù)減少了1種，原生動物占比略有增加，輪蟲占比略有增加，沒有橈足類物種出現(xiàn)。表明在一系列的生態(tài)恢復策略下，浮游動物群落逐漸重建，原生動物占比逐步提高，逐步出現(xiàn)敏感種針棘匣殼蟲和彎凸表殼蟲。在水質逐步改善的前提下，敏感種的出現(xiàn)有利于河涌浮游動物完整性修復。

圖7 沙河涌浮游動物物種組成占比圖Fig.7 Proportion of species composition of zooplankton composition of Shahechong

4.4 附著藻類和水生植物

（1）附著藻類

在沙河涌三次調查中，附著藻物種組成對比如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，與2019年5月附著藻類總和26種和2020年2月附著藻類總和28種相比，2020年10 月附著藻類總和達到71 種，物種明顯多樣化，增加了隱藻門物種，藍藻門、綠藻門物種數(shù)占比均有一定下降，出現(xiàn)一種清潔種曲殼藻。表明在一系列的生態(tài)恢復策略下，附著藻類逐漸增多，2020年10月附著藻類總數(shù)達到71種。雖然附著藻優(yōu)勢種基本都是中富營養(yǎng)型水體指示種，但附著藻優(yōu)勢種逐步增加，并且出現(xiàn)一種清潔種。在當前的流量范圍內，水質改善有利于河涌附著藻類完整性修復。

圖8 沙河涌附著藻類物種組成對比圖Fig.8 Proportion of species composition of attached algae composition of Shahechong

（2）水生植物

在沙河涌三次調查中，水生植物物種組成對比如圖9 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，沙河涌2019 年5 月、2020 年2 月和10 月水生植物都以挺水植物為主。與2019 年5 月和2020 年2 月相比，2020 年10 月水生植物總物種數(shù)有所減少。2019年5月和2020年2月出現(xiàn)的浮葉植物和沉水植物在2020年10月沒有發(fā)現(xiàn)，但是2020年10月出現(xiàn)了漂浮植物。通過三次調查，水生植物的物種數(shù)和種類變化比較明顯，均出現(xiàn)不同的優(yōu)勢種，規(guī)律性不強，建議持續(xù)調查2—3年，比較分析其相關關系。

圖9 沙河涌水生植物物種組成對比圖Fig.9 Proportion of species composition of aquatic plant of Shahechong

4.5 大型底棲動物

在沙河涌三次調查中，大型底棲動物物種組成對比如圖10 所示。可以發(fā)現(xiàn)，2019 年5 月大型底棲動物以節(jié)肢動物和寡毛類為主。2020年2月大型底棲動物以節(jié)肢動物為主，而2020年10月以寡毛類和軟體動物為主。與2019年5月相比，2020年2月和10 月大型底棲動物總物種數(shù)都有增加。與2020 年2 月相比，2020 年10 月大型底棲動物總物種數(shù)減少了10 種，寡毛類和軟體動物物種數(shù)分別增加了15.02%、18.32%，節(jié)肢動物物種數(shù)大幅度減少，蛭類和多毛類物種數(shù)略有減少。表明在一系列的生態(tài)恢復策略下，底棲動物群落逐漸重建，寡毛類和搖蚊是修復初期的先鋒種，腹足類軟體動物和污染敏感水生昆蟲是隨后定殖的過渡種。在當前的流量范圍內，較大流量可能有利于河涌底棲生物完整性修復。

圖10 沙河涌大型底棲動物物種組成對比圖Fig.10 Proportion of species composition of macrobenthic animals of Shahechong

4.6 魚類

在沙河涌三次調查中，魚類物種組成對比如圖11 所示。2019 年5 月和2020 年2 月魚類都以鯉形目為主，物種數(shù)從2019 年5 月21 種下降為2020年2月16種、2020年10月10種，但類別組成增加到2020 年10 月6 類（鯉形目、鱸形目、鯰形目、鲇形目、合鰓魚目和鳉形目）。表明在一系列的生態(tài)恢復策略下，魚類類別逐漸增加，從最早的耐低氧，耐低氧且適應性強的齊氏羅非魚、尼羅羅非魚和革胡子等外來魚種為主，伴隨水質的逐步改善，外來魚種數(shù)量逐步下降，但物種豐富度明顯增加（2020年出現(xiàn)本地優(yōu)勢種鯪魚和泥鰍）。伴隨著水質的改善本地魚類逐步恢復，物種豐富度明顯增加。

圖11 沙河涌魚類物種組成對比圖Fig.11 Proportion of species composition of fishes of Shahechong

5 結語

沙河涌采用“三源-四洗-五方針”綜合整治措施后，為保持沙河涌長治久清治理效果，沙河涌實施低水位運行和再生水補水等生態(tài)自修復模式。河道水質和水動力得到很大改善，上中游河道水質逐漸恢復，清澈見底，水草叢生，不同類群生物物種開始出現(xiàn)。

通過沙河涌三次調查發(fā)現(xiàn)：水質在穩(wěn)步提升，DO、COD、BOD5均達Ⅲ類地表水標準；生物群落已開始豐富，浮游生物出現(xiàn)了敏感種針棘匣殼蟲和彎凸表殼蟲，附著藻類出現(xiàn)清潔種曲殼藻，大型底棲動物出現(xiàn)污染敏感水生昆蟲，魚類出現(xiàn)本地優(yōu)勢種鯪魚和泥鰍。

沙河涌各河段各類生物群落正在持續(xù)恢復中，主要生物類群的多樣性逐漸增加，再生水補水促進河涌水生態(tài)恢復進程，近補水河段恢復最快，已有各類敏感種出現(xiàn)并定居，物種組成由耐受物種向自然物種和清潔物種轉變。廣州沙河涌采用生態(tài)自修復模式保持河道長治久清治理效果明顯，為城市河涌水生態(tài)修復實踐提供了參考和借鑒。