深圳市茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價

陳 炯 吳基昌 宋林旭 李 斌 紀道斌阮 洲 何金艷 許 楊 石浩洋 李 慧

(1.三峽大學 水利與環(huán)境學院,湖北 宜昌 443002;2.中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司,廣東 深圳 518100)

河流作為人與自然之間的重要紐帶,不僅提供了人類賴以生存的水資源環(huán)境,還在社會服務、人文景觀等生態(tài)功能方面發(fā)揮著不可或缺的作用.隨著我國城市規(guī)模和人口的不斷增長,城市建設對河流的影響越來越大,水環(huán)境水生態(tài)問題日益突出.如何評估河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,已成為河流健康管理的新內容.

為了評估河流健康狀況,美國提出的生物完整性指數(shù)評價法(IBI)[1]和澳大利亞提出的河流評價體系(AUSRIVAS)[2]應用較為廣泛,雖操作簡單,但僅憑幾個物種指標并不能準確地體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)內部真實的變化.顧曉昀等[3]以水文、水質、水生生物和棲息地狀況4種指標建立北運河河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,李瑤瑤等[4]以水文特征、水質狀況、生物狀況與地貌特征4個方向建立淮河流域(河南段)河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,雖然能夠反映河流在生態(tài)學和生物學上的完整性,但忽略了河流的社會服務功能[5-6],人類作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,應充分考慮其對人類的社會價值[7-9].

以深圳茅洲河為研究對象,選擇水文、水質、地貌形態(tài)、水生生物和社會功能等指標,建立茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,結合各指標的監(jiān)測和評分結果,利用層次分析法,研究茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,分析差異及可能成因,以期為流域水環(huán)境治理及城市水生態(tài)修復提供借鑒與參考.

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況與樣點設置

茅洲河發(fā)源于深圳市羊臺山北麓,是深圳市境內的第一大河,干流全長31.29 km,流域面積388.23 km2.采取一系列的治理措施后,茅洲河水體已基本消除黑臭,水質狀況處于Ⅴ類和劣Ⅴ類,水生生物多樣性偏少,部分支流存在渠道化、河岸帶侵蝕、水流狀況差、可親水度小等現(xiàn)象.

2018年4 月(非汛期)和8月(汛期)分別對茅洲河水系進行采樣調查,共設置31個采樣點,其中茅洲河干流13個采樣點,即MZH01～MZH13;18條支流各一個采樣點,即PLH～YTS.具體位置如圖1所示.

1.2 樣品采集

1.2.1 水質指標

水質監(jiān)測指標5個,為p H值、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和溶解氧(DO).

1.2.2 水生生物指標

1)浮游植物

各樣點取1 L水樣,現(xiàn)場用魯哥氏劑固定,帶回實驗室沉淀濃縮至50 m L[10-11].

2)浮游動物

圖1 茅洲河流域采樣點分布圖

定性標本用13號浮游生物網(wǎng)采集,采集完后過濾至聚乙烯瓶中,加10%的福爾馬林溶液保存,定量標本用5 L采水器采集表層水體4次,過濾至100 m L聚乙烯瓶中,加福爾馬林溶液保存[11-12].

1.2.3 其他指標

茅洲河流域的水文指標、地貌形態(tài)指標和社會功能指標結合文獻資料、專家咨詢、實地考察、拍照對比等方式進行現(xiàn)場評價,分別對每個指標打分[13].

1.3 鑒定分析

p H值和溶解氧(DO)由Hydrolab DS5多參儀(美國)現(xiàn)場測定,總磷(TP)、氨氮(NH3-N)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)參照文獻[11]采集和測定.水生生物物種鑒定和計數(shù)等采用顯微鏡分類計數(shù)法[12,14,15];浮游動物品樣帶回實驗室需靜置48 h,虹吸濃縮[10,16,17].

本文采用浮游植物Shannon-Wiener指數(shù)和浮游動物Shannon-Wiener指數(shù)作為水生生物多樣性的代表指標,具體計算公式如下,

式中:H為Shannon-Wiener指數(shù),S為樣品分類單元總數(shù),pi為第i種個體占總樣品個數(shù)的比例.

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

評分統(tǒng)計、權重計算、柱狀圖繪制分析、得分結果插值分析分別在Excel、Matlab 2016a、Origin9.0t和Arcgis 10.5中完成.

2 健康評價指標體系構建

2.1 指標體系建立

結合茅洲河河流功能特點和現(xiàn)狀,遵循科學認知、數(shù)據(jù)獲得、整體性和實用性原則[18-19],綜合分析各因素對茅洲河河流健康的影響程度,從水文、水質、地貌形態(tài)、水生生物以及社會功能5個方面構建評價體系并確定權重.

水文指標選擇水流狀況、水域面積、涉水工程影響程度3個方面.水質選取較為常用的指標,即總磷、氨氮、高錳酸鹽、溶解氧和p H.在遵循數(shù)據(jù)獲得和實用性原則下,地貌形態(tài)指標將河道內底質、彎曲程度、河床穩(wěn)定性、河道改造程度、河岸帶侵蝕度等指標都囊括在內,水生生物指標則選擇浮游動物和浮游植物.

另外,茅洲河屬于城市河流,根據(jù)其社會服務功能特點,選擇河岸帶植被多樣性和可親水度兩個方面作為社會功能指標,最終構建了包括目標層、準則層、指標層的遞階層次結構指標體系,具體指標體系如圖2所示.

圖2 茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系

2.2 權重計算

根據(jù)AHP分析方法要求,結合國內外文獻資料、現(xiàn)場調研情況及生態(tài)環(huán)境相關專家意見后,在每一級指標中進行兩兩比較,根據(jù)各層因素之間的相對重要性給出判斷值.比對結果構成判斷矩陣,經(jīng)過Matlab 2016a計算處理,進行層次單排序和層次總排序,得到各個準則層和指標層的權重值[13].經(jīng)一致性驗證,CR＜0.10,判斷矩陣滿足一致性要求.

茅洲河健康評價指標權重計算結果見表1.準則層的權重大小排序為:地貌形態(tài)指標＞水質指標＞水生生物指標＞水文指標＞社會功能指標[3];地貌形態(tài)指標的權重大小排序為:河床穩(wěn)定性＞河道內底質＞河岸帶侵蝕度＞彎曲程度＞河道改造程度;水文指標的權重大小排序為:水域面積＞水流狀況＞涉水工程影響程度;水質指標的權重大小排序為:TP=NH4-N=CODMn=DO＞p H;水生生物指標和社會功能指標內的指標層權重大小相同.

表1 茅洲河健康評價指標權重計算結果

2.3 評價標準與方法

通過參考深圳市相關網(wǎng)站、查閱文獻和專家咨詢等方式,并結合深圳市主要河道水質的治理目標建立評價標準[20].對可量化指標的賦分根據(jù)指標具體數(shù)據(jù)直接給出標準值或者范圍,對定性指標根據(jù)定性描述對賦分標準進行界定[21].依據(jù)評價標準對其進行評分,每一項指標分為5個等級,并賦予一定分值,分別為5、4、3、2、1.河流生境狀況越好、越接近自然狀態(tài)、社會服務功能越強,則該指標的分值越高;反之分值越低[22-23].

評價方法共3步:1)指標層得分,依據(jù)茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價標準對某樣點的各個指標層指標進行評分,評分結果乘以該指標層指標對應權重后,得到各指標層的分值;2)準則層得分,同準則層內各指標層得分求和后,乘以該準則層指標對應權重,得到各準則層的分值;3)河流生態(tài)系統(tǒng)健康綜合得分,各準則層得分求和后,得到該樣點的河流生態(tài)系統(tǒng)健康綜合得分[13].將該分值劃分為[0,1]、(1,2]、(2,3]、(3,4]、(4,5]共5個等級,分別對應河流健康狀況為惡劣、病態(tài)、脆弱、亞健康和健康[24-25].

3 結果與分析

3.1 河流生態(tài)系統(tǒng)單項指標健康評價

為進一步明確影響茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康的主導因素,對茅洲河健康評價體系中的各準則層得分結果進行單項插值運算,得到的單項指標插值結果如圖3～7所示.

圖3 水文指標插值結果

圖4 水質指標插值結果

圖5 地貌形態(tài)指標插值結果

圖6 水生生物指標插值結果

圖7 社會功能指標插值結果

不難發(fā)現(xiàn),茅洲河流域中各項指標得分分布均存在不同程度的干支流差異性和空間差異性.在水文指標中,干流樣點間的差異不明顯,但中下游段支流樣點間存在階梯式變化,中游明顯好于下游.水質指標中,空間差異性較為典型,上游段總體好于下游段.地貌形態(tài)指標情況與水文指標相似,干流樣點間無明顯差異,上游支流樣點略好于下游.水生生物指標中,干流樣點明顯優(yōu)于支流,中上游支流樣點總體好于下游.社會功能指標中,干流樣點間的空間差異性較為明顯,上游好于下游,但支流間不明顯.在所有樣點中,靠近上游的茅洲河12(MZH12)和茅洲河13(MZH13)兩個點位的水文指標及水質指標近乎滿分,地貌形態(tài)指標和社會功能指標在全流域也處于較高水平;下游的排澇河(PLH)在所有指標中得分均最低.

從單項指標評價結果來看,就水文指標和地貌形態(tài)指標而言,一方面由于茅洲河屬于感潮型河流,從河口受潮汐倒灌的海水對河道侵蝕較大,原有的自然河流形態(tài)及河岸帶無法維持,另一方面因防洪排澇工作的要求,部分河段已基本改造成硬化混凝土,河道生境破壞嚴重.此外,為擋潮而建的閘門常年關閉,導致下游干流與支流間水體連通阻斷,加上清淤工程需要對河道進行截流,也是造成下游水文指標和地貌形態(tài)指標不理想的重要因素.對于水質指標而言,流域內的廢污水自中上游流出,最終匯集在下游地區(qū),從而導致該地區(qū)水質惡化.

另外,下游支流主要位于寶安區(qū)境內,人口密集,產業(yè)集中,城市化水平較高,對于水環(huán)境質量影響也較大.對水生生物指標來說,不僅受到水環(huán)境質量的影響,還受到生存空間的制約,支流流量小、流速低、水域面積小等問題對于水生生物的生存很不利.針對社會功能指標,上游段人煙稀少,對于河道形態(tài)和周圍環(huán)境改造及影響程度較小,河岸帶植被多樣性保護較好,河流接近自然.

3.2 河流生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價

茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價結果如圖8所示.在設立的31個采樣點中,6個為健康,占總采樣點數(shù)的19.35%;19個為亞健康,占61.29%;5個為脆弱,占16.13%;1個為病態(tài),占3.23%.茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況總體處于亞健康.全部樣點中,得分最高的為茅洲河12(MZH12),分值4.32,得分最低的為排澇河(PLH),分值1.98.在13個干流樣點中,6個為健康,7個為亞健康;在18個支流樣點中,最好的僅為亞健康,最差的為病態(tài),干流總體狀況要比支流好得多,干支流差異性明顯.

圖8 茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價結果

從全流域來看,茅洲河的健康狀況有極強的空間差異性.上游段樣點除樓村排洪渠(LCPHQ)處在脆弱外,其余處在亞健康及以上狀態(tài);中游段稍差,均處在亞健康;下游段情況較復雜,亞健康、脆弱和病態(tài)都有,整體呈遞減趨勢.無論是干流還是支流,上游段樣點普遍情況要比下游段好.

從綜合評價結果來看,健康等級較高的點位主要集中在上游和干流.水系上游段的支流點位玉田水(YTS)、東坑水(DKS)、大凼水(DDS)和樓村排洪渠(LCPHQ)位于遠離深圳市中心的石巖水庫下游,受人類活動影響較弱,河流生態(tài)系統(tǒng)大部分處于未開發(fā)狀態(tài),河流形態(tài)較為原始.同時干流點位相比支流而言,普遍河道較寬,流量較大,自凈和稀釋污染物的能力要強.而中下游段干流點位茅洲河05(MZH05)和茅洲河06(MZH06)之間有一座較大的水閘,對于中下游段之間河流連通和水體交換有一定的影響.

4 結 論

1)本文選取5個層面17個指標建立了茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,運用層次分析法,所得健康評價結果顯示,在監(jiān)測的31個樣點中,有6個為健康,占19.35%;19個為亞健康,占61.29%;5個為脆弱,占16.13%;1個為病態(tài),占3.23%;0個惡劣,茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況總體處于亞健康.

2)茅洲河河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況具有較強的空間差異性和干支流差異性,上游普遍好于下游,干流總體好于支流.

3)評價結果存在空間差異和干支流差異的可能原因:上游遠離城區(qū),人類活動影響較弱,河流較為自然;下游接近城市,人口密集,工業(yè)廢水和生活污水排放量大,對于河流的干擾較大.另外,下游段受潮汐影響較大,倒灌的海水對河流生境破壞嚴重,河岸帶狀況無法保證.相比支流,干流具有河道寬、流量大的特點,受到的影響沒有那么明顯.