茅洲河流域河流類(lèi)別及生態(tài)修復(fù)模式研究

田 盼，吳基昌，宋林旭，紀(jì)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(tuán)有限公司，廣東深圳518102；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002）

河流生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、開(kāi)發(fā)、動(dòng)態(tài)、非平衡和非線性系統(tǒng)［1］，在水流和生物-物理-化學(xué)的相互作用下促進(jìn)流域的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)［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(wèn)題［5］。城市河流生態(tài)系統(tǒng)的退化已然被公認(rèn)為全球性的生態(tài)環(huán)境問(wèn)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(duì)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(yán)重的破壞，影響了其水文、水質(zhì)、河岸地貌和水生生物，嚴(yán)重制約了城市的健康發(fā)展，嚴(yán)重阻礙了人民對(duì)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(gè)方面進(jìn)行研究。本文在分析茅洲河流域面臨的多重生態(tài)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，采用“空間置換時(shí)間”的方法［8］，研究茅洲河流域部分河流的分類(lèi)和生態(tài)修復(fù)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(fù)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域特點(diǎn)及主要生態(tài)問(wèn)題

茅洲河是深圳第一大河流，其流域?qū)儆谥榻谒?，從石巖水庫(kù)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(zhǎng)41.61 km，其中干流河長(zhǎng)為31.29 km，茅洲河流域水系呈不對(duì)稱(chēng)樹(shù)枝狀分布，總共有45條支流。

隨著深圳市一直以來(lái)的快速發(fā)展，城市建設(shè)快且完善，但快速發(fā)展的同時(shí)卻忽略了對(duì)區(qū)域內(nèi)河流水體的保護(hù)?，F(xiàn)茅洲河進(jìn)行了全面消除黑臭水體工程，清淤工程，正本清源工程，計(jì)劃補(bǔ)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(gè)流域水系內(nèi)，仍然存在較嚴(yán)重的河流生態(tài)健康的破壞問(wèn)題。

（1）流域河流的水環(huán)境容量隨時(shí)間變化極大，雨季暴雨多，強(qiáng)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(yán)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(yán)重，且下游易咸潮入侵。經(jīng)過(guò)治理后，流域河流水質(zhì)整體上仍多處于Ⅳ類(lèi)，Ⅴ類(lèi)和劣Ⅴ類(lèi)，沉積物污染也較為嚴(yán)重，因此不利于水體內(nèi)動(dòng)植物的生存和繁殖。

（3）河道渠化現(xiàn)象較為嚴(yán)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(lái)說(shuō)，茅洲河在治理后，水文情況需進(jìn)一步改善，水質(zhì)污染仍然嚴(yán)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(duì)茅洲河流域的現(xiàn)狀特點(diǎn)，以修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康為總目標(biāo)，急需建立合適的生態(tài)修復(fù)模式以及相應(yīng)的可供參考的修復(fù)建議。

2 研究區(qū)域河流分類(lèi)研究

2.1 河流類(lèi)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(rèn)為河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)是指通過(guò)適度人工干預(yù)，促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到較為自然狀態(tài)的過(guò)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(jià)值和生物多樣性。姜躍良［10］等也認(rèn)為河流生態(tài)修復(fù)就是重建受損生態(tài)系統(tǒng)的功能及有關(guān)物理、化學(xué)和生物特征，恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的原有結(jié)構(gòu)和功能，再現(xiàn)一個(gè)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(fù)實(shí)踐的發(fā)展，河流生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)也已經(jīng)從單純的結(jié)構(gòu)性修復(fù)發(fā)展到生態(tài)系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)、功能與動(dòng)力學(xué)過(guò)程的綜合修復(fù)［11，12］。汪雯［13］等采用分類(lèi)法來(lái)構(gòu)建修復(fù)模式，從水文、水質(zhì)、地貌、生物等4個(gè)方面構(gòu)思入手進(jìn)行分類(lèi)。本研究從綜合考慮的角度，通過(guò)建立評(píng)分指標(biāo)和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(shí)際情況，對(duì)所有點(diǎn)位進(jìn)行SPSS 系統(tǒng)聚類(lèi)分析，將各類(lèi)別根據(jù)表二中判斷健康、亞健康、一般、較差、極差的標(biāo)準(zhǔn)，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(fù)模式，對(duì)不同修復(fù)模式提出相應(yīng)的修復(fù)建議。

詳細(xì)步驟如下：①建立評(píng)分指標(biāo)和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，將評(píng)分分為5～1 分，對(duì)應(yīng)健康、亞健康、一般、較差和極差五個(gè)等級(jí)，又根據(jù)修復(fù)需要，將五個(gè)等級(jí)分為3 種類(lèi)型：一類(lèi)為健康和亞健康，此類(lèi)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(wú)需修復(fù)型。二類(lèi)為一般，此類(lèi)河段生態(tài)健康隨時(shí)可能被破壞，處于退化邊緣，需要加強(qiáng)維護(hù)。三類(lèi)為較差和惡劣，此類(lèi)河段健康已經(jīng)受損，需要進(jìn)行分階段性的針對(duì)修復(fù)。②水文要素中流速和生態(tài)需水量保證率的狀態(tài)等級(jí)處于健康和亞健康狀態(tài)，則相應(yīng)河段屬于無(wú)需修復(fù)型；將等級(jí)為一般，較差和極差的河段，歸于修復(fù)型。③水質(zhì)狀態(tài)等級(jí)中，將健康和亞健康歸入無(wú)需修復(fù)型；將等級(jí)為一般，較差和極差的河段，歸于修復(fù)型。④對(duì)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(fù)型；其他指標(biāo)均將一般，較差和極差歸為修復(fù)型；健康和亞健康歸為無(wú)需修復(fù)型。⑤水生生物狀態(tài)等級(jí)為健康和亞健康，則歸為無(wú)需修復(fù)型；等級(jí)為一般，較差和極差歸為修復(fù)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(fù)模式。

2.2 分類(lèi)指標(biāo)建構(gòu)

數(shù)據(jù)來(lái)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(jí)支流和5 條二級(jí)支流，共采取50個(gè)點(diǎn)位，點(diǎn)位分布如圖1。

圖1 茅洲河流域河流調(diào)研取樣點(diǎn)位圖Fig.1 Sampling point map of the river survey in Maozhou River Basin

2.3 分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)確定

人類(lèi)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(fù)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(yán)重，水生生物豐富度低。因此本文直接建立指標(biāo)評(píng)分體系，進(jìn)行河流河段的系統(tǒng)聚類(lèi)。文伏波［15］認(rèn)為指標(biāo)的選取要考慮河流的不同區(qū)域的地理及人類(lèi)活動(dòng)的差異性等因素。且要積極踐行生態(tài)保護(hù)與綠色發(fā)展理念，開(kāi)展受損河流的治理與修復(fù)工作［16，17］。在以上思想的指導(dǎo)以及結(jié)合茅洲河實(shí)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(xiàng)一級(jí)指標(biāo)，篩選出適合茅洲河河流特點(diǎn)并且具有代表性和針對(duì)性的12 項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)作為相關(guān)河流的評(píng)分分類(lèi)指標(biāo)體系。詳見(jiàn)表1。

表1 茅洲河流域河流生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)指標(biāo)體系［19］Tab.1 Classification index system of river management ecosystem in Maozhou River Basin

劉昌明［18］認(rèn)為河流健康標(biāo)準(zhǔn)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(huì)背景，不同河流的種類(lèi)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(wèn)題，本文以茅洲河河流水質(zhì)治理目標(biāo)要達(dá)到Ⅳ類(lèi)水為基礎(chǔ)，結(jié)合已有相關(guān)資料，并參考相關(guān)文獻(xiàn)和以往評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)研究確定研究區(qū)域的各個(gè)指標(biāo)的分類(lèi)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，詳見(jiàn)表2。

表2 茅洲河流域生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)［25］Tab.2 Ecosystem Classification Standard of Maozhou River Basin

2.4 分類(lèi)結(jié)果分析

根據(jù)聚類(lèi)分析圖的特征，將所測(cè)河段分為五類(lèi)，如圖2。再通過(guò)Origin進(jìn)行分值比對(duì)分析。

圖2 茅洲河流域河流河段分類(lèi)圖Fig.2 Classification of river sections in Maozhou River Basin

類(lèi)別一中共有19個(gè)點(diǎn)位，可知水文狀況中流速和生態(tài)蓄水量保證率的評(píng)分基本處于修復(fù)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(fù)型，河岸地貌特征中蜿蜒度、護(hù)岸形式、河岸帶寬均處于修復(fù)型，連通性處于無(wú)需修復(fù)型；水生生物情況中浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物和河岸帶植被覆蓋率均處于修復(fù)型，浮游植物無(wú)需修復(fù)。

類(lèi)別二中共有10 個(gè)點(diǎn)位，可知水文狀況中流速處于修復(fù)型，生態(tài)需水量保證率無(wú)需修復(fù)，其余指標(biāo)現(xiàn)狀與類(lèi)別一相同。

類(lèi)別三中共有4 個(gè)點(diǎn)位，可知水文狀況中流速均處于修復(fù)型，生態(tài)需水保證率僅點(diǎn)位SJH02無(wú)需修復(fù)，其余點(diǎn)位均處于修復(fù)型，河岸地貌各指標(biāo)均無(wú)需修復(fù)，水生生物因素中浮游動(dòng)物和底棲動(dòng)物處于修復(fù)型，而河岸植被覆蓋率有兩個(gè)點(diǎn)位無(wú)需修復(fù)，點(diǎn)位SY04和SJH02處于修復(fù)型。

類(lèi)別四中共有4個(gè)點(diǎn)位，其各指現(xiàn)狀與類(lèi)別一狀態(tài)相同。

類(lèi)別五中共有13個(gè)點(diǎn)位，可知水文和水質(zhì)狀態(tài)與類(lèi)別二相同。河岸地貌特征中蜿蜒度處于修復(fù)型，護(hù)岸形式和河岸帶寬少部分處于修復(fù)型，連通性無(wú)需修復(fù)，水生生物情況中浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物和河岸植被覆蓋率處于修復(fù)型，浮游植物無(wú)需修復(fù)。

綜上所訴，根據(jù)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)的狀態(tài)可知，水文狀態(tài)中類(lèi)別一、三、四各要素屬于修復(fù)型，類(lèi)別二、五僅流速屬于修復(fù)型，水質(zhì)情況中各類(lèi)別均屬于修復(fù)型，水質(zhì)污染情況嚴(yán)重，河岸地貌特征中，除連通性無(wú)需修復(fù)，類(lèi)別三各要素?zé)o需修復(fù)外，類(lèi)別一、二、四屬于修復(fù)型，類(lèi)別五僅蜿蜒度屬于修復(fù)型，水生生物狀態(tài)中，除浮游植物無(wú)需修復(fù)外各類(lèi)別其他要素均屬于修復(fù)型。

3 研究區(qū)域河流生態(tài)修復(fù)模式

3.1 生態(tài)修復(fù)模式構(gòu)建結(jié)果分析

根據(jù)系統(tǒng)聚類(lèi)分析結(jié)果，將50 個(gè)調(diào)研點(diǎn)位共分成5 個(gè)類(lèi)別，經(jīng)分析明確50個(gè)調(diào)研點(diǎn)位所在河段均需要進(jìn)行河流生態(tài)健康的修復(fù)。根據(jù)上述各類(lèi)別的現(xiàn)狀和所需要修復(fù)的指標(biāo)，結(jié)合對(duì)河流進(jìn)行綜合生態(tài)修復(fù)的理念，且考慮不同修復(fù)模式中單一指標(biāo)的不同，在應(yīng)用于工程時(shí)，工程量、工期、成本、質(zhì)量等會(huì)存在較大差異，更科學(xué)合理地將5 個(gè)類(lèi)別分為水文（流速+生態(tài)需水）-水質(zhì)-地貌-生物修復(fù)模式（包含了類(lèi)別一和四）、流速-水質(zhì)-地貌-生物修復(fù)模式（類(lèi)別二）、水文（流速+生態(tài)需水）-水質(zhì)-生物修復(fù)模式（類(lèi)別三）、流速-水質(zhì)-蜿蜒度-生物修復(fù)模式（類(lèi)別五）等四種生態(tài)修復(fù)模式，并且依據(jù)實(shí)際對(duì)比，將類(lèi)別一中的點(diǎn)位TTQ01 和類(lèi)別四中的點(diǎn)位LHK02 歸為流速-水質(zhì)-地貌-生物修復(fù)模式；類(lèi)別三中的點(diǎn)位SJH02 單獨(dú)修復(fù)，4 種修復(fù)模式占比依次為42%、24%、8%和26%。具體見(jiàn)圖3。

圖3 茅洲河流域河流生態(tài)修復(fù)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(fù)模式下的修復(fù)建議

自然的水文水力過(guò)程可以修復(fù)復(fù)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(guò)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(dá)到修復(fù)工程的目的［31］。此外生態(tài)修復(fù)工作不可能一蹴而就，需要分階段的進(jìn)行，因此在生態(tài)修復(fù)的過(guò)程中要遵循循序漸進(jìn)的原則。同時(shí)，河流由于自身特性，屬于廊道、過(guò)渡帶，生態(tài)修復(fù)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)河流生態(tài)的修復(fù)方案的制定，要做到綜合考慮，統(tǒng)籌兼顧，了解各指標(biāo)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(xiàng)原則，提出了針對(duì)茅洲河流域相關(guān)河流的4種修復(fù)模式下的修復(fù)建議。

3.2.1 水文-水質(zhì)-地貌-生物修復(fù)模式

此模式的修復(fù)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(duì)水生生物的影響和對(duì)水質(zhì)改善的作用；然后，進(jìn)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(guò)物理方法和生物方法的結(jié)合來(lái)改善水質(zhì)；在河岸地貌的修復(fù)中，要結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕ㄖ?，景觀等因素，河岸地貌的修復(fù)要以恢復(fù)物理結(jié)構(gòu)為主，在河岸植被稀疏的區(qū)域進(jìn)行植物擴(kuò)增，對(duì)硬化程度高的河段可采取懸掛植物等方式來(lái)修復(fù)，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(jìn)行生物的修復(fù)，生物的修復(fù)要結(jié)合地貌特點(diǎn)，食物鏈的創(chuàng)建要合理，以水生植物為主，反過(guò)來(lái)，生物的修復(fù)對(duì)水質(zhì)起重要作用。

3.2.2 流速-水質(zhì)-地貌-生物修復(fù)模式

該類(lèi)型的生態(tài)修復(fù)首先要解決水流流速問(wèn)題，在水量滿(mǎn)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(jìn)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(shí)可進(jìn)行河岸地貌的修復(fù)，如拓寬河岸寬，種植喬-灌-草三級(jí)植物，改變河流蜿蜒度等；在水文水質(zhì)改善后，進(jìn)行生物修復(fù)，生物修復(fù)的目的是增加生物多樣性，有利于創(chuàng)建自我修復(fù)能力。

3.2.3 水文-水質(zhì)-生物修復(fù)模式

該模式的生態(tài)修復(fù)首先解決水文條件，進(jìn)行流速和水量的修復(fù)，水量可通過(guò)生態(tài)調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)；然后進(jìn)行水質(zhì)的改善，在水文水質(zhì)改善后，進(jìn)行生物修復(fù)，生物修復(fù)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(wú)需對(duì)地貌進(jìn)行修復(fù)，在此基礎(chǔ)上，要維護(hù)好地貌條件。

3.2.4 流速-水質(zhì)-蜿蜒度-生物修復(fù)模式

該類(lèi)模式依然先解決水文條件，在水量滿(mǎn)足的前提下，改變河流流速；然后進(jìn)行水質(zhì)的改善，此模式對(duì)于地貌的修復(fù)僅需修復(fù)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(jìn)行生物修復(fù)。

對(duì)于單獨(dú)修復(fù)的河段，首先進(jìn)行流速的修復(fù)，再對(duì)水質(zhì)進(jìn)行修復(fù)，最后對(duì)水生生物進(jìn)行修復(fù)。

4 結(jié) 論

本研究在河流生態(tài)修復(fù)研究和已有成功的工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，選取水文，水質(zhì)，地貌結(jié)構(gòu)，生物4 個(gè)一級(jí)指標(biāo)，并篩選12個(gè)二級(jí)指標(biāo)，構(gòu)建河流分類(lèi)和標(biāo)準(zhǔn)體系，進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)，進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)，分析具有相同特征的河段，針對(duì)不同特征類(lèi)別提出不同的生態(tài)修復(fù)模式以及修復(fù)建議。

（1）通過(guò)聚類(lèi)分析，將河流劃分為5 類(lèi)。類(lèi)別一中共有19個(gè)點(diǎn)位，類(lèi)別二中共有10 個(gè)點(diǎn)位，類(lèi)別三中共有4 個(gè)點(diǎn)位，類(lèi)別四中共有4 個(gè)點(diǎn)位，類(lèi)別五中共有13 個(gè)點(diǎn)位。其中水文狀態(tài)中類(lèi)別一、三、四各要素屬于修復(fù)型，類(lèi)別二、五僅流速屬于修復(fù)型；水質(zhì)情況中各類(lèi)別均屬于修復(fù)型，水質(zhì)污染情況嚴(yán)重；河岸地貌特征中，除連通性無(wú)需修復(fù)，類(lèi)別三各要素?zé)o需修復(fù)外，類(lèi)別一、二、四屬于修復(fù)型，類(lèi)別五僅蜿蜒度屬于修復(fù)型；水生生物狀態(tài)中，除浮游植物無(wú)需修復(fù)外各類(lèi)別其他要素均屬于修復(fù)型。

（2）根據(jù)五類(lèi)河流的特征，可歸結(jié)成4 類(lèi)修復(fù)模式，分別為水文-水質(zhì)-地貌-生物修復(fù)模式、流速-水質(zhì)-地貌-生物修復(fù)模式、水文-水質(zhì)-生物修復(fù)模式以及流速-水質(zhì)-蜿蜒度-生物修復(fù)模式，占比依次為42%、24%、8%和26%，包含所調(diào)研所有河流段。