基于生态修复治理下的茅洲河流域生态分区

许 杨 纪道斌 何金艳 阮 洲 陈 炯 石浩洋

(三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

生态区划应用生态学原理,整合流域内相似性和差异性规律,通过划分生态环境的区域单元对生态系统进行有效的管理[1-2].生态分区已逐渐成为国内外生态环境流域热点关注的话题,其分区成果被应用于各日常的水资源管理及地区水环境保护,对维护水生态系统的健康有较为显著的作用[2-4].Bailey根据自然植被、土壤形态、气候等划分了美国的生态区[5].Omernik 基于Bailey 的生态区,加入自然植被、地形、土壤、植被等4个陆地区域性特征,进一步诠释了生态分区的概念与方法[6].Gannon等建立了关于水污染防治的水生态区划[7].美国环保局基于营养盐指标构建水生态分区[8].国内近些年来关于生态分区的研究也逐渐成熟,李思忠通过对我国的淡水鱼类分布作区划,总结出我国淡水鱼类的分布规律[9].夏青首次提出水域功能的概念,实现了环境保护部门对水资源功能的分类管理[10].傅伯杰,刘国华,陈利顶,等采用3级分区进行中国生态区划分方案研究[11].尹民界定河流生态水文特征,为全国河流生态环境需水量研究提供基础与依据[12].梁静静,左其亭,窦明对淮河流域进行了水生态分区研究[13].鉴于此,本文通过研究茅洲河流域生态状况,建立以生态修复为基础的生态区划管理与技术体系,对茅洲河生态系统进行引导性分区,为后续茅洲河生态系统的修复提供较好的借鉴.

1 研究区域概况

茅洲河流域位于广东省深圳市西部、东莞市境内,在东经113°42′～114°33′与北纬22°36′～22°57′之间,是深圳市境内流域面积第二大的河流.流域总面积为388 km2,流域内地势总体呈东北高西南低走向.根据地形地貌特征,可分3个区段：其中楼村桥以上为上游区,地形地貌属于低山丘陵区；从楼村桥至洋涌河水闸为中游区,地形地貌以低丘盆地与平原为主；洋涌河水闸以下为下游区,地形地貌为滨海冲积平原,地形平坦.茅洲河河床比降较为平缓,下游平原区比降约0.6‰,易受潮水顶托[14].近年来随着人口的增长和城市化的发展,茅洲河污染愈加严重,影响着深圳的水环境和声誉.本文为探明茅洲河流域生态健康状况,选取茅洲河11 条支流：SLH(上寮河)、PLH(排涝河)、XQH(新桥河)、TTH(谭头河)、TTQ(潭头渠)、SGH(松岗河)、QZQ(东方七只渠)、LHK(老虎坑水)、LCS(楼村水)、DKS(东坑水)及 DDS(大凼水)作为代表,通过实地调研获取研究区域内各不同河段的水文、河岸带及地貌等相关资料,并对各个样点进行取样,带回实验室进行化学指标及生物指标的检测,监测各个断面的生态情况,断面布置情况及名称如图1所示.

图1 茅洲河流域采样点布设图

2 材料与方法

2.1 指标的选取

指标的选择是生态分区的基础与关键,地理学家在选择指标时更多考虑的是地点、尺度、自然和社会的基础,生态学家则更注重生态系统内能量流动和物质循环的过程[15-18].本文为了探究茅洲河生态系统的整体情况,结合其空间结构、生态功能及生态过程进行具体分析,从而筛选出主导性指标进行分区.

调查表明,目前茅洲河流域存在的主要生态问题是：

1)茅洲河为感潮型内河,多数高危河段为保证防汛要求将河道两岸固化,诸如松岗河、东方七只渠、新桥河等二级支流多流经居民区,渠化较为严重；下游靠近河口的典型一级支流排涝河渠道断面均呈混凝土梯形河道,河道多设闸门防洪.故选取纵向连通性、河道蜿蜒度、河道硬化程度反映茅洲河流域河岸带情况.

2)由于深圳工业经济的迅猛发展,工业垃圾、生活污水等流入河流,远超过河流的纳污能力,总氮浓度严重超标,总磷分布极不均匀,居民区氨氮浓度超标等问题致使河水黑臭、富营养化程度严重,选取总氮、总磷、氨氮、高锰酸钾及溶解氧5大水质指标探求茅洲河水质污染状况.

3)茅洲河上游地形多属丘陵台地,水土流失较严重,造成中下游河床逐年淤积,河道弯曲浅窄,淤积态势从河口到上游河段逐渐减弱,河道行洪断面被严重缩窄,流量变化明显.选取水深、河宽、流速3大水文指标探求茅洲河水文动态变化.

4)茅洲河流域干流浮游动植物情况稍好,各支流物种多样性情况不容乐观,生物量少,如排涝河支流浮游藻类密度大但种类较为单一,沙井河等多数点位未采集到底栖动物,可见茅洲河流域藻种单一,生境条件苛刻,故选取浮游植物、浮游动物、底栖动物体现其生态系统完整性及生物多样性.

综合以上分析,选取涵盖地形、水文及生物状况的16项子指标：流速、水深、河宽、总氮、总磷、氨氮、高锰酸钾、溶解氧、河道蜿蜒度、河道内底质、纵向连通性、河流流动性、河道硬化程度、浮游动物、浮游植物、底栖动物,设定量化标准对茅洲河现状进行分析.

2.2 数据获取

现场携带HydrolabDS5 多参数水质分析仪、便携式流速仪等测量工具现场测定溶解氧、流速、水深、河宽,拍照记录各样点闸门、底质、植被、护岸情况.同时在各采样点现场采集两瓶平行水样各2 L,置于低温保温箱中,并于48 h内带回实验室.取混合水样测定高锰酸盐指数、氨氮(NH4+-N)、总氮(TN)、总磷(TP).水样的采集、保存和室内测定均参照《地表水环境质量标准》和《水和废水监测分析方法》(GB 3838—2002)[19].

浮游植物的鉴定取水样加入4%福尔马林和鲁哥氏碘液进行固定,静置48 h后,吸去上清液,浓缩至50

m L,用于浮游植物定量的分析.藻类鉴定参考胡鸿钧等人著作[20].浮游动物鉴定取水样采用4%福尔马林固定,静置48 h后浓缩,在显微镜下对浓缩样品进行全瓶种类鉴定和计数[21-23].底栖动物的采集使用彼得森采泥器,采集上来的泥样用筛网冲洗,拿回实验室鉴定.

蜿蜒度利用ArcGIS 10.0软件从茅洲河流域水系统中获取河流中心线与河流流域中心线,使用公式S=Lr/Lv(S为蜿蜒度,Lr是河流中心线,即所测河段本身长度,Lv是河流流域中心线,即所测河段上下游两点间的直线距离)得出样点处蜿蜒度[24].纵向连通性结合流域水文资料,并现场勘察各样点的河道障碍物,使用公式W=N/L(W是指纵向连通性系数,N指河流的断点(或节点)等障碍物数量(如闸、坝等),L指连续河流的有效长度)得出样点处连通性系数[25].

2.3 数据处理方法

1)SPSS分层聚类分析

聚类能够揭示不同样点的相似性与关联性[26].分层聚类分析是广泛应用的典型聚类方法,基本思想是根据物体的某些属性按类分组,首先将每个样本当作一类,然后根据样本之间的相似程度并类,直至最后剩下一个类[27].

2)多样性指数计算方法

浮游生物的多样性分析采用Shannon多样性指数(H)[28]、Margalef种类丰富度指数(D)[29]进行计算.各指数计算方法见表1[30].

表1 多样性指数计算方法

2.4 评分标准及方法

1)评分标准

茅洲河各段河流的生态状况参差不齐,为了能够准确地分析各个河段的生态问题,基于国内外研究成果,以河流自然状态的接近程度为标准,确定指标的5级分值评价标准,值域为(5～4)、(4～3)、(3～2)、(2～1)、1,分别解读为健康、亚健康、脆弱、病态、恶劣5种河流健康状态.

2)指标量化

营养盐理化指标根据茅洲河黑臭水体的特性,并参考《地表水环境质量标准》的Ⅳ类-III类水标准,建立特定的评分依据；河流地貌主要依据GoogleEarth等地图软件和现场踏勘的实际情况进行综合,再参考相关文献[25,31],生物状况根据现场采样及实验获取数据,并参考相关文献[32-34].

表2 指标分区标准及赋分

续表2 指标分区标准及赋分

3 结果与分析

3.1 “分项、分类、分区”三级体系结果

3.1.1 分项

为了探究茅洲河生态系统在不同空间尺度下的分布格局.本文力图通过分项划分水生态系统的空间层次结构,对茅洲河宏观和中微观环境进行监测,掌握其生态系统的水文过程、生态过程和人为干扰过程.宏观尺度上有区域水文及河岸带及地貌等因素的作用,一般具有作用范围大,长期稳定的特点,中微尺度上有水质及水生生物等因素作用,相对不稳定,作用范围小.水文情势的往复循环对河流的形成、发育和演化具有重要的意义,可作为分项指标宏观反映河流生命的规模和强度；河岸带作为陆地生态系统和水生生态系统的过渡区域,其是能量、物质、生物交换的重要通道,并发挥廊道、过滤及屏障的作用[35-36],可作为分项指标来宏观反映河岸带结构的完整性.水体各理化指标体现水环境质量状况和污染物的动态变化,可作为分项指标来掌握茅洲河各个河段水质现状及其变化趋势.水生生物的密度及多样性对河流生态起到重要的指示作用,故可作为分项指标来反映生物的多样性.以上不同尺度上各种因素综合作用决定了水生态系统的演变机理,揭示各个项目时空尺度的关系(如图2所示).

图2 各个项目时空尺度关系图

3.1.2 分类

假设茅洲河共M个样点,通过SPSS 软件输入茅洲河各样点的水文、水质、河岸带及地貌、水生生物评分情况.则按以下步骤进行聚类.

Step 1：刚开始将流域内所有样点都看成是各自不同的M类,则共有M类,记为C1,C2,…,CM.

Step 2：根据相似性矩阵S计算M类之间的相似度.

Step 3：所有类之间的相似度按从大到小进行排序,然后将具有最大相似性的两个类(比如Cl,Ck)合并为一个新类,记为CM+1,则CM+1类中所含的样点为N M+1=Nk+Nl,CM+1类中所含的样点序号为EM+1={Ek∪El},这样一来类的总数目就减少1.

Step 4：计算新聚类CM+1与剩下聚类之间的相似性.

Step 5：重复第Step 3、Step 4,直至最后剩下一个类.

由SPSS软件得出聚类树状图,对4个项目进行分类.并根据各指标得分情况对分类情况的合理性进行验证.

1)利用SPSS软件录入29处样点的水文、水质、河岸带及地貌、水生生物评分情况,聚类分析结果如图3所示.

2)利用Origin软件,展示各类别指标得分情况,如图4所示.

图3 分类情况汇总

图4 各类别指标得分情况汇总

3.1.3 分区

根据受损程度,将茅洲河流域划分为3 级生态区,分别表征茅洲河生态系统的健康程度(见表3).

表3 茅洲河流域分级情况汇总

红线区是河道丧失基本的自我恢复能力,河道内无生境,主要是处于恶劣及病态的样点.黄线区是河道的人为干扰较大,还需一定的人工手段如引进生物等才能实现河流的自我恢复,主要是处于脆弱的样点.蓝线区是河道的人为干扰较小,河道只需采取部分人工措施,改善生境条件,增强河流的自我恢复能力,实现河流的自我修复,主要是处于亚健康及健康的样点.

3.2 分区特征描述与原因分析

茅洲河流域的三级生态区分别具有不同的生态系统特征及其背景条件,具体特征见表4.

表4 茅洲河流域水生态3级区域特征情况统计表

续表4 茅洲河流域水生态3级区域特征情况统计表

分析各级区域不同类别的生态胁迫因子,发现各级分区在水文、水质、河岸带及地貌、水生生物等方面均具有较大的空间变异性.根据各级分区体现了茅洲河流域生态健康的差异,可为后续的生态修复提供有效的依据,分区结果合理、科学、可靠[42].

4 结论与讨论

通过对茅洲河流域生态分区的探讨,得出如下结论：

1)茅洲河流域生态分区的目的主要是体现茅洲河生态系统健康状况的空间差异性,遵循水文、水质、河岸带及地貌、水生生物各项目相互独立的原则,提出以“分项基本项目确定—各项分类标准的量化—分层聚类分析—人工辅助归类—分区特征描述及原因分析”为思路的三级生态分区方法体系.该体系针对城市河流严重的污染问题,划分红线、黄线、蓝线不同规格的治理需求.为茅洲河流域的生态环境治理提供有效的引导.

2)通过分析分区等级体系,发现各项指标分布均存在较大空间差异性.在茅洲河各支流靠近上游部分样点水文情势及河道地貌近乎满分,达到健康状态,水生动植物及水质情况在全流域也处于最高水平.干流远离河口等样点生态状况较差,水文情势得分均处于1～2分之间,处于恶劣状态.此外各支流河道下游段形态破坏明显,水生动植物指标也处于中等水平.支流水生生物及水质情势极不理想,支流健康不理想的点位基本处于居民密集区及工厂密集区,生活污水及企业排放量大,或为生态状况恶化的根本原因.

本文借鉴前人的研究方法,并充分考虑生态系统对环境需求的影响,从流域生态完整性出发,建立基于河流生态修复治理基础上的分层聚类方法,为河流治理提供了新的思路.但目前国内生态分区研究尚处于起步阶段,生态分区作为一种新的管理单元,不仅可以作为河流生态区域治理的重要手段,还可以作为评价水生态系统健康的单元,建立相应的评价指标和标准,将会使流域管理更为科学.