城市建成区河流生态功能评价及修复策略——以深圳市大沙河为例

付贵萍，赵 林，武金发，胡章立，胡 凯，董 芸

1)深圳大学生命与海洋科学学院，深圳市海洋生物资源与生态环境重点实验室，广东深圳518055；2)深圳市河道管理中心，广东深圳518036

河流是城市的血脉，也是城市重要的景观要素，具有贮存水源、防洪排涝和交通航运等作用，更是城市重要的生态廊道[1]．城市河流在海绵城市建设中具有重要角色，如何通过自然途径与人工措施相结合，在确保城市排水防涝安全的前提下，最大限度地利用城市河流实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护已引起广泛关注．但城市化的快速推进对河流生态系统的健康构成了严重威胁，导致河流水质恶化、水文调节功能丧失以及生物多样性锐减等问题[2]. 目前，约占地球表面2%的城市地区却拥有地球上退化最严重的生态系统[3]．因此，如何有效评估城市建成区河流生态功能，提出针对性的修复对策已成为当今城市河流生态系统管理与海绵城市规划的重要议题．

目前，许多学者针对城市化背景下的河流生态功能进行了广泛探讨[4-7]，常用的评价方法有模型法、价值评价法和指标评价法，如西班牙的河岸植被质量指数(qualitat del bosc de ribera, QBR)[8]、英国的水环境健康预测评价模型(river invertebrate prediction and classification system, RIVPACS)[9]、澳大利亚的河流评价系统(Australian river assessment scheme, AUSRIVAS)[10]、丹麦的5-S-model[11]以及瑞典的河岸、河道与环境指数(riparian, channel and environmental, RCE)[12]等．其中，指标评价法是采用最多的一种河流生态功能评价方法，中国也有诸多学者采用该方法对长江流域[13-14]、淮河流域[15]、新安江流域[16]及太子河流域[17]进行研究．水质、河岸带状况、水文和河道形态是多数研究者重点考虑的因素．指标评价法通常结合研究区域的生态管理需求，目的性强，更适于管理应用．但指标评价法也存在一些不足：关注河流的自然功能较多，而忽略了河流的社会功能[17]；河流生态功能评价的河流空间尺度往往较大，而忽略了小尺度河流[17]；在研究对象上倾向于选取水流连续性好的河流，忽略人工管控下河流水源结构现状与闸、坝阻隔的间断性河流[18]．此外，以水生生物为核心的河流生态功能评价指标体系尚不多见．因此，现有的指标体系法较难适用于城市建成区的河流生态功能评价．

深圳市拥有大小河流310余条，大多为流程短、径流量小的雨源性河流，流域大于100 km2的只有13条[19]．其中，位于南山区的大沙河，自1989年起经过截污、补水和绿化等整治工程，河道的生境不断地更迭，区域内生物也遭受了不同程度的胁迫，整治后的河道生态状况尚不明晰．本研究在吸取并改进相关指标评价体系基础上，结合河流特征，采用以水生生物为主，河流自然功能为辅的多因子综合评价法，评价河段尺度下的大沙河河流生态功能状况，提出针对性的修复对策，为城市建成区河流的生态功能评价和河流生态系统管理提供参考．

1 调查区域概况

大沙河发源于深圳市西部的羊(阳)台山(海拔587.3 m)，流域面积92.99 km2，干流长13.7 km，其中，感潮河段长3.6 km，起点在长岭陂水库溢洪道消力池出口，由东向西经过塘朗村和平山村等，与西丽水库溢洪道相交后折向南流，在滨海沙河立交桥处注入深圳湾(图1)．大沙河贯穿整个南山区，连接羊(阳)台山、塘朗山和滨海休闲带，是深圳市重要的绿色生态廊道和创新走廊，大学城、高新技术园区和南山中心园区分布于两岸，流域开发程度高，人口密度大，属于典型的城市建成区河流．该流域属亚热带海洋性气候，多年平均气温22.4 ℃，平均年降水量为1 981.0 mm，但年内雨量分布不均，其中，汛期4至9月降水量占全年降水量的85.3%．

目前，大沙河上游河岸以植物护岸和石笼护岸为主，河道有一定蜿蜒度，河道底质主要为砾石；中上游河岸以植生型混凝土护岸为主，水量大，水面宽，底质多为堆积的泥沙沉积物；中游河岸以草地、灌木为主，水量少，底质以泥沙为主；下游河岸连接深圳湾公园，河道笔直，河岸硬质化现象严重，水体流动性差.大沙河两岸已铺设截污箱涵，且上游河段建有两处污水处理装置，分别位于南方科技大学校内及大学城河段，污水处理量为1×104m3/d和4×103m3/d，出水进入大沙河.此外，在西丽水库溢洪道处引入西丽再生水厂尾水5×104m3/d补入大沙河.大沙河中下游共有4座闸，形成南科大学段、大学城段以及河口段3处景观水面，水量约为6.4×105m3.

图1 深圳市大沙河流域概况和采样点分布Fig.1 (Color online) The general situation and the distribution of the sampling points in the Dasha River basin in Shenzhen

2 研究方法

目前，河流生态功能评价的空间尺度往往较大，如流域和区域尺度，其评价结果相对宏观，在管理上难以实施[20-21]．针对这一不足以及大沙河的实际状况，为尽可能准确地评估大沙河的生态功能状况，划分以下4个空间区域：

上游：长岭陂水库至大学城景观水面上游区域(存在两处污水处理装置，河道渠道化严重，水面窄，流速快)．

中上游：大学城景观水面区域(两端存在壅水堰或翻板闸，水体深，水面宽，流速缓)．

中游：大学城下游至大沙河公园区域(河道较为自然，水量较少，有一定流速)．

下游：大沙河河口感潮河段区域(水体深，水面宽，河口处设置钢闸，本研究暂不考虑潮汐对河流生态功能的影响)．

从上游至下游共设置了8个采样点(表1)，各采样点位置见图1．并于2018年1月至2019年1月对各区域流域背景、河流地貌、水质状况、浮游动植物、底栖动物、鱼类和植被等内容进行了现场调查、采样和分析．

表1 深圳市大沙河生态调查采样点设置

3 大沙河生态功能评价

3.1 评价指标体系的建立

本研究结合已有的研究和实地调查情况，选取以水文支持功能、水环境支持功能、生境维持功能和水生生物多样性维持功能为主的指标评价系统，依据指标数据的代表性、可获取性和评价方法的可操作性，选取与河流水生生物密切相关的10项评价指标、14项评价指数构建生态功能指标评价体系．为了突出评价指标体系中各指标、指数的差异性和重要性，通过层次分析法获得指标和指数的权重[22-23]，将评价指数的分值加权求和获得指标层分值，进一步由指标层加权求和获得功能层分值．层次分析法本质上是一种“分解—判断—综合”的基本决策思维过程，保证了评价指标权重的合理性．层次分析法主要步骤如下：① 建立递阶层次结构：根据属性的不同对评价指标进行分类组合，形成一种“目标层—指标层—指数层”递阶层次结构．② 构造两两比较判断矩阵：指标层的各方面因素进行两两比较，对重要性进行赋值，据此构建指标层的判断矩阵．照此构建各指数层的判断矩阵．③ 层次单排序：计算构建的指标层，判断矩阵的最大特征根及对应的特征向量，得出3个指标层对应目标层所占权重，同理计算出各具体指数对应指标层所占的权重，然后进行层次单排序分析．④ 层次总排序：层次总排序是指在层次单排序的基础上，综合分析得出指数层对于目标层的相对重要性权值．深圳市大沙河河流生态功能评价指标体系构成见表2．

表2 深圳市大沙河生态功能评价指标体系1)

3.2 评价指数赋分标准

多指标评价需要对每个指标设定评价等级和分级标准，等级划分通常采用奇数制，如5级制和3级制，而分类标准一般采用评分法[24]．针对已建立的深圳市大沙河生态功能评价指标体系，本研究采用5级制分级标准，包括定量分析和定性分析，4分表示最高等级，0分表示最低等级．水质参数包括化学需氧量(chemical oxygen demand, CODCr)、5日生化需氧量(bio-chemical oxygen demand in five days, BOD5)、氨氮质量浓度ρ(NH4+-N)、溶解氧(dissolved oxygen, DO)质量浓度ρ(DO)和总磷质量浓度ρ(TP)，具体指数赋分标准见表3．

表3 深圳市大沙河生态评价指数赋分标准

3.3 评判标准

按照城市建成区河流生态系统健康状况及演变规律，结合研究区现有情况并参考相关文献，采用直观分析与对比的区间分层方式[18]，将大沙河不同区段的生态功能由高到低依次划分为健全、较健全、部分生态功能受到威胁与只具备最基本的生态功能4个评价等级(表4 )．

表4 大沙河不同河段生态功能等级标准

4 结果与分析

4.1 大沙河生态调查结果

水质监测结果显示：大沙河全河段的ρ(DO)为5.22～8.12 mg/L、ρ(CODCr)为15.75～45.33 mg/L、ρ(BOD5)为2.77～5.73 mg/L、ρ(NH4+-N)为0.66～7.66 mg/L、ρ(TP)为0.43～0.93 mg/L，不同河段水质变化较大．分别于2018年1、3、6和9月4次调查，共采集到大型底栖动物共12种．其中，腹足类软体动物6种、双壳类软体动物2种、环节动物2种、甲壳动物虾类2种．中游河段底栖动物物种相对丰富，所采集到的总个体数量也较中上游更多，香农-维纳(Shannon-Weiner)生物多样性指数在1.024～1.457，表明所有河段的底栖动物多样性均偏低，群落丰富度不高．各采样点共鉴定浮游植物7门50种(属)．其中，优势的门类为硅藻门18种、绿藻门14种、蓝藻门10种，优势种以硅藻门的舟形藻、小环藻和脆杆藻，蓝藻门的隐杆藻和伪鱼腥藻，裸藻门的裸藻为主，Shannon-Weiner多样性指数为0.229～2.860，符合中度到重度污染水体的特征.各采样点浮游动物共鉴定7门17个种(属)，其中，上游的优势种为节肢动物门桡足类、枝角类和摇蚊幼虫，中游出现水溞、水螅等清洁水体指示种，表明中游河段水质较好．下游感潮河段的优势种为节肢动物门的无节幼虫，与深圳湾的甲壳类藤壶等生物出现有关. 调查中共采集鱼类16种，隶属于6目9科14属．其中，鲤形目有3科7属8种，占种数的50%．值得关注的是，其中，有4个种类属于外来种(引入种)，包括尼罗口孵非鲫、莫桑比克口孵非鲫、食蚊鱼及下口鲇，且优势种为尼罗口孵非鲫和莫桑比克口孵非鲫，外来种占本调查渔获总种类的25%，该比例远高于国内其他河流[25]．

4.2 生态功能评价结果

按照第3章所述生态功能评价方法，最终得到大沙河流域综合生态功能等级结果为：全流域不存在Ⅰ级河段，上游和上中游受到较大程度人类活动的影响，为Ⅲ级河段；中游具有较健全的生态功能，属于Ⅱ河段；下游受人为影响严重，只具备最基本的生态功能，为Ⅳ河段．

大沙河各河段具体的生态功能分析如下：上游和中上游的水面覆盖率较大，具有一定流速，且水质较好，因此，水文支持功能和水环境支持功能较高；但河道存在一定的渠道化，建有一定数量的中小型堰坝，部分生物迁移受阻，水生生物多样性较低，因此，生境维持功能和水生生物多样性维持功能较低(图2(a)和(b))．

大沙河中游保留着一定程度的自然状态，河道虽有少量的截弯取直和拓宽，但护岸是有植被覆盖的自然土质岸坡(植被覆盖率达到80%以上)，植被多样性较丰富，无落差大的堰坝，生物的迁移没有受到阻碍，水质较好，水生生物种类、数量相对较多，因此，该河段具有良好的生境维持和水环境维持功能(图2(c))．

大沙河下游为河口感潮河段，水量大，但早期由于考虑河道行洪排涝的功能，采用浆砌块石或混凝土硬质河岸，导致其生境维持功能很低．此外，受到河口水闸的影响，水体流动受阻．因此，下游虽具有较高的水文支持功能，但生境维持和水生生物多样性维持功能较低(图2(d))．

图2 大沙河各河段生态功能评价结果Fig.2 Evaluation results of ecological function in each reach of the Dasha River

4.3 大沙河生态修复对策

4.3.1 河段生态修复策略

上游段长岭陂水库-大学城景观水面上游区域，河段渠道化程度高，受行洪影响导致生态涵养能力低，污水净化系统出水仍残留有较高的总氮，石笼护岸植被覆盖率不高，部分河床硬质化，生境多样性差．针对这些问题，采用生态袋设置耐冲击植物斑块，保障生物通道的水量、水深和流速，优化水流路径和停留时间；提升污水净化系统脱氮效率或利用人工湿地进行尾水深度处理[26]；优选根系发达，能固坡、防止泥土流失和耐冲刷的植物品种修复护岸植被，并配置一定比例的生境庇护所.

中上游大学城区域河段存在壅水堰或翻板闸，形成了具有景观效果的雍水段，但水体流动受阻，ρ(TN)和ρ(TP)较高，呈现富营养化趋势，水体透明度较低，基本无水生植被，生物多样性差．建议利用两岸绿地空间，配置净化型湿地系统；在水中利用沉水、浮叶植物进行原位修复，抑制藻类水华演化趋势．

中游大学城下游-大沙河公园段是大沙河流域生态功能最为健全的河段，但也存在补水水质氮、磷含量高，河道水量少，部分河床底质裸露，岸坡植被多样性不高等问题．针对此现状，建议利用两岸绿地空间及水势，配置分布式净化湿地系统，设置区段内循环回流系统，强化对TN和TP的去除，同时提高水面覆盖率．此外，可结合周边用地情况，建设湿地/塘系统，该系统应设置在河流行洪影响范围以外，可作为生物种质资源库，辅助河道生物多样性恢复，特别是敏感型生物物种复育，同时该系统还具备雨洪调蓄、水质净化和生境构筑等多项功能，是一项生态服务价值高的行洪河道修复策略．

下游河口段存在河道渠道化严重，多样化生境少，河口闸阻碍鱼类洄游等问题．可利用河口连接深圳湾的有利条件，建设河口智慧闸坝，根据涨落潮调控水闸，吸引深圳湾各水层鱼类进入大沙河，提升鱼类多样性；水面设置生态浮岛、水下构筑鱼巢，为水鸟及水生生物提供停歇、栖息场所.

4.3.2 河段生态管理策略

生态修复工程的成效与后续的管理存在密切关系，包括对污染物的管理、生物管理、生态系统的调控和市民的科普教育等多个维度，需要多个部门与专业人员密切配合和协调工作．因而，针对大沙河生态系统管理有以下建议：

1)建立完善的水生态数据信息平台．为保障生态系统长期、健康地演化发展，需长期跟踪监测水文、水质和水生生物变化，建设完善的水生态监测网络、水生态管理、环境灾害响应应急平台等信息系统，为大沙河生态管理提供决策支持．

2)建立科学的河流生态系统运行管理体系．通过量化污染物输入量、净化量，加强生物物种管理，并制定生态友好型的河流生态管理规范与操作规程，指导生态系统的调控和运行，引导生态系统正向演替．

3)建立多部门公共管理机制．生态系统的“养”重于“建”，生态系统的日常管理需要民众的广泛参与．由河流管理部门主导，联合专家团队，招募志愿者参与生态系统日常管理，联动社区居民、学生参与体验，开展线上-线下城市课堂等多主题的科普教育，发挥河流生态系统的环境教育功能．

结 语

本研究对深圳市大沙河流域水生生物多样性和各相关因素进行了全面的调查、采样和分析，获得了大沙河流域的水质、水生生物物种资源和生境胁迫因素等状况的基底数据，并对大沙河生态功能现状进行了评价．结果表明：大沙河无Ⅰ级河段，Ⅱ级河段仅为中游区域，上游和中上游区域为Ⅲ级河段，下游河口段仅具备最基本的生态功能，为Ⅳ级河段．针对各河段存在的问题，提出了针对性的修复策略，并从污染物的管理、生态系统的调控、市民的科普教育等多个维度对城市建成区河流生态系统的管理提出了针对性建议．

致谢:衷心感谢深圳大学邓利教授、雷安平教授、张永夏副教授、陈辉蓉老师和张煜老师对浮游植物、浮游动物、底栖动物、鱼类和植被的鉴定与分析的指导!