深圳市茅洲河河流生态系统健康评价

陈 炯 吴基昌 宋林旭 李 斌 纪道斌阮 洲 何金艳 许 杨 石浩洋 李 慧

(1.三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002;2.中电建生态环境集团有限公司,广东 深圳 518100)

河流作为人与自然之间的重要纽带,不仅提供了人类赖以生存的水资源环境,还在社会服务、人文景观等生态功能方面发挥着不可或缺的作用.随着我国城市规模和人口的不断增长,城市建设对河流的影响越来越大,水环境水生态问题日益突出.如何评估河流生态系统健康状况,已成为河流健康管理的新内容.

为了评估河流健康状况,美国提出的生物完整性指数评价法(IBI)[1]和澳大利亚提出的河流评价体系(AUSRIVAS)[2]应用较为广泛,虽操作简单,但仅凭几个物种指标并不能准确地体现生态系统内部真实的变化.顾晓昀等[3]以水文、水质、水生生物和栖息地状况4种指标建立北运河河流生态系统健康评价指标体系,李瑶瑶等[4]以水文特征、水质状况、生物状况与地貌特征4个方向建立淮河流域(河南段)河流生态系统健康评价指标体系,虽然能够反映河流在生态学和生物学上的完整性,但忽略了河流的社会服务功能[5-6],人类作为生态系统的重要组成部分,应充分考虑其对人类的社会价值[7-9].

以深圳茅洲河为研究对象,选择水文、水质、地貌形态、水生生物和社会功能等指标,建立茅洲河河流生态系统健康评价指标体系,结合各指标的监测和评分结果,利用层次分析法,研究茅洲河河流生态系统的健康状况,分析差异及可能成因,以期为流域水环境治理及城市水生态修复提供借鉴与参考.

1 材料与方法

1.1 区域概况与样点设置

茅洲河发源于深圳市羊台山北麓,是深圳市境内的第一大河,干流全长31.29 km,流域面积388.23 km2.采取一系列的治理措施后,茅洲河水体已基本消除黑臭,水质状况处于Ⅴ类和劣Ⅴ类,水生生物多样性偏少,部分支流存在渠道化、河岸带侵蚀、水流状况差、可亲水度小等现象.

2018年4 月(非汛期)和8月(汛期)分别对茅洲河水系进行采样调查,共设置31个采样点,其中茅洲河干流13个采样点,即MZH01～MZH13;18条支流各一个采样点,即PLH～YTS.具体位置如图1所示.

1.2 样品采集

1.2.1 水质指标

水质监测指标5个,为p H值、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)和溶解氧(DO).

1.2.2 水生生物指标

1)浮游植物

各样点取1 L水样,现场用鲁哥氏剂固定,带回实验室沉淀浓缩至50 m L[10-11].

2)浮游动物

图1 茅洲河流域采样点分布图

定性标本用13号浮游生物网采集,采集完后过滤至聚乙烯瓶中,加10%的福尔马林溶液保存,定量标本用5 L采水器采集表层水体4次,过滤至100 m L聚乙烯瓶中,加福尔马林溶液保存[11-12].

1.2.3 其他指标

茅洲河流域的水文指标、地貌形态指标和社会功能指标结合文献资料、专家咨询、实地考察、拍照对比等方式进行现场评价,分别对每个指标打分[13].

1.3 鉴定分析

p H值和溶解氧(DO)由Hydrolab DS5多参仪(美国)现场测定,总磷(TP)、氨氮(NH3-N)和高锰酸盐指数(CODMn)参照文献[11]采集和测定.水生生物物种鉴定和计数等采用显微镜分类计数法[12,14,15];浮游动物品样带回实验室需静置48 h,虹吸浓缩[10,16,17].

本文采用浮游植物Shannon-Wiener指数和浮游动物Shannon-Wiener指数作为水生生物多样性的代表指标,具体计算公式如下,

式中:H为Shannon-Wiener指数,S为样品分类单元总数,pi为第i种个体占总样品个数的比例.

1.4 数据分析方法

评分统计、权重计算、柱状图绘制分析、得分结果插值分析分别在Excel、Matlab 2016a、Origin9.0t和Arcgis 10.5中完成.

2 健康评价指标体系构建

2.1 指标体系建立

结合茅洲河河流功能特点和现状,遵循科学认知、数据获得、整体性和实用性原则[18-19],综合分析各因素对茅洲河河流健康的影响程度,从水文、水质、地貌形态、水生生物以及社会功能5个方面构建评价体系并确定权重.

水文指标选择水流状况、水域面积、涉水工程影响程度3个方面.水质选取较为常用的指标,即总磷、氨氮、高锰酸盐、溶解氧和p H.在遵循数据获得和实用性原则下,地貌形态指标将河道内底质、弯曲程度、河床稳定性、河道改造程度、河岸带侵蚀度等指标都囊括在内,水生生物指标则选择浮游动物和浮游植物.

另外,茅洲河属于城市河流,根据其社会服务功能特点,选择河岸带植被多样性和可亲水度两个方面作为社会功能指标,最终构建了包括目标层、准则层、指标层的递阶层次结构指标体系,具体指标体系如图2所示.

图2 茅洲河河流生态系统健康评价指标体系

2.2 权重计算

根据AHP分析方法要求,结合国内外文献资料、现场调研情况及生态环境相关专家意见后,在每一级指标中进行两两比较,根据各层因素之间的相对重要性给出判断值.比对结果构成判断矩阵,经过Matlab 2016a计算处理,进行层次单排序和层次总排序,得到各个准则层和指标层的权重值[13].经一致性验证,CR＜0.10,判断矩阵满足一致性要求.

茅洲河健康评价指标权重计算结果见表1.准则层的权重大小排序为:地貌形态指标＞水质指标＞水生生物指标＞水文指标＞社会功能指标[3];地貌形态指标的权重大小排序为:河床稳定性＞河道内底质＞河岸带侵蚀度＞弯曲程度＞河道改造程度;水文指标的权重大小排序为:水域面积＞水流状况＞涉水工程影响程度;水质指标的权重大小排序为:TP=NH4-N=CODMn=DO＞p H;水生生物指标和社会功能指标内的指标层权重大小相同.

表1 茅洲河健康评价指标权重计算结果

2.3 评价标准与方法

通过参考深圳市相关网站、查阅文献和专家咨询等方式,并结合深圳市主要河道水质的治理目标建立评价标准[20].对可量化指标的赋分根据指标具体数据直接给出标准值或者范围,对定性指标根据定性描述对赋分标准进行界定[21].依据评价标准对其进行评分,每一项指标分为5个等级,并赋予一定分值,分别为5、4、3、2、1.河流生境状况越好、越接近自然状态、社会服务功能越强,则该指标的分值越高;反之分值越低[22-23].

评价方法共3步:1)指标层得分,依据茅洲河河流生态系统健康评价标准对某样点的各个指标层指标进行评分,评分结果乘以该指标层指标对应权重后,得到各指标层的分值;2)准则层得分,同准则层内各指标层得分求和后,乘以该准则层指标对应权重,得到各准则层的分值;3)河流生态系统健康综合得分,各准则层得分求和后,得到该样点的河流生态系统健康综合得分[13].将该分值划分为[0,1]、(1,2]、(2,3]、(3,4]、(4,5]共5个等级,分别对应河流健康状况为恶劣、病态、脆弱、亚健康和健康[24-25].

3 结果与分析

3.1 河流生态系统单项指标健康评价

为进一步明确影响茅洲河河流生态系统健康的主导因素,对茅洲河健康评价体系中的各准则层得分结果进行单项插值运算,得到的单项指标插值结果如图3～7所示.

图3 水文指标插值结果

图4 水质指标插值结果

图5 地貌形态指标插值结果

图6 水生生物指标插值结果

图7 社会功能指标插值结果

不难发现,茅洲河流域中各项指标得分分布均存在不同程度的干支流差异性和空间差异性.在水文指标中,干流样点间的差异不明显,但中下游段支流样点间存在阶梯式变化,中游明显好于下游.水质指标中,空间差异性较为典型,上游段总体好于下游段.地貌形态指标情况与水文指标相似,干流样点间无明显差异,上游支流样点略好于下游.水生生物指标中,干流样点明显优于支流,中上游支流样点总体好于下游.社会功能指标中,干流样点间的空间差异性较为明显,上游好于下游,但支流间不明显.在所有样点中,靠近上游的茅洲河12(MZH12)和茅洲河13(MZH13)两个点位的水文指标及水质指标近乎满分,地貌形态指标和社会功能指标在全流域也处于较高水平;下游的排涝河(PLH)在所有指标中得分均最低.

从单项指标评价结果来看,就水文指标和地貌形态指标而言,一方面由于茅洲河属于感潮型河流,从河口受潮汐倒灌的海水对河道侵蚀较大,原有的自然河流形态及河岸带无法维持,另一方面因防洪排涝工作的要求,部分河段已基本改造成硬化混凝土,河道生境破坏严重.此外,为挡潮而建的闸门常年关闭,导致下游干流与支流间水体连通阻断,加上清淤工程需要对河道进行截流,也是造成下游水文指标和地貌形态指标不理想的重要因素.对于水质指标而言,流域内的废污水自中上游流出,最终汇集在下游地区,从而导致该地区水质恶化.

另外,下游支流主要位于宝安区境内,人口密集,产业集中,城市化水平较高,对于水环境质量影响也较大.对水生生物指标来说,不仅受到水环境质量的影响,还受到生存空间的制约,支流流量小、流速低、水域面积小等问题对于水生生物的生存很不利.针对社会功能指标,上游段人烟稀少,对于河道形态和周围环境改造及影响程度较小,河岸带植被多样性保护较好,河流接近自然.

3.2 河流生态系统健康综合评价

茅洲河河流生态系统健康综合评价结果如图8所示.在设立的31个采样点中,6个为健康,占总采样点数的19.35%;19个为亚健康,占61.29%;5个为脆弱,占16.13%;1个为病态,占3.23%.茅洲河河流生态系统健康状况总体处于亚健康.全部样点中,得分最高的为茅洲河12(MZH12),分值4.32,得分最低的为排涝河(PLH),分值1.98.在13个干流样点中,6个为健康,7个为亚健康;在18个支流样点中,最好的仅为亚健康,最差的为病态,干流总体状况要比支流好得多,干支流差异性明显.

图8 茅洲河河流生态系统健康综合评价结果

从全流域来看,茅洲河的健康状况有极强的空间差异性.上游段样点除楼村排洪渠(LCPHQ)处在脆弱外,其余处在亚健康及以上状态;中游段稍差,均处在亚健康;下游段情况较复杂,亚健康、脆弱和病态都有,整体呈递减趋势.无论是干流还是支流,上游段样点普遍情况要比下游段好.

从综合评价结果来看,健康等级较高的点位主要集中在上游和干流.水系上游段的支流点位玉田水(YTS)、东坑水(DKS)、大凼水(DDS)和楼村排洪渠(LCPHQ)位于远离深圳市中心的石岩水库下游,受人类活动影响较弱,河流生态系统大部分处于未开发状态,河流形态较为原始.同时干流点位相比支流而言,普遍河道较宽,流量较大,自净和稀释污染物的能力要强.而中下游段干流点位茅洲河05(MZH05)和茅洲河06(MZH06)之间有一座较大的水闸,对于中下游段之间河流连通和水体交换有一定的影响.

4 结 论

1)本文选取5个层面17个指标建立了茅洲河河流生态系统健康评价指标体系,运用层次分析法,所得健康评价结果显示,在监测的31个样点中,有6个为健康,占19.35%;19个为亚健康,占61.29%;5个为脆弱,占16.13%;1个为病态,占3.23%;0个恶劣,茅洲河河流生态系统健康状况总体处于亚健康.

2)茅洲河河流生态系统健康状况具有较强的空间差异性和干支流差异性,上游普遍好于下游,干流总体好于支流.

3)评价结果存在空间差异和干支流差异的可能原因:上游远离城区,人类活动影响较弱,河流较为自然;下游接近城市,人口密集,工业废水和生活污水排放量大,对于河流的干扰较大.另外,下游段受潮汐影响较大,倒灌的海水对河流生境破坏严重,河岸带状况无法保证.相比支流,干流具有河道宽、流量大的特点,受到的影响没有那么明显.