付貴萍,趙 林,武金發(fā),胡章立,胡 凱,董 蕓
1)深圳大學(xué)生命與海洋科學(xué)學(xué)院,深圳市海洋生物資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東深圳518055;2)深圳市河道管理中心,廣東深圳518036
河流是城市的血脈,也是城市重要的景觀要素,具有貯存水源、防洪排澇和交通航運(yùn)等作用,更是城市重要的生態(tài)廊道[1].城市河流在海綿城市建設(shè)中具有重要角色,如何通過(guò)自然途徑與人工措施相結(jié)合,在確保城市排水防澇安全的前提下,最大限度地利用城市河流實(shí)現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、滲透和凈化,促進(jìn)雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)已引起廣泛關(guān)注.但城市化的快速推進(jìn)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅,導(dǎo)致河流水質(zhì)惡化、水文調(diào)節(jié)功能喪失以及生物多樣性銳減等問(wèn)題[2]. 目前,約占地球表面2%的城市地區(qū)卻擁有地球上退化最嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)[3].因此,如何有效評(píng)估城市建成區(qū)河流生態(tài)功能,提出針對(duì)性的修復(fù)對(duì)策已成為當(dāng)今城市河流生態(tài)系統(tǒng)管理與海綿城市規(guī)劃的重要議題.
目前,許多學(xué)者針對(duì)城市化背景下的河流生態(tài)功能進(jìn)行了廣泛探討[4-7],常用的評(píng)價(jià)方法有模型法、價(jià)值評(píng)價(jià)法和指標(biāo)評(píng)價(jià)法,如西班牙的河岸植被質(zhì)量指數(shù)(qualitat del bosc de ribera, QBR)[8]、英國(guó)的水環(huán)境健康預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型(river invertebrate prediction and classification system, RIVPACS)[9]、澳大利亞的河流評(píng)價(jià)系統(tǒng)(Australian river assessment scheme, AUSRIVAS)[10]、丹麥的5-S-model[11]以及瑞典的河岸、河道與環(huán)境指數(shù)(riparian, channel and environmental, RCE)[12]等.其中,指標(biāo)評(píng)價(jià)法是采用最多的一種河流生態(tài)功能評(píng)價(jià)方法,中國(guó)也有諸多學(xué)者采用該方法對(duì)長(zhǎng)江流域[13-14]、淮河流域[15]、新安江流域[16]及太子河流域[17]進(jìn)行研究.水質(zhì)、河岸帶狀況、水文和河道形態(tài)是多數(shù)研究者重點(diǎn)考慮的因素.指標(biāo)評(píng)價(jià)法通常結(jié)合研究區(qū)域的生態(tài)管理需求,目的性強(qiáng),更適于管理應(yīng)用.但指標(biāo)評(píng)價(jià)法也存在一些不足:關(guān)注河流的自然功能較多,而忽略了河流的社會(huì)功能[17];河流生態(tài)功能評(píng)價(jià)的河流空間尺度往往較大,而忽略了小尺度河流[17];在研究對(duì)象上傾向于選取水流連續(xù)性好的河流,忽略人工管控下河流水源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與閘、壩阻隔的間斷性河流[18].此外,以水生生物為核心的河流生態(tài)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系尚不多見.因此,現(xiàn)有的指標(biāo)體系法較難適用于城市建成區(qū)的河流生態(tài)功能評(píng)價(jià).
深圳市擁有大小河流310余條,大多為流程短、徑流量小的雨源性河流,流域大于100 km2的只有13條[19].其中,位于南山區(qū)的大沙河,自1989年起經(jīng)過(guò)截污、補(bǔ)水和綠化等整治工程,河道的生境不斷地更迭,區(qū)域內(nèi)生物也遭受了不同程度的脅迫,整治后的河道生態(tài)狀況尚不明晰.本研究在吸取并改進(jìn)相關(guān)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系基礎(chǔ)上,結(jié)合河流特征,采用以水生生物為主,河流自然功能為輔的多因子綜合評(píng)價(jià)法,評(píng)價(jià)河段尺度下的大沙河河流生態(tài)功能狀況,提出針對(duì)性的修復(fù)對(duì)策,為城市建成區(qū)河流的生態(tài)功能評(píng)價(jià)和河流生態(tài)系統(tǒng)管理提供參考.
大沙河發(fā)源于深圳市西部的羊(陽(yáng))臺(tái)山(海拔587.3 m),流域面積92.99 km2,干流長(zhǎng)13.7 km,其中,感潮河段長(zhǎng)3.6 km,起點(diǎn)在長(zhǎng)嶺陂水庫(kù)溢洪道消力池出口,由東向西經(jīng)過(guò)塘朗村和平山村等,與西麗水庫(kù)溢洪道相交后折向南流,在濱海沙河立交橋處注入深圳灣(圖1).大沙河貫穿整個(gè)南山區(qū),連接羊(陽(yáng))臺(tái)山、塘朗山和濱海休閑帶,是深圳市重要的綠色生態(tài)廊道和創(chuàng)新走廊,大學(xué)城、高新技術(shù)園區(qū)和南山中心園區(qū)分布于兩岸,流域開發(fā)程度高,人口密度大,屬于典型的城市建成區(qū)河流.該流域?qū)賮啛釒ШQ笮詺夂?,多年平均氣?2.4 ℃,平均年降水量為1 981.0 mm,但年內(nèi)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護(hù)岸和石籠護(hù)岸為主,河道有一定蜿蜒度,河道底質(zhì)主要為礫石;中上游河岸以植生型混凝土護(hù)岸為主,水量大,水面寬,底質(zhì)多為堆積的泥沙沉積物;中游河岸以草地、灌木為主,水量少,底質(zhì)以泥沙為主;下游河岸連接深圳灣公園,河道筆直,河岸硬質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重,水體流動(dòng)性差.大沙河兩岸已鋪設(shè)截污箱涵,且上游河段建有兩處污水處理裝置,分別位于南方科技大學(xué)校內(nèi)及大學(xué)城河段,污水處理量為1×104m3/d和4×103m3/d,出水進(jìn)入大沙河.此外,在西麗水庫(kù)溢洪道處引入西麗再生水廠尾水5×104m3/d補(bǔ)入大沙河.大沙河中下游共有4座閘,形成南科大學(xué)段、大學(xué)城段以及河口段3處景觀水面,水量約為6.4×105m3.
圖1 深圳市大沙河流域概況和采樣點(diǎn)分布Fig.1 (Color online) The general situation and the distribution of the sampling points in the Dasha River basin in Shenzhen
目前,河流生態(tài)功能評(píng)價(jià)的空間尺度往往較大,如流域和區(qū)域尺度,其評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)宏觀,在管理上難以實(shí)施[20-21].針對(duì)這一不足以及大沙河的實(shí)際狀況,為盡可能準(zhǔn)確地評(píng)估大沙河的生態(tài)功能狀況,劃分以下4個(gè)空間區(qū)域:
上游:長(zhǎng)嶺陂水庫(kù)至大學(xué)城景觀水面上游區(qū)域(存在兩處污水處理裝置,河道渠道化嚴(yán)重,水面窄,流速快).
中上游:大學(xué)城景觀水面區(qū)域(兩端存在壅水堰或翻板閘,水體深,水面寬,流速緩).
中游:大學(xué)城下游至大沙河公園區(qū)域(河道較為自然,水量較少,有一定流速).
下游:大沙河河口感潮河段區(qū)域(水體深,水面寬,河口處設(shè)置鋼閘,本研究暫不考慮潮汐對(duì)河流生態(tài)功能的影響).
從上游至下游共設(shè)置了8個(gè)采樣點(diǎn)(表1),各采樣點(diǎn)位置見圖1.并于2018年1月至2019年1月對(duì)各區(qū)域流域背景、河流地貌、水質(zhì)狀況、浮游動(dòng)植物、底棲動(dòng)物、魚類和植被等內(nèi)容進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、采樣和分析.
表1 深圳市大沙河生態(tài)調(diào)查采樣點(diǎn)設(shè)置
本研究結(jié)合已有的研究和實(shí)地調(diào)查情況,選取以水文支持功能、水環(huán)境支持功能、生境維持功能和水生生物多樣性維持功能為主的指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng),依據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)的代表性、可獲取性和評(píng)價(jià)方法的可操作性,選取與河流水生生物密切相關(guān)的10項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)、14項(xiàng)評(píng)價(jià)指數(shù)構(gòu)建生態(tài)功能指標(biāo)評(píng)價(jià)體系.為了突出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)、指數(shù)的差異性和重要性,通過(guò)層次分析法獲得指標(biāo)和指數(shù)的權(quán)重[22-23],將評(píng)價(jià)指數(shù)的分值加權(quán)求和獲得指標(biāo)層分值,進(jìn)一步由指標(biāo)層加權(quán)求和獲得功能層分值.層次分析法本質(zhì)上是一種“分解—判斷—綜合”的基本決策思維過(guò)程,保證了評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的合理性.層次分析法主要步驟如下:① 建立遞階層次結(jié)構(gòu):根據(jù)屬性的不同對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分類組合,形成一種“目標(biāo)層—指標(biāo)層—指數(shù)層”遞階層次結(jié)構(gòu).② 構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣:指標(biāo)層的各方面因素進(jìn)行兩兩比較,對(duì)重要性進(jìn)行賦值,據(jù)此構(gòu)建指標(biāo)層的判斷矩陣.照此構(gòu)建各指數(shù)層的判斷矩陣.③ 層次單排序:計(jì)算構(gòu)建的指標(biāo)層,判斷矩陣的最大特征根及對(duì)應(yīng)的特征向量,得出3個(gè)指標(biāo)層對(duì)應(yīng)目標(biāo)層所占權(quán)重,同理計(jì)算出各具體指數(shù)對(duì)應(yīng)指標(biāo)層所占的權(quán)重,然后進(jìn)行層次單排序分析.④ 層次總排序:層次總排序是指在層次單排序的基礎(chǔ)上,綜合分析得出指數(shù)層對(duì)于目標(biāo)層的相對(duì)重要性權(quán)值.深圳市大沙河河流生態(tài)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)成見表2.
表2 深圳市大沙河生態(tài)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系1)
多指標(biāo)評(píng)價(jià)需要對(duì)每個(gè)指標(biāo)設(shè)定評(píng)價(jià)等級(jí)和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),等級(jí)劃分通常采用奇數(shù)制,如5級(jí)制和3級(jí)制,而分類標(biāo)準(zhǔn)一般采用評(píng)分法[24].針對(duì)已建立的深圳市大沙河生態(tài)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,本研究采用5級(jí)制分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),包括定量分析和定性分析,4分表示最高等級(jí),0分表示最低等級(jí).水質(zhì)參數(shù)包括化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand, CODCr)、5日生化需氧量(bio-chemical oxygen demand in five days, BOD5)、氨氮質(zhì)量濃度ρ(NH4+-N)、溶解氧(dissolved oxygen, DO)質(zhì)量濃度ρ(DO)和總磷質(zhì)量濃度ρ(TP),具體指數(shù)賦分標(biāo)準(zhǔn)見表3.
表3 深圳市大沙河生態(tài)評(píng)價(jià)指數(shù)賦分標(biāo)準(zhǔn)
按照城市建成區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況及演變規(guī)律,結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)有情況并參考相關(guān)文獻(xiàn),采用直觀分析與對(duì)比的區(qū)間分層方式[18],將大沙河不同區(qū)段的生態(tài)功能由高到低依次劃分為健全、較健全、部分生態(tài)功能受到威脅與只具備最基本的生態(tài)功能4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)(表4 ).
表4 大沙河不同河段生態(tài)功能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示:大沙河全河段的ρ(DO)為5.22~8.12 mg/L、ρ(CODCr)為15.75~45.33 mg/L、ρ(BOD5)為2.77~5.73 mg/L、ρ(NH4+-N)為0.66~7.66 mg/L、ρ(TP)為0.43~0.93 mg/L,不同河段水質(zhì)變化較大.分別于2018年1、3、6和9月4次調(diào)查,共采集到大型底棲動(dòng)物共12種.其中,腹足類軟體動(dòng)物6種、雙殼類軟體動(dòng)物2種、環(huán)節(jié)動(dòng)物2種、甲殼動(dòng)物蝦類2種.中游河段底棲動(dòng)物物種相對(duì)豐富,所采集到的總個(gè)體數(shù)量也較中上游更多,香農(nóng)-維納(Shannon-Weiner)生物多樣性指數(shù)在1.024~1.457,表明所有河段的底棲動(dòng)物多樣性均偏低,群落豐富度不高.各采樣點(diǎn)共鑒定浮游植物7門50種(屬).其中,優(yōu)勢(shì)的門類為硅藻門18種、綠藻門14種、藍(lán)藻門10種,優(yōu)勢(shì)種以硅藻門的舟形藻、小環(huán)藻和脆桿藻,藍(lán)藻門的隱桿藻和偽魚腥藻,裸藻門的裸藻為主,Shannon-Weiner多樣性指數(shù)為0.229~2.860,符合中度到重度污染水體的特征.各采樣點(diǎn)浮游動(dòng)物共鑒定7門17個(gè)種(屬),其中,上游的優(yōu)勢(shì)種為節(jié)肢動(dòng)物門橈足類、枝角類和搖蚊幼蟲,中游出現(xiàn)水溞、水螅等清潔水體指示種,表明中游河段水質(zhì)較好.下游感潮河段的優(yōu)勢(shì)種為節(jié)肢動(dòng)物門的無(wú)節(jié)幼蟲,與深圳灣的甲殼類藤壺等生物出現(xiàn)有關(guān). 調(diào)查中共采集魚類16種,隸屬于6目9科14屬.其中,鯉形目有3科7屬8種,占種數(shù)的50%.值得關(guān)注的是,其中,有4個(gè)種類屬于外來(lái)種(引入種),包括尼羅口孵非鯽、莫桑比克口孵非鯽、食蚊魚及下口鲇,且優(yōu)勢(shì)種為尼羅口孵非鯽和莫桑比克口孵非鯽,外來(lái)種占本調(diào)查漁獲總種類的25%,該比例遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)其他河流[25].
按照第3章所述生態(tài)功能評(píng)價(jià)方法,最終得到大沙河流域綜合生態(tài)功能等級(jí)結(jié)果為:全流域不存在Ⅰ級(jí)河段,上游和上中游受到較大程度人類活動(dòng)的影響,為Ⅲ級(jí)河段;中游具有較健全的生態(tài)功能,屬于Ⅱ河段;下游受人為影響嚴(yán)重,只具備最基本的生態(tài)功能,為Ⅳ河段.
大沙河各河段具體的生態(tài)功能分析如下:上游和中上游的水面覆蓋率較大,具有一定流速,且水質(zhì)較好,因此,水文支持功能和水環(huán)境支持功能較高;但河道存在一定的渠道化,建有一定數(shù)量的中小型堰壩,部分生物遷移受阻,水生生物多樣性較低,因此,生境維持功能和水生生物多樣性維持功能較低(圖2(a)和(b)).
大沙河中游保留著一定程度的自然狀態(tài),河道雖有少量的截彎取直和拓寬,但護(hù)岸是有植被覆蓋的自然土質(zhì)岸坡(植被覆蓋率達(dá)到80%以上),植被多樣性較豐富,無(wú)落差大的堰壩,生物的遷移沒有受到阻礙,水質(zhì)較好,水生生物種類、數(shù)量相對(duì)較多,因此,該河段具有良好的生境維持和水環(huán)境維持功能(圖2(c)).
大沙河下游為河口感潮河段,水量大,但早期由于考慮河道行洪排澇的功能,采用漿砌塊石或混凝土硬質(zhì)河岸,導(dǎo)致其生境維持功能很低.此外,受到河口水閘的影響,水體流動(dòng)受阻.因此,下游雖具有較高的水文支持功能,但生境維持和水生生物多樣性維持功能較低(圖2(d)).
圖2 大沙河各河段生態(tài)功能評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Evaluation results of ecological function in each reach of the Dasha River
4.3.1 河段生態(tài)修復(fù)策略
上游段長(zhǎng)嶺陂水庫(kù)-大學(xué)城景觀水面上游區(qū)域,河段渠道化程度高,受行洪影響導(dǎo)致生態(tài)涵養(yǎng)能力低,污水凈化系統(tǒng)出水仍殘留有較高的總氮,石籠護(hù)岸植被覆蓋率不高,部分河床硬質(zhì)化,生境多樣性差.針對(duì)這些問(wèn)題,采用生態(tài)袋設(shè)置耐沖擊植物斑塊,保障生物通道的水量、水深和流速,優(yōu)化水流路徑和停留時(shí)間;提升污水凈化系統(tǒng)脫氮效率或利用人工濕地進(jìn)行尾水深度處理[26];優(yōu)選根系發(fā)達(dá),能固坡、防止泥土流失和耐沖刷的植物品種修復(fù)護(hù)岸植被,并配置一定比例的生境庇護(hù)所.
中上游大學(xué)城區(qū)域河段存在壅水堰或翻板閘,形成了具有景觀效果的雍水段,但水體流動(dòng)受阻,ρ(TN)和ρ(TP)較高,呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì),水體透明度較低,基本無(wú)水生植被,生物多樣性差.建議利用兩岸綠地空間,配置凈化型濕地系統(tǒng);在水中利用沉水、浮葉植物進(jìn)行原位修復(fù),抑制藻類水華演化趨勢(shì).
中游大學(xué)城下游-大沙河公園段是大沙河流域生態(tài)功能最為健全的河段,但也存在補(bǔ)水水質(zhì)氮、磷含量高,河道水量少,部分河床底質(zhì)裸露,岸坡植被多樣性不高等問(wèn)題.針對(duì)此現(xiàn)狀,建議利用兩岸綠地空間及水勢(shì),配置分布式凈化濕地系統(tǒng),設(shè)置區(qū)段內(nèi)循環(huán)回流系統(tǒng),強(qiáng)化對(duì)TN和TP的去除,同時(shí)提高水面覆蓋率.此外,可結(jié)合周邊用地情況,建設(shè)濕地/塘系統(tǒng),該系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置在河流行洪影響范圍以外,可作為生物種質(zhì)資源庫(kù),輔助河道生物多樣性恢復(fù),特別是敏感型生物物種復(fù)育,同時(shí)該系統(tǒng)還具備雨洪調(diào)蓄、水質(zhì)凈化和生境構(gòu)筑等多項(xiàng)功能,是一項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值高的行洪河道修復(fù)策略.
下游河口段存在河道渠道化嚴(yán)重,多樣化生境少,河口閘阻礙魚類洄游等問(wèn)題.可利用河口連接深圳灣的有利條件,建設(shè)河口智慧閘壩,根據(jù)漲落潮調(diào)控水閘,吸引深圳灣各水層魚類進(jìn)入大沙河,提升魚類多樣性;水面設(shè)置生態(tài)浮島、水下構(gòu)筑魚巢,為水鳥及水生生物提供停歇、棲息場(chǎng)所.
4.3.2 河段生態(tài)管理策略
生態(tài)修復(fù)工程的成效與后續(xù)的管理存在密切關(guān)系,包括對(duì)污染物的管理、生物管理、生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控和市民的科普教育等多個(gè)維度,需要多個(gè)部門與專業(yè)人員密切配合和協(xié)調(diào)工作.因而,針對(duì)大沙河生態(tài)系統(tǒng)管理有以下建議:
1)建立完善的水生態(tài)數(shù)據(jù)信息平臺(tái).為保障生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期、健康地演化發(fā)展,需長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)水文、水質(zhì)和水生生物變化,建設(shè)完善的水生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、水生態(tài)管理、環(huán)境災(zāi)害響應(yīng)應(yīng)急平臺(tái)等信息系統(tǒng),為大沙河生態(tài)管理提供決策支持.
2)建立科學(xué)的河流生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行管理體系.通過(guò)量化污染物輸入量、凈化量,加強(qiáng)生物物種管理,并制定生態(tài)友好型的河流生態(tài)管理規(guī)范與操作規(guī)程,指導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控和運(yùn)行,引導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)正向演替.
3)建立多部門公共管理機(jī)制.生態(tài)系統(tǒng)的“養(yǎng)”重于“建”,生態(tài)系統(tǒng)的日常管理需要民眾的廣泛參與.由河流管理部門主導(dǎo),聯(lián)合專家團(tuán)隊(duì),招募志愿者參與生態(tài)系統(tǒng)日常管理,聯(lián)動(dòng)社區(qū)居民、學(xué)生參與體驗(yàn),開展線上-線下城市課堂等多主題的科普教育,發(fā)揮河流生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境教育功能.
本研究對(duì)深圳市大沙河流域水生生物多樣性和各相關(guān)因素進(jìn)行了全面的調(diào)查、采樣和分析,獲得了大沙河流域的水質(zhì)、水生生物物種資源和生境脅迫因素等狀況的基底數(shù)據(jù),并對(duì)大沙河生態(tài)功能現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià).結(jié)果表明:大沙河無(wú)Ⅰ級(jí)河段,Ⅱ級(jí)河段僅為中游區(qū)域,上游和中上游區(qū)域?yàn)棰蠹?jí)河段,下游河口段僅具備最基本的生態(tài)功能,為Ⅳ級(jí)河段.針對(duì)各河段存在的問(wèn)題,提出了針對(duì)性的修復(fù)策略,并從污染物的管理、生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控、市民的科普教育等多個(gè)維度對(duì)城市建成區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)的管理提出了針對(duì)性建議.
致謝:衷心感謝深圳大學(xué)鄧?yán)淌?、雷安平教授、張永夏副教授、陳輝蓉老師和張煜老師對(duì)浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物、魚類和植被的鑒定與分析的指導(dǎo)!