范業(yè)弘，何巖,3*，朱晗彬，趙凱豪，顧敦罡，黃民生,3，何培民，徐兵兵，何文輝

1.上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點實驗室,華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院

2.崇明生態(tài)研究院

3.自然資源部大都市區(qū)國土空間生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心

4.上海河湖生物鏈構(gòu)建與資源化利用工程技術(shù)研究中心

5.上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

隨著上海河道治理消除劣Ⅴ類水體（GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 》，全文同）階段性目標(biāo)的完成以及面臨水華問題反復(fù)出現(xiàn)的困擾[1]，如何有效開展河道治理后評價以及實現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的長效保持成為亟須解決的問題。河流健康評價是河流生態(tài)修復(fù)效果評價的重要組成部分，目前相關(guān)評價方法主要包括生物監(jiān)測法和綜合指標(biāo)評價法2 類，由于綜合指標(biāo)法評價指標(biāo)的計算更為科學(xué)全面，其已成為河流健康評價的常用方法[2-3]。而目前國內(nèi)河流健康評價在研究范圍上以較大流域為主[4-7]，少有針對城市河道，尤其是平原河網(wǎng)地區(qū)閘控型河道治理效果的評估報道[8]；且評價指標(biāo)多集中于水質(zhì)[9]或者生物層面[10]，河道整體的評價指標(biāo)體系的建立缺乏綜合性、全面性，同時河道治理評價體系多限于生態(tài)修復(fù)后水質(zhì)和生物指標(biāo)的提升效果，很少涉及到將工程治理技術(shù)與實際運行效果結(jié)合起來的評價[11-13]。

本研究基于層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的組合賦權(quán)法[14-15]，結(jié)合常用河流健康評價指標(biāo)，因地制宜選取適用于平原河網(wǎng)地區(qū)閘控型河道小淶港河段的16 項指標(biāo)（水文、水質(zhì)、底泥、河岸、底棲、魚類6 個細(xì)化準(zhǔn)則層）進(jìn)行治理后小淶港河段的健康評價，同時跟蹤評價小淶港河段治理技術(shù)的實際運行效果，開展平原河網(wǎng)地區(qū)閘控型城市河道生態(tài)修復(fù)效果評價，并從水質(zhì)、底泥、護(hù)岸3 個角度提出對應(yīng)的改進(jìn)措施，以期為平原河網(wǎng)地區(qū)閘控型河道生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)與長效保持提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

小淶港（會展段）北起崧澤高架路，南至建虹路，東西兩側(cè)分別為淶港路和南新環(huán)線，全長約1.6 km，跨松江、閔行、青浦3 區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，日照充分，雨量充沛且汛期集中于5—9 月。本研究區(qū)域為小淶港河段重點區(qū)（以下簡稱小淶港河段），即小淶港（徐涇江泵站至崧澤高架下）、徐涇江、涇北河相連所圍及河道周邊區(qū)域，屬于平原河網(wǎng)地區(qū)閘控型河道。南端通過與徐涇江交界處泵站與周邊集水區(qū)關(guān)聯(lián)，該河段主要通過水閘、泵站、溢流堰，實現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)3 條河道間的水循環(huán)，并通過軟、硬圍隔與外部河道隔斷，形成局部內(nèi)循環(huán)但與外界交換少的相對封閉的水系。

小淶港河段治理前水質(zhì)主要存在點源、面源入河污染嚴(yán)重，底泥持續(xù)釋放污染物，區(qū)域水質(zhì)差〔Ⅴ類～劣Ⅴ類，懸浮顆粒物（SS）、氨氮（NH3-N）及總磷（TP）嚴(yán)重超標(biāo)〕，透明度低（30～40 cm），且缺少周邊清水水源，與周邊河網(wǎng)水系連通性差，水動力不足等問題。該河段治理采用控源截污技術(shù)、閘泵工程循環(huán)暢流技術(shù)、沉水植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)[16-17]，封堵主要雨水管口，利用水閘、泵站、溢流堰構(gòu)建區(qū)域內(nèi)部循環(huán)流動的水動力格局，促進(jìn)區(qū)域循環(huán)凈水-生態(tài)修復(fù)的良性循環(huán)，建立以沉水植物為核心的生態(tài)系統(tǒng)，并定期進(jìn)行人工維護(hù)[18]。治理后主要水質(zhì)指標(biāo)逐步穩(wěn)定在Ⅳ類及以上〔高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、NH3-N 濃度、TP 濃度分別為（20.9±1.9）、（14.9±1.0）、（0.051±0.018）mg/L〕，水體透明度大于1.2 m。

1.2 分析方法

2021 年12 月—2022 年10 月，選取3 月（春）、6 月（夏）、9 月（秋）、12 月（冬）4 個時間點對國家會展中心周邊小淶港河段5 個采樣點位（XLG-1、XLG-2、XLG-3、XLG-4、XLG-5，圖1）進(jìn)行現(xiàn)場檢測及水質(zhì)、底泥采樣，樣品采集后放入4 ℃ 冰箱冷藏。水質(zhì)指標(biāo)包括NH3-N、亞硝酸鹽氮（N-N）、硝酸鹽氮（N-N）、總氮（TN）、可溶性正磷酸鹽（DP）、TP、CODMn、生化需氧量（BOD5）、葉綠素a（Chla）。沉積物指標(biāo)包括氮、磷、有機質(zhì)及5 種重金屬（砷、鎂、銅、鎘和鉛）濃度。水樣采集于水下0.5 m 處，在24 h 之內(nèi)用0.45 μm 微孔濾膜過濾后進(jìn)行測定（葉綠素a 通過90%丙酮溶液進(jìn)行提取，對水樣過硫酸鉀消解測定總磷濃度）。魚類采集在各點位設(shè)置地籠（長3.9 m，網(wǎng)眼7 mm）進(jìn)行，并通過抓斗式采泥器（華業(yè)分析，JC-W-801N）采集沉積物樣品。采樣及指標(biāo)檢測均參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[19]。

圖1 小淶港河段采樣點位Fig.1 Sampling sites of Xiaolaigang reach

1.3 評價指標(biāo)體系

在SL/T 793—2020《河湖健康評估技術(shù)導(dǎo)則》[20]及相關(guān)河流健康評價研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實地調(diào)查進(jìn)行指標(biāo)的初選，并通過斯皮爾曼相關(guān)性檢驗指標(biāo)的獨立性[21]。由于小淶港河段無通航、供水等服務(wù)功能需求，同時，生態(tài)修復(fù)措施（控源截污、閘泵工程活水暢流、沉水植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)）工程影響較小，故去除社會服務(wù)功能持續(xù)性指標(biāo)、工程影響類、飲用水類指標(biāo)，增加底泥污染生態(tài)風(fēng)險評估。在此基礎(chǔ)上，通過斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)識別冗余指標(biāo)（|r|>0.75，P<0.01），保留更具代表性的指標(biāo)。通過上述方式，最終選取16 項綜合水質(zhì)評價指標(biāo)，分別確立指標(biāo)層（16 個）、細(xì)化準(zhǔn)則層（6 個）、準(zhǔn)則層（4 個）和目標(biāo)層（1 個），建立小淶港河流健康評價指標(biāo)體系（表1）及生物指標(biāo)的賦分標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表1 小淶港河段健康評價指標(biāo)體系Table 1 Health evaluation index system of Xiaolaigang reach

表2 生物指標(biāo)賦分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Scoring criteria for biological indicators

另外，鑒于閘控型平原河網(wǎng)水系河道這一特殊類型河道研究報道較少，在權(quán)重計算上采用主客觀結(jié)合的組合賦權(quán)法，削弱人為確立權(quán)重的主觀因素影響。層次分析法通過將與決策有關(guān)的元素細(xì)化成目標(biāo)、準(zhǔn)則、指標(biāo)等層次，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行定量和定性分析[32]。熵權(quán)法則是一種客觀分析法，通過指標(biāo)所含信息量的混亂程度來確定指標(biāo)權(quán)重。采用層次分析法和熵權(quán)法分別進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計算，經(jīng)一致性檢驗后，進(jìn)行組合賦權(quán)（圖2）。

圖2 組合賦權(quán)法流程Fig.2 Combined weighting process

組合賦權(quán)法權(quán)重（wcj）的計算公式如下：

式中：w1j為層次分析法賦權(quán)權(quán)重；w2j為熵值法賦權(quán)權(quán)重；n為指標(biāo)數(shù)量，即n=16。

基于各指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合各指標(biāo)層指標(biāo)打分，計算得到4 個季度小淶港河道河流健康指數(shù)（river health index，RHI）。指標(biāo)層評價標(biāo)準(zhǔn)與分級見表1。將RHI 分為5 個等級，分別為非常健康（80≤RHI≤100）、健康（60≤RHI<80）、亞健康（40≤RHI<60）、不健康（20≤RHI<40）、病態(tài)健康（0≤RHI<20），據(jù)此評價小淶港河段河流健康狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)及潛在水華風(fēng)險評估

治理后河網(wǎng)水質(zhì)顯著提升，主要水質(zhì)指標(biāo)逐步穩(wěn)定為Ⅲ類及以上，水體透明度大于1.2 m，水體流動性大幅改善，生態(tài)系統(tǒng)得到修復(fù)，自凈能力提升，河道水環(huán)境大幅改善。局部時段水質(zhì)突然變差，主要受降雨后面源污染的影響。Chla 是浮游植物細(xì)胞的主要光合色素，其濃度與浮游植物生物量有顯著相關(guān)性[33]，是水華風(fēng)險的重要指示指標(biāo)。小淶港河段以綠藻門為主，Chla 濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性差異，主要于夏季〔（159.10±104.46）mg/m3〕集中爆發(fā)式增長，其次為春季〔（14.62±9.52）mg/m3）〕，秋季〔（6.08±5.05）mg/m3〕、冬季〔（7.87±6.68）mg/m3〕濃度較低，這與綠藻門浮游植物適宜生長的季節(jié)相一致。選取4 個季度9 項水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析（圖3），顯著性分為較顯著（P≤0.05）、顯著（P≤0.01）、極顯著（P≤0.001）3 級?？傮w來說，Chla 濃度與N-N（P≤0.01）、DP 濃度呈負(fù)相關(guān)；與CODMn、BOD5、TN、TP 濃度呈正相關(guān)。其中，Chla 濃度與CODMn、BOD5均呈顯著正相關(guān)（P≤0.01），主要原因在于一方面有機物為藻類生長提供了營養(yǎng)物質(zhì)，另一方面藻類死亡的殘體被水體中微生物分解再次產(chǎn)生有機物。相較磷營養(yǎng)鹽（r=0.16），氮營養(yǎng)鹽與Chla 濃度的關(guān)聯(lián)性更強（r=0.36，P≤0.05），且TN 濃度和NO3-N 濃度呈極顯著相關(guān)（r=0.91，P≤0.001），表明以N-N 形式為主的氮營養(yǎng)鹽〔TN 濃度為（4.411±2.601）mg/L，N-N 濃度為（3.055±2.863）mg/L〕是影響小淶港河段浮游植物生長的主要限制性因素。由于小淶港河段構(gòu)建的以沉水植物為核心的水生態(tài)系統(tǒng)，能夠提供大量原生氧，而且河道維護(hù)會定期使用曝氣系統(tǒng)和涌浪機，均導(dǎo)致水體的DO 濃度較高，使得上覆水體中NH3-N 主要進(jìn)行N-N 轉(zhuǎn)化，不利于TN 的去除。

圖3 影響水華的關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of key water quality indices affecting bloom

另外，GB 3838—2002 的河流水質(zhì)評定中僅將NH3-N 作為氮控制指標(biāo)，導(dǎo)致對水體中TN 削減率的重視不足。而閘控型河道相對封閉，容易引起藻類和浮游植物大量繁殖，水體透光率降低，影響沉水植物生長，進(jìn)而威脅河道健康。目前該河段主要通過定期人工打撈進(jìn)行維持，增加了河道維護(hù)的復(fù)雜性和成本。建議在該類水體治理過程中，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)施，進(jìn)一步優(yōu)化曝氣方式[34]，通過創(chuàng)造合適的缺氧微環(huán)境以及強化硫、鐵元素耦合反硝化作用[35-36]，提升水體TN 的去除率。

2.2 底泥污染風(fēng)險評估

底泥作為河道污染的匯與源，在外源污染阻斷后，底泥的內(nèi)源釋放成為河道健康長效保持的重要風(fēng)險因子。通過綜合污染指數(shù)法[26-28]（FF）評價底泥的營養(yǎng)鹽狀態(tài)，指標(biāo)包括底泥有機質(zhì)、磷濃度和氮濃度。通過污染負(fù)荷指數(shù)法[29]（PLI）和潛在生態(tài)風(fēng)險評級法[30]（RI）評價重金屬污染狀態(tài)，選取的重金屬包括砷、汞、銅、鎘和鉛5 種（表3）。

表3 底泥污染風(fēng)險評價Table 3 Risk assessment of sediment pollution

總體來講，小淶港河段各采樣點位的營養(yǎng)鹽狀態(tài)均為重度污染，其中內(nèi)源氮濃度較高〔（2 171.99±1 664.40）mg/kg）〕，且呈現(xiàn)出不斷累積的過程〔2021年冬季為（1 334.14±826.56）mg/kg，2022 年秋季為（3 009.83±686.84）mg/kg〕；重金屬污染程度較輕，主要為中度污染和中等生態(tài)風(fēng)險，個別點位（XLG-5）出現(xiàn)銅超過重金屬背景值（35.1 mg/kg）2 倍以上。目前小淶港河段底泥污染修復(fù)主要通過沉水植物吸收營養(yǎng)鹽和重金屬，采用的沉水植物主要為苦草，部分河段出現(xiàn)狐尾藻和輪葉黑藻，種類相對單一，致使水生生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，對人工維護(hù)依賴性高，在適宜藻類生長的春、夏季出現(xiàn)因人工維護(hù)不佳導(dǎo)致浮游植物生物量過高〔Chla 濃度春季為（14.62±9.52）mg/m3，夏季為（159.10±104.46）mg/m3〕的現(xiàn)象。另外，夏季部分河段還出現(xiàn)了絲狀藻華現(xiàn)象，分析認(rèn)為主要是由于苦草和絲狀藻具有相同的生態(tài)點位，而且高附著藻密度和高硝酸鹽氮濃度（>5 mg/L）能協(xié)同作用加速沉水植物的衰退[37]。因此，建議此類水體在沉水植物體系構(gòu)建中，增加沉水植物的種類（如菹草、黑藻、馬來眼子菜等）以增強水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，也可以結(jié)合人工沉床技術(shù)[38]，合理垂直分布沉水植物，防止光抑制現(xiàn)象，增強沉水植物對底泥營養(yǎng)鹽重金屬的吸收作用。

2.3 河流生態(tài)修復(fù)提升效果評價

小淶港河段的水文指標(biāo)優(yōu)良率較高（60%～80%），如圖4 所示。主要是由于采用的閘泵工程循環(huán)暢流技術(shù)以及河道南北兩端采用的軟圍隔，形成北蟠龍港—小淶港—徐涇江—涇北河—北蟠龍港的循環(huán)流動格局，在提升水動力和水文連通性的同時，也保證了小淶港的生態(tài)流量，這些均有助于生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化構(gòu)建。小淶港河段大型底棲動物以銅銹環(huán)棱螺、漲肚圓田螺、梨形環(huán)棱螺、中國圓田螺為主，物種非常豐富（Je 為0.733±0.248）。董芮等[39]發(fā)現(xiàn)，大型底棲動物的豐富度和豐度隨著水文連通性的增加而增加。小淶港河段良好的水文條件和豐富的大型底棲動物也印證了這一點。魚類指標(biāo)受季節(jié)性影響較大，魚類生物量夏季最低，冬季最高，秋季居中，春季魚類生物量差異顯著。小淶港河段沉水植物主要以苦草為主，在春末夏初開始發(fā)芽繁殖，秋冬季節(jié)達(dá)到生物量峰值后逐漸衰退，這與魚類生物量變化基本吻合。推測小淶港河段魚類主要與沉水植物的生物量有關(guān)，茂密的沉水植物能夠為水生動物提供食物和棲息場所；夏季則由于水華現(xiàn)象造成沉水植物衰退，減少了魚類的棲息場所，因而生物量極低。

圖4 不同季節(jié)細(xì)化準(zhǔn)則層得分Fig.4 Scores of refinement criterion layer in different seasons

綜合全年RHI 指標(biāo)評價（表4），春、秋、冬季為健康，其中秋季最優(yōu)（RHI 為75.0），僅夏季為亞健康（RHI 為51.4），該指標(biāo)體系評價結(jié)果與實際情況基本一致。夏季亞健康狀態(tài)主要表現(xiàn)為魚類生物量較少（Je 為0.225）、沉水植物有明顯的衰敗，水體中藻類細(xì)胞生物量（主要以綠藻門為主）過高（Chla 濃度平均值為159.10 mg/m3）。小淶港河段前期治理通過控源截污、閘泵工程活水暢流、沉水植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)，整體保持著較為良好的健康狀態(tài)，但對于人工維護(hù)的依賴性較強。其中，閘泵工程活水暢流發(fā)揮了重要作用，而控源截污、沉水植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)在實際運行過程中存在不足，需要采取相應(yīng)措施加以改善。

表4 四季河流健康狀態(tài)綜合評價指數(shù)（RHI）Table 4 Comprehensive evaluation index RHI of river health status in four seasons

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）建立閘控型平原河網(wǎng)水系河道生態(tài)修復(fù)效果評價指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系評價結(jié)果與實際情況基本一致（夏季亞健康狀態(tài)對應(yīng)現(xiàn)場部分河段出現(xiàn)的水華現(xiàn)象），證明該指標(biāo)體系適用于閘控型平原河網(wǎng)水系河道生態(tài)修復(fù)效果評價。

（2）通過開展控源截污、閘泵工程活水暢流、沉水植物生態(tài)修復(fù)措施，河段整體保持健康狀態(tài)，主要水質(zhì)指標(biāo)均保持在地表水Ⅳ類及以上〔COD、NH3-N濃度、TP 濃度分別為（20.9±1.9）、（14.9±1.0）、（0.051±0.018）mg/L〕，水體透明度大于1.2 m，說明以上3 項治理技術(shù)基本適用于閘控型平原河網(wǎng)水系河道生態(tài)修復(fù)。

3.2 建議

（1）閘泵工程活水暢流發(fā)揮了良好的效果，改善了水文連通性，有利于大型底棲動物的生長。同時，研究發(fā)現(xiàn)較高的硝酸鹽濃度是閘控型平原河網(wǎng)水系河流重要的水華潛在風(fēng)險因素，建議進(jìn)一步優(yōu)化曝氣方式，創(chuàng)造合適的缺氧微環(huán)境以及通過硫、鐵元素耦合強化總氮去除。

（2）底泥重金屬污染較輕，以營養(yǎng)鹽污染為主。現(xiàn)有沉水植物種類較為單一，易產(chǎn)生絲狀藻華孳生現(xiàn)象，建議增加沉水植物的種類，如菹草、黑藻、馬來眼子菜等，進(jìn)行合理配置，降低底泥營養(yǎng)鹽污染，增強以沉水植物為核心的水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）目前小淶港河段采用的漿砌混凝土硬質(zhì)護(hù)岸，雖然從防洪排澇的水利學(xué)角度是有利的，但它隔絕了陸生與水生之間能量與物質(zhì)的交換，且選取的植物（如四季紅海棠）側(cè)重于景觀性作用，忽略了護(hù)岸對面源污染的截留功能[40]，使其成為影響河道生態(tài)修復(fù)效果的潛在風(fēng)險。建議適當(dāng)拓寬河道，對護(hù)岸進(jìn)行生態(tài)化改造，選擇合理的填料基質(zhì)和植被配置，以強化護(hù)岸對面源污染的截留功能。

后續(xù)研究建議對不同類型河道污染治理技術(shù)的工程運行效果進(jìn)行比較，建立各種類型河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)的技術(shù)集成體系，為城市水環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。