基于魚(yú)類棲息地法的城市河流生態(tài)需水評(píng)估*
——以深圳市觀瀾河為例

黃奕龍 張利萍

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院博士后創(chuàng)新實(shí)踐基地，廣東 深圳 518008)

日益增強(qiáng)的人類活動(dòng)深刻影響了流域水循環(huán)過(guò)程，社會(huì)系統(tǒng)水循環(huán)的作用得到強(qiáng)化，并由此改變流域水資源演變規(guī)律[1]42。而對(duì)生態(tài)需水的忽視可能加劇了水生態(tài)系統(tǒng)退化，河流水資源利用與棲息地保護(hù)、生物多樣性維護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)完整性等方面的矛盾日漸凸現(xiàn)[2]754。伴隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們開(kāi)始重視河流健康，而河流生態(tài)需水是實(shí)現(xiàn)健康河流、保障河流生態(tài)功能的基礎(chǔ)，其研究逐漸受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注[2]754,[3]。

自20世紀(jì)40年代，美國(guó)漁業(yè)與野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)提出河流生態(tài)流量以來(lái)，生態(tài)需水的研究經(jīng)歷長(zhǎng)期的發(fā)展，在最近20 a才得以快速發(fā)展，已在生態(tài)需水概念與內(nèi)涵、機(jī)制探討、計(jì)算方法和實(shí)踐應(yīng)用等方面取得了進(jìn)展：

(1) 概念與內(nèi)涵。雖然尚無(wú)統(tǒng)一的定義，但一般認(rèn)為保證河流生態(tài)系統(tǒng)健康運(yùn)行所必需的水量(包括維持水熱平衡、生物平衡、水沙平衡和水鹽平衡等所需的水)均為生態(tài)需水的范疇[4],[5]557,[6]。河流生態(tài)需水包括質(zhì)量和數(shù)量?jī)?nèi)涵[7]，特別是在二元水循環(huán)日益突出的今天[1]43,[8-10]。

(2) 機(jī)制探討。機(jī)制研究包括生態(tài)需水與生態(tài)完整性的關(guān)系[11]，流量、流速與水生動(dòng)植物的關(guān)系[12]，魚(yú)類生命周期各階段的水動(dòng)力要求[13]815-816，河流水文情況對(duì)生物種群的影響[14]，流域生態(tài)需水時(shí)空差異性與生態(tài)需水敏感時(shí)期[15]，人類活動(dòng)影響下生態(tài)需水與景觀格局的關(guān)系[16]等。

(3) 計(jì)算方法。ACREMAN等[17]863-873將生態(tài)需水計(jì)算方法總結(jié)為4類：水文學(xué)法、水力分級(jí)法、生境模擬法和整體分析法。國(guó)內(nèi)學(xué)者提出基于保護(hù)對(duì)象和流量變化[18]、生態(tài)學(xué)和水動(dòng)力學(xué)[19]、水文—生態(tài)響應(yīng)關(guān)系[20]和關(guān)鍵物種量質(zhì)統(tǒng)籌[21-23]的生態(tài)需水計(jì)算方法分別與ACREMAN等總結(jié)的4類方法一一對(duì)應(yīng)。需要注意的是，ACREMAN等總結(jié)的4類計(jì)算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)[2]756-758,[5]557,[17]861,[24-25]，實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)生態(tài)保護(hù)或恢復(fù)的目標(biāo)確定選用何種計(jì)算方法[17]873。

(4) 實(shí)踐應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的探索后，較多國(guó)家在水資源規(guī)劃、水環(huán)境保護(hù)中均考慮了河流生態(tài)需水。我國(guó)水利部在2008年出臺(tái)《河道內(nèi)生態(tài)需水評(píng)估導(dǎo)則(試行)》，標(biāo)志著我國(guó)將生態(tài)需水推向了行業(yè)實(shí)踐。而北京市、上海市和深圳市等在10多年前的河流水環(huán)境整治中，就已經(jīng)開(kāi)始考慮河流的生態(tài)需水。雖然國(guó)內(nèi)外在生態(tài)需水方面取得了大量進(jìn)展，但大多集中在自然生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)于受到人類強(qiáng)烈干擾的城市河流的研究較少，對(duì)水量關(guān)注較多，對(duì)生態(tài)需水水質(zhì)關(guān)注較少。

本研究以快速城市化的典型城市深圳市的觀瀾河為例，基于魚(yú)類棲息地法，定量評(píng)估了觀瀾河生態(tài)需水的水量和水質(zhì)，以期為河道環(huán)境的改善提供科學(xué)借鑒。

1 研究區(qū)概況

觀瀾河位于深圳市中北部，是東江水系石馬河的上游河段，發(fā)源于民治街道大腦殼山(海拔385.4 m)的牛咀水庫(kù)雞公頭一帶，自南向北流經(jīng)民治、龍華、大浪、坂田、觀瀾街道及光明街道白花村，在觀瀾企坪斷面進(jìn)入東莞市境內(nèi)，深莞交界斷面以上集雨面積189.3 km2，河長(zhǎng)22.56 km(包括主源油松河)，河流平均比降為2.12‰。流域?qū)偾鹆旯鹊氐孛矌В孛差愋椭饕獮榈颓鹆?。總的地?shì)呈南高北低，西高東低分布。

觀瀾河為典型的雨源性河流，河水具有暴漲暴落的特點(diǎn)。河流上游修建了茜坑水庫(kù)(中型)以及18座小型水庫(kù)，集雨面積為51 km2。1990年初，觀瀾河水質(zhì)尚好，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在1990年末河流水質(zhì)由Ⅰ～Ⅲ類急劇惡化為Ⅴ類或劣Ⅴ類。在2006年進(jìn)行河流水環(huán)境整治之前，觀瀾河進(jìn)行過(guò)防洪整治，包括河道護(hù)岸硬化、截彎取直等工程。除雨天外，觀瀾河基本沒(méi)有基流，為生活污水和工業(yè)廢水的主要排泄通道。自2008年完成大規(guī)模的截污治污、河道拓寬和生態(tài)景觀改造后，觀瀾河河道進(jìn)行了生態(tài)補(bǔ)水。河道治理時(shí)對(duì)其功能定位為景觀娛樂(lè)型，恢復(fù)目標(biāo)為有生命的健康河道。

本研究在觀瀾河設(shè)置了5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(E1～E5，見(jiàn)圖1)，從2012年2月到10月進(jìn)行了水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)。其中2、3、10月為枯季，4—9月為雨季。

2 研究方法

2.1 生態(tài)需水計(jì)算方法

根據(jù)觀瀾河的功能定位，可供魚(yú)類生存、具有景觀水功能是其基本要求。相關(guān)研究表明，魚(yú)類對(duì)河流的水文(如流速、流量、水溫、河床侵蝕等)[26]132和水質(zhì)(如溶解氧(DO)和有毒物質(zhì)濃度等)條件非常敏感[27]。作為水生態(tài)系統(tǒng)中的頂級(jí)群落，魚(yú)類對(duì)其他種群的存在和豐度有重要影響，是計(jì)算生態(tài)需水較適宜的指示物種。目前，觀瀾河中游已經(jīng)有羅非魚(yú)(Oreochromismossambicus)和胡子鯰(Clariasfuscus)兩種魚(yú)類，并在特定河段占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其他種類的魚(yú)蝦較少。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)訪談、實(shí)地調(diào)查，并參考《廣東淡水魚(yú)類志》，我們了解到草魚(yú)(Ctenopharyngodonidellus)、鰱魚(yú)(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙魚(yú)(Aristichthysnobilis)、鯽魚(yú)(Carassiusauratus)和鯉魚(yú)(Cyprinuscarpio)等原為本地的主要經(jīng)濟(jì)魚(yú)類，隨著近幾十年來(lái)的河流水質(zhì)退化而逐漸消失。考慮到當(dāng)前的河流條件還不能恢復(fù)生活在水體中上層的魚(yú)類，且羅非魚(yú)等外來(lái)物種比較強(qiáng)勢(shì)，本研究以生活在水體底層且競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)的鯉魚(yú)作為觀瀾河生態(tài)恢復(fù)的目標(biāo)生物，以此計(jì)算生態(tài)需水。

圖1 觀瀾河監(jiān)測(cè)斷面示意圖Fig.1 Monitoring sections in Guanlan River

張文鴿等[28]認(rèn)為，鯉魚(yú)適宜的流速為0.2～0.6 m/s、水深為1.0～1.5 m；而韓振華等[29]44認(rèn)為，鯉魚(yú)適宜的流速為0.3 m/s、水深為0.45 m。根據(jù)觀瀾河的水文特點(diǎn)，并結(jié)合其他研究[13]813-817,[26]131，取鯉魚(yú)身長(zhǎng)為20 cm(在觀瀾河流域的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，羅非魚(yú)身長(zhǎng)經(jīng)?？蛇_(dá)20 cm，鯉魚(yú)需要達(dá)到此身長(zhǎng)才有競(jìng)爭(zhēng)力)、鯉魚(yú)非繁殖期適宜的流速為0.2 m/s、水深為0.45 m，依此計(jì)算的生態(tài)需水作為觀瀾河的最小生態(tài)需水量；取鯉魚(yú)繁殖期適宜的流速為0.4 m/s、水深為0.60 m，依此計(jì)算的生態(tài)需水量作為觀瀾河的最大生態(tài)需水量[29]43。生態(tài)需水量的計(jì)算公式如下：

Q=B×H×V

(1)

式中：Q為生態(tài)需水量，m3/s；V為平均流速，m/s：B為水面寬度，m，E1～E5的水面寬度與河床寬度相近，分別為8.5、19.0、23.0、38.0、42.0 m；H為平均水深，m。

2.2 生態(tài)需水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

魚(yú)類的生存與水溫、DO、營(yíng)養(yǎng)鹽關(guān)系密切。觀瀾河的水溫、pH和鹽度均適宜魚(yú)類生長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，適宜魚(yú)類生存的DO應(yīng)達(dá)到5 mg/L。此外，魚(yú)類對(duì)氨氮也較敏感。在氨氮為0.7～1.5 mg/L時(shí)，會(huì)對(duì)魚(yú)類的免疫系統(tǒng)產(chǎn)生輕微脅迫；當(dāng)氨氮達(dá)到3.0 mg/L時(shí)，脅迫效應(yīng)非常顯著。魚(yú)類的可耐受氨氮質(zhì)量濃度約為2 mg/L[30]。因此，本研究選擇DO和氨氮作為生態(tài)需水水質(zhì)評(píng)估的指標(biāo)，并設(shè)置魚(yú)類生存的生態(tài)需水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為DO≥5 mg/L、氨氮<2 mg/L。

3 結(jié)果與討論

3.1 生態(tài)需水量

觀瀾河生態(tài)需水量的計(jì)算結(jié)果如表1所示。監(jiān)測(cè)斷面的最小生態(tài)需水量為0.77～3.78 m3/s，最大生態(tài)需水量為2.04～10.08 m3/s。觀瀾河多年平均徑流量為6.30 m3/s，其最小生態(tài)需水量最大值可達(dá)到多年平均徑流量的0.60，而最大需水量最大值可達(dá)到多年平均徑流量的1.60倍。與觀瀾河的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，在枯季只有E4、E5能達(dá)到最小生態(tài)需水量，而E1、E2處于斷流狀態(tài)；而雨季的生態(tài)需水評(píng)估結(jié)果與枯季類似，只有E4、E5能滿足最大生態(tài)需水量，而E2處于斷流狀態(tài)，E1接近斷流。這一結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)魚(yú)類調(diào)查的發(fā)現(xiàn)相吻合，即E1、E2沒(méi)有魚(yú)類等生命跡象，只有在E3～E5才有魚(yú)類等高等水生生物的棲息。

由于觀瀾河干流治理時(shí)采用了沿河箱涵進(jìn)行截污，截污后河道內(nèi)沒(méi)有水流入河，同時(shí)基流也被截走，導(dǎo)致E1流量不足。河道生態(tài)補(bǔ)水的水源主要來(lái)自污水處理廠出水和人工濕地出水，其大多位于E2下游，而E1、E2之間的水量主要來(lái)自于護(hù)岸滲漏和地下水補(bǔ)給，因此E2流量也較小，但E3～E5的流量充足?？梢?jiàn)，急需加快補(bǔ)水管的建設(shè)速度，根據(jù)生態(tài)需水量的要求對(duì)觀瀾河進(jìn)行補(bǔ)水。

3.2 生態(tài)需水水質(zhì)

觀瀾河的監(jiān)測(cè)水質(zhì)如表2所示。由表2可知，DO和氨氮大體上均為枯季大于雨季，這可能是因?yàn)榭菁竞恿魉w以人工補(bǔ)給為主，而補(bǔ)給水源中的氨氮和DO濃度較高。在雨季，受雨水的影響，DO和氨氮濃度得到稀釋。從空間上看，E3的DO濃度最高，氨氮濃度相對(duì)較低，這可能與E3存在人工濕地出水補(bǔ)充有關(guān)。

與魚(yú)類生存的生態(tài)需水水質(zhì)相比，在枯季，DO只有E3、E4達(dá)標(biāo)；5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的氨氮均超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)為3.11～14.08。在雨季，DO只有E3達(dá)標(biāo)；5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的氨氮均超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)為1.12～4.11。由于補(bǔ)給水源的缺乏，現(xiàn)有的污水處理廠出水難以滿足生態(tài)需水的水質(zhì)要求，而利用人工濕地集成技術(shù)進(jìn)行深度處理，可將水質(zhì)提升至準(zhǔn)Ⅲ類(僅TN超標(biāo))，但因建設(shè)用地缺乏，無(wú)法大面積推廣。值得期待的是深圳市正在推進(jìn)治水提質(zhì)工程，污水處理廠出水有望根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的綜合要求，整體提升至準(zhǔn)Ⅳ類，枯季和雨季水質(zhì)均可能達(dá)到生態(tài)需水水質(zhì)要求。

表1 觀瀾河生態(tài)需水量和監(jiān)測(cè)流量

表2 觀瀾河的監(jiān)測(cè)水質(zhì)

4 結(jié) 論

(1) 5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的最小生態(tài)需水量為0.77～3.78 m3/s，最大生態(tài)需水量為2.04～10.08 m3/s?？菁竞陀昙揪挥蠩4和E5能滿足生態(tài)需水量的要求。

(2) 枯季的DO只有E3和E4達(dá)標(biāo)，雨季的DO只有E3達(dá)標(biāo)，枯季和雨季的氨氮均超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)分別為3.11～14.08、1.12～4.11，因此枯季和雨季的觀瀾河水質(zhì)均無(wú)法滿足生態(tài)需水的水質(zhì)要求。

[1] 王浩,王成明,王建華,等.二元年徑流演化模式及其在無(wú)定河流域的應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué):E輯 技術(shù)科學(xué),2004,34(增刊1).

[2] 桑連海,陳西慶,黃薇.河流環(huán)境流量法研究進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展,2006,17(5).

[3] 黃奕龍,陳利頂,傅伯杰,等.黃土丘陵小流域植被生態(tài)用水試驗(yàn)研究——?dú)夂蚝屯恋乩米兓挠绊慬J].水科學(xué)進(jìn)展,2006,17(1):14-19.

[4] 劉昌明.關(guān)于生態(tài)需水量的概念和重要性[J].科學(xué)對(duì)社會(huì)的影響,2002(2):25-29.

[5] 郝增超,尚松浩.基于棲息地模擬的河道生態(tài)需水量多目標(biāo)評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2008,39(5).

[6] 崔瑛,張強(qiáng),陳曉宏,等.生態(tài)需水理論與方法研究進(jìn)展[J].湖泊科學(xué),2010,22(4):465-480.

[7] 嚴(yán)登華,王浩,王芳,等.我國(guó)生態(tài)需水研究體系及關(guān)鍵研究命題初探[J].水利學(xué)報(bào),2007,38(3):267-273.

[8] 張亮,何新林,趙琪,等.基于二元水循環(huán)的河流生態(tài)需水綜合評(píng)價(jià)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2009,42(5):669-672.

[9] 韓宇平,王富強(qiáng),趙若,等.北運(yùn)河河流生態(tài)需水分段法研究[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,35(2):25-29.

[10] 袁鑫.蒲河流域二元水循環(huán)生態(tài)需水研究[J].水利發(fā)展研究,2015,15(4):32-35.

[11] GLEICK P H.Water in crisis: paths to sustainable water use[J].Ecological Applications,1998,8(3):571-579.

[12] EIZABETH E A,TWOMEY K.Habitat suitability index models: common carp[M].Washington,D.C.:US Fish and Wildlife Service,1982.

[13] 劉穩(wěn),諸葛亦斯,歐陽(yáng)麗,等.水動(dòng)力學(xué)條件對(duì)魚(yú)類生長(zhǎng)影響的試驗(yàn)研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2009,20(6).

[14] 宋蘭蘭.南方地區(qū)生態(tài)環(huán)境需水研究[D].南京:河海大學(xué),2004.

[15] 潘扎榮,阮曉紅.淮河流域河道內(nèi)生態(tài)需水保障程度時(shí)空特征解析[J].水利學(xué)報(bào),2015,46(3):28-38.

[16] 姜亮亮,包安明,劉海隆,等.瑪納斯流域生態(tài)需水變化與景觀格局的響應(yīng)關(guān)系研究[J].水土保持研究,2015,22(3):143-149.

[17] ACREMAN M,DUNBAR M J.Defining environmental river flow requirements - a review[J].Hydrology and Earth Sciences,2004,8(5).

[18] 劉蘇峽,莫興國(guó),夏軍,等.用斜率和曲率濕周法推求河道最小生態(tài)需水量的比較[J].地理學(xué)報(bào),2006,61(3):273-281.

[19] 彭濤,陳曉宏,王高旭,等.基于魚(yú)類棲息地鹽度需求的汛期河口生態(tài)需水研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2012,44(1):56-62.

[20] WANG Junna,DONG Zheren,LIAO Wengen,et al.An environmental flow assessment method based on the relationships between flow and ecological response: a case study of the Three Gorges Reservoir and its downstream reach[J].Science China Technological Sciences,2013,56(6):1471-1484.

[21] 歐陽(yáng)麗,諸葛亦斯,溫世億,等.基于魚(yú)類生物量法的河道生態(tài)需水過(guò)程研究及應(yīng)用[J].南水北調(diào)與水利科技,2014,12(4):62-67.

[22] 張曉文,康瑛,張婷,等.錢塘江流域(南方豐水地區(qū))量質(zhì)統(tǒng)籌的生態(tài)需水動(dòng)態(tài)模型研究[J].人民珠江,2015,35(6):19-23.

[23] 黃亮,許衡,羅昊,等.基于IFIM法的敏感生態(tài)需水計(jì)算研究——以紅水河來(lái)賓段為例[J].水利發(fā)展研究,2015,15(5):22-27.

[24] 吳春華,牛治宇.河流生態(tài)需水量研究進(jìn)展[J].中國(guó)水土保持,2006(12):20-22.

[25] 張麗,李麗娟,梁麗喬,等.流域生態(tài)環(huán)境需水的理論及計(jì)算研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(7):307-312.

[26] 陳永柏,廖文根,彭期冬,等.四大家魚(yú)產(chǎn)卵水文水動(dòng)力特性研究綜述[J].水生態(tài)學(xué)雜志,2009,2(2).

[27] 周鑫.草魚(yú)(Ctenopharyngodonidella)對(duì)亞硝酸氮、氨氮和溫度脅迫的生理響應(yīng)[D].青島:中國(guó)海洋大學(xué),2012.

[28] 張文鴿,黃強(qiáng),蔣曉輝.基于物理?xiàng)⒌啬M的河道內(nèi)生態(tài)流量研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2008,19(2):192-197.

[29] 韓振華,王芳,韓宇平,等.閩江流域山溪性河流生態(tài)需水量計(jì)算[J].南水北調(diào)與水利科技,2012,10(6).

[30] 劉瑤瑤,吳乾元,孫迎雪,等.基于生態(tài)毒性的再生水補(bǔ)給河流氨氮控制目標(biāo)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2015,15(1):203-207.