城市建成區(qū)河流生態(tài)功能評價及修復(fù)策略
——以深圳市大沙河為例

付貴萍，趙 林，武金發(fā)，胡章立，胡 凱，董 蕓

1)深圳大學生命與海洋科學學院，深圳市海洋生物資源與生態(tài)環(huán)境重點實驗室，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現(xiàn)雨水在城市區(qū)域的積存、滲透和凈化，促進雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護已引起廣泛關(guān)注．但城市化的快速推進對河流生態(tài)系統(tǒng)的健康構(gòu)成了嚴重威脅，導致河流水質(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重的生態(tài)系統(tǒng)[3]．因此，如何有效評估城市建成區(qū)河流生態(tài)功能，提出針對性的修復(fù)對策已成為當今城市河流生態(tài)系統(tǒng)管理與海綿城市規(guī)劃的重要議題．

目前，許多學者針對城市化背景下的河流生態(tài)功能進行了廣泛探討[4-7]，常用的評價方法有模型法、價值評價法和指標評價法，如西班牙的河岸植被質(zhì)量指數(shù)(qualitat del bosc de ribera, QBR)[8]、英國的水環(huán)境健康預(yù)測評價模型(river invertebrate prediction and classification system, RIVPACS)[9]、澳大利亞的河流評價系統(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，指標評價法是采用最多的一種河流生態(tài)功能評價方法，中國也有諸多學者采用該方法對長江流域[13-14]、淮河流域[15]、新安江流域[16]及太子河流域[17]進行研究．水質(zhì)、河岸帶狀況、水文和河道形態(tài)是多數(shù)研究者重點考慮的因素．指標評價法通常結(jié)合研究區(qū)域的生態(tài)管理需求，目的性強，更適于管理應(yīng)用．但指標評價法也存在一些不足：關(guān)注河流的自然功能較多，而忽略了河流的社會功能[17]；河流生態(tài)功能評價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)功能評價指標體系尚不多見．因此，現(xiàn)有的指標體系法較難適用于城市建成區(qū)的河流生態(tài)功能評價．

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)過截污、補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相關(guān)指標評價體系基礎(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價法，評價河段尺度下的大沙河河流生態(tài)功能狀況，提出針對性的修復(fù)對策，為城市建成區(qū)河流的生態(tài)功能評價和河流生態(tài)系統(tǒng)管理提供參考．

1 調(diào)查區(qū)域概況

大沙河發(fā)源于深圳市西部的羊(陽)臺山(海拔587.3 m)，流域面積92.99 km2，干流長13.7 km，其中，感潮河段長3.6 km，起點在長嶺陂水庫溢洪道消力池出口，由東向西經(jīng)過塘朗村和平山村等，與西麗水庫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)．大沙河貫穿整個南山區(qū)，連接羊(陽)臺山、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岸和石籠護岸為主，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)象嚴重，水體流動性差.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校內(nèi)及大學城河段，污水處理量為1×104m3/d和4×103m3/d，出水進入大沙河.此外，在西麗水庫溢洪道處引入西麗再生水廠尾水5×104m3/d補入大沙河.大沙河中下游共有4座閘，形成南科大學段、大學城段以及河口段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，河流生態(tài)功能評價的空間尺度往往較大，如流域和區(qū)域尺度，其評價結(jié)果相對宏觀，在管理上難以實施[20-21]．針對這一不足以及大沙河的實際狀況，為盡可能準確地評估大沙河的生態(tài)功能狀況，劃分以下4個空間區(qū)域：

上游：長嶺陂水庫至大學城景觀水面上游區(qū)域(存在兩處污水處理裝置，河道渠道化嚴重，水面窄，流速快)．

中上游：大學城景觀水面區(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河流生態(tài)功能的影響)．

從上游至下游共設(shè)置了8個采樣點(表1)，各采樣點位置見圖1．并于2018年1月至2019年1月對各區(qū)域流域背景、河流地貌、水質(zhì)狀況、浮游動植物、底棲動物、魚類和植被等內(nèi)容進行了現(xiàn)場調(diào)查、采樣和分析．

表1 深圳市大沙河生態(tài)調(diào)查采樣點設(shè)置

3 大沙河生態(tài)功能評價

3.1 評價指標體系的建立

本研究結(jié)合已有的研究和實地調(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評價系統(tǒng)，依據(jù)指標數(shù)據(jù)的代表性、可獲取性和評價方法的可操作性，選取與河流水生生物密切相關(guān)的10項評價指標、14項評價指數(shù)構(gòu)建生態(tài)功能指標評價體系．為了突出評價指標體系中各指標、指數(shù)的差異性和重要性，通過層次分析法獲得指標和指數(shù)的權(quán)重[22-23]，將評價指數(shù)的分值加權(quán)求和獲得指標層分值，進一步由指標層加權(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”的基本決策思維過程，保證了評價指標權(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)屬性的不同對評價指標進行分類組合，形成一種“目標層—指標層—指數(shù)層”遞階層次結(jié)構(gòu)．② 構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣：指標層的各方面因素進行兩兩比較，對重要性進行賦值，據(jù)此構(gòu)建指標層的判斷矩陣．照此構(gòu)建各指數(shù)層的判斷矩陣．③ 層次單排序：計算構(gòu)建的指標層，判斷矩陣的最大特征根及對應(yīng)的特征向量，得出3個指標層對應(yīng)目標層所占權(quán)重，同理計算出各具體指數(shù)對應(yīng)指標層所占的權(quán)重，然后進行層次單排序分析．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)層對于目標層的相對重要性權(quán)值．深圳市大沙河河流生態(tài)功能評價指標體系構(gòu)成見表2．

表2 深圳市大沙河生態(tài)功能評價指標體系1)

3.2 評價指數(shù)賦分標準

多指標評價需要對每個指標設(shè)定評價等級和分級標準，等級劃分通常采用奇數(shù)制，如5級制和3級制，而分類標準一般采用評分法[24]．針對已建立的深圳市大沙河生態(tài)功能評價指標體系，本研究采用5級制分級標準，包括定量分析和定性分析，4分表示最高等級，0分表示最低等級．水質(zhì)參數(shù)包括化學需氧量(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)賦分標準見表3．

表3 深圳市大沙河生態(tài)評價指數(shù)賦分標準

3.3 評判標準

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，采用直觀分析與對比的區(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個評價等級(表4 )．

表4 大沙河不同河段生態(tài)功能等級標準

4 結(jié)果與分析

4.1 大沙河生態(tài)調(diào)查結(jié)果

水質(zhì)監(jiān)測結(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物共12種．其中，腹足類軟體動物6種、雙殼類軟體動物2種、環(huán)節(jié)動物2種、甲殼動物蝦類2種．中游河段底棲動物物種相對豐富，所采集到的總個體數(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物多樣性均偏低，群落豐富度不高．各采樣點共鑒定浮游植物7門50種(屬)．其中，優(yōu)勢的門類為硅藻門18種、綠藻門14種、藍藻門10種，優(yōu)勢種以硅藻門的舟形藻、小環(huán)藻和脆桿藻，藍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.各采樣點浮游動物共鑒定7門17個種(屬)，其中，上游的優(yōu)勢種為節(jié)肢動物門橈足類、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)勢種為節(jié)肢動物門的無節(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個種類屬于外來種(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)勢種為尼羅口孵非鯽和莫桑比克口孵非鯽，外來種占本調(diào)查漁獲總種類的25%，該比例遠高于國內(nèi)其他河流[25]．

4.2 生態(tài)功能評價結(jié)果

按照第3章所述生態(tài)功能評價方法，最終得到大沙河流域綜合生態(tài)功能等級結(jié)果為：全流域不存在Ⅰ級河段，上游和上中游受到較大程度人類活動的影響，為Ⅲ級河段；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，但護岸是有植被覆蓋的自然土質(zhì)岸坡(植被覆蓋率達到80%以上)，植被多樣性較豐富，無落差大的堰壩，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)功能評價結(jié)果Fig.2 Evaluation results of ecological function in each reach of the Dasha River

4.3 大沙河生態(tài)修復(fù)對策

4.3.1 河段生態(tài)修復(fù)策略

上游段長嶺陂水庫-大學城景觀水面上游區(qū)域，河段渠道化程度高，受行洪影響導致生態(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，石籠護岸植被覆蓋率不高，部分河床硬質(zhì)化，生境多樣性差．針對這些問題，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間；提升污水凈化系統(tǒng)脫氮效率或利用人工濕地進行尾水深度處理[26]；優(yōu)選根系發(fā)達，能固坡、防止泥土流失和耐沖刷的植物品種修復(fù)護岸植被，并配置一定比例的生境庇護所.

中上游大學城區(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，但水體流動受阻，ρ(TN)和ρ(TP)較高，呈現(xiàn)富營養(yǎng)化趨勢，水體透明度較低，基本無水生植被，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、浮葉植物進行原位修復(fù)，抑制藻類水華演化趨勢．

中游大學城下游-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題．針對此現(xiàn)狀，建議利用兩岸綠地空間及水勢，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)，強化對TN和TP的去除，同時提高水面覆蓋率．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，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)筑等多項功能，是一項生態(tài)服務(wù)價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重，多樣化生境少，河口閘阻礙魚類洄游等問題．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維度，需要多個部門與專業(yè)人員密切配合和協(xié)調(diào)工作．因而，針對大沙河生態(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．為保障生態(tài)系統(tǒng)長期、健康地演化發(fā)展，需長期跟蹤監(jiān)測水文、水質(zhì)和水生生物變化，建設(shè)完善的水生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、水生態(tài)管理、環(huán)境災(zāi)害響應(yīng)應(yīng)急平臺等信息系統(tǒng)，為大沙河生態(tài)管理提供決策支持．

2)建立科學的河流生態(tài)系統(tǒng)運行管理體系．通過量化污染物輸入量、凈化量，加強生物物種管理，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，指導生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控和運行，引導生態(tài)系統(tǒng)正向演替．

3)建立多部門公共管理機制．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，聯(lián)合專家團隊，招募志愿者參與生態(tài)系統(tǒng)日常管理，聯(lián)動社區(qū)居民、學生參與體驗，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．

結(jié) 語

本研究對深圳市大沙河流域水生生物多樣性和各相關(guān)因素進行了全面的調(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)，并對大沙河生態(tài)功能現(xiàn)狀進行了評價．結(jié)果表明：大沙河無Ⅰ級河段，Ⅱ級河段僅為中游區(qū)域，上游和中上游區(qū)域為Ⅲ級河段，下游河口段僅具備最基本的生態(tài)功能，為Ⅳ級河段．針對各河段存在的問題，提出了針對性的修復(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維度對城市建成區(qū)河流生態(tài)系統(tǒng)的管理提出了針對性建議．

致謝:衷心感謝深圳大學鄧利教授、雷安平教授、張永夏副教授、陳輝蓉老師和張煜老師對浮游植物、浮游動物、底棲動物、魚類和植被的鑒定與分析的指導!