北京溫榆河公園水位變化對(duì)生物多樣性的影響分析

楊 瑩 張耀方 郝生超

(北京市清河管理處,北京 100192)

北京溫榆河公園位于北京市市域中部,中心城區(qū)東北邊緣,朝陽(yáng)、昌平、順義三區(qū)交界,溫榆河、清河兩河交匯之處,城市副中心上游,是北京中心城和“通州堰”防洪體系的重要節(jié)點(diǎn)[1]。 公園內(nèi)有清河、溫榆河、老河灣三條河道,是溫榆河公園內(nèi)劃定的“一心、三核、四脈”(溫榆河生態(tài)心,森林生態(tài)核、濕地生態(tài)核、灌叢草地生態(tài)核,溫榆河生態(tài)水脈、清河生態(tài)水脈、老何灣生態(tài)水脈、京承高速生態(tài)脈)生態(tài)帶格局的重要組成部分。

溫榆河公園本底良好,生物多樣,尤其是清河、溫榆河兩河交匯處,是全園的生態(tài)核心區(qū),有30 多種近2000 只水鳥(niǎo)在此越冬,還分布有旗艦魚(yú)類馬口魚(yú),以及指示物種中華青鳉和中華鳑鲏,同時(shí)這里也是中華秋沙鴨在北京的越冬地。

河流生態(tài)廊道因其高度連續(xù)性和內(nèi)部豐富的生境條件,其生態(tài)功能的發(fā)揮更為顯著。 已有研究證實(shí),城市河流生態(tài)廊道可以通過(guò)大量留存原有植被或營(yíng)造栽培植物群落,對(duì)城市植物多樣性保護(hù)和提升產(chǎn)生積極作用[2]。 因此,探究溫榆河、清河河流生態(tài)廊道具有重要意義。

目前,溫榆河公園一期項(xiàng)目已經(jīng)基本建成,待溫榆河公園完全建成后,將成為北京大山水格局中重要的生態(tài)節(jié)點(diǎn),而公園內(nèi)水體的水位變化直接影響著溫榆河公園的生物多樣性。 汛期時(shí),公園內(nèi)水位根據(jù)防洪需求進(jìn)行調(diào)度;非汛期時(shí),公園內(nèi)水位盡可能保持不變以保證景觀效果及生物多樣性,本文僅研究非汛期水位變化對(duì)溫榆河公園生物多樣性的影響。 2022 年5月,北京市清河管理處聯(lián)合北京市北運(yùn)河管理處對(duì)辛堡閘上游至沈家墳區(qū)域進(jìn)行蓄水,通過(guò)觀察辛堡閘前水位為22.5 ～25.0m 時(shí)生物多樣性情況,分析研究最大可能保持公園內(nèi)生物多樣性所需的水位。

1 調(diào)查和研究方法

辛堡閘初始水位為22.5m,2022 年5 月9 日開(kāi)始蓄水,5 月10 日水位達(dá)到23.0m,5 月13 日水位達(dá)到24.0m,5 月18 日水位達(dá)到25.0m。 觀測(cè)不同水位時(shí)溫榆河公園的水域面積、水流流速及生物多樣性的變化情況。

1.1 生物調(diào)查方法

a.水生植物。 對(duì)挺水植物、浮葉植物和沉水植物進(jìn)行調(diào)查,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)測(cè)量并記錄水體的水面面積、各類大型水生植物的分布面積,計(jì)算水生植物覆蓋率。 將采集的植物洗凈,裝入標(biāo)本袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定種類。

b.浮游生物。 浮游生物采樣方法依照《水生生物調(diào)查技術(shù)規(guī)范》(DB11/T 1721—2020)和《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范(第二版)》[3]進(jìn)行。 將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后,通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察法或沉淀濃縮視野計(jì)數(shù)法[4],調(diào)查硅藻門(mén)、藍(lán)藻門(mén)、綠藻門(mén)、甲藻門(mén)、隱藻門(mén)、裸藻門(mén)等浮游植物密度,以及原生動(dòng)物、輪蟲(chóng)、枝角類、橈足類等浮游動(dòng)物密度。

c.底棲動(dòng)物。 底棲動(dòng)物采樣方法依照《流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)指南(試行)》[5](2017 年)和《底棲動(dòng)物與河流生態(tài)評(píng)價(jià)》[6]進(jìn)行,調(diào)查底棲動(dòng)物的種類。

d.魚(yú)類。 采用撒地籠網(wǎng)的方法捕撈魚(yú)類標(biāo)本并拍照留存,調(diào)查結(jié)束后將魚(yú)放回水體。 同時(shí)結(jié)合訪問(wèn)市民、實(shí)地考察等方法,調(diào)查魚(yú)類的種類。

e.鳥(niǎo)類。 采用樣線法[7]利用雙筒望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行鳥(niǎo)類觀測(cè),并拍照留存,同時(shí)結(jié)合訪問(wèn)市民、實(shí)地考察等方法,調(diào)查鳥(niǎo)類的種類。

1.2 模型建立

采用MIKE21 模型構(gòu)建北京溫榆河公園清河—溫榆河水系的水動(dòng)力模型,模擬并研究不同水位情況下水深對(duì)應(yīng)的水域面積、流速情況,分析水位變化情況下的生物多樣性。

以清河沈家墳閘至溫榆河辛堡閘段水系為研究目標(biāo),根據(jù)北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院地形數(shù)據(jù)進(jìn)行模型搭建,建模范圍包括2 條河道,即溫榆河(魯疃閘—辛堡閘)、清河(沈家墳閘—入溫榆河口);1 座控制性建筑物,即溫榆河辛堡閘。 模型邊界共有3 處,溫榆河魯疃閘及清河沈家墳閘為入流邊界,溫榆河辛堡閘為出流邊界。 分別模擬22.5m、23.0m、24.0m、25.0m 水位情況下的水深和流速。

2 不同水位條件下不同水深對(duì)應(yīng)的水域面積

綜合考慮鳥(niǎo)類、魚(yú)類、水生植物等對(duì)水深的需求,宜營(yíng)造0 ～0.2m、0.2 ～0.5m、0.5 ～1.0m、1.0 ～1.5m、1.5m 以上等不同水深環(huán)境,且應(yīng)以1.5m 以下淺水水域?yàn)橹鳌?/p>

結(jié)合MIKE21 模型模擬結(jié)果,辛堡閘不同水位條件下不同水深對(duì)應(yīng)的水域面積見(jiàn)表1。 由表1 可知,隨著水位升高,1.5m 以上深水區(qū)域顯著增加,1.5m 以下淺水區(qū)域減少;水位22.5m 時(shí)對(duì)應(yīng)的1.5m 以下淺水環(huán)境最豐富,占比79.23%。 分析水深1.5m 以下淺水水域面積變化,與水位22.5m 時(shí)相比,水位23.0m 時(shí)對(duì)應(yīng)的水深0 ～0.2m、0.5 ～1.0m 水域面積減少較多,水深0.2 ～0.5m、1.0 ～1.5m 水域面積變化不大;水位24.0m 時(shí)對(duì)應(yīng)的水深0 ～0.2m、0.5 ～1.0m、1.0 ～1.5m水域面積明顯減少,0.2 ～0.5m 水域面積變化不大;水位25.0m 時(shí)對(duì)應(yīng)的水深0 ～0.2m、0.5 ～1.0m、1.0 ～1.5m 水域面積明顯減少,0.2 ～0.5m 水域面積增加,新增水域面積主要是沙子營(yíng)閘下游農(nóng)田及溫榆河沿線灘涂。

表1 辛堡閘不同水位條件下不同水深對(duì)應(yīng)的水域面積單位:hm2

3 不同水位流速分析

基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及MIKE21 模型模擬結(jié)果,辛堡閘不同水位條件下不同流速對(duì)應(yīng)的水域面積見(jiàn)表2,由表2 可知,隨著水位升高,流速小于0.1m/s 的緩流區(qū)域增加,流速大于0.2m/s 以上的水域面積減少。 與22.5m 時(shí)相比不同水位條件下不同流速對(duì)應(yīng)的水域面積變化比例見(jiàn)圖1,由圖1 可知,與辛堡閘水位22.5m時(shí)相比,水位23.0m 時(shí),流速0 ～0.2m/s 對(duì)應(yīng)的水域面積增加30%左右,流速大于0.2m/s 對(duì)應(yīng)的水域面積減少30%左右;水位24.0m 時(shí),流速0 ～0.1m/s 對(duì)應(yīng)的水域面積增加80%左右,流速大于0.1m/s 對(duì)應(yīng)的水域面積減少70% 左右;水位25.0m 時(shí),流速0 ～0.1m/s 對(duì)應(yīng)的水域面積增加120% 左右,流速大于0.1m/s 對(duì)應(yīng)的水域面積減少70%左右。 當(dāng)辛堡閘水位從22.5m 提高至25.0m 時(shí)流速降低,不利于形成“流動(dòng)的河”。

圖1 與22.5m 時(shí)相比不同水位條件下不同流速對(duì)應(yīng)的水域面積變化比例

表2 辛堡閘不同水位條件下不同流速對(duì)應(yīng)的水域面積單位:hm2

4 水位變化對(duì)生物多樣性的影響分析

4.1 水位變化對(duì)水生植物種類的影響分析

經(jīng)調(diào)查,水位25.0m 以下主要有29 科67 屬71 種植物,其中14 種分布較廣,包括蘆葦、葎草、豬殃殃、石龍芮、酸模葉蓼、皺葉酸模、香蒲、水蔥、金魚(yú)藻等。 在長(zhǎng)期維持25.0m 水位后,沙子營(yíng)閘以下河段區(qū)域淹沒(méi)較深,僅有蘆葦、茭白及部分沉水植物存活,多年生植物根部有少量存活并開(kāi)始萌芽,一年生植物全部死亡,禾本科、蒼耳等植物開(kāi)始重新萌芽;其余區(qū)域淹沒(méi)較淺,植物少量枯萎,大部分存活,影響較小。

結(jié)合水生植物生長(zhǎng)特性,沉水植物萌發(fā)、生長(zhǎng)期水深宜控制在1.0m 以內(nèi),根據(jù)水體透明度適當(dāng)調(diào)整;沉水植物正常生長(zhǎng)期最大水深也應(yīng)控制在2.0m 以內(nèi)。為保障“草型水生生態(tài)系統(tǒng)”,宜在3—8 月?tīng)I(yíng)造更多水深小于1.0m 的水域,建議辛堡閘水位控制在23.0 ～24.0m 之間。

4.2 水位變化對(duì)浮游類生物種類的影響分析

4.2.1 對(duì)浮游植物種類的影響

經(jīng)調(diào)查,蓄水前后,浮游植物種類、數(shù)量整體呈上升趨勢(shì),物種數(shù)變多,其中硅藻門(mén)和綠藻門(mén)種類數(shù)占比較大。 浮游植物密度也呈上升趨勢(shì),魯疃閘上游超過(guò)3000 萬(wàn)個(gè)/L。 蓄水后,溫榆河河段藍(lán)藻門(mén)浮游植物密度快速升高,藍(lán)藻易在高溫、強(qiáng)光、靜水、富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的條件下快速、大量生長(zhǎng),氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素均會(huì)影響藻類的光合作用,影響藻類的生長(zhǎng)狀況,一般反應(yīng)機(jī)理如下:

而造成藻類水華暴發(fā)的重要因素還包括氣象要素(如溫度、光等)、水文條件和浮游動(dòng)物捕食等,這已得到國(guó)內(nèi)外大量研究的證實(shí)。 長(zhǎng)期維持高水位會(huì)在一定程度上為藻類快速生長(zhǎng)創(chuàng)造條件,造成浮游植物大量增殖。 蓄水前后浮游植物密度變化見(jiàn)圖2。

圖2 蓄水前后浮游植物密度變化

4.2.2 對(duì)浮游動(dòng)物種類的影響

蓄水后,浮游動(dòng)物種類、數(shù)量整體上呈下降趨勢(shì)。溫榆河河段浮游動(dòng)物種類先升高后降低;清河浮游動(dòng)物密度顯著低于溫榆河,輪蟲(chóng)為優(yōu)勢(shì)物種。 溫榆河辛堡閘附近,浮游動(dòng)物密度出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),蓄水過(guò)程中,浮游動(dòng)物密度曾超過(guò)1500 個(gè)/L。 蓄水前后浮游動(dòng)物密度變化見(jiàn)圖3。

圖3 蓄水前后浮游動(dòng)物密度變化

浮游植物密度增加不利于水質(zhì)維持,長(zhǎng)時(shí)間蓄水易加大水華風(fēng)險(xiǎn);浮游動(dòng)物種類及密度降低總體不利于水生生物完整性及物質(zhì)循環(huán);結(jié)合兩者的需要建議辛堡閘水位控制在24.0m 左右。

4.3 水位變化對(duì)底棲動(dòng)物的影響分析

2021 年,溫榆河公園內(nèi)有大型底棲動(dòng)物56 種,隸屬于5 大類,其中寡毛類3 種,蛭類6 種,軟體動(dòng)物類13 種,水生昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)類32 種,甲殼類2 種。 平均物種數(shù)為7 種,平均密度為148 個(gè)/m2,整體的物種數(shù)量相對(duì)較豐富[8]。

實(shí)際調(diào)查結(jié)果顯示,蓄水后底棲動(dòng)物密度總體呈增加趨勢(shì),尤其蜉蝣目動(dòng)物密度顯著增加,初步監(jiān)測(cè)到底棲動(dòng)物種類及生物多樣性增加(見(jiàn)圖4、圖5),分析原因:?流速降低,有利于底棲動(dòng)物固定;?蓄水過(guò)程中水陸交換使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)進(jìn)入水體,有利于底棲動(dòng)物繁衍。 但長(zhǎng)期蓄水后,隨著水深增加,底棲動(dòng)物密度會(huì)降低,因此蓄水不一定有利于底棲動(dòng)物多樣性的增加。 蓄水后底棲動(dòng)物密度總體增加,短期蓄水利于底棲動(dòng)物繁殖,建議辛堡閘水位控制在23.0m 左右。

圖4 蓄水前后底棲動(dòng)物密度變化

圖5 蓄水前后底棲生物多樣性變化

圖6 辛堡閘蓄水期鳥(niǎo)類類群分析

4.4 水位變化對(duì)魚(yú)類的影響分析

2021 年,溫榆河公園內(nèi)有魚(yú)類31 種,分屬于3 目9 科。 其中以鯉形目魚(yú)類為主,共25 種,占魚(yú)類總種數(shù)的81%;鱸形目5 種,占16%;鲇形目1 種,占3%。 監(jiān)測(cè)到有馬口魚(yú)、寬鰭鱲、黑鰭鳈3 種北京市地方二級(jí)保護(hù)水生野生動(dòng)物。

本次調(diào)查到魚(yú)類有17 種,包括北京市地方二級(jí)保護(hù)水生野生動(dòng)物黑鰭鳈。 監(jiān)測(cè)到魚(yú)類種類總體上較2021 年少,但考慮到魚(yú)類監(jiān)測(cè)具有隨機(jī)性,需進(jìn)一步跟蹤分析。 此外,結(jié)合魚(yú)類生境及攝食情況,馬口魚(yú)相對(duì)喜歡在急流河段覓食,水域面積減少可能影響馬口魚(yú)類攝食活動(dòng);寬鰭鱲生活河段通常河水較清澈,底質(zhì)多為砂礫石、鵝卵石或泥沙等,且繁殖期(主要集中在4—7 月)喜歡流態(tài)較急水域。 綜合考慮魚(yú)類適宜生境,建議辛堡閘水位維持在23.0m 左右。

4.5 水位變化對(duì)鳥(niǎo)類的影響分析

北京市鳥(niǎo)類豐富度最高的時(shí)段集中在春秋兩季[9],其中4—5 月是北京市多數(shù)繁殖鳥(niǎo)類筑巢繁殖的時(shí)段,也是大量候鳥(niǎo)過(guò)境的關(guān)鍵時(shí)期,鳥(niǎo)類多樣性對(duì)棲息地產(chǎn)生了較大需求[10]。

本次調(diào)查共記錄到鳥(niǎo)類97 種,其中國(guó)家二級(jí)保護(hù)鳥(niǎo)類8 種,為鴛鴦、鳳頭蜂鷹、鵲鷂、黑鳶、短耳鸮、紅隼、紅腳隼、燕隼。 蓄水1 個(gè)月內(nèi)4 次調(diào)查顯示鳥(niǎo)類種類未發(fā)生顯著變化,平均值為58 種,數(shù)量略有減少。從鳥(niǎo)類的生態(tài)類群進(jìn)行分析,本區(qū)域鳥(niǎo)類以鳴禽為主,占57.58%,排在其次的則為游禽(鴨科、鸕鶿科、科、鷺科)和涉禽(秧雞科、鸻科、鷸科),均為水鳥(niǎo),總計(jì)占鳥(niǎo)類種數(shù)的21.32%,此外這一地區(qū)的猛禽數(shù)量也相對(duì)較多,日行性猛禽(鷹科、隼科)與夜行性猛禽(鴟鸮科)均有所分布。 辛堡閘蓄水期鳥(niǎo)類類群分析見(jiàn)圖5。

在2022 年5 月溫榆河辛堡閘蓄水期鳥(niǎo)類監(jiān)測(cè)表明,本區(qū)域在22.5 ～25.0m 水位波動(dòng)中,鳥(niǎo)類多樣性和群落組成未發(fā)生明顯變化。 建議維持水位至22.5 ～23.5m,增加河道內(nèi)淺水淺灘面積,營(yíng)造更多洲心島、淺灘生境,供雁鴨類停歇、覓食和棲息。

5 結(jié) 語(yǔ)

2022 年辛堡閘蓄水后,對(duì)水位變化情況下溫榆河公園內(nèi)水生植物、浮游生物、底棲動(dòng)物、魚(yú)類、鳥(niǎo)類等生物多樣性進(jìn)行了調(diào)查與分析。 本文基于表象監(jiān)測(cè)、水文模擬和對(duì)生物習(xí)性的綜合分析,提出辛堡閘建議水位控制深度。 綜合來(lái)看,在生境、生物等因素影響下,非防洪調(diào)度時(shí)期辛堡閘水位維持在23.5m 左右,可最大可能維持生物多樣性。

本文為北京市春季時(shí)的調(diào)查數(shù)據(jù),由于北京市各個(gè)季節(jié)生物種類不同,水位對(duì)生物多樣性的影響存在季節(jié)性差異,汛期時(shí)公園內(nèi)水位根據(jù)防洪需求進(jìn)行調(diào)度,建議進(jìn)一步研究秋季及冬季非汛期的適宜水位,以及不同水位對(duì)防洪調(diào)度、水質(zhì)情況、公園內(nèi)溝渠蓄水情況等的影響,綜合確定溫榆河公園運(yùn)行管理時(shí)的調(diào)度水位。