基于魚類棲息地法的城市河流生態(tài)需水評估*
——以深圳市觀瀾河為例

黃奕龍 張利萍

(深圳市水務規(guī)劃設計院博士后創(chuàng)新實踐基地，廣東 深圳 518008)

日益增強的人類活動深刻影響了流域水循環(huán)過程，社會系統(tǒng)水循環(huán)的作用得到強化，并由此改變流域水資源演變規(guī)律[1]42。而對生態(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、生物多樣性維護、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)境保護意識的增強，人們開始重視河流健康，而河流生態(tài)需水是實現(xiàn)健康河流、保障河流生態(tài)功能的基礎，其研究逐漸受到國際社會的廣泛關注[2]754,[3]。

自20世紀40年代，美國漁業(yè)與野生動物保護協(xié)會提出河流生態(tài)流量以來，生態(tài)需水的研究經(jīng)歷長期的發(fā)展，在最近20 a才得以快速發(fā)展，已在生態(tài)需水概念與內涵、機制探討、計算方法和實踐應用等方面取得了進展：

(1) 概念與內涵。雖然尚無統(tǒng)一的定義，但一般認為保證河流生態(tài)系統(tǒng)健康運行所必需的水量(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)需水包括質量和數(shù)量內涵[7]，特別是在二元水循環(huán)日益突出的今天[1]43,[8-10]。

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

(3) 計算方法。ACREMAN等[17]863-873將生態(tài)需水計算方法總結為4類：水文學法、水力分級法、生境模擬法和整體分析法。國內學者提出基于保護對象和流量變化[18]、生態(tài)學和水動力學[19]、水文—生態(tài)響應關系[20]和關鍵物種量質統(tǒng)籌[21-23]的生態(tài)需水計算方法分別與ACREMAN等總結的4類方法一一對應。需要注意的是，ACREMAN等總結的4類計算方法各有優(yōu)缺點[2]756-758,[5]557,[17]861,[24-25]，實際工作中應根據(jù)生態(tài)保護或恢復的目標確定選用何種計算方法[17]873。

(4) 實踐應用。經(jīng)過多年的探索后，較多國家在水資源規(guī)劃、水環(huán)境保護中均考慮了河流生態(tài)需水。我國水利部在2008年出臺《河道內生態(tài)需水評估導則(試行)》，標志著我國將生態(tài)需水推向了行業(yè)實踐。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)開始考慮河流的生態(tài)需水。雖然國內外在生態(tài)需水方面取得了大量進展，但大多集中在自然生態(tài)系統(tǒng)，對于受到人類強烈干擾的城市河流的研究較少，對水量關注較多，對生態(tài)需水水質關注較少。

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

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，在觀瀾企坪斷面進入東莞市境內，深莞交界斷面以上集雨面積189.3 km2，河長22.56 km(包括主源油松河)，河流平均比降為2.12‰。流域屬丘陵谷地地貌帶，地貌類型主要為低丘陵。總的地勢呈南高北低，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。河流上游修建了茜坑水庫(中型)以及18座小型水庫，集雨面積為51 km2。1990年初，觀瀾河水質尚好，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，在1990年末河流水質由Ⅰ～Ⅲ類急劇惡化為Ⅴ類或劣Ⅴ類。在2006年進行河流水環(huán)境整治之前，觀瀾河進行過防洪整治，包括河道護岸硬化、截彎取直等工程。除雨天外，觀瀾河基本沒有基流，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，觀瀾河河道進行了生態(tài)補水。河道治理時對其功能定位為景觀娛樂型，恢復目標為有生命的健康河道。

本研究在觀瀾河設置了5個監(jiān)測斷面(E1～E5，見圖1)，從2012年2月到10月進行了水文、水質監(jiān)測。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)需水計算方法

根據(jù)觀瀾河的功能定位，可供魚類生存、具有景觀水功能是其基本要求。相關研究表明，魚類對河流的水文(如流速、流量、水溫、河床侵蝕等)[26]132和水質(如溶解氧(DO)和有毒物質濃度等)條件非常敏感[27]。作為水生態(tài)系統(tǒng)中的頂級群落，魚類對其他種群的存在和豐度有重要影響，是計算生態(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(Oreochromismossambicus)和胡子鯰(Clariasfuscus)兩種魚類，并在特定河段占絕對優(yōu)勢，其他種類的魚蝦較少。根據(jù)現(xiàn)場訪談、實地調查，并參考《廣東淡水魚類志》，我們了解到草魚(Ctenopharyngodonidellus)、鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙魚(Aristichthysnobilis)、鯽魚(Carassiusauratus)和鯉魚(Cyprinuscarpio)等原為本地的主要經(jīng)濟魚類，隨著近幾十年來的河流水質退化而逐漸消失。考慮到當前的河流條件還不能恢復生活在水體中上層的魚類，且羅非魚等外來物種比較強勢，本研究以生活在水體底層且競爭力較強的鯉魚作為觀瀾河生態(tài)恢復的目標生物，以此計算生態(tài)需水。

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

張文鴿等[28]認為，鯉魚適宜的流速為0.2～0.6 m/s、水深為1.0～1.5 m；而韓振華等[29]44認為，鯉魚適宜的流速為0.3 m/s、水深為0.45 m。根據(jù)觀瀾河的水文特點，并結合其他研究[13]813-817,[26]131，取鯉魚身長為20 cm(在觀瀾河流域的調查發(fā)現(xiàn)，羅非魚身長經(jīng)常可達20 cm，鯉魚需要達到此身長才有競爭力)、鯉魚非繁殖期適宜的流速為0.2 m/s、水深為0.45 m，依此計算的生態(tài)需水作為觀瀾河的最小生態(tài)需水量；取鯉魚繁殖期適宜的流速為0.4 m/s、水深為0.60 m，依此計算的生態(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)需水水質標準

魚類的生存與水溫、DO、營養(yǎng)鹽關系密切。觀瀾河的水溫、pH和鹽度均適宜魚類生長。研究發(fā)現(xiàn)，適宜魚類生存的DO應達到5 mg/L。此外，魚類對氨氮也較敏感。在氨氮為0.7～1.5 mg/L時，會對魚類的免疫系統(tǒng)產(chǎn)生輕微脅迫；當氨氮達到3.0 mg/L時，脅迫效應非常顯著。魚類的可耐受氨氮質量濃度約為2 mg/L[30]。因此，本研究選擇DO和氨氮作為生態(tài)需水水質評估的指標，并設置魚類生存的生態(tài)需水水質標準為DO≥5 mg/L、氨氮<2 mg/L。

3 結果與討論

3.1 生態(tài)需水量

觀瀾河生態(tài)需水量的計算結果如表1所示。監(jiān)測斷面的最小生態(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)需水量最大值可達到多年平均徑流量的0.60，而最大需水量最大值可達到多年平均徑流量的1.60倍。與觀瀾河的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，在枯季只有E4、E5能達到最小生態(tài)需水量，而E1、E2處于斷流狀態(tài)；而雨季的生態(tài)需水評估結果與枯季類似，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。這一結果與現(xiàn)場魚類調查的發(fā)現(xiàn)相吻合，即E1、E2沒有魚類等生命跡象，只有在E3～E5才有魚類等高等水生生物的棲息。

由于觀瀾河干流治理時采用了沿河箱涵進行截污，截污后河道內沒有水流入河，同時基流也被截走，導致E1流量不足。河道生態(tài)補水的水源主要來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之間的水量主要來自于護岸滲漏和地下水補給，因此E2流量也較小，但E3～E5的流量充足。可見，急需加快補水管的建設速度，根據(jù)生態(tài)需水量的要求對觀瀾河進行補水。

3.2 生態(tài)需水水質

觀瀾河的監(jiān)測水質如表2所示。由表2可知，DO和氨氮大體上均為枯季大于雨季，這可能是因為枯季河流水體以人工補給為主，而補給水源中的氨氮和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，氨氮濃度相對較低，這可能與E3存在人工濕地出水補充有關。

與魚類生存的生態(tài)需水水質相比，在枯季，DO只有E3、E4達標；5個監(jiān)測斷面的氨氮均超標，超標倍數(shù)為3.11～14.08。在雨季，DO只有E3達標；5個監(jiān)測斷面的氨氮均超標，超標倍數(shù)為1.12～4.11。由于補給水源的缺乏，現(xiàn)有的污水處理廠出水難以滿足生態(tài)需水的水質要求，而利用人工濕地集成技術進行深度處理，可將水質提升至準Ⅲ類(僅TN超標)，但因建設用地缺乏，無法大面積推廣。值得期待的是深圳市正在推進治水提質工程，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Ⅳ類，枯季和雨季水質均可能達到生態(tài)需水水質要求。

表1 觀瀾河生態(tài)需水量和監(jiān)測流量

表2 觀瀾河的監(jiān)測水質

4 結 論

(1) 5個監(jiān)測斷面的最小生態(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。枯季和雨季均只有E4和E5能滿足生態(tài)需水量的要求。

(2) 枯季的DO只有E3和E4達標，雨季的DO只有E3達標，枯季和雨季的氨氮均超標，超標倍數(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均無法滿足生態(tài)需水的水質要求。

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