茅洲河流域河流類別及生態修復模式研究

田 盼，吳基昌，宋林旭，紀道斌，李 斌，李亞莉，馮發堂，張必昊，陳一迪，方 嬌

（1.中電建生態環境集團有限公司，廣東深圳518102；2.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002）

河流生態系統是一個復雜、開發、動態、非平衡和非線性系統［1］，在水流和生物-物理-化學的相互作用下促進流域的物質循環和能量流動［2］。隨著工業的快速發展，河流生態系統遭到了前所未有的退化和破壞［3，4］，水文水資源的需求加大、水質污染加劇、河岸地貌變形、水生生物消跡等現象頻發，許多河流面臨著水文水質，結構和功能，生境生物單一等多方面的問題［5］。城市河流生態系統的退化已然被公認為全球性的生態環境問題［6］。

茅洲河是深圳市重要的水源涵養區和生態廊道，對深圳市的可持續發展舉足輕重，重要性不言而喻。但隨著城市化的快速發展，茅洲河流域河流受到了嚴重的破壞，影響了其水文、水質、河岸地貌和水生生物，嚴重制約了城市的健康發展，嚴重阻礙了人民對美好生活的追求。茅洲河水環境治理工程已經成為深圳市建設生態型現代濱水城區的重要戰略部署［7］。有關茅洲河的河流生態環境研究多從單個方面進行研究。本文在分析茅洲河流域面臨的多重生態問題的基礎上，采用“空間置換時間”的方法［8］，研究茅洲河流域部分河流的分類和生態修復模式，以期為茅洲河河流的綜合生態系統健康的治理和恢復提供科學參考。

1 研究區域特點及主要生態問題

茅洲河是深圳第一大河流，其流域屬于珠江口水系，從石巖水庫上游流經深圳市，匯入伶仃洋。流域總面積為388.23 km2，全河長41.61 km，其中干流河長為31.29 km，茅洲河流域水系呈不對稱樹枝狀分布，總共有45條支流。

隨著深圳市一直以來的快速發展，城市建設快且完善，但快速發展的同時卻忽略了對區域內河流水體的保護。現茅洲河進行了全面消除黑臭水體工程，清淤工程，正本清源工程，計劃補水工程，水質改善工程等治理工程，卓有成效。但是目前，整個流域水系內，仍然存在較嚴重的河流生態健康的破壞問題。

（1）流域河流的水環境容量隨時間變化極大，雨季暴雨多，強度大；旱季天然基流很小，地表徑流主要是生活污水和工業污水。旱季流域內部分河流斷流情況嚴重，水量不足現象更待解決。大部分河流水體流速小，甚至處于停滯狀態。

（2）水質污染較為嚴重，且下游易咸潮入侵。經過治理后，流域河流水質整體上仍多處于Ⅳ類，Ⅴ類和劣Ⅴ類，沉積物污染也較為嚴重，因此不利于水體內動植物的生存和繁殖。

（3）河道渠化現象較為嚴重，岸坡硬化，河道裁彎取直，部分河流河岸帶窄，河岸帶植被覆蓋率低，加劇了河流生態系統健康的破壞和退化。

總的來說，茅洲河在治理后，水文情況需進一步改善，水質污染仍然嚴重，生境單一，河流生態結構與功能遭到，生物多樣性不高。故針對茅洲河流域的現狀特點，以修復河流生態系統健康為總目標，急需建立合適的生態修復模式以及相應的可供參考的修復建議。

2 研究區域河流分類研究

2.1 河流類別劃分方法

河流生態系統是自然界最重要的生態系統之一。董哲仁［9］認為河流生態系統修復是指通過適度人工干預，促進河流生態系統恢復到較為自然狀態的過程，在這種狀態下河流生態系統具有可持續性，并可提高生態系統價值和生物多樣性。姜躍良［10］等也認為河流生態修復就是重建受損生態系統的功能及有關物理、化學和生物特征，恢復河流生態系統的原有結構和功能，再現一個自然的、能自我調節河流生態系統。就目前，隨著修復實踐的發展，河流生態系統的修復也已經從單純的結構性修復發展到生態系統整體的結構、功能與動力學過程的綜合修復［11，12］。汪雯［13］等采用分類法來構建修復模式，從水文、水質、地貌、生物等4個方面構思入手進行分類。本研究從綜合考慮的角度，通過建立評分指標和評分標準，對河流水文、水質、河流地貌、水生生物的現狀打分，根據打分的實際情況，對所有點位進行SPSS 系統聚類分析，將各類別根據表二中判斷健康、亞健康、一般、較差、極差的標準，分析其河流破壞和退化特征，建立不同的生態系統修復模式，對不同修復模式提出相應的修復建議。

詳細步驟如下：①建立評分指標和評分標準，將評分分為5～1 分，對應健康、亞健康、一般、較差和極差五個等級，又根據修復需要，將五個等級分為3 種類型：一類為健康和亞健康，此類型表明河流段未遭受破壞，具有較好的生態系統功能，屬于無需修復型。二類為一般，此類河段生態健康隨時可能被破壞，處于退化邊緣，需要加強維護。三類為較差和惡劣，此類河段健康已經受損，需要進行分階段性的針對修復。②水文要素中流速和生態需水量保證率的狀態等級處于健康和亞健康狀態，則相應河段屬于無需修復型；將等級為一般，較差和極差的河段，歸于修復型。③水質狀態等級中，將健康和亞健康歸入無需修復型；將等級為一般，較差和極差的河段，歸于修復型。④對于河段地貌，除了河岸帶寬度是將較差和極差狀態歸為修復型；其他指標均將一般，較差和極差歸為修復型；健康和亞健康歸為無需修復型。⑤水生生物狀態等級為健康和亞健康，則歸為無需修復型；等級為一般，較差和極差歸為修復型。⑥根據河流河段不同的生態系統破壞和退化特征，提出相應的修復模式。

2.2 分類指標建構

數據來源于2018年野外調研，共選取了茅洲河流域水系的19 條河流，其中1 條干流，13 條一級支流和5 條二級支流，共采取50個點位，點位分布如圖1。

圖1 茅洲河流域河流調研取樣點位圖Fig.1 Sampling point map of the river survey in Maozhou River Basin

2.3 分類標準確定

人類與河流的關系已經逐漸從原始自然階段，河流工程控制階段，發展到了河流污染治理階段和河流生態系統綜合修復階段［14］。茅洲河流域內大部分河流的生態健康狀態較差，水質污染嚴重，水生生物豐富度低。因此本文直接建立指標評分體系，進行河流河段的系統聚類。文伏波［15］認為指標的選取要考慮河流的不同區域的地理及人類活動的差異性等因素。且要積極踐行生態保護與綠色發展理念，開展受損河流的治理與修復工作［16，17］。在以上思想的指導以及結合茅洲河實際情況的基礎上，本研究使用頻度分析法和理論分析法，從水文情況，水質狀況，地貌結構以及水生生物狀況四項一級指標，篩選出適合茅洲河河流特點并且具有代表性和針對性的12 項二級指標作為相關河流的評分分類指標體系。詳見表1。

表1 茅洲河流域河流生態系統分類指標體系［19］Tab.1 Classification index system of river management ecosystem in Maozhou River Basin

劉昌明［18］認為河流健康標準應反映河流的自然功能狀態，根據不同的自然特征和社會背景，不同河流的種類和數量是不同的。目前，由于茅洲河河流生態系統健康的歷史資料缺乏等問題，本文以茅洲河河流水質治理目標要達到Ⅳ類水為基礎，結合已有相關資料，并參考相關文獻和以往評分標準研究確定研究區域的各個指標的分類評分標準，詳見表2。

表2 茅洲河流域生態系統分類標準［25］Tab.2 Ecosystem Classification Standard of Maozhou River Basin

2.4 分類結果分析

根據聚類分析圖的特征，將所測河段分為五類，如圖2。再通過Origin進行分值比對分析。

圖2 茅洲河流域河流河段分類圖Fig.2 Classification of river sections in Maozhou River Basin

類別一中共有19個點位，可知水文狀況中流速和生態蓄水量保證率的評分基本處于修復型，水質情況中水質綜合污染指數和沉積物綜合污染指數均處于修復型，河岸地貌特征中蜿蜒度、護岸形式、河岸帶寬均處于修復型，連通性處于無需修復型；水生生物情況中浮游動物、底棲動物和河岸帶植被覆蓋率均處于修復型，浮游植物無需修復。

類別二中共有10 個點位，可知水文狀況中流速處于修復型，生態需水量保證率無需修復，其余指標現狀與類別一相同。

類別三中共有4 個點位，可知水文狀況中流速均處于修復型，生態需水保證率僅點位SJH02無需修復，其余點位均處于修復型，河岸地貌各指標均無需修復，水生生物因素中浮游動物和底棲動物處于修復型，而河岸植被覆蓋率有兩個點位無需修復，點位SY04和SJH02處于修復型。

類別四中共有4個點位，其各指現狀與類別一狀態相同。

類別五中共有13個點位，可知水文和水質狀態與類別二相同。河岸地貌特征中蜿蜒度處于修復型，護岸形式和河岸帶寬少部分處于修復型，連通性無需修復，水生生物情況中浮游動物、底棲動物和河岸植被覆蓋率處于修復型，浮游植物無需修復。

綜上所訴，根據4個一級指標的狀態可知，水文狀態中類別一、三、四各要素屬于修復型，類別二、五僅流速屬于修復型，水質情況中各類別均屬于修復型，水質污染情況嚴重，河岸地貌特征中，除連通性無需修復，類別三各要素無需修復外，類別一、二、四屬于修復型，類別五僅蜿蜒度屬于修復型，水生生物狀態中，除浮游植物無需修復外各類別其他要素均屬于修復型。

3 研究區域河流生態修復模式

3.1 生態修復模式構建結果分析

根據系統聚類分析結果，將50 個調研點位共分成5 個類別，經分析明確50個調研點位所在河段均需要進行河流生態健康的修復。根據上述各類別的現狀和所需要修復的指標，結合對河流進行綜合生態修復的理念，且考慮不同修復模式中單一指標的不同，在應用于工程時，工程量、工期、成本、質量等會存在較大差異，更科學合理地將5 個類別分為水文（流速+生態需水）-水質-地貌-生物修復模式（包含了類別一和四）、流速-水質-地貌-生物修復模式（類別二）、水文（流速+生態需水）-水質-生物修復模式（類別三）、流速-水質-蜿蜒度-生物修復模式（類別五）等四種生態修復模式，并且依據實際對比，將類別一中的點位TTQ01 和類別四中的點位LHK02 歸為流速-水質-地貌-生物修復模式；類別三中的點位SJH02 單獨修復，4 種修復模式占比依次為42%、24%、8%和26%。具體見圖3。

圖3 茅洲河流域河流生態修復模式分布圖Fig.3 Map of the ecological restoration pattern of the river in Maozhou River Basin

3.2 不同修復模式下的修復建議

自然的水文水力過程可以修復復雜的生態系統，并維持其環境特性。這一概念得到了示范工程的證明［30］。通過重新控制并形成原有的自然水文水力狀態，就可以最大限度地達到修復工程的目的［31］。此外生態修復工作不可能一蹴而就，需要分階段的進行，因此在生態修復的過程中要遵循循序漸進的原則。同時，河流由于自身特性，屬于廊道、過渡帶，生態修復相對復雜，對河流生態的修復方案的制定，要做到綜合考慮，統籌兼顧，了解各指標的相互關系和影響，才能更好地發揮生態的功能，創造更完善的生態結構［32］。依據上述各項原則，提出了針對茅洲河流域相關河流的4種修復模式下的修復建議。

3.2.1 水文-水質-地貌-生物修復模式

此模式的修復首先要解決水文條件，改變水流流速，增加水量，水量的增加要考慮對水生生物的影響和對水質改善的作用；然后，進行水質的改善，水質的改善與水文，地貌和生物等因素息息相關，可通過物理方法和生物方法的結合來改善水質；在河岸地貌的修復中，要結合當地的建筑，景觀等因素，河岸地貌的修復要以恢復物理結構為主，在河岸植被稀疏的區域進行植物擴增，對硬化程度高的河段可采取懸掛植物等方式來修復，采用工程手段改變河流蜿蜒度，如建造丁壩等；在水文水質等條件改善的條件下，進行生物的修復，生物的修復要結合地貌特點，食物鏈的創建要合理，以水生植物為主，反過來，生物的修復對水質起重要作用。

3.2.2 流速-水質-地貌-生物修復模式

該類型的生態修復首先要解決水流流速問題，在水量滿足的條件下，流速的改變可加快河流的能量和物質循環，有利于水質的改善；然后進行水質的改善，水質的改善要先用物理方法，再用生物方法，如人工濕地，生態浮島等；同時可進行河岸地貌的修復，如拓寬河岸寬，種植喬-灌-草三級植物，改變河流蜿蜒度等；在水文水質改善后，進行生物修復，生物修復的目的是增加生物多樣性，有利于創建自我修復能力。

3.2.3 水文-水質-生物修復模式

該模式的生態修復首先解決水文條件，進行流速和水量的修復，水量可通過生態調度來實現；然后進行水質的改善，在水文水質改善后，進行生物修復，生物修復以水生植物為主，植物布置要考慮河道寬和景觀要求。該模式無需對地貌進行修復，在此基礎上，要維護好地貌條件。

3.2.4 流速-水質-蜿蜒度-生物修復模式

該類模式依然先解決水文條件，在水量滿足的前提下，改變河流流速；然后進行水質的改善，此模式對于地貌的修復僅需修復蜿蜒度，可建造丁壩，或者增加深潭-淺灘的結構；在水文水質改善后，進行生物修復。

對于單獨修復的河段，首先進行流速的修復，再對水質進行修復，最后對水生生物進行修復。

4 結 論

本研究在河流生態修復研究和已有成功的工程實踐的基礎上，選取水文，水質，地貌結構，生物4 個一級指標，并篩選12個二級指標，構建河流分類和標準體系，進行系統聚類，進行系統聚類，分析具有相同特征的河段，針對不同特征類別提出不同的生態修復模式以及修復建議。

（1）通過聚類分析，將河流劃分為5 類。類別一中共有19個點位，類別二中共有10 個點位，類別三中共有4 個點位，類別四中共有4 個點位，類別五中共有13 個點位。其中水文狀態中類別一、三、四各要素屬于修復型，類別二、五僅流速屬于修復型；水質情況中各類別均屬于修復型，水質污染情況嚴重；河岸地貌特征中，除連通性無需修復，類別三各要素無需修復外，類別一、二、四屬于修復型，類別五僅蜿蜒度屬于修復型；水生生物狀態中，除浮游植物無需修復外各類別其他要素均屬于修復型。

（2）根據五類河流的特征，可歸結成4 類修復模式，分別為水文-水質-地貌-生物修復模式、流速-水質-地貌-生物修復模式、水文-水質-生物修復模式以及流速-水質-蜿蜒度-生物修復模式，占比依次為42%、24%、8%和26%，包含所調研所有河流段。