上海典型中心城區河流健康評價

朱 英,陳小華,胡雙慶

(上海市環境科學研究院,國家環境保護新型污染物環境健康影響評價重點實驗室,上海 200233)

上海市地處長江入?？?、太湖流域東緣,為典型的平原感潮河網地區,區域內河湖眾多,河網密度高達3.41 km/km2[1]。 “十三五”期間,隨著截污治污力度不斷加大,上海市水污染治理取得了重大進展,基本解決了中小河流的黑臭問題,水環境質量改善顯著。 水環境的改善為后續水生態系統的恢復奠定了良好的基礎。 因此,“十四五”期間,在水質維穩的同時,水生態、水健康問題逐漸得到重視。

開展河流健康評價能夠對流域內河流狀況進行綜合的評價與診斷,既有利于公眾了解河流真實健康狀況,又有助于地方以問題導向因地制宜實施河流治理修復措施,達到導向準確、施策精準、治理系統的目的。 早在20 世紀70 年代開始,英國[2]、美國[3]、歐盟[4]、澳大利亞[5-6]等國家和地區就已經開始探索建立河流健康評價指標體系并開展應用。 而我國起步較晚,直到2002 年由唐濤等[7]首次引入河流生態系統健康評價的相關內容,才正式開啟了我國在河流健康領域的研究之路,后續我國黃河[8]、長江[9]、珠江[10]、淮河[11]等幾大流域相繼建立了本流域河湖健康評價指標體系,并開展了試點研究,但當前研究多為大型河流的健康評價體系構建與評估,對于中小型河流的研究較少。

隨著我國對于河流健康評價的日趨重視,國內先后發布了河湖健康評價相關標準,主要有北京市《水生態健康評價技術規范》 (DB 11/T 1722—2020)[12]、《河湖健康評估技術導則》(SL/T 793—2020)[13]及蘇州市《河湖健康評價規范》(DB 3205/T 1016—2021)[14]等,然而國內河流種類繁多,各不同河流之間在類型、結構、功能等方面存在差異,因此,健康評價時除了上述評價標準中通用的基本指標外,還需考慮各流域、河湖的特有指標,中心城區河流除了防洪、排澇等功能外,還具有維護生物多樣性功能、休閑娛樂、景觀等社會功能。 因此,本文以上海市典型中心城區徐匯區河流水體為研究對象,結合本市中心城區河流特點,構建了具有中心城區河網水系特征的涵蓋生境、水質、水生態以及滿足市民親水需求目標的河流健康評估指標體系,并利用層次分析法確定各評價指標權重,進而計算河流健康綜合指數,開展了徐匯區典型河流健康評價,以期為打造中心城區“水名片”、建設生態宜居城市提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

徐匯區位于上海市中心城區的西南部,全境面積為54.93 km2,其中陸地面積為50.94 km2,水域面積為3.82 km2。 徐匯區共有河流41 條,全長為67 km,數量在本市中心城區中位于前列。 近幾年,政府投入大量資金用于河流治理,河流的水質和景觀得到較大提升。

為了掌握徐匯區河流水生態狀況及變化趨勢,診斷河流健康狀況和識別主要問題,本研究于2021年對徐匯區干、支流共8 條典型河流開展跟蹤監測調查,點位設置以《河湖健康評估技術導則》(SL/T 793—2020)為依據,根據河流規模、周邊土地利用類型等特征共布設采樣點12 個(表1),采樣點位分布如圖1 所示,其中主干河流4 條,根據河流長度及上下游差異性等各設置2 個采樣點,干流分別為淀浦河(S1、S2)、蒲匯塘(S3、S4)、張家塘(S5、S6)、漕河涇-龍華港(S7、S8);次干河流1 條東上澳塘(S9);支級3 條為西新港(S10)、北潮港(S11)、三友河(S12)。 2021 年開展調查監測,春季(5 月)、夏季(7 月)、秋季(10 月)各一次,共計3 次。

圖1 采樣點位分布Fig.1 Distribution of Sampling Points

表1 徐匯區河流采樣點Tab.1 River Sampling Points in Xuhui District

1.2 指標監測方法

1.2.1 生物的采集與鑒定

浮游藻類:定量樣品用5 L 有機玻璃采水器采取水面下0.5 m 處水層采集1 L 水樣,加入15 mL魯哥氏液(水樣體積分數為1.5%)固定,帶回實驗室后將水樣經兩次靜置沉淀24 h 后用虹吸法濃縮至50 mL;定性樣品用25 號浮游生物網采集,用4%甲醛固定。 種類計數和鑒定參考相關經典文獻[15-16]。

底棲動物:采用1/16 m2彼得森采泥器采集,每個點位采泥2～4 次,將樣品置于40 目網篩中,然后將篩底置于水盆的清水中輕輕搖蕩,洗去污泥,用鑷子取出并記錄底棲動物數量并拍照,放到廣口標本瓶中,加入75%乙醇固定。 物種的鑒定參照文獻[17-18]。

魚類:每個樣點設置2 條三層刺網,三層刺網規格為1.5 m×50 m,網目內層為15 mm,外層為100 mm,采集時間為6 h。 采集后的樣本當場用10%的福爾馬林固定,每一個采樣點的每一種網具的樣本分別保存,集中帶回實驗室鑒定和測量。 物種鑒定參照文獻[19-20]進行。

水鳥:采用樣點法,借助望遠鏡,對于生活于河流周邊鳥類群落進行觀察,統計10 ～15 min 內樣點周邊200 m 區域內鳥類的數據。 鳥類分類系統參照《中國鳥類分類與分布名錄》(第三版)[21]。

1.2.2 水質理化指標測定

現場采用便攜式溶解氧儀(YSI PRO 2010)測定水體溶解氧(DO)。 將水樣帶回實驗室后參照《水和廢水監測分析方法》[22]測定氨氮、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(CODMn)、糞大腸菌群總數等。

1.2.3 生境調查

河岸帶植被覆蓋度、河岸人工干擾程度的調查主要依據進行《河湖健康評估技術導則》(SL/T 793—2020)[14]等進行。

1.3 河流健康評價指標體系構建

1.3.1 權重確定方法

結合相關評價標準規范篩選指標并采用層次分析法確定權重[23]。 選用“9 級標度法”對評價因子進行兩兩比較并構造評價指標體系各要素的綜合判斷矩陣,然后計算權向量,并進行一致性和隨機性檢驗。 具體如式(1)～式(3)。

其中:λmax——最大特征根;

A——矩陣;

α——特征向量;

I——檢驗判斷的一致性指標;

n——矩陣階數;

R——判斷隨機一致性指標;

C——隨機一致性比例,當C<0.10 時認為判斷的矩陣取值是合理的。

1.3.2 各指標的賦分

參照我國河湖健康評價相關標準等,結合中心城區河流特征進行指標篩選與賦分(表2 ～表4)。從生境、水質、生物和社會服務功能4 個方面,共篩選出13 項指標,其中河岸植被覆蓋度、大型水生植物(挺水植物、浮水植物、沉水植物)覆蓋度、浮游藻類密度等指標賦分均參照《河湖健康評估技術導則》(SL/T 793—2020)[13],魚類物種數、大型底棲動物Shannon-Wiener 多樣性指數的指標賦分參照北京市《水生態健康評價技術規范》(DB 11/T 1722—2020)[12]。 此外,指標體系中設置了感官度指標(嗅味和水色)、衛生學指標(糞大腸菌群)等滿足市民親水需求的相關指標,并且增加了市民關注度較高、危害水生態系統的外來入侵種(福壽螺)指標。 指 標限值賦分結果如表2～表4 所示。

表2 河流生境指標限值賦分Tab.2 Limit Values Assignment of River Habitat Indices

表3 河流理化指標限值賦分Tab.3 Limit Values Assignment of River Physicochemical Indices

表4 河流生物指標限值賦分Tab.4 Limit Values Assignment of River Bioindices

其中:B——賦分值;

si——第i個點位水鳥的物種數;

S——水鳥總物種數;

ni——第i點位水鳥發現次數;

N——水鳥調查次數。

社會服務功能如下。

(1)水功能區水質達標率

水功能區水質達標率指達標數占評價水功能區監測總數的百分比。 參評指標選取DO、CODMn、氨氮和TP。 采用百分制法,按達標率×100 進行賦分。

(2)公眾滿意度

評估公眾對河湖環境、水質水量、涉水景觀、舒適性等的滿意程度,采用公眾調查表打分法,滿分100 分,公眾滿意度賦分取所有公眾賦分的平均值。年度總調查人數不少于100 人。

1.3.3 河流健康綜合指數計算方法

基于各指標監測結果,采用分級指標評分法,對指標進行分級、賦值、權重計算,逐級加權,綜合計算河流健康綜合指數。

參照水利部《河湖健康評估技術導則》(SL/T 793—2020)[13],水環境健康綜合指數計算如式(5)。

其中:H——健康綜合指數;

Wi——第i項評估指標權重;

Fi——第i項評估指標賦分值。

健康度分為5 級:理想狀況(80≤H≤100)、健康(60≤H<80)、亞健康(40≤H<60)、不健康(20≤H<40)、病態(0≤H<20)。

2 結果與討論

2.1 評價指標權重

結合本市中心城區河流特點,從生境、水質 、生物和社會服務功能4 個方面,構建河流健康評價指標體系,包括河岸帶植被覆蓋度、水質優劣程度、浮游藻類密度、大型底棲動物多樣性指數、魚類物種數、水鳥狀況及外來入侵種等13 項指標。 結合相關評價標準規范[12-14]與層次分析法確定權重(表5)。四大類指標權重為生物>水質>生境>社會服務功能。

表5 河流健康評估指標體系Tab.5 Index System of River Health Assessment

2.2 單項指標健康評價

基于典型河流單項指標評分結果(圖2),從生境(C1～C2)方面來看,河岸植被覆蓋度(C1)處于不健康狀態的河流占比為25%,分別是淀浦河和張家塘,其兩岸植被覆蓋度尚有待提高,其次是西新港,為亞健康狀態,其余河流為健康狀態;從河岸人工干擾程度(C2)來看,50%河流受泵站放江影響,其中淀浦河除了受泵站放江影響外,通航也是其主要人工干擾因子。

圖2 各指標健康度評分雷達圖Fig.2 Radar Chart of the Health Scores of Each Index

從水質狀況來看,水質優劣程度處于亞健康狀態的河流占比為37.5%,這3 條河流存在水質不穩現象,可能與泵站放江等有關,其余河流均為健康狀態,其中北潮港、三友河、上澳塘、春申港水質相對較好且穩定;徐匯區河流水體整潔程度相對較好,處于健康狀態及以上;從衛生學指標(糞大腸菌群)來看,三友河、北潮港達到了健康狀態及以上,水體菌群含量相對較低(優于Ⅲ類水平),適用于作為水上活動等親水區。

從生物狀況來看,基于浮游藻類密度,徐匯河流總體處于不健康至亞健康狀態,尤其是春夏季水體藻類密度高于秋季,部分河流浮游藻類密度偏高(>107L-1),出現藻華現象,除了季節性差異外,可能也與中心城區河流水動力不足有關[26-28]。 由底棲動物多樣性指標的評估結果可見,徐匯河流底棲動物多樣性偏低,且優勢種以強耐污種霍甫水絲蚓為主,這可能與城市中心城區河流底泥疏浚過頻及污水泵站放江等導致底泥污染累積嚴重有關;魚類物種數處于亞健康狀態的河流占比為37.5%,其余均為健康狀態,其中淀浦河、漕河涇-龍華港的魚類物種相對較多,而三友河、東上澳塘等種類較少,除了水質外,還與水系的連通度密切相關,但當前中心城區河流水系的連通度相對較差,攔網、筑閘等干擾因素較多,影響河流魚類群落[29]。 隨著河流水環境質量的持續改善,作為河流生態系統食物鏈頂端的水鳥逐漸回歸,75%河流發現了水鳥,水域相對開闊的河流(如淀浦河)水鳥數量相對較多,且水鳥的棲息除了與空間格局、魚類資源豐富度相關外,大型水生植物也是重要的影響因素之一[30-31],而目前徐匯區河流水生植物覆蓋度普遍偏低,且大部分河流為垂直硬質堤岸,是不利于水鳥的棲息和覓食。 此外,基于生態安全的考慮,本研究設置了外來入侵種(福壽螺)指標,37.5%的河流發現了福壽螺的入侵,福壽螺攜帶大量的寄生蟲,是病菌和寄生蟲的載體,排出的糞便還會污染水體,與本地物種(水生貝類)競爭導致本地淡水生物減少,影響本地水生生物的多樣性[32],春夏季是福壽螺繁殖高峰期[33],因此,需要引起河流相關管理部門的重視,及時采取防治措施。

從社會服務功能來看,基于水功能區達標率評分結果,徐匯區河流總體處于亞健康至健康狀態,表明徐匯區河流水環境質量總體較好。 從公眾滿意度評分來看,公眾對于三友河的滿意度評分相對較高(80 分以上),主要與其水體透明度高、河岸帶狀況等相對較好相關;而對于淀浦河的滿意度相對較低(低于70 分),主要與該河流水體渾濁、河岸帶植被稀少、景觀不佳及不適宜親水娛樂等有關;蒲匯塘、東上澳塘、漕河涇-龍華港等滿意度評分處于70 分左右的河流,其涉及的問題主要與河流水體嗅味及有福壽螺等因素有關。

2.3 典型河流健康綜合評價

根據健康綜合指數對徐匯8 條典型河流進行健康狀態進行評價,如圖3 所示,淀浦河、蒲匯塘、漕河涇-龍華港、張家塘三季均處于亞健康狀態(H<60),除張家塘外,其余3 條河流的春季H值相對高于夏、秋季,這主要與春季水質優于夏、秋季,且春季浮游藻類密度相對較低有關。 而張家塘H值則為秋季高于夏、春季,除水質外,還與其秋季福壽螺分布密度相對較低有關。 東上澳塘在夏、秋季處于健康狀態,而在春季則為亞健康狀態,主要與其春季底棲動物多樣性指數偏低有關。 西新港在春、秋季均為健康狀態,在夏季則處于亞健康狀態,夏季水質、衛生學指標及藻類密度為其主要影響因子。 北潮港和三友河在三季均處于健康狀態。 基于8 條典型河流在不同季節的健康度評估結果,春季和夏季均有62.5%的河流處于亞健康狀態,而秋季則有50.0%河流處于健康狀態,其余為健康狀態。

圖3 不同季節河流健康綜合指數Fig.3 River Health Composite Index by Seasons

如圖4 所示,從年度來看(綜合各季度H均值),8 條典型河流中37.5%為健康狀態,其中三友河的H值最高,其次是北潮港和西新港。 62.5%的河流處于亞健康狀態,其中健康綜合指數分別為張家塘<淀浦河<蒲匯塘<漕河涇-龍華港<東上澳塘,結果表明,處于亞健康狀態多為淀浦河等河流規模相對較大的河流,三友河等小型河流多為健康狀態。小型河流在人工干預下維持健康狀態相對容易,因此,后續提升淀浦河、張家塘等中大型河流的健康度是未來幾年的重點關注方向。 綜上所述,水體富營養化、外來入侵種福壽螺擴散、大型底棲動物生物多樣性偏低及大型水生植物覆蓋度低等是當前徐匯區河流存在的主要問題。 本研究雖然初步建立了上海中心城區的健康評估指標體系并選擇徐匯區8 條河流12 個典型斷面開展試點應用,但水生態系統恢復是一個長期的過程。 因此,需要在現有調查工作基礎上,持續開展跟蹤監測評估,為城市化背景下中心城區河流水生態系統的修復提供依據。

圖4 年度河流健康綜合指數Fig.4 Annual River Health Composite Index

2.4 對策建議

以問題為導向,針對當前徐匯區河流健康問題,提出如下對策建議。

(1)對于部分存在水體富營養化問題的河流開展藻華防控。 除了采取氮磷營養鹽削減技術外,還可通過水動力調控,預防水體富營養化引發的水華問題。 如保持閘門開啟時間長,河道暢通,通過增加水體流動性,破壞藻類暴發性增長的靜水條件,抑制有害藍綠藻的大量暴發。

(2)提升大型水生植物覆蓋度。 采取合理種植水生植物、開闊水面增設浮床等方式提升水生植物覆蓋度,提升水鳥和底棲動物等生存空間。

(3)加強外來入侵物種福壽螺的治理。 建立風險預警機制,春夏季繁殖高峰期加強福壽螺的防治與巡查,及時物理清除福壽螺卵塊,及時控制福壽螺的擴散、蔓延。

(4)促進河流生物多樣性恢復。 因地制宜開展生態修復,根據不同河流的水環境特點選擇適宜的魚類或河蚌等,開展重要水生物增殖放流,但要規范人為放生行為。

3 結論

(1)上海中心城區河流健康評價指標體系涵蓋了河岸帶植被覆蓋度、水質優劣程度、浮游藻類密度、大型底棲動物多樣性指數、魚類物種數、水鳥狀況及外來入侵種等13 項指標。 四大類指標權重大小依次為生物、水質、生境及社會服務功能。

(2)中心城區徐匯區河流總體處于亞健康至健康狀態,8 條典型河流中,37.5%河流為健康狀態,62.5%的河流處于亞健康狀態,底棲動物多樣性、大型水生植物覆蓋度偏低、外來物種福壽螺擴散及部分河道水體富營養化是影響河流健康的主要因素。處于亞健康狀態多為淀浦河等河流規模相對較大的河流,三友河等小型河流多為健康狀態。

(3)以問題導向因地制宜實施河流管控和水生態修復措施。 通過閘門控制提升水體水動力交換條件,采取合理種植水生植物、開闊水面增設浮床等方式提升水生植物覆蓋度,加強外來入侵物種福壽螺的治理,規范開展重要水生生物的適當增殖放流,提升河流生物多樣性。