茅洲河流域河流类别及生态修复模式研究

田盼; 吴基昌; 宋林旭; 纪道斌; 李斌; 李亚莉; 冯发堂; 张必昊; 陈一迪; 方娇; Pan TIAN; Ji-chang WU; Lin-xu SONG; Dao-bin JI; Bin LI; Ya-li LI; Fa-tang FENG; Bi-hao ZHANG; Yi-di CHEN; Jiao FANG

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (6) : 13-18,24.

水环境与水生态

茅洲河流域河流类别及生态修复模式研究

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Research on the Types of Rivers and Ecological Restoration Models in Maozhou River Basin

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摘要

针对茅洲河流域生态环境受到严重破坏和退化的问题，根据茅洲河河流的生境破坏和退化的特点，以改善茅洲河流域现状为目标，在河流生态修复研究和已有成功的工程实践的基础上，选取水文、水质、地貌结构、生物4个一级指标，并筛选12个二级指标，构建河流分类和标准体系，进行系统聚类，分析具有相同特征的河段，针对不同特征类别提出不同的生态修复模式，给出综合性的修复建议。结果显示：将所研究的河流分为5类，根据实际需要和分类结果特征，将所研究河流分为水文-水质-地貌-生物修复模式，流速-水质-地貌-生物修复模式，水文-水质-生物修复模式和流速-水质-蜿蜒度-生物修复模式共4种生态修复模式，占比依次为42%、24%、8%和26%。针对不同的生态修复模式，提出了以恢复近自然的水文水力状态，创建河流自我修复能力的修复建议。

Abstract

In view of the serious damage and degradation of the ecological environment of the Maozhou River Basin， according to the characteristics of habitat destruction and degradation of the Maozhou River， in order to improve the status quo of the Maozhou River Basin， on the basis of the research of river ecological restoration and the successful engineering practice， this paper selects four first-level indicators of hydrology， water quality， geo-morphological structure and biology. And by screening 12 secondary indicators， the construction of river classification and standard system， systematic clustering and analyzing the same characteristics of the river section， for different characteristics of different types of ecological restoration models， repair recommendations are given. The results show that the river studied is divided into 5 categories， according to actual needs and the characteristics of the classification results， the river is divided into hydrologic-water quality-geomorphology-bioremediation model， flow-water quality-geomorphology-bio-remediation model， hydrologic-water quality-bio-remediation mode and flow rate-water quality-meandering-bioremediation model. The share stake is 42%， 24%， 8% and 26% respectively. According to different ecological restoration models， restoration suggestions concerning restoring the natural hydrological and hydraulic state and create river self-repair ability are put forward.

关键词

茅洲河 / 生态环境 / 系统聚类 / 生态修复模式

Key words

Maozhou River / ecological environment / system clustering / ecological restoration mode

基金

国家重点研发计划项目(2016YFC0502220)

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田盼 , 吴基昌 , 宋林旭 , 纪道斌 , 李斌 , 李亚莉 , 冯发堂 , 张必昊 , 陈一迪 , 方娇. 茅洲河流域河流类别及生态修复模式研究[J].中国农村水利水电, 2021(6): 13-18,24

Pan TIAN , Ji-chang WU , Lin-xu SONG , Dao-bin JI , Bin LI , Ya-li LI , Fa-tang FENG , Bi-hao ZHANG , Yi-di CHEN , Jiao FANG. Research on the Types of Rivers and Ecological Restoration Models in Maozhou River Basin[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(6): 13-18,24

河流生态系统是一个复杂、开发、动态、非平衡和非线性系统^［1］，在水流和生物-物理-化学的相互作用下促进流域的物质循环和能量流动^［2］。随着工业的快速发展，河流生态系统遭到了前所未有的退化和破坏^［3，4］，水文水资源的需求加大、水质污染加剧、河岸地貌变形、水生生物消迹等现象频发，许多河流面临着水文水质，结构和功能，生境生物单一等多方面的问题^［5］。城市河流生态系统的退化已然被公认为全球性的生态环境问题^［6］。

茅洲河是深圳市重要的水源涵养区和生态廊道，对深圳市的可持续发展举足轻重，重要性不言而喻。但随着城市化的快速发展，茅洲河流域河流受到了严重的破坏，影响了其水文、水质、河岸地貌和水生生物，严重制约了城市的健康发展，严重阻碍了人民对美好生活的追求。茅洲河水环境治理工程已经成为深圳市建设生态型现代滨水城区的重要战略部署^［7］。有关茅洲河的河流生态环境研究多从单个方面进行研究。本文在分析茅洲河流域面临的多重生态问题的基础上，采用“空间置换时间”的方法^［8］，研究茅洲河流域部分河流的分类和生态修复模式，以期为茅洲河河流的综合生态系统健康的治理和恢复提供科学参考。

1 研究区域特点及主要生态问题

茅洲河是深圳第一大河流，其流域属于珠江口水系，从石岩水库上游流经深圳市，汇入伶仃洋。流域总面积为388.23 km²，全河长41.61 km，其中干流河长为31.29 km，茅洲河流域水系呈不对称树枝状分布，总共有45条支流。

随着深圳市一直以来的快速发展，城市建设快且完善，但快速发展的同时却忽略了对区域内河流水体的保护。现茅洲河进行了全面消除黑臭水体工程，清淤工程，正本清源工程，计划补水工程，水质改善工程等治理工程，卓有成效。但是目前，整个流域水系内，仍然存在较严重的河流生态健康的破坏问题。

（1）流域河流的水环境容量随时间变化极大，雨季暴雨多，强度大；旱季天然基流很小，地表径流主要是生活污水和工业污水。旱季流域内部分河流断流情况严重，水量不足现象更待解决。大部分河流水体流速小，甚至处于停滞状态。

（2）水质污染较为严重，且下游易咸潮入侵。经过治理后，流域河流水质整体上仍多处于Ⅳ类，Ⅴ类和劣Ⅴ类，沉积物污染也较为严重，因此不利于水体内动植物的生存和繁殖。

（3）河道渠化现象较为严重，岸坡硬化，河道裁弯取直，部分河流河岸带窄，河岸带植被覆盖率低，加剧了河流生态系统健康的破坏和退化。

总的来说，茅洲河在治理后，水文情况需进一步改善，水质污染仍然严重，生境单一，河流生态结构与功能遭到，生物多样性不高。故针对茅洲河流域的现状特点，以修复河流生态系统健康为总目标，急需建立合适的生态修复模式以及相应的可供参考的修复建议。

2 研究区域河流分类研究

2.1 河流类别划分方法

河流生态系统是自然界最重要的生态系统之一。董哲仁^［9］认为河流生态系统修复是指通过适度人工干预，促进河流生态系统恢复到较为自然状态的过程，在这种状态下河流生态系统具有可持续性，并可提高生态系统价值和生物多样性。姜跃良^［10］等也认为河流生态修复就是重建受损生态系统的功能及有关物理、化学和生物特征，恢复河流生态系统的原有结构和功能，再现一个自然的、能自我调节河流生态系统。就目前，随着修复实践的发展，河流生态系统的修复也已经从单纯的结构性修复发展到生态系统整体的结构、功能与动力学过程的综合修复^{［11，12］}。汪雯^［13］等采用分类法来构建修复模式，从水文、水质、地貌、生物等4个方面构思入手进行分类。本研究从综合考虑的角度，通过建立评分指标和评分标准，对河流水文、水质、河流地貌、水生生物的现状打分，根据打分的实际情况，对所有点位进行SPSS系统聚类分析，将各类别根据表二中判断健康、亚健康、一般、较差、极差的标准，分析其河流破坏和退化特征，建立不同的生态系统修复模式，对不同修复模式提出相应的修复建议。

详细步骤如下：①建立评分指标和评分标准，将评分分为5～1分，对应健康、亚健康、一般、较差和极差五个等级，又根据修复需要，将五个等级分为3种类型：一类为健康和亚健康，此类型表明河流段未遭受破坏，具有较好的生态系统功能，属于无需修复型。二类为一般，此类河段生态健康随时可能被破坏，处于退化边缘，需要加强维护。三类为较差和恶劣，此类河段健康已经受损，需要进行分阶段性的针对修复。②水文要素中流速和生态需水量保证率的状态等级处于健康和亚健康状态，则相应河段属于无需修复型；将等级为一般，较差和极差的河段，归于修复型。③水质状态等级中，将健康和亚健康归入无需修复型；将等级为一般，较差和极差的河段，归于修复型。④对于河段地貌，除了河岸带宽度是将较差和极差状态归为修复型；其他指标均将一般，较差和极差归为修复型；健康和亚健康归为无需修复型。⑤水生生物状态等级为健康和亚健康，则归为无需修复型；等级为一般，较差和极差归为修复型。⑥根据河流河段不同的生态系统破坏和退化特征，提出相应的修复模式。

2.2 分类指标建构

数据来源于2018年野外调研，共选取了茅洲河流域水系的19条河流，其中1条干流，13条一级支流和5条二级支流，共采取50个点位，点位分布如图1。

图1 茅洲河流域河流调研取样点位图

Fig.1 Sampling point map of the river survey in Maozhou River Basin

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2.3 分类标准确定

人类与河流的关系已经逐渐从原始自然阶段，河流工程控制阶段，发展到了河流污染治理阶段和河流生态系统综合修复阶段^［14］。茅洲河流域内大部分河流的生态健康状态较差，水质污染严重，水生生物丰富度低。因此本文直接建立指标评分体系，进行河流河段的系统聚类。文伏波^［15］认为指标的选取要考虑河流的不同区域的地理及人类活动的差异性等因素。且要积极践行生态保护与绿色发展理念，开展受损河流的治理与修复工作^{［16，17］}。在以上思想的指导以及结合茅洲河实际情况的基础上，本研究使用频度分析法和理论分析法，从水文情况，水质状况，地貌结构以及水生生物状况四项一级指标，筛选出适合茅洲河河流特点并且具有代表性和针对性的12项二级指标作为相关河流的评分分类指标体系。详见表1。

表1 茅洲河流域河流生态系统分类指标体系^［19］

Tab.1 Classification index system of river management ecosystem in Maozhou River Basin

目标层	准则层	指标层	指标解释及计算方法
河流生态系统分类指标体系	水文	流速	用流速分析仪测定。
	水文	生态需水量保证率^［20］	最小生态流量保证率=100%×（年满足最小生态流量天数/365），其中最小生态需水量通过湿周法和田纳特法计算。
	水质	水质综合污染指数^［21］	考虑的水质指标有TN，TP，氨氮，高锰酸钾指数，DO，pH值，电导率，浊度；计算公式为： $P = \frac{1}{n} \sum_{j = 1}^{n} \frac{C_{i}}{C_{o i}}$ ，（P为水质综合污染指数，C_i 为第i点第j个指标实测值，C_oi 为第i点第j个指标标准值）各指标标准值参考《水和废水监测分析方法》《地表水和污水监测技术规范》中三类水的限值。
	水质	沉积物平均污染指数^{［22，23］}	在此考虑沉积物中的指标有TN，TP；计算公式为： $S_{i} = \frac{C_{i}}{C_{s}}, F F = \sqrt[]{\frac{F^{2} + F^{2} m a x}{2}}$ （S_i 为单因子评价指数，C_i 评价因子的实测值，C_s 为评价因子的标准值；FF为综合污染评价指数，F为单项污染指数平均值，F _max为最大单项污染指数）参考国内外评价标准并结合茅洲河实际，确定沉积物中各指标的标准值。
	地貌结构	蜿蜒度	公式：C=S/L，C-蜿蜒度，L为河流（段）直线距离/km，S为河流（段）实际长度/km。
		连通性	根据现场调研，确定每条河的断点和闸坝数/河流（段）长度，用公式：G=N/L，G为连通性，N为断点和闸坝数/个，L为河流（段）长度/km。
		护岸形式	根据现场调研，对护岸形式进行打分。
		河岸带宽度	根据现场调研测量评价打分。
	生物	浮游植物多样性指数	选择香浓-维纳多样性指数^［24］，公式为： $H = - \sum_{i = 1}^{s} P_{i} l g P_{i}$ （P_i 为第i种物种个数占总物种数的比值）。
		浮游动物多样性指数	同上。
		底栖动物多样性指数	同上。
		河岸带植被覆盖率	通过现场调研，评价河岸带上植被所占的比例。

刘昌明^［18］认为河流健康标准应反映河流的自然功能状态，根据不同的自然特征和社会背景，不同河流的种类和数量是不同的。目前，由于茅洲河河流生态系统健康的历史资料缺乏等问题，本文以茅洲河河流水质治理目标要达到Ⅳ类水为基础，结合已有相关资料，并参考相关文献和以往评分标准研究确定研究区域的各个指标的分类评分标准，详见表2。

表2 茅洲河流域生态系统分类标准^［25］

Tab.2 Ecosystem Classification Standard of Maozhou River Basin

序号	指标名称	分类标准
		5分	4分	3分	2分	1分
		健康	亚健康	一般	较差	极差
1	流速/（m·s^-1）	>0.8	0.6～0.8	0.4～0.6	0.2～0.4	≤0.2
2	生态需水量保证率/%	>80	60～80	40～60	20～40	≤20
3	水质综合污染指数	<0.5	0.5～0.7	0.7～1	1～2	≥2
4	沉积物平均污染指数^［26］	<0.5	0.5～0.7	0.7～1	1～2	≥2
5	蜿蜒度^［27］	>1.5	1.4～1.5	1.3～1.4	1.2～1.3	≤1.2
6	连通性	0	0～1	1～2	2～3	>3
7	护岸形式	自然土质岸坡	近自然斜坡式生态护岸	亲水平台护岸	台阶式人工护岸或浆砌石护岸	直立式钢筋混凝土
8	河岸带宽度/m	>10	5～10	3～5	1～3	<1
9	浮游植物多样性指数^{［28，29］}	>3	2～3	1～2	0～1	0
10	浮游动物多样性指数	>3	2～3	1～2	0～1	0
11	底栖动物多样性指数	>3	2～3	1～2	0～1	0
12	河岸带植被覆盖率/%	>70	50～70	30～50	10～30	≤10

2.4 分类结果分析

根据聚类分析图的特征，将所测河段分为五类，如图2。再通过Origin进行分值比对分析。

图2 茅洲河流域河流河段分类图

Fig.2 Classification of river sections in Maozhou River Basin

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类别一中共有19个点位，可知水文状况中流速和生态蓄水量保证率的评分基本处于修复型，水质情况中水质综合污染指数和沉积物综合污染指数均处于修复型，河岸地貌特征中蜿蜒度、护岸形式、河岸带宽均处于修复型，连通性处于无需修复型；水生生物情况中浮游动物、底栖动物和河岸带植被覆盖率均处于修复型，浮游植物无需修复。

类别二中共有10个点位，可知水文状况中流速处于修复型，生态需水量保证率无需修复，其余指标现状与类别一相同。

类别三中共有4个点位，可知水文状况中流速均处于修复型，生态需水保证率仅点位SJH02无需修复，其余点位均处于修复型，河岸地貌各指标均无需修复，水生生物因素中浮游动物和底栖动物处于修复型，而河岸植被覆盖率有两个点位无需修复，点位SY04和SJH02处于修复型。

类别四中共有4个点位，其各指现状与类别一状态相同。

类别五中共有13个点位，可知水文和水质状态与类别二相同。河岸地貌特征中蜿蜒度处于修复型，护岸形式和河岸带宽少部分处于修复型，连通性无需修复，水生生物情况中浮游动物、底栖动物和河岸植被覆盖率处于修复型，浮游植物无需修复。

综上所诉，根据4个一级指标的状态可知，水文状态中类别一、三、四各要素属于修复型，类别二、五仅流速属于修复型，水质情况中各类别均属于修复型，水质污染情况严重，河岸地貌特征中，除连通性无需修复，类别三各要素无需修复外，类别一、二、四属于修复型，类别五仅蜿蜒度属于修复型，水生生物状态中，除浮游植物无需修复外各类别其他要素均属于修复型。

3 研究区域河流生态修复模式

3.1 生态修复模式构建结果分析

根据系统聚类分析结果，将50个调研点位共分成5个类别，经分析明确50个调研点位所在河段均需要进行河流生态健康的修复。根据上述各类别的现状和所需要修复的指标，结合对河流进行综合生态修复的理念，且考虑不同修复模式中单一指标的不同，在应用于工程时，工程量、工期、成本、质量等会存在较大差异，更科学合理地将5个类别分为水文（流速+生态需水）-水质-地貌-生物修复模式（包含了类别一和四）、流速-水质-地貌-生物修复模式（类别二）、水文（流速+生态需水）-水质-生物修复模式（类别三）、流速-水质-蜿蜒度-生物修复模式（类别五）等四种生态修复模式，并且依据实际对比，将类别一中的点位TTQ01和类别四中的点位LHK02归为流速-水质-地貌-生物修复模式；类别三中的点位SJH02单独修复，4种修复模式占比依次为42%、24%、8%和26%。具体见图3。

图3 茅洲河流域河流生态修复模式分布图

Fig.3 Map of the ecological restoration pattern of the river in Maozhou River Basin

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3.2 不同修复模式下的修复建议

自然的水文水力过程可以修复复杂的生态系统，并维持其环境特性。这一概念得到了示范工程的证明^［30］。通过重新控制并形成原有的自然水文水力状态，就可以最大限度地达到修复工程的目的^［31］。此外生态修复工作不可能一蹴而就，需要分阶段的进行，因此在生态修复的过程中要遵循循序渐进的原则。同时，河流由于自身特性，属于廊道、过渡带，生态修复相对复杂，对河流生态的修复方案的制定，要做到综合考虑，统筹兼顾，了解各指标的相互关系和影响，才能更好地发挥生态的功能，创造更完善的生态结构^［32］。依据上述各项原则，提出了针对茅洲河流域相关河流的4种修复模式下的修复建议。

3.2.1 水文-水质-地貌-生物修复模式

此模式的修复首先要解决水文条件，改变水流流速，增加水量，水量的增加要考虑对水生生物的影响和对水质改善的作用；然后，进行水质的改善，水质的改善与水文，地貌和生物等因素息息相关，可通过物理方法和生物方法的结合来改善水质；在河岸地貌的修复中，要结合当地的建筑，景观等因素，河岸地貌的修复要以恢复物理结构为主，在河岸植被稀疏的区域进行植物扩增，对硬化程度高的河段可采取悬挂植物等方式来修复，采用工程手段改变河流蜿蜒度，如建造丁坝等；在水文水质等条件改善的条件下，进行生物的修复，生物的修复要结合地貌特点，食物链的创建要合理，以水生植物为主，反过来，生物的修复对水质起重要作用。

3.2.2 流速-水质-地貌-生物修复模式

该类型的生态修复首先要解决水流流速问题，在水量满足的条件下，流速的改变可加快河流的能量和物质循环，有利于水质的改善；然后进行水质的改善，水质的改善要先用物理方法，再用生物方法，如人工湿地，生态浮岛等；同时可进行河岸地貌的修复，如拓宽河岸宽，种植乔-灌-草三级植物，改变河流蜿蜒度等；在水文水质改善后，进行生物修复，生物修复的目的是增加生物多样性，有利于创建自我修复能力。

3.2.3 水文-水质-生物修复模式

该模式的生态修复首先解决水文条件，进行流速和水量的修复，水量可通过生态调度来实现；然后进行水质的改善，在水文水质改善后，进行生物修复，生物修复以水生植物为主，植物布置要考虑河道宽和景观要求。该模式无需对地貌进行修复，在此基础上，要维护好地貌条件。

3.2.4 流速-水质-蜿蜒度-生物修复模式

该类模式依然先解决水文条件，在水量满足的前提下，改变河流流速；然后进行水质的改善，此模式对于地貌的修复仅需修复蜿蜒度，可建造丁坝，或者增加深潭-浅滩的结构；在水文水质改善后，进行生物修复。

对于单独修复的河段，首先进行流速的修复，再对水质进行修复，最后对水生生物进行修复。

4 结论

本研究在河流生态修复研究和已有成功的工程实践的基础上，选取水文，水质，地貌结构，生物4个一级指标，并筛选12个二级指标，构建河流分类和标准体系，进行系统聚类，进行系统聚类，分析具有相同特征的河段，针对不同特征类别提出不同的生态修复模式以及修复建议。

（1）通过聚类分析，将河流划分为5类。类别一中共有19个点位，类别二中共有10个点位，类别三中共有4个点位，类别四中共有4个点位，类别五中共有13个点位。其中水文状态中类别一、三、四各要素属于修复型，类别二、五仅流速属于修复型；水质情况中各类别均属于修复型，水质污染情况严重；河岸地貌特征中，除连通性无需修复，类别三各要素无需修复外，类别一、二、四属于修复型，类别五仅蜿蜒度属于修复型；水生生物状态中，除浮游植物无需修复外各类别其他要素均属于修复型。

（2）根据五类河流的特征，可归结成4类修复模式，分别为水文-水质-地貌-生物修复模式、流速-水质-地貌-生物修复模式、水文-水质-生物修复模式以及流速-水质-蜿蜒度-生物修复模式，占比依次为42%、24%、8%和26%，包含所调研所有河流段。

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32	赵彦伟，杨志峰.河流健康：概念、评价方法与方向［J］.地理科学，2005（1）：119-124. 本文引用 [1]

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收稿日期	出版日期
2020-05-14	2021-06-15
发布日期
2021-07-02

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