基于魚類棲息地法的城市河流生態需水評估*
——以深圳市觀瀾河為例

黃奕龍 張利萍

(深圳市水務規劃設計院博士后創新實踐基地，廣東 深圳 518008)

日益增強的人類活動深刻影響了流域水循環過程，社會系統水循環的作用得到強化，并由此改變流域水資源演變規律[1]42。而對生態需水的忽視可能加劇了水生態系統退化，河流水資源利用與棲息地保護、生物多樣性維護、生態系統完整性等方面的矛盾日漸凸現[2]754。伴隨著環境保護意識的增強，人們開始重視河流健康，而河流生態需水是實現健康河流、保障河流生態功能的基礎，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，美國漁業與野生動物保護協會提出河流生態流量以來，生態需水的研究經歷長期的發展，在最近20 a才得以快速發展，已在生態需水概念與內涵、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。雖然尚無統一的定義，但一般認為保證河流生態系統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)均為生態需水的范疇[4],[5]557,[6]。河流生態需水包括質量和數量內涵[7]，特別是在二元水循環日益突出的今天[1]43,[8-10]。

(2) 機制探討。機制研究包括生態需水與生態完整性的關系[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]，流域生態需水時空差異性與生態需水敏感時期[15]，人類活動影響下生態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]、生態學和水動力學[19]、水文—生態響應關系[20]和關鍵物種量質統籌[21-23]的生態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類計算方法各有優缺點[2]756-758,[5]557,[17]861,[24-25]，實際工作中應根據生態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。經過多年的探索后，較多國家在水資源規劃、水環境保護中均考慮了河流生態需水。我國水利部在2008年出臺《河道內生態需水評估導則(試行)》，標志著我國將生態需水推向了行業實踐。而北京市、上海市和深圳市等在10多年前的河流水環境整治中，就已經開始考慮河流的生態需水。雖然國內外在生態需水方面取得了大量進展，但大多集中在自然生態系統，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需水的水量和水質，以期為河道環境的改善提供科學借鑒。

1 研究區概況

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，隨著社會經濟的快速發展，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，為生活污水和工業廢水的主要排泄通道。自2008年完成大規模的截污治污、河道拓寬和生態景觀改造后，觀瀾河河道進行了生態補水。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個監測斷面(E1～E5，見圖1)，從2012年2月到10月進行了水文、水質監測。其中2、3、10月為枯季，4—9月為雨季。

2 研究方法

2.1 生態需水計算方法

根據觀瀾河的功能定位，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]。作為水生態系統中的頂級群落，魚類對其他種群的存在和豐度有重要影響，是計算生態需水較適宜的指示物種。目前，觀瀾河中游已經有羅非魚(Oreochromismossambicus)和胡子鯰(Clariasfuscus)兩種魚類，并在特定河段占絕對優勢，其他種類的魚蝦較少。根據現場訪談、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恢復的目標生物，以此計算生態需水。

圖1 觀瀾河監測斷面示意圖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現，羅非魚身長經常可達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，依此計算的生態需水作為觀瀾河的最小生態需水量；取鯉魚繁殖期適宜的流速為0.4 m/s、水深為0.60 m，依此計算的生態需水量作為觀瀾河的最大生態需水量[29]43。生態需水量的計算公式如下：

Q=B×H×V

(1)

式中：Q為生態需水量，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 生態需水水質標準

魚類的生存與水溫、DO、營養鹽關系密切。觀瀾河的水溫、pH和鹽度均適宜魚類生長。研究發現，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產生輕微脅迫；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和氨氮作為生態需水水質評估的指標，并設置魚類生存的生態需水水質標準為DO≥5 mg/L、氨氮<2 mg/L。

3 結果與討論

3.1 生態需水量

觀瀾河生態需水量的計算結果如表1所示。監測斷面的最小生態需水量為0.77～3.78 m3/s，最大生態需水量為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。與觀瀾河的實際監測數據相比，在枯季只有E4、E5能達到最小生態需水量，而E1、E2處于斷流狀態；而雨季的生態需水評估結果與枯季類似，只有E4、E5能滿足最大生態需水量，而E2處于斷流狀態，E1接近斷流。這一結果與現場魚類調查的發現相吻合，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，根據生態需水量的要求對觀瀾河進行補水。

3.2 生態需水水質

觀瀾河的監測水質如表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。

與魚類生存的生態需水水質相比，在枯季，DO只有E3、E4達標；5個監測斷面的氨氮均超標，超標倍數為3.11～14.08。在雨季，DO只有E3達標；5個監測斷面的氨氮均超標，超標倍數為1.12～4.11。由于補給水源的缺乏，現有的污水處理廠出水難以滿足生態需水的水質要求，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生態系統的綜合要求，整體提升至準Ⅳ類，枯季和雨季水質均可能達到生態需水水質要求。

表1 觀瀾河生態需水量和監測流量

表2 觀瀾河的監測水質

4 結 論

(1) 5個監測斷面的最小生態需水量為0.77～3.78 m3/s，最大生態需水量為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需水的水質要求。

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