1. 引言
城市河流是城市生态系统的重要组成部分[1]，在排水行洪、生态景观和生物多样性保护等方面具有极其重要的作用。近年来，我国对生态环境质量改善十分重视[2] [3]，各地实施了大量河道整治和生态修复工程[4]-[6]，并开展了水生态健康状况相关研究[7]-[10]。国际上，针对雨源型河流的生态修复研究起步较早，欧洲的莱茵河、美国的切萨皮克湾流域通过生态流量调控、水系连通性修复和多目标协同管理等技术手段，实现了河流生态系统的逐步恢复[11]-[13]。日本针对城市化进程中雨源型河流的特点，开发了“近自然河川工法”，通过模拟自然河道形态、构建多样化生境，显著提升了河流的生态功能[14]。澳大利亚墨累–达令流域通过动态生态流量管理(将多年平均流量的40%作为生态基流)，结合鱼道设计(如岩坡式鱼道)，显著提升了鱼类多样性[15]；美国波特兰市在城市河流修复中，将20%的滨岸带划定为“生态教育区”，通过社区志愿者监测网络提升公众参与度[16]。这些国际经验为我国南方高开发地区的河流修复提供了重要借鉴。
深圳市作为高度开发的南方特大城市，“十三五”以来紧密围绕国家水环境治理的宏观目标开展了河道治理，已经从单一的防洪排涝向污水截排和系统化的生态修复转变，并逐步实现了城市水系的健康循环和人居环境的提升。楼村水作为深圳“母亲河”茅洲河的代表性一级支流，在2016年开展了整治工程并于2019年底完工，在河道治理和生态修复上已取得良好成效。本研究以楼村水为对象，开展生态修复动态监测，并结合历史监测数据，构建出符合该河流实际情况的综合评价指标体系，量化出整治工程前、后的各项指标和综合评价指数，科学评估河流的健康状况，为后续高度开发城市地区的河道生态修复工作提供技术支持和参考。
2. 研究数据与方法
2.1. 研究区域概况
楼村水是茅洲河一级支流，河道源于大顶岭山呈自东南向西北流向，于楼村旧桥下汇入茅洲河。河道总长8.6 km，其中在高尔夫球会以上的河道段基本暗涵化，高尔夫球会至河口段总长5.75 km。楼村水流域面积11.41 km2，其中城镇面积1.5 km2，平均比降5.14%。河道上游纵坡2%~2.6%，宽度8 m~14 m；中游纵坡3.5%~4.4%，宽度11.5~16 m；下游纵坡1%~1.8%，宽度14.4~20.0 m。至本研究开展时，楼村水已完成河道整治近2年时间，水生态环境质量得到了明显改善。
2.2. 研究方法
2.2.1. 监测点位布设
根据工程整治后河道特点及水环境现状，结合监测要求和采样可达性，本研究在楼村水布设了4个生态环境现状监测点位(见图1)。
Figure 1. The ecological status monitoring stations of Lou-cun-shui River
图1. 楼村水生态环境现状监测点位示意图
监测项目根据指标类别分为水环境、水生生物和岸线植被3类，其中：
(1) 水环境监测包括楼村水溶解氧(DO)、总磷(T-P)、总氮(T-N)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(COD)，以及河道上、中、下游的流速(流量)和河道连通性等。
(2) 水生生物包括河流浮游植物、浮游动物、底栖动物的种类、密度等，并基于监测结果计算出多样性指数和均匀度进行表征。
(3) 岸线植被包括楼村水河岸缓冲区范围内植被类型、分布范围等。
2.2.2. 监测方法
在2021年11月，先后对楼村水的水环境、水生生物和岸线植被现状进行了两期监测，监测方法如下：
(1) 水环境监测中，流速(流量)通过现场监测得到；河道连通性通过水利部门资料收集、遥感航拍影像解译并结合现场勘察，记录调查对象河流的水闸水坝建设位置分布、类型、规模以及调度运行情况来进行度量；溶解氧、总磷、总氮、氨氮、化学需氧量等水质指标通过水质样品采样、保存和实验室分析获得，监测工作按照生态环境保护部相关标准规范开展。
(2) 浮游生物和浮游动物等水生生物的监测方法，主要参考相关生态调查技术指南[17]，具体监测分析步骤为样品采集、样品前处理、种类鉴定及计数、密度计算。
(3) 岸线植被调查中，缓冲带范围优先以地方政府批准划定岸线管理范围为准，如未划定，则以河湖常年平均水位线为基线，向内陆延伸33 m的区域作为缓冲带区域，实际调查工作中根据具体情况优化调整。
2.3. 评价指标体系
2.3.1. 各指标赋分
综合评价指标体系是河道生态修复效果评价的基础，合理确定20个指标的赋分值，对于后面的评价工作有着决定性的作用。本研究设计了水文特征、河流及河岸状况、水体理化指标、水生生物状况和社会服务5个方面共20个评价指标及其赋分(见表1)。
Table 1. The evaluation indexes scored differently
表1. 评价指标赋分表
指标 |
赋分值 |
100 |
75 |
50 |
25 |
0 |
流速(cm/s) |
流速 ≥ 80 |
80 > 流速 ≥ 50 |
50 > 流速 ≥ 20 |
20 > 流速 ≥ 10 |
10 > 流速 |
水量 |
水位达到两岸浅滩 仅少量裸露 |
水覆盖>75% 裸露<25% |
水覆盖>50% 小部分裸 |
水覆盖 < 25% 大部分裸露 |
水量很少几乎 全部裸露 |
水系连通性 |
极好 |
好 |
一般 |
差 |
极差 |
河岸稳定性 |
河岸稳定 无明显侵蚀 |
河岸稳定 侵蚀 < 20% |
中度侵蚀 20%~50% |
极度侵蚀 洪水时50%~80% |
河岸极不稳定 侵蚀80%~100% |
河岸植被覆盖率 |
>70% |
>50% |
>30% |
>20% |
<20% |
河流护岸形式 |
有植被覆盖的自然 土质坡岸 |
近自然的斜坡 式生态护岸 |
亲水平台护岸或 无植被的土质岸坡 |
台阶式人工护岸 或浆砌石护岸 |
直立式钢筋混凝土 |
河岸带植被宽度 |
>1倍河宽 |
0.5~1倍河宽 |
0.25~0.5倍河宽 |
0.1~0.25倍河宽 |
<0.1倍河宽 |
河岸结构完整性 |
多种植被组合(3个 层次)，受干扰较小 |
2个层次受到 一定干扰 |
1个层次有少数 外来物种 |
1个层次外来物种较多 |
河岸植被稀少或 基本无植物存在 |
水功能区水质 达标率 |
100% |
75% |
50% |
25% |
0 |
DO (mg/L) |
DO ≥ 6.0 |
5.0 ≤ DO < 6.0 |
3.0 ≤ DO < 5.0 |
2.0 ≤ DO < 3.0 |
DO < 2.0 |
T-P (mg/L) |
≤0.1 |
≤0.2 |
≤0.3 |
≤0.4 |
>0.4 |
NH3-N (mg/L) |
≤0.5 |
≤1 |
≤1.5 |
≤2.0 |
>2.0 |
T-N (mg/L) |
≤0.5 |
≤1 |
≤1.5 |
≤2.0 |
>2.0 |
COD (mg/L) |
≤15 |
≤20 |
≤30 |
≤40 |
>40 |
多样性指数 |
>4 |
3~4 |
2~3 |
1~2 |
0~1 |
水资源利用率 |
0或>60% 得0 |
10% 得55.56 |
20% 得88.89 |
30% 得100 |
40% 得88.89 |
50% 得55.56 |
防洪指标 |
95% |
90% |
85% |
70% |
50% |
公众满意度 |
80-100 |
60-80 |
40-60 |
20-40 |
0-20 |
2.3.2. 综合指数赋分
对河湖健康进行综合评价时，按照目标层、准则层和指标层逐层加权的方法，计算得到河湖健康综合指数的赋分结果[18]。计算公式如下：
(1)
式中：RHI (River Happiness Index, RHI)为楼村水健康综合指数的赋分；ZBnw为指标层第n个指标的权重；YMBmw为第m个准则层的权重；ZBnr为指标层第n个指标的赋分。
五大准则层以及指标层所有指标的权重按相关规范并结合深圳本地情况进行分配[18]；整治工程前、后各指标的赋分根据监测结果，根据表1对应赋分，然后利用公式(1)计算得到综合指数RHI。本研究将河湖健康分为五类，并根据综合指数RHI分值划分河流类别和健康状态(见表2)。
Table 2. Evaluation catalogue about the ecological health status of river and lake
表2. 河湖健康评价分类表
分类 |
状态 |
赋分范围 |
一类河湖 |
非常健康 |
90 ≤ RHI ≤ 100 |
二类河湖 |
健康 |
75 ≤ RHI < 90 |
三类河湖 |
亚健康 |
60 ≤ RHI < 75 |
四类河湖 |
不健康 |
40 ≤ RHI < 60 |
五类河湖 |
劣态 |
RHI< 40 |
3. 结果分析
3.1. 水质监测结果
楼村水整治工程开始前的上、中、下游水质状况，通过查询2016年历史监测数据[19]得到(见表3)。其中，溶解氧及流速缺上游和中游历史数据，直接以下游历史监测数据代替。
楼村水整治工程后的水环境监测数据，通过2021年11月开展的两期现场监测获得(见表4)。各指标赋分计算，采用各监测参数的均值。
Table 3. Water quality data of Lou-cun-shui River before the implementation of ecological restoration
表3. 整治前楼村水水质检测结果
序号 |
位置 |
COD (mg/L) |
T-P (mg/L) |
T-N (mg/L) |
NH3-N (mg/L) |
DO (mg/L) |
流速(cm/s) |
水质类别 |
1 |
上游 |
88 |
7.2 |
34 |
22 |
/ |
/ |
劣V |
2 |
中游 |
110 |
7.5 |
36 |
21 |
/ |
/ |
劣V |
3 |
下游 |
142 |
8.2 |
45 |
28 |
1.50 |
10~20 |
劣V |
均值 |
113.3 |
7.6 |
38.3 |
23.7 |
1.50 |
10~20 |
劣V |
Table 4. Water quality data of Lou-cun-shui River after the implementation of ecological restoration
表4. 整治后楼村水各监测点位水质监测结果
监测点位 |
COD (mg/L) |
T-P (mg/L) |
T-N (mg/L) |
NH3-N (mg/L) |
DO (mg/L) |
水质类别 |
站点#1 |
14 |
0.08 |
4.26 |
0.574 |
8.22 |
Ⅲ |
站点#2 |
20 |
0.07 |
5.12 |
0.387 |
8.41 |
Ⅲ |
站点#3 |
13 |
0.12 |
6.45 |
0.367 |
8.5 |
Ⅲ |
站点#4 |
16 |
0.14 |
5.81 |
0.446 |
8.73 |
Ⅲ |
均值 |
15.8 |
0.10 |
5.41 |
0.444 |
8.46 |
Ⅱ |
3.2. 水生生物多样性指数
楼村水整治工程开始前的水生态相关历史数据缺失，未能分析评估；整治工程完成后数据通过现状监测获得，并采用Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数，计算得到现状浮游植物、浮游动物和底栖动物的生物多样性指数H及均匀度指数J (见表5)。
Table 5. Current indexes about the aquatic life’s biodiversity construction of Lou-cun-shui
表5. 楼村水整治后的水生生物结构多样性指数
物种指数 |
生物多样性指数H |
均匀度指数J |
监测站点 |
#1 |
#2 |
#3 |
#4 |
均值 |
#1 |
#2 |
#3 |
#4 |
均值 |
浮游植物 |
2.52 |
2.48 |
2.34 |
2.39 |
2.43 |
0.66 |
0.6 |
0.64 |
0.61 |
0.63 |
浮游动物 |
1.45 |
1.87 |
1.42 |
1.1 |
1.46 |
0.96 |
0.95 |
0.93 |
0.89 |
0.93 |
底栖动物 |
1.41 |
1.08 |
0.91 |
1.44 |
1.21 |
0.85 |
0.86 |
0.72 |
0.81 |
0.81 |
3.3. 水文特征、社会服务等
通过历史数据资料收集、遥感影像解译、现场勘测、实地走访当地居民、问卷调查等方式，对工程整治前后的流速、流量、水系连通性、河岸稳定性、河岸植被覆盖率、河流护岸形式、河岸植被带宽度、河岸植被结构完整性、水功能区水质达标率、水资源开发利用率、防洪能力、公众满意度等12项指标进行了调研和分析计算，各项监测指标结果如表6所示。
Table 6. Results of monitoring indicators such as hydrological characteristics and social services before and after water regulation in Lou-cun-shui River
表6. 楼村水整治前后的水文特征、社会服务等监测指标结果
序号 |
指标层 |
监测结果 |
修复前 |
修复后 |
1 |
流速状况 |
10~20 cm/s |
27 cm/s |
2 |
水量状况 |
水面覆盖河床比例约50% |
水面覆盖河床比例约65% |
3 |
水系连通性 |
一般(河口有跌水) |
较差(水未配套建设有效过鱼设施) |
4 |
河岸稳定性 |
较差(堤岸破损) |
很好(河岸结构稳定) |
5 |
河岸植被覆盖率 |
44.33% |
54.74% |
6 |
河流护岸形式 |
浆砌石护岸和自然土质岸坡为主 |
浆砌石护岸和亲水平台护岸为主 |
7 |
河岸植被带宽度 |
河岸植被宽度 > 河宽 |
0.8~1倍河宽 |
8 |
河岸植被结构完整性 |
河岸植被稀少，植物种单一 |
河岸均有植被覆盖，植被类型包括灌木和草本 |
9 |
水功能区水质达标率 |
0% |
100% |
10 |
水资源开发利用率 |
0% |
39.20% |
11 |
防洪能力 |
24.13% |
>95% |
12 |
公众满意度 |
43分 |
84.2分 |
3.4. 综合评估
合理确定综合评价指标体系中5个准则层及20个评价指标的权重，对于后面的评价工作有着决定性的作用。本研究参考相关河湖健康评价指引[20]，充分借鉴类似区域与发达国家或地区的河流生态治理与效果评估成果，结合深圳市高强度开发的实际情况，综合考虑评价指标的可得性、必要性等情况，进行了实际指标权重分配。根据监测数据及各评价指标赋分表，计算得到楼村水在生态修复整治前和整治修复后各项指标的赋分及综合指数赋分(见表7和图2)。其中，整治前的河流河岸状况等指标情况，根据相关历史数据[19]得到；RHI值根据式(1)计算得到。
Table 7. The comprehensive evaluation index system of ecological restoration and its scores
表7. 楼村水生态修复效果评价指标体系及赋分情况
目标层 |
准则层 (权重YMBmw) |
指标层 |
权重 (ZBnw) |
指标赋分(ZBnr) |
修复前 |
修复后 |
生态修复效果评价(M) |
水文特征(0.1) |
流速状况(C1) |
0.5 |
25 |
50 |
水量状况(C2) |
0.5 |
50 |
66 |
河流、河岸状况(0.2) |
水系连通性(C3) |
0.2 |
50 |
25 |
河岸稳定性(C4) |
0.2 |
25 |
100 |
河岸植被覆盖率(C5) |
0.15 |
67.91 |
80.94 |
河流护岸形式(C6) |
0.15 |
88.87 |
75 |
河岸植被带宽度(C7) |
0.15 |
100 |
87 |
河岸植被结构完整性(C8) |
0.15 |
42 |
71 |
水体理化指标(0.2) |
水功能区水质达标率(C9) |
0.25 |
0 |
100 |
DO (C10) |
0.15 |
0 |
100 |
T-P (C11) |
0.15 |
0 |
100 |
T-N (C12) |
0.15 |
0 |
0 |
NH3-N (C13) |
0.15 |
0 |
100 |
COD (C14) |
0.15 |
0 |
100 |
水生生物状况(0.2) |
浮游植物多样性指数(C15) |
0.33 |
/ |
50 |
浮游动物多样性指数(C16) |
0.33 |
/ |
25 |
底栖动物多样性指数(C17) |
0.34 |
/ |
25 |
社会服务功能(0.3) |
水资源开发利用率(C18) |
0.3 |
0 |
90.6 |
防洪能力(C19) |
0.3 |
0 |
100 |
公众满意度(C20) |
0.4 |
50 |
100 |
楼村水生态修复前、后健康综合指数的评分(RHI) |
21.7 |
73.0 |
结果表明，相比于实施整治工程前，楼村水实施生态修复后的20项评价指标整体上有所改善。其中，浮游植物、浮游动物和底栖动物等3项指标无对比数据，无法直接判断，但是根据查阅茅洲河流域历史水生态监测数据，发现3项水生态指标有所改善；水系连通性、河流护岸形式、河岸植被带宽度等3项指标恶化；总氮1项指标持平；其余13项指标均表现为改善。
分析发现，楼村水在实施生态修复前的水文特征、水质、社会服务功能等准则层指标得分都很低，其健康综合指数评分为21.7，总体属于五类河湖处于劣态。实施生态修复后，水体理化指标和社会服务功能指标得分较高，但是水生生物状况等相关指标得分依然相对较低，水文特征和河流河岸状况等相关指标也仍然有较大提升空间，其健康综合指数评分为73.0分，总体属于三类河湖处于亚健康态。
(a) (b)
Figure 2. Distribution map of health evaluation indicators of Lou-cun-shui River. (a) before the renovation project; (b) after the renovation project
图2. 楼村水河流健康评价指标赋分图。(a) 整治工程开展前；(b) 整治工程开展后
4. 结论
本研究以深圳市的典型河流楼村水为例，研究了南方高开发地区雨源型河流整治工程的生态修复状况，结果表明河道整治工程对于提升河流健康水平总体效果较好，但其河流健康综合水平依然处于亚健康状态，楼村水河道生态修复工作仍存在一定问题。根据现场查勘及各项指标分析，得出如下结论：
(1) 楼村水水环境、水生态有了较大改善。河道水质提升显著，常规水体理化指标从劣V类稳定提升到了地表水Ⅱ类到Ⅲ类；水生生物的物种多样性指数和均匀度指数都在逐渐向好，生物多样性正在逐步恢复；社会服务功能相关指标显著改善，公众满意度显著提高。
(2) 水生生物恢复受限。生态基流不足是制约水生生物多样性的关键因素。楼村水现状生态补水量低于现状河道用水需求，光侨路以上河段水流滞缓，生境单一。此外，全河段10座跌水中6座未配套过鱼设施，阻断了鱼类洄游通道，导致上下游物种交流受限，底栖动物多样性指数仅1.21 (处于25分区间)。
(3) 社会服务功能存在短板。虽然公众满意度达84.2分，但亲水设施的精细化程度不足。调查显示，24.2%的受访者认为“亲水较难”，主要原因是中游段亲水平台覆盖率仅30%，且缺乏无障碍设施。此外，生态教育功能缺失，仅12%的受访者能准确识别3种以上河道水生植物，反映出河流生态价值的公众认知度有待提升。
基金项目
国家自然科学基金(项目编号41890852)。
NOTES
*通讯作者。