基于鱼类栖息地法的城市河流生态需水评估*——以深圳市观澜河为例

黄奕龙 张利萍

(深圳市水务规划设计院博士后创新实践基地，广东 深圳 518008)

日益增强的人类活动深刻影响了流域水循环过程，社会系统水循环的作用得到强化，并由此改变流域水资源演变规律[1]42。而对生态需水的忽视可能加剧了水生态系统退化，河流水资源利用与栖息地保护、生物多样性维护、生态系统完整性等方面的矛盾日渐凸现[2]754。伴随着环境保护意识的增强，人们开始重视河流健康，而河流生态需水是实现健康河流、保障河流生态功能的基础，其研究逐渐受到国际社会的广泛关注[2]754,[3]。

自20世纪40年代，美国渔业与野生动物保护协会提出河流生态流量以来，生态需水的研究经历长期的发展，在最近20 a才得以快速发展，已在生态需水概念与内涵、机制探讨、计算方法和实践应用等方面取得了进展：

(1) 概念与内涵。虽然尚无统一的定义，但一般认为保证河流生态系统健康运行所必需的水量(包括维持水热平衡、生物平衡、水沙平衡和水盐平衡等所需的水)均为生态需水的范畴[4],[5]557,[6]。河流生态需水包括质量和数量内涵[7]，特别是在二元水循环日益突出的今天[1]43,[8-10]。

(2) 机制探讨。机制研究包括生态需水与生态完整性的关系[11]，流量、流速与水生动植物的关系[12]，鱼类生命周期各阶段的水动力要求[13]815-816，河流水文情况对生物种群的影响[14]，流域生态需水时空差异性与生态需水敏感时期[15]，人类活动影响下生态需水与景观格局的关系[16]等。

(3) 计算方法。ACREMAN等[17]863-873将生态需水计算方法总结为4类：水文学法、水力分级法、生境模拟法和整体分析法。国内学者提出基于保护对象和流量变化[18]、生态学和水动力学[19]、水文—生态响应关系[20]和关键物种量质统筹[21-23]的生态需水计算方法分别与ACREMAN等总结的4类方法一一对应。需要注意的是，ACREMAN等总结的4类计算方法各有优缺点[2]756-758,[5]557,[17]861,[24-25]，实际工作中应根据生态保护或恢复的目标确定选用何种计算方法[17]873。

(4) 实践应用。经过多年的探索后，较多国家在水资源规划、水环境保护中均考虑了河流生态需水。我国水利部在2008年出台《河道内生态需水评估导则(试行)》，标志着我国将生态需水推向了行业实践。而北京市、上海市和深圳市等在10多年前的河流水环境整治中，就已经开始考虑河流的生态需水。虽然国内外在生态需水方面取得了大量进展，但大多集中在自然生态系统，对于受到人类强烈干扰的城市河流的研究较少，对水量关注较多，对生态需水水质关注较少。

本研究以快速城市化的典型城市深圳市的观澜河为例，基于鱼类栖息地法，定量评估了观澜河生态需水的水量和水质，以期为河道环境的改善提供科学借鉴。

1 研究区概况

观澜河位于深圳市中北部，是东江水系石马河的上游河段，发源于民治街道大脑壳山(海拔385.4 m)的牛咀水库鸡公头一带，自南向北流经民治、龙华、大浪、坂田、观澜街道及光明街道白花村，在观澜企坪断面进入东莞市境内，深莞交界断面以上集雨面积189.3 km2，河长22.56 km(包括主源油松河)，河流平均比降为2.12‰。流域属丘陵谷地地貌带，地貌类型主要为低丘陵。总的地势呈南高北低，西高东低分布。

观澜河为典型的雨源性河流，河水具有暴涨暴落的特点。河流上游修建了茜坑水库(中型)以及18座小型水库，集雨面积为51 km2。1990年初，观澜河水质尚好，随着社会经济的快速发展，在1990年末河流水质由Ⅰ～Ⅲ类急剧恶化为Ⅴ类或劣Ⅴ类。在2006年进行河流水环境整治之前，观澜河进行过防洪整治，包括河道护岸硬化、截弯取直等工程。除雨天外，观澜河基本没有基流，为生活污水和工业废水的主要排泄通道。自2008年完成大规模的截污治污、河道拓宽和生态景观改造后，观澜河河道进行了生态补水。河道治理时对其功能定位为景观娱乐型，恢复目标为有生命的健康河道。

本研究在观澜河设置了5个监测断面(E1～E5，见图1)，从2012年2月到10月进行了水文、水质监测。其中2、3、10月为枯季，4—9月为雨季。

2 研究方法

2.1 生态需水计算方法

根据观澜河的功能定位，可供鱼类生存、具有景观水功能是其基本要求。相关研究表明，鱼类对河流的水文(如流速、流量、水温、河床侵蚀等)[26]132和水质(如溶解氧(DO)和有毒物质浓度等)条件非常敏感[27]。作为水生态系统中的顶级群落，鱼类对其他种群的存在和丰度有重要影响，是计算生态需水较适宜的指示物种。目前，观澜河中游已经有罗非鱼(Oreochromismossambicus)和胡子鲶(Clariasfuscus)两种鱼类，并在特定河段占绝对优势，其他种类的鱼虾较少。根据现场访谈、实地调查，并参考《广东淡水鱼类志》，我们了解到草鱼(Ctenopharyngodonidellus)、鲢鱼(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙鱼(Aristichthysnobilis)、鲫鱼(Carassiusauratus)和鲤鱼(Cyprinuscarpio)等原为本地的主要经济鱼类，随着近几十年来的河流水质退化而逐渐消失。考虑到当前的河流条件还不能恢复生活在水体中上层的鱼类，且罗非鱼等外来物种比较强势，本研究以生活在水体底层且竞争力较强的鲤鱼作为观澜河生态恢复的目标生物，以此计算生态需水。

图1 观澜河监测断面示意图Fig.1 Monitoring sections in Guanlan River

张文鸽等[28]认为，鲤鱼适宜的流速为0.2～0.6 m/s、水深为1.0～1.5 m；而韩振华等[29]44认为，鲤鱼适宜的流速为0.3 m/s、水深为0.45 m。根据观澜河的水文特点，并结合其他研究[13]813-817,[26]131，取鲤鱼身长为20 cm(在观澜河流域的调查发现，罗非鱼身长经常可达20 cm，鲤鱼需要达到此身长才有竞争力)、鲤鱼非繁殖期适宜的流速为0.2 m/s、水深为0.45 m，依此计算的生态需水作为观澜河的最小生态需水量；取鲤鱼繁殖期适宜的流速为0.4 m/s、水深为0.60 m，依此计算的生态需水量作为观澜河的最大生态需水量[29]43。生态需水量的计算公式如下：

Q=B×H×V

(1)

式中：Q为生态需水量，m3/s；V为平均流速，m/s：B为水面宽度，m，E1～E5的水面宽度与河床宽度相近，分别为8.5、19.0、23.0、38.0、42.0 m；H为平均水深，m。

2.2 生态需水水质标准

鱼类的生存与水温、DO、营养盐关系密切。观澜河的水温、pH和盐度均适宜鱼类生长。研究发现，适宜鱼类生存的DO应达到5 mg/L。此外，鱼类对氨氮也较敏感。在氨氮为0.7～1.5 mg/L时，会对鱼类的免疫系统产生轻微胁迫；当氨氮达到3.0 mg/L时，胁迫效应非常显著。鱼类的可耐受氨氮质量浓度约为2 mg/L[30]。因此，本研究选择DO和氨氮作为生态需水水质评估的指标，并设置鱼类生存的生态需水水质标准为DO≥5 mg/L、氨氮<2 mg/L。

3 结果与讨论

3.1 生态需水量

观澜河生态需水量的计算结果如表1所示。监测断面的最小生态需水量为0.77～3.78 m3/s，最大生态需水量为2.04～10.08 m3/s。观澜河多年平均径流量为6.30 m3/s，其最小生态需水量最大值可达到多年平均径流量的0.60，而最大需水量最大值可达到多年平均径流量的1.60倍。与观澜河的实际监测数据相比，在枯季只有E4、E5能达到最小生态需水量，而E1、E2处于断流状态；而雨季的生态需水评估结果与枯季类似，只有E4、E5能满足最大生态需水量，而E2处于断流状态，E1接近断流。这一结果与现场鱼类调查的发现相吻合，即E1、E2没有鱼类等生命迹象，只有在E3～E5才有鱼类等高等水生生物的栖息。

由于观澜河干流治理时采用了沿河箱涵进行截污，截污后河道内没有水流入河，同时基流也被截走，导致E1流量不足。河道生态补水的水源主要来自污水处理厂出水和人工湿地出水，其大多位于E2下游，而E1、E2之间的水量主要来自于护岸渗漏和地下水补给，因此E2流量也较小，但E3～E5的流量充足。可见，急需加快补水管的建设速度，根据生态需水量的要求对观澜河进行补水。

3.2 生态需水水质

观澜河的监测水质如表2所示。由表2可知，DO和氨氮大体上均为枯季大于雨季，这可能是因为枯季河流水体以人工补给为主，而补给水源中的氨氮和DO浓度较高。在雨季，受雨水的影响，DO和氨氮浓度得到稀释。从空间上看，E3的DO浓度最高，氨氮浓度相对较低，这可能与E3存在人工湿地出水补充有关。

与鱼类生存的生态需水水质相比，在枯季，DO只有E3、E4达标；5个监测断面的氨氮均超标，超标倍数为3.11～14.08。在雨季，DO只有E3达标；5个监测断面的氨氮均超标，超标倍数为1.12～4.11。由于补给水源的缺乏，现有的污水处理厂出水难以满足生态需水的水质要求，而利用人工湿地集成技术进行深度处理，可将水质提升至准Ⅲ类(仅TN超标)，但因建设用地缺乏，无法大面积推广。值得期待的是深圳市正在推进治水提质工程，污水处理厂出水有望根据生态系统的综合要求，整体提升至准Ⅳ类，枯季和雨季水质均可能达到生态需水水质要求。

表1 观澜河生态需水量和监测流量

表2 观澜河的监测水质

4 结 论

(1) 5个监测断面的最小生态需水量为0.77～3.78 m3/s，最大生态需水量为2.04～10.08 m3/s。枯季和雨季均只有E4和E5能满足生态需水量的要求。

(2) 枯季的DO只有E3和E4达标，雨季的DO只有E3达标，枯季和雨季的氨氮均超标，超标倍数分别为3.11～14.08、1.12～4.11，因此枯季和雨季的观澜河水质均无法满足生态需水的水质要求。

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