北京温榆河公园水位变化对生物多样性的影响分析

杨 莹 张耀方 郝生超

(北京市清河管理处,北京 100192)

北京温榆河公园位于北京市市域中部,中心城区东北边缘,朝阳、昌平、顺义三区交界,温榆河、清河两河交汇之处,城市副中心上游,是北京中心城和“通州堰”防洪体系的重要节点[1]。 公园内有清河、温榆河、老河湾三条河道,是温榆河公园内划定的“一心、三核、四脉”(温榆河生态心,森林生态核、湿地生态核、灌丛草地生态核,温榆河生态水脉、清河生态水脉、老何湾生态水脉、京承高速生态脉)生态带格局的重要组成部分。

温榆河公园本底良好,生物多样,尤其是清河、温榆河两河交汇处,是全园的生态核心区,有30 多种近2000 只水鸟在此越冬,还分布有旗舰鱼类马口鱼,以及指示物种中华青鳉和中华鳑鲏,同时这里也是中华秋沙鸭在北京的越冬地。

河流生态廊道因其高度连续性和内部丰富的生境条件,其生态功能的发挥更为显著。 已有研究证实,城市河流生态廊道可以通过大量留存原有植被或营造栽培植物群落,对城市植物多样性保护和提升产生积极作用[2]。 因此,探究温榆河、清河河流生态廊道具有重要意义。

目前,温榆河公园一期项目已经基本建成,待温榆河公园完全建成后,将成为北京大山水格局中重要的生态节点,而公园内水体的水位变化直接影响着温榆河公园的生物多样性。 汛期时,公园内水位根据防洪需求进行调度;非汛期时,公园内水位尽可能保持不变以保证景观效果及生物多样性,本文仅研究非汛期水位变化对温榆河公园生物多样性的影响。 2022 年5月,北京市清河管理处联合北京市北运河管理处对辛堡闸上游至沈家坟区域进行蓄水,通过观察辛堡闸前水位为22.5 ～25.0m 时生物多样性情况,分析研究最大可能保持公园内生物多样性所需的水位。

1 调查和研究方法

辛堡闸初始水位为22.5m,2022 年5 月9 日开始蓄水,5 月10 日水位达到23.0m,5 月13 日水位达到24.0m,5 月18 日水位达到25.0m。 观测不同水位时温榆河公园的水域面积、水流流速及生物多样性的变化情况。

1.1 生物调查方法

a.水生植物。 对挺水植物、浮叶植物和沉水植物进行调查,现场调查时测量并记录水体的水面面积、各类大型水生植物的分布面积,计算水生植物覆盖率。 将采集的植物洗净,装入标本袋内带回实验室鉴定种类。

b.浮游生物。 浮游生物采样方法依照《水生生物调查技术规范》(DB11/T 1721—2020)和《湖泊富营养化调查规范(第二版)》[3]进行。 将样品带回实验室后,通过光学显微镜观察法或沉淀浓缩视野计数法[4],调查硅藻门、蓝藻门、绿藻门、甲藻门、隐藻门、裸藻门等浮游植物密度,以及原生动物、轮虫、枝角类、桡足类等浮游动物密度。

c.底栖动物。 底栖动物采样方法依照《流域水生态环境质量监测与评价技术指南(试行)》[5](2017 年)和《底栖动物与河流生态评价》[6]进行,调查底栖动物的种类。

d.鱼类。 采用撒地笼网的方法捕捞鱼类标本并拍照留存,调查结束后将鱼放回水体。 同时结合访问市民、实地考察等方法,调查鱼类的种类。

e.鸟类。 采用样线法[7]利用双筒望远镜进行鸟类观测,并拍照留存,同时结合访问市民、实地考察等方法,调查鸟类的种类。

1.2 模型建立

采用MIKE21 模型构建北京温榆河公园清河—温榆河水系的水动力模型,模拟并研究不同水位情况下水深对应的水域面积、流速情况,分析水位变化情况下的生物多样性。

以清河沈家坟闸至温榆河辛堡闸段水系为研究目标,根据北京市水利规划设计研究院地形数据进行模型搭建,建模范围包括2 条河道,即温榆河(鲁疃闸—辛堡闸)、清河(沈家坟闸—入温榆河口);1 座控制性建筑物,即温榆河辛堡闸。 模型边界共有3 处,温榆河鲁疃闸及清河沈家坟闸为入流边界,温榆河辛堡闸为出流边界。 分别模拟22.5m、23.0m、24.0m、25.0m 水位情况下的水深和流速。

2 不同水位条件下不同水深对应的水域面积

综合考虑鸟类、鱼类、水生植物等对水深的需求,宜营造0 ～0.2m、0.2 ～0.5m、0.5 ～1.0m、1.0 ～1.5m、1.5m 以上等不同水深环境,且应以1.5m 以下浅水水域为主。

结合MIKE21 模型模拟结果,辛堡闸不同水位条件下不同水深对应的水域面积见表1。 由表1 可知,随着水位升高,1.5m 以上深水区域显著增加,1.5m 以下浅水区域减少;水位22.5m 时对应的1.5m 以下浅水环境最丰富,占比79.23%。 分析水深1.5m 以下浅水水域面积变化,与水位22.5m 时相比,水位23.0m 时对应的水深0 ～0.2m、0.5 ～1.0m 水域面积减少较多,水深0.2 ～0.5m、1.0 ～1.5m 水域面积变化不大;水位24.0m 时对应的水深0 ～0.2m、0.5 ～1.0m、1.0 ～1.5m水域面积明显减少,0.2 ～0.5m 水域面积变化不大;水位25.0m 时对应的水深0 ～0.2m、0.5 ～1.0m、1.0 ～1.5m 水域面积明显减少,0.2 ～0.5m 水域面积增加,新增水域面积主要是沙子营闸下游农田及温榆河沿线滩涂。

表1 辛堡闸不同水位条件下不同水深对应的水域面积单位:hm2

3 不同水位流速分析

基于现场调查及MIKE21 模型模拟结果,辛堡闸不同水位条件下不同流速对应的水域面积见表2,由表2 可知,随着水位升高,流速小于0.1m/s 的缓流区域增加,流速大于0.2m/s 以上的水域面积减少。 与22.5m 时相比不同水位条件下不同流速对应的水域面积变化比例见图1,由图1 可知,与辛堡闸水位22.5m时相比,水位23.0m 时,流速0 ～0.2m/s 对应的水域面积增加30%左右,流速大于0.2m/s 对应的水域面积减少30%左右;水位24.0m 时,流速0 ～0.1m/s 对应的水域面积增加80%左右,流速大于0.1m/s 对应的水域面积减少70% 左右;水位25.0m 时,流速0 ～0.1m/s 对应的水域面积增加120% 左右,流速大于0.1m/s 对应的水域面积减少70%左右。 当辛堡闸水位从22.5m 提高至25.0m 时流速降低,不利于形成“流动的河”。

图1 与22.5m 时相比不同水位条件下不同流速对应的水域面积变化比例

表2 辛堡闸不同水位条件下不同流速对应的水域面积单位:hm2

4 水位变化对生物多样性的影响分析

4.1 水位变化对水生植物种类的影响分析

经调查,水位25.0m 以下主要有29 科67 属71 种植物,其中14 种分布较广,包括芦苇、葎草、猪殃殃、石龙芮、酸模叶蓼、皱叶酸模、香蒲、水葱、金鱼藻等。 在长期维持25.0m 水位后,沙子营闸以下河段区域淹没较深,仅有芦苇、茭白及部分沉水植物存活,多年生植物根部有少量存活并开始萌芽,一年生植物全部死亡,禾本科、苍耳等植物开始重新萌芽;其余区域淹没较浅,植物少量枯萎,大部分存活,影响较小。

结合水生植物生长特性,沉水植物萌发、生长期水深宜控制在1.0m 以内,根据水体透明度适当调整;沉水植物正常生长期最大水深也应控制在2.0m 以内。为保障“草型水生生态系统”,宜在3—8 月营造更多水深小于1.0m 的水域,建议辛堡闸水位控制在23.0 ～24.0m 之间。

4.2 水位变化对浮游类生物种类的影响分析

4.2.1 对浮游植物种类的影响

经调查,蓄水前后,浮游植物种类、数量整体呈上升趋势,物种数变多,其中硅藻门和绿藻门种类数占比较大。 浮游植物密度也呈上升趋势,鲁疃闸上游超过3000 万个/L。 蓄水后,温榆河河段蓝藻门浮游植物密度快速升高,蓝藻易在高温、强光、静水、富含营养物质的条件下快速、大量生长,氮磷等营养元素均会影响藻类的光合作用,影响藻类的生长状况,一般反应机理如下:

而造成藻类水华暴发的重要因素还包括气象要素(如温度、光等)、水文条件和浮游动物捕食等,这已得到国内外大量研究的证实。 长期维持高水位会在一定程度上为藻类快速生长创造条件,造成浮游植物大量增殖。 蓄水前后浮游植物密度变化见图2。

图2 蓄水前后浮游植物密度变化

4.2.2 对浮游动物种类的影响

蓄水后,浮游动物种类、数量整体上呈下降趋势。温榆河河段浮游动物种类先升高后降低;清河浮游动物密度显著低于温榆河,轮虫为优势物种。 温榆河辛堡闸附近,浮游动物密度出现先上升后下降的趋势,蓄水过程中,浮游动物密度曾超过1500 个/L。 蓄水前后浮游动物密度变化见图3。

图3 蓄水前后浮游动物密度变化

浮游植物密度增加不利于水质维持,长时间蓄水易加大水华风险;浮游动物种类及密度降低总体不利于水生生物完整性及物质循环;结合两者的需要建议辛堡闸水位控制在24.0m 左右。

4.3 水位变化对底栖动物的影响分析

2021 年,温榆河公园内有大型底栖动物56 种,隶属于5 大类,其中寡毛类3 种,蛭类6 种,软体动物类13 种,水生昆虫幼虫类32 种,甲壳类2 种。 平均物种数为7 种,平均密度为148 个/m2,整体的物种数量相对较丰富[8]。

实际调查结果显示,蓄水后底栖动物密度总体呈增加趋势,尤其蜉蝣目动物密度显著增加,初步监测到底栖动物种类及生物多样性增加(见图4、图5),分析原因:ⓐ流速降低,有利于底栖动物固定;ⓑ蓄水过程中水陆交换使得营养物质循环进入水体,有利于底栖动物繁衍。 但长期蓄水后,随着水深增加,底栖动物密度会降低,因此蓄水不一定有利于底栖动物多样性的增加。 蓄水后底栖动物密度总体增加,短期蓄水利于底栖动物繁殖,建议辛堡闸水位控制在23.0m 左右。

图4 蓄水前后底栖动物密度变化

图5 蓄水前后底栖生物多样性变化

图6 辛堡闸蓄水期鸟类类群分析

4.4 水位变化对鱼类的影响分析

2021 年,温榆河公园内有鱼类31 种,分属于3 目9 科。 其中以鲤形目鱼类为主,共25 种,占鱼类总种数的81%;鲈形目5 种,占16%;鲇形目1 种,占3%。 监测到有马口鱼、宽鳍鱲、黑鳍鳈3 种北京市地方二级保护水生野生动物。

本次调查到鱼类有17 种,包括北京市地方二级保护水生野生动物黑鳍鳈。 监测到鱼类种类总体上较2021 年少,但考虑到鱼类监测具有随机性,需进一步跟踪分析。 此外,结合鱼类生境及摄食情况,马口鱼相对喜欢在急流河段觅食,水域面积减少可能影响马口鱼类摄食活动;宽鳍鱲生活河段通常河水较清澈,底质多为砂砾石、鹅卵石或泥沙等,且繁殖期(主要集中在4—7 月)喜欢流态较急水域。 综合考虑鱼类适宜生境,建议辛堡闸水位维持在23.0m 左右。

4.5 水位变化对鸟类的影响分析

北京市鸟类丰富度最高的时段集中在春秋两季[9],其中4—5 月是北京市多数繁殖鸟类筑巢繁殖的时段,也是大量候鸟过境的关键时期,鸟类多样性对栖息地产生了较大需求[10]。

本次调查共记录到鸟类97 种,其中国家二级保护鸟类8 种,为鸳鸯、凤头蜂鹰、鹊鹞、黑鸢、短耳鸮、红隼、红脚隼、燕隼。 蓄水1 个月内4 次调查显示鸟类种类未发生显著变化,平均值为58 种,数量略有减少。从鸟类的生态类群进行分析,本区域鸟类以鸣禽为主,占57.58%,排在其次的则为游禽(鸭科、鸬鹚科、科、鹭科)和涉禽(秧鸡科、鸻科、鹬科),均为水鸟,总计占鸟类种数的21.32%,此外这一地区的猛禽数量也相对较多,日行性猛禽(鹰科、隼科)与夜行性猛禽(鸱鸮科)均有所分布。 辛堡闸蓄水期鸟类类群分析见图5。

在2022 年5 月温榆河辛堡闸蓄水期鸟类监测表明,本区域在22.5 ～25.0m 水位波动中,鸟类多样性和群落组成未发生明显变化。 建议维持水位至22.5 ～23.5m,增加河道内浅水浅滩面积,营造更多洲心岛、浅滩生境,供雁鸭类停歇、觅食和栖息。

5 结 语

2022 年辛堡闸蓄水后,对水位变化情况下温榆河公园内水生植物、浮游生物、底栖动物、鱼类、鸟类等生物多样性进行了调查与分析。 本文基于表象监测、水文模拟和对生物习性的综合分析,提出辛堡闸建议水位控制深度。 综合来看,在生境、生物等因素影响下,非防洪调度时期辛堡闸水位维持在23.5m 左右,可最大可能维持生物多样性。

本文为北京市春季时的调查数据,由于北京市各个季节生物种类不同,水位对生物多样性的影响存在季节性差异,汛期时公园内水位根据防洪需求进行调度,建议进一步研究秋季及冬季非汛期的适宜水位,以及不同水位对防洪调度、水质情况、公园内沟渠蓄水情况等的影响,综合确定温榆河公园运行管理时的调度水位。