A3：科技智慧
●王 哲 胡文华
摘 要
近年来随着国务院“水十条”的颁布，黑臭河道整治及水环境治理愈加受到重视，如何协调好水资源配置与水质水量、生态环境、社会发展的关系，成为现在亟待解决的问题。雨源性河流是城市水体中重要的类型，由于此类河流径流量主要来自于本区域降雨，有雨则产流，无雨则基本断流，且以小河沟居多，因此环境容量小、生态脆弱，往往面临水质恶化、断流甚至生态退化的多重威胁。水量不足导致雨源型河流流态不佳、动力不足、复氧和传质能力下降，易引起黑臭。因此，生态补水是治理雨源型河流的关键。在欧洲水资源管理中非常重视河流的“环境需水量”，如英国使用“最小可接受流量”强调对河流生态的重视。国内外河流治理工程范例中，例如北京永定河治理工程、韩国清溪川修复工程，生态补水成为河道修复的重要手段。目前国内外对于生态补水研究主要集中于生态补水对于河流的改善作用，并没有建立起补水量与河流水质河水生态的量化关系，导致生态补水效率较低，水资源利用效率较低。本文通过采集2017年12月-2019年1月的水质水生态数据，开展生态补水量化关系研究，为雨源型河流治理提供更为科学的支撑与依据。
城市河流是指发源或流经城市市区的河流，同时也包括人们为了生产生活而开挖的运河和渠系，它们与人类的生存息息相关。随着城市化的迅速发展，城市河流生态系统遭到了一定程度上的破坏，生态水量不足、水环境退化、景观效益差等问题成为城市河流面临的重要难题。生态流量是维持和保障河流生态系统健康的重要基础，如何调控河道水量，保障河道生态需水，是解决河流生态退化问题的重要途径。然而，长期以来研究主要关注河道污染评价和生态需水量的计算，国内外河流治理工程范例中，例如北京永定河治理工程、韩国清溪川修复工程等，生态补水成为了河道修复的重要手段。目前河流生态补水优化多是基于主观经验，对如何建立起生态补水定量优化方法、体系缺乏科学的指导依据。本研究以深圳市典型河流——大沙河为研究对象，针对河流需水量化关系开展研究，据此提出城市河流生态补水量化关系评估体系，以期为城市河流生态补水提供决策支持。
1 研究区域概况
大沙河位于广东省深圳市南山区，是区内唯一的河流，始于长岭陂水库，汇入深圳湾，干流全长13.7km，感潮河段3.6km，流域面积63.19km2，丰水期河道内水源以降雨地表径流汇入为主，枯水期上游缺乏自然基流，中下游则以西丽再生水厂排水补给，平均每日5×104m3，目前大沙河沿河均已截污，枯水期无污染物进入河道内，丰水期则以箱涵污染物溢流方式进入河道内。
图1 研究区域位置图
本文以大沙河为典型案例进行研究，开展生态补水量化关系研究，提出合理的优化补水方案，为城市河流生态补水提供指导意见。
2 流域水环境分析
为了分析大沙河流域水质及水生态现状，在大沙河上游至下游共布设了7个监测点位，采集pH、TDS、T、BOD、COD、CODMn等28项水质指标，利用25#浮游植物网采集浮游植物样品，加卢戈氏液、5%福尔马林溶液处理样品，开展定性定量分析。图2为采样监测点位图。
图2 大沙河流域采样监测点位图
2.1 水质分析
2017年12月20日，对大沙河进行水样采集进行水环境现状调查，图3为运用综合污染指数评价法对所有监测指标进行分析后的结果，结果表明，目前大沙河水质处于轻污染（有一项检出值超过标准）至中污染（有1-2项检出值超过标准）级别，且从上游至下游，污染情况逐渐加重。通过进一步对监测结果分析，得出大沙河流域主要污染指标为BOD、COD、高锰酸盐指数、氨氮，这些指标相对于各监测断面的平均污染分担率为81%。
图3 大沙河流域河水污染情况图
2.2 水生态分析
目前常用的浮游植物分析方法为香农多样性指数法和物种丰度法。
种群丰富度指群落内物种数目的多少。种群丰富度越大其结构越复杂，抵抗力稳定性就大。
香农多样性指数用来估算群落多样性的高低，计算方法见式2.2，其值能够反映一个景观系统中景观要素类型、组合及属性在空间或时间上的变异性，在香农-威纳指数中，包含着两个成分：①种数；②各种间个体分配的均匀性。各种之间，个体分配越均匀，H值就越大。如果每一个体都属于不同的种，多样性指数就最大；如果每一个体都属于同一种，则其多样性指数就最小。
式中，H为香农多样性指数，R为群落丰富度，pi为第i类浮游植物物种丰度的比例，pi=ni/N，ni为第i种个体数量，N为样品总个数。
图4为大沙河浮游植物种群结构，由图可知，目前大沙河流域浮游植物中物种丰富度占主导为的是硅藻门（32.21%），裸藻门（42.84%），此外还有蓝藻门（19.42%），绿藻门（3.69%）和隐藻门（1.84%）等种属浮游生物。
图5为大沙河浮游植物香农多样性指数分布图及物种丰富度分布图。
图4 大沙河浮游植物种群结构
图5 大沙河浮游植物香农多样性指数分布图
3 生态补水效应评价
图6（左）为大沙河所在的南山区2018年每月降雨量分布图，图6（右）为2018年长岭陂水库向大沙河补水量分布图，图7为大沙河流域综合污染指数随时间变化图。由图6可知，深圳市降雨年内差距较大，降雨主要集中在4-9月，占全年80%以上。由图7可知，进入丰水期后，大沙河流域内综合污染指数呈现出较低的水平，这是由于丰水期河道内接受大量雨水补给，河道内水体更新速度较快，河流自净能力较强；2018年9月开始，长岭陂水库向大沙河进行生态补水，大沙河内水体得到更新，因此综合污染指数下降。对比2017年12月及2018年12月流域内综合污染指数可知，生态补水对于大沙河流域水质改善明显。
图6 2018年南山区降雨量分布图（左）、长岭陂水库向大沙河补水量分布图
图7 大沙河流域综合污染指数随时间变化图
4 生态补水量化关系分析
通过SPSS软件中的皮尔逊相关性法分析补水量（Sw）、综合污染指数（Cpi）与各污染指标的相关性，得出与补水量相关性较强的污染指标，建立起补水量-污染指标的量化关系，为大沙河水质生态补水提供指导。
表1为大沙河水各监测指标间皮尔逊相关性分析结果表，图8为补水量与各环境因子的皮尔逊相关性分布图，可以看出与补水量相关度较高的监测指标为CODMn、流速（v）。补水量与流速在0.01级别显著正相关，与CODMn在0.05级别显著正相关。显然流速随着补水量增大而增大，而流速增大时，水体中污染物浓度减小，NH3-N和TP含量减少，藻类因缺乏营养物质而浓度降低，因此Chla含量也随之降低。
表1 大沙河水各监测指标间皮尔逊相关性分析结果表
图8 补水量与各环境因子皮尔逊相关性分布图
由于在建立大沙河补水量与综合污染指数之间的量化关系时，拟合出的各曲线相关性较低，R2未能达到0.60，但大沙河补水量与流速间、流速与综合污染指数、流速与叶绿素a具有较强的相关性，因此将流速作为中间变量，建立起长岭陂水库补水量与综合污染指数、长岭陂水库补水量与叶绿素a之间的量化关系。
图9为长岭陂水库补水量与大沙河流速变化关系图，关系方式为y=3.13×10-8x+0.21（R2=0.96），其中y为流速（m/s），x为补水量（m3）。
图9 长岭陂水库补水量与大沙河流速的变化关系
图10为大沙河流速与综合污染指数的变化关系图，关系方式为y=0.144x-0.5（R2=0.67）。其中y为流速（m/s），x为综合污染指数。
图10 大沙河流速与综合污染指数变化关系图
整体来看，综合污染指数随着流速的增大而呈线性关系不断变小，结合大沙河流速与长岭陂水库补水量的变化关系可知，长岭陂水库补水量与大沙河综合污染指数变化关系式为：
Y=4.6×106x-0.5-9.6×105 （4.1）
式中，Y——长岭皮水库计算补水量
X——大沙河综合污染指数
图11为大沙河流速与叶绿素a的变化关系图，关系方式为y=0.645x-0.69（R2=0.81）。其中y为流速（m/s），x为叶绿素a（μg/L）。
图11 大沙河流速与叶绿素a变化关系图
整体来看，叶绿素a密度随着流速的增大而呈幂指数关系不断变小，结合大沙河流速与长岭陂水库补水量的变化关系可知，长岭陂水库补水量与大沙河叶绿素a密度变化关系式为：
Y=2.0×107x-0.69-4.2×106 （4.1）
式中，Y——长岭皮水库计算补水量
X——叶绿素a密度（μg/L）
5 城市雨源性河流生态补水优化技术
基于在大沙河流域开展的河流生态补水量化关系研究，可以建立起同类性河流的生态补水研究体系。如图所示，根据水质监测方案，获取城市河流水生态、水环境监测数据并对其开展评价，结合评价结果及流量数据，建立量化数学模型，分别计算出城市河流满足V类水质所需补水量、满足IV类水质所需补水量、满足III类水质所需补水量等。根据多年径流数据计算基本生态需水量。首先，判定当前流量是否满足基本生态需水量，若满足，判定是否满足地表V 类水环境质量标准，若满足，可继续判定是否满足地表IV、III 类水环境质量标准，若其中出现不满足状况，根据数学模型计算出达到各类标准需补水量，增大补水量后重新进行判定，直到满足要求为止。最后，计算在实际状况中满足不同的补水需求分别所需补水量，并对其补水效果进行评价，分析补水前后各环境因子的含量变化，从而对原有的补水方案进行改进和优化。
6 结论与建议
本文通过对深圳市大沙河水环境及水生态进行调查，分析了流域内各监测指标的相关性，开展流域内量化关系研究，获得以下结论：
（1）2017年大沙河流水质为轻中度污染，主要超标指标为BOD、COD、高锰酸盐指数、氨氮，浮游植物中物种丰富度占主导为的是硅藻门、裸藻门、蓝藻门、绿藻门和隐藻门等种属浮游生物。
（2）对目前大沙河流域内各监测指标开展相关性分析，补水量相关度较高的监测指标为高锰酸盐指数、流速、综合污染指数等，补水量越大，流速越快，水体流动性加强，自净能力加强，综合污染指数降低。
（3）通过开展量化关系可知，长岭陂水库补水量与综合污染指数、叶绿素a的量化关系式为Y（补水量）=4.6×106x（综合污染指数）-0.5-9.6×105、Y（补水量）=2.0×107x（叶绿素a密度）-0.69-4.2×106；基于以上量化关系，可以计算大沙河达到IV类、III类水所需补水量，进而指导长岭陂水库补水。
（4）基于大沙河流域开展的河流生态补水量化关系研究，可以建立起同类性河流的生态补水研究体系，为城市型河流生态补水提供技术支撑。