【专家视角】平原河网地区闸控型河道生态修复效果评价
平原河网地区闸控型河道生态修复效果评价
范业弘1,2,何岩1,2,3*,朱晗彬1,2,赵凯豪1,2,顾敦罡4,5,黄民生1,2,3,何培民4,徐兵兵4,何文辉4
1.上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室,华东师范大学生态与环境科学学院
2.崇明生态研究院
3.自然资源部大都市区国土空间生态修复工程技术创新中心
4.上海河湖生物链构建与资源化利用工程技术研究中心
5.上海工程技术大学化学化工学院
摘要:针对城市河道治理后反复出现水华现象的问题，以上海市青浦区小涞港河段为研究区域，基于层次分析法和熵权法的组合赋权法，参考相关研究并结合实地调查，优化选取水质、底泥、护岸等相关指标建立评价指标体系，进行河道生态修复效果评价。结果表明：较高的硝酸盐浓度〔NO3−-N浓度为（3.055±2.863）mg/L，其与叶绿素a浓度显著相关，r=0.36，P<0.05〕是闸控型平原河网水系河流重要的水华潜在风险因素，建议结合现有闸泵工程活水畅流技术，进一步优化曝气方式，创造合适的缺氧微环境以及通过硫、铁元素耦合强化总氮去除；河道底泥以营养盐污染〔内源氮浓度为（2171.99±1664.40）mg/kg〕为主，现有沉水植物种类较为单一，易产生丝状藻华孳生现象，建议增加沉水植物的种类并进行合理配置，降低底泥营养盐污染，增强以沉水植物为核心的水生生态系统稳定性；采用的浆砌混凝土硬质护岸对雨水径流污染的净化拦截能力严重不足，建议适当拓宽河道，对护岸进行生态化改造，选择合理的填料基质和植被配置，以强化护岸对面源污染的截留功能。
关键词:闸控型河道 / 组合赋权法 /河流健康评定 / 生态修复 / 生态系统重构
随着上海河道治理消除劣Ⅴ类水体（GB3838—2002《地表水环境质量标准》，全文同）阶段性目标的完成以及面临水华问题反复出现的困扰[1]，如何有效开展河道治理后评价以及实现水生态系统的长效保持成为亟须解决的问题。河流健康评价是河流生态修复效果评价的重要组成部分，目前相关评价方法主要包括生物监测法和综合指标评价法2类，由于综合指标法评价指标的计算更为科学全面，其已成为河流健康评价的常用方法[2-3]。而目前国内河流健康评价在研究范围上以较大流域为主[4-7]，少有针对城市河道，尤其是平原河网地区闸控型河道治理效果的评估报道[8]；且评价指标多集中于水质[9]或者生物层面[10]，河道整体的评价指标体系的建立缺乏综合性、全面性，同时河道治理评价体系多限于生态修复后水质和生物指标的提升效果，很少涉及到将工程治理技术与实际运行效果结合起来的评价[11-13]。
本研究基于层次分析法和熵权法相结合的组合赋权法[14-15]，结合常用河流健康评价指标，因地制宜选取适用于平原河网地区闸控型河道小涞港河段的16项指标（水文、水质、底泥、河岸、底栖、鱼类6个细化准则层）进行治理后小涞港河段的健康评价，同时跟踪评价小涞港河段治理技术的实际运行效果，开展平原河网地区闸控型城市河道生态修复效果评价，并从水质、底泥、护岸3个角度提出对应的改进措施，以期为平原河网地区闸控型河道生态系统重构与长效保持提供技术参考。
1. 材料与方法
1.1 研究区域
小涞港（会展段）北起崧泽高架路，南至建虹路，东西两侧分别为涞港路和南新环线，全长约1.6km，跨松江、闵行、青浦3区，属亚热带季风性气候，日照充分，雨量充沛且汛期集中于5—9月。本研究区域为小涞港河段重点区（以下简称小涞港河段），即小涞港（徐泾江泵站至崧泽高架下）、徐泾江、泾北河相连所围及河道周边区域，属于平原河网地区闸控型河道。南端通过与徐泾江交界处泵站与周边集水区关联，该河段主要通过水闸、泵站、溢流堰，实现研究区内3条河道间的水循环，并通过软、硬围隔与外部河道隔断，形成局部内循环但与外界交换少的相对封闭的水系。
小涞港河段治理前水质主要存在点源、面源入河污染严重，底泥持续释放污染物，区域水质差〔Ⅴ类~劣Ⅴ类，悬浮颗粒物（SS）、氨氮（NH3-N）及总磷（TP）严重超标〕，透明度低（30~40cm），且缺少周边清水水源，与周边河网水系连通性差，水动力不足等问题。该河段治理采用控源截污技术、闸泵工程循环畅流技术、沉水植物生态修复技术[16-17]，封堵主要雨水管口，利用水闸、泵站、溢流堰构建区域内部循环流动的水动力格局，促进区域循环净水-生态修复的良性循环，建立以沉水植物为核心的生态系统，并定期进行人工维护[18]。治理后主要水质指标逐步稳定在Ⅳ类及以上〔高锰酸盐指数（CODMn）、NH3-N浓度、TP浓度分别为（20.9±1.9）、（14.9±1.0）、（0.051±0.018）mg/L〕，水体透明度大于1.2m。
1.2 分析方法
2021年12月—2022年10月，选取3月（春）、6月（夏）、9月（秋）、12月（冬）4个时间点对国家会展中心周边小涞港河段5个采样点位（XLG-1、XLG-2、XLG-3、XLG-4、XLG-5，图1）进行现场检测及水质、底泥采样，样品采集后放入4℃冰箱冷藏。水质指标包括NH3-N、亚硝酸盐氮（NO2−-N）、硝酸盐氮（NO3−-N）、总氮（TN）、可溶性正磷酸盐（DP）、TP、CODMn、生化需氧量（BOD5）、叶绿素a（Chla）。沉积物指标包括氮、磷、有机质及5种重金属（砷、镁、铜、镉和铅）浓度。水样采集于水下0.5m处，在24h之内用0.45μm微孔滤膜过滤后进行测定（叶绿素a通过90%丙酮溶液进行提取，对水样过硫酸钾消解测定总磷浓度）。鱼类采集在各点位设置地笼（长3.9m，网眼7mm）进行，并通过抓斗式采泥器（华业分析，JC-W-801N）采集沉积物样品。采样及指标检测均参照《水和废水监测分析方法》[19]。
Figure 1. SamplingsitesofXiaolaigangreach
1.3 评价指标体系
在SL/T793—2020《河湖健康评估技术导则》[20]及相关河流健康评价研究的基础上，结合现场实地调查进行指标的初选，并通过斯皮尔曼相关性检验指标的独立性[21]。由于小涞港河段无通航、供水等服务功能需求，同时，生态修复措施（控源截污、闸泵工程活水畅流、沉水植物生态修复技术）工程影响较小，故去除社会服务功能持续性指标、工程影响类、饮用水类指标，增加底泥污染生态风险评估。在此基础上，通过斯皮尔曼相关系数识别冗余指标（|r|>0.75，P<0.01），保留更具代表性的指标。通过上述方式，最终选取16项综合水质评价指标，分别确立指标层（16个）、细化准则层（6个）、准则层（4个）和目标层（1个），建立小涞港河流健康评价指标体系（表1）及生物指标的赋分标准（表2）。
表 1 小涞港河段健康评价指标体系
Table 1. HealthevaluationindexsystemofXiaolaigangreach
表 2 生物指标赋分标准
Table 2. Scoringcriteriaforbiologicalindicators
另外，鉴于闸控型平原河网水系河道这一特殊类型河道研究报道较少，在权重计算上采用主客观结合的组合赋权法，削弱人为确立权重的主观因素影响。层次分析法通过将与决策有关的元素细化成目标、准则、指标等层次，以此为基础进行定量和定性分析[32]。熵权法则是一种客观分析法，通过指标所含信息量的混乱程度来确定指标权重。采用层次分析法和熵权法分别进行指标权重计算，经一致性检验后，进行组合赋权（图2）。
Figure 2. Combinedweightingprocess
组合赋权法权重（wcj）的计算公式如下：
式中：w1j为层次分析法赋权权重；w2j为熵值法赋权权重；n为指标数量，即n=16。
基于各指标的权重，结合各指标层指标打分，计算得到4个季度小涞港河道河流健康指数（riverhealthindex，RHI）。指标层评价标准与分级见表1。将RHI分为5个等级，分别为非常健康（80≤RHI≤100）、健康（60≤RHI<80）、亚健康（40≤RHI<60）、不健康（20≤RHI<40）、病态健康（0≤RHI<20），据此评价小涞港河段河流健康状态。
2. 结果与讨论
2.1 水质及潜在水华风险评估
治理后河网水质显著提升，主要水质指标逐步稳定为Ⅲ类及以上，水体透明度大于1.2m，水体流动性大幅改善，生态系统得到修复，自净能力提升，河道水环境大幅改善。局部时段水质突然变差，主要受降雨后面源污染的影响。Chla是浮游植物细胞的主要光合色素，其浓度与浮游植物生物量有显著相关性[33]，是水华风险的重要指示指标。小涞港河段以绿藻门为主，Chla浓度呈现明显的季节性差异，主要于夏季〔（159.10±104.46）mg/m3〕集中爆发式增长，其次为春季〔（14.62±9.52）mg/m3）〕，秋季〔（6.08±5.05）mg/m3〕、冬季〔（7.87±6.68）mg/m3〕浓度较低，这与绿藻门浮游植物适宜生长的季节相一致。选取4个季度9项水质指标进行Pearson相关性分析（图3），显著性分为较显著（P≤0.05）、显著（P≤0.01）、极显著（P≤0.001）3级。总体来说，Chla浓度与NO2−-N（P≤0.01）、DP浓度呈负相关；与CODMn、BOD5、TN、TP浓度呈正相关。其中，Chla浓度与CODMn、BOD5均呈显著正相关（P≤0.01），主要原因在于一方面有机物为藻类生长提供了营养物质，另一方面藻类死亡的残体被水体中微生物分解再次产生有机物。相较磷营养盐（r=0.16），氮营养盐与Chla浓度的关联性更强（r=0.36，P≤0.05），且TN浓度和NO3-N浓度呈极显著相关（r=0.91，P≤0.001），表明以NO3−-N形式为主的氮营养盐〔TN浓度为（4.411±2.601）mg/L，NO3−-N浓度为（3.055±2.863）mg/L〕是影响小涞港河段浮游植物生长的主要限制性因素。由于小涞港河段构建的以沉水植物为核心的水生态系统，能够提供大量原生氧，而且河道维护会定期使用曝气系统和涌浪机，均导致水体的DO浓度较高，使得上覆水体中NH3-N主要进行NO3−-N转化，不利于TN的去除。
注：*、**、***分别表示在0.05、0.01、0.001水平相关性显著。
Figure 3. Correlationanalysisofkeywaterqualityindicesaffectingbloom
另外，GB3838—2002的河流水质评定中仅将NH3-N作为氮控制指标，导致对水体中TN削减率的重视不足。而闸控型河道相对封闭，容易引起藻类和浮游植物大量繁殖，水体透光率降低，影响沉水植物生长，进而威胁河道健康。目前该河段主要通过定期人工打捞进行维持，增加了河道维护的复杂性和成本。建议在该类水体治理过程中，结合现有设施，进一步优化曝气方式[34]，通过创造合适的缺氧微环境以及强化硫、铁元素耦合反硝化作用[35-36]，提升水体TN的去除率。
2.2 底泥污染风险评估
底泥作为河道污染的汇与源，在外源污染阻断后，底泥的内源释放成为河道健康长效保持的重要风险因子。通过综合污染指数法[26-28]（FF）评价底泥的营养盐状态，指标包括底泥有机质、磷浓度和氮浓度。通过污染负荷指数法[29]（PLI）和潜在生态风险评级法[30]（RI）评价重金属污染状态，选取的重金属包括砷、汞、铜、镉和铅5种（表3）。
表 3 底泥污染风险评价
Table 3. Riskassessmentofsedimentpollution
总体来讲，小涞港河段各采样点位的营养盐状态均为重度污染，其中内源氮浓度较高〔（2171.99±1664.40）mg/kg）〕，且呈现出不断累积的过程〔2021年冬季为（1334.14±826.56）mg/kg，2022年秋季为（3009.83±686.84）mg/kg〕；重金属污染程度较轻，主要为中度污染和中等生态风险，个别点位（XLG-5）出现铜超过重金属背景值（35.1mg/kg）2倍以上。目前小涞港河段底泥污染修复主要通过沉水植物吸收营养盐和重金属，采用的沉水植物主要为苦草，部分河段出现狐尾藻和轮叶黑藻，种类相对单一，致使水生生态系统较为脆弱，对人工维护依赖性高，在适宜藻类生长的春、夏季出现因人工维护不佳导致浮游植物生物量过高〔Chla浓度春季为（14.62±9.52）mg/m3，夏季为（159.10±104.46）mg/m3〕的现象。另外，夏季部分河段还出现了丝状藻华现象，分析认为主要是由于苦草和丝状藻具有相同的生态点位，而且高附着藻密度和高硝酸盐氮浓度（>5mg/L）能协同作用加速沉水植物的衰退[37]。因此，建议此类水体在沉水植物体系构建中，增加沉水植物的种类（如菹草、黑藻、马来眼子菜等）以增强水生生态系统的稳定性。另外，也可以结合人工沉床技术[38]，合理垂直分布沉水植物，防止光抑制现象，增强沉水植物对底泥营养盐重金属的吸收作用。
2.3 河流生态修复提升效果评价
小涞港河段的水文指标优良率较高（60%~80%），如图4所示。主要是由于采用的闸泵工程循环畅流技术以及河道南北两端采用的软围隔，形成北蟠龙港—小涞港—徐泾江—泾北河—北蟠龙港的循环流动格局，在提升水动力和水文连通性的同时，也保证了小涞港的生态流量，这些均有助于生态系统的优化构建。小涞港河段大型底栖动物以铜锈环棱螺、涨肚圆田螺、梨形环棱螺、中国圆田螺为主，物种非常丰富（Je为0.733±0.248）。董芮等[39]发现，大型底栖动物的丰富度和丰度随着水文连通性的增加而增加。小涞港河段良好的水文条件和丰富的大型底栖动物也印证了这一点。鱼类指标受季节性影响较大，鱼类生物量夏季最低，冬季最高，秋季居中，春季鱼类生物量差异显著。小涞港河段沉水植物主要以苦草为主，在春末夏初开始发芽繁殖，秋冬季节达到生物量峰值后逐渐衰退，这与鱼类生物量变化基本吻合。推测小涞港河段鱼类主要与沉水植物的生物量有关，茂密的沉水植物能够为水生动物提供食物和栖息场所；夏季则由于水华现象造成沉水植物衰退，减少了鱼类的栖息场所，因而生物量极低。
Figure 4. Scoresofrefinementcriterionlayerindifferentseasons
综合全年RHI指标评价（表4），春、秋、冬季为健康，其中秋季最优（RHI为75.0），仅夏季为亚健康（RHI为51.4），该指标体系评价结果与实际情况基本一致。夏季亚健康状态主要表现为鱼类生物量较少（Je为0.225）、沉水植物有明显的衰败，水体中藻类细胞生物量（主要以绿藻门为主）过高（Chla浓度平均值为159.10mg/m3）。小涞港河段前期治理通过控源截污、闸泵工程活水畅流、沉水植物生态修复技术，整体保持着较为良好的健康状态，但对于人工维护的依赖性较强。其中，闸泵工程活水畅流发挥了重要作用，而控源截污、沉水植物生态修复技术在实际运行过程中存在不足，需要采取相应措施加以改善。
表 4 四季河流健康状态综合评价指数（RHI）
Table 4. ComprehensiveevaluationindexRHIofriverhealthstatusinfourseasons
3. 结论与建议
3.1 结论
（1）建立闸控型平原河网水系河道生态修复效果评价指标体系，该指标体系评价结果与实际情况基本一致（夏季亚健康状态对应现场部分河段出现的水华现象），证明该指标体系适用于闸控型平原河网水系河道生态修复效果评价。
（2）通过开展控源截污、闸泵工程活水畅流、沉水植物生态修复措施，河段整体保持健康状态，主要水质指标均保持在地表水Ⅳ类及以上〔COD、NH3-N浓度、TP浓度分别为（20.9±1.9）、（14.9±1.0）、（0.051±0.018）mg/L〕，水体透明度大于1.2m，说明以上3项治理技术基本适用于闸控型平原河网水系河道生态修复。
3.2 建议
（1）闸泵工程活水畅流发挥了良好的效果，改善了水文连通性，有利于大型底栖动物的生长。同时，研究发现较高的硝酸盐浓度是闸控型平原河网水系河流重要的水华潜在风险因素，建议进一步优化曝气方式，创造合适的缺氧微环境以及通过硫、铁元素耦合强化总氮去除。
（2）底泥重金属污染较轻，以营养盐污染为主。现有沉水植物种类较为单一，易产生丝状藻华孳生现象，建议增加沉水植物的种类，如菹草、黑藻、马来眼子菜等，进行合理配置，降低底泥营养盐污染，增强以沉水植物为核心的水生生态系统稳定性。
（3）目前小涞港河段采用的浆砌混凝土硬质护岸，虽然从防洪排涝的水利学角度是有利的，但它隔绝了陆生与水生之间能量与物质的交换，且选取的植物（如四季红海棠）侧重于景观性作用，忽略了护岸对面源污染的截留功能[40]，使其成为影响河道生态修复效果的潜在风险。建议适当拓宽河道，对护岸进行生态化改造，选择合理的填料基质和植被配置，以强化护岸对面源污染的截留功能。
后续研究建议对不同类型河道污染治理技术的工程运行效果进行比较，建立各种类型河流生态修复技术的技术集成体系，为城市水环境高质量发展提供技术支撑。
参考文献
