南京市城南河流域水生态系统现状评价

　　摘 要：

　　随着城市化的快速发展，滨江城市水生态状况整体呈现恶化趋势。为了解滨江城市南京城南河流域的水生态状况，基于2018年平、枯、丰三时期城南河流域水生态调查数据，采用MIKE11水动力模型、单因子评价法、Shannon-Wiener法以及定性分析法等分别对其水文、水质、生物和水生态服务功能四方面开展单因素评价，并在此基础上，采用综合评价模型对城南河流域水生态系统开展现状评价。结果表明：城南河流域水生态系统总评分2.42,处于亚健康状态，4项评价指标中水文指标综合得分3.18,为健康水平，生物和水生态服务功能得分位于2～3之间，为亚健康水平，水质指标最差，综合得分1.66,为不健康水平。原因在于一些闸泵的设置不合理以及生产、生活污水的直排入河。水质状况较差是影响城南河流域水生态系统的主要原因。建议采取控源截污、水系连通等方法改善河流生态系统的恶化，促进城南河流域水生态系统健康发展。研究成果可为滨江城市小流域的水生态评价提供一定的理论依据。

　　关键词：

　　水生态系统;水质;MIKE11;水环境;指标体系;滨江城市;城南河流域;南京;

　　简介：

　　樊金璐(1997—),女，硕士研究生，主要从事城市水环境、水资源的研究。E-mail:;

　　*刘俊(1968—),男，教授，博士研究生导师，博士，主要从事城市水环境、水资源的研究。E-mail:;

　　基金：

　　国家自然科学基金项目(41471015);

　　江苏省水利科技项目(2017045);

　　引用：

　　樊金璐，刘俊，周文琦，等． 南京市城南河流域水生态系统现状评价［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 5) : 139-148.

　　FAN Jinlu，LIU Jun，ZHOU Wenqi，et al． Evaluation of status quo of water ecosystem of Chengnanhe Ｒiver Watershed in Nanjing［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 5) : 139-148.

0 引 言

　　河流水生态系统作为一种自然生态系统，具有自我维持、自我调控的功能，但随着城市化进程的快速推进，滨江城市水生态状况整体呈现恶化趋势。与自然河湖生态系统相比，滨江城市社会经济系统对水生态系统的干扰日渐增加，取水、筑坝、分流、河道渠化、硬化等对水生态系统的水文流态、水文循环产生了物理性干扰，再加上污染排放、水生生物过度捕捞等综合作用，导致城市水生态系统出现水量短缺、水质恶化、系统结构受损等问题，水生态系统面临退化危机，水生态服务功能明显下降，日益影响经济社会的可持续发展。因而，了解滨江城市的水生态系统结构与特性，有针对性地对其水生态系统提出保护修复方案显得尤为急迫。

　　开展科学有效的水生态系统现状评价，是进行河流健康诊断、分析不健康成因以及有针对性的制定生态修复与保护方案的重要前提。生态系统健康的概念起始于20世纪70年代,国外较早开展流域生态系统的健康评价，KARR认为，河流生态健康应具有物理、化学、生物多重属性，并率先尝试应用鱼类生物完整性指数评估河流的生态状况。VANNOTE等根据水生生物和水体流量的关系，提出了“河流连续体”的评价方法；美国的SALAS等通过监测藻类、大型底栖动物、鱼类等生物指标，提出了“快速生物监测”的方法。CARLES等主要研究河流生态系统健康评价的生态学指标，其重点在于单一性生物性指标的分析。HENG等研究了污水排放影响下河流生态系统健康情况，主要对水体理化性质指标作了深入分析。而我国关于河流水生态健康评价的研究起步较晚，目前有关水质评价方面的研究较多，在借鉴其他发达国家的水质评价方法之后，逐步达到了世界水质评价研究的先进水平。常用的水质评价方法主要有《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)推荐的单因子指数法以及内梅罗指数法，模糊综合评价法，灰色关联分析法等，但单纯的水质指标并不能全面反应河流的水生态状况，近年来，人们开始综合考虑使用河流水质、生物学和物理栖息地等参数进一步发展出综合评价法对河流水生态状况进行评估。如吴阿娜等从理化参数、生物指标、形态结构、水文特征、河岸带状况5个方面提出了表征河流健康状况的方法；郝利霞等以海河流域为研究对象，采用指标体系法评价了流域内河流生态系统健康；朱卫红等基于河流水文、河流形态、河岸带状况、水体理化参数和河流生物5个层面选取了22项指标，结合层次分析法评价了图们江流域河流生态系统健康。国内外对流域生态系统现状的研究大多侧重水质、生物、水体理化性质等指标，鲜有提及社会经济等指标,综合评价研究相对较少。

　　准确评价河流健康的关键在于选取恰当的评价指标体系，目前，国内外很多地方根据本地区自然特征和河流特点建立了相应的河流健康评价指标体系，如美国的快速生物评估协议(RBPs)和生物完整性指数(IBI)、澳大利亚的溪流状况指数(ISG)和河流评估系统(AUSRIVAS)、英国的河流生境调查(RHS)等。我国学者在参考国外关于河流健康研究的基础上，对河流健康评价指标体系进行了进一步的提升和完善，在黄河流域、长江流域、珠江流域等均进行了相关研究。如林木隆等对珠江流域制定了总体层、系统层、状态层和指标层四个层次结构和自然属性、社会属性两个方面的指标体系。国内关于河流健康的研究区域大多集中在大河流、大流域，针对小河流、小流域的研究较少且并未形成统一的评价标准和评价体系。目前关于城南河流域水生态系统，众多研究者主要关注对水质的研究，针对结合流域自身水文特点、河流水质、生物和水生态服务状态对流域水生态系统进行综合评价的研究相对欠缺。鉴于此，基于南京城南河流域实际情况和特点，参照《江苏省重要河流健康状况(2013)》以及河海大学和中科院南京地理湖泊研究所共同提出的河湖健康评估指标体系，从水文、水质、生物和水生态服务功能四方面分别对流域水生态健康进行评价，并以此为基础选用综合评价模型进行流域水生态系统现状评价，以期了解滨江城市的水生态系统结构与特性，有针对性地对其水生态系统提出保护与修复方案。

1 研究区域概况与采样方法

　　1.1 研究区域概况

　　城南河流域位于南京市浦口区中部江浦街道，发源于长江北岸的黄山岭，穿越浦口城区流入长江，流域面积约为57.7 km2,河道总长约为11.4 km。城南河流域水(环境)功能区划为城南河江浦工业用水区，主要功能为工业和农业，2020年需达到IV类水要求。近年来，随着浦口区国民经济和城市化建设的快速发展，周边生产、生活污水直排入河，造成城南河河道淤积严重，水生态系统结构受损，功能下降，根据城南河水功能区监测断面2014—2017年水质监测资料，水质达标率逐年提高但仍不超过25%,水生态状况不容乐观。

　　为准确真实反映城南河流域水生态系统现状，于平水期(2018年4月)、丰水期(2018年9月)、枯水期(2018年12月)对南京城南河流域各条主要河道进行了采样调查。城南河流域常规水质监测断面为江浦大桥和龙王庙。为保证城南河各支流及通过泵站汇入城南河干流的水体水质达标，全面反映本次评价范围内水生态系统现状，本次评价在现有监测断面基础上，新增9个水质监测取样断面，位于城南河各支流出入城南河口处，实时监测支流入城南河水体水质，为了分析城南河水生生物情况，选取1处采样点位于彩虹桥处进行底泥监测。选取的采样点及常规水质监测断面对应的具体河段及位置如图1所示。

　　图 1 监测断面位置

　　1.2 采样方法

　　1.2.1 水样采集

　　用便携式仪器进行一些水质参数(pH值、电导率、DO)的现场测定,每个采样点采集1 L水样，带回实验室0～4 ℃冷藏保存，并于24 h内进行各水质指标的监测。

　　1.2.2 生物指标获取

　　使用1 L的有机玻璃瓶采水器在采样点进行表、中、底三次采样，混合均匀，并加入10 ml鲁哥试剂进行现场固定，带回实验室处理，镜检观察浮游植物、浮游动物个数。

　　底泥采样用彼得森采泥器，在采样点进行3次采样充分混合，并用0.5 mm分样筛，分筛底泥，放入密封袋中，低温保存；带回实验室镜检观察底栖动物个数。

　　1.2.3 其他指标的获取

　　为解决研究区域水文资料不足的问题，构建MIKE11水动力模型获取各河段水文数据。水生态服务功能各指标结合现场调研、参考文献和专家咨询等对其现状情况进行研究分析。

2 评价方法

　　2.1 水文指标

　　(1)河岸稳定性选取岸坡侵蚀程度为主要评价指标

　　式中，i为河岸稳定性指数；L为稳定无明显侵蚀的河岸线长度；D为河岸线总长度。

　　(2)水体流动性的评价选取MIKE11水动力模型(HD)。MIKE11模型功能强大，应用广泛，已成为我国专用于水环境影响评价的标准软件之一,其水量模型主要是基于连续方程(质量守恒定律)和动量方程(牛顿第二定律)的圣维南方程组进行构建，并采用6点Abbott-Ionescu有限差分格式进行求解。

　　(3)生态流量满足程度根据收集到的1985—2014年以来的浦口雨量站(位于城南河)逐日降雨资料利用水文学方法确定基流标准，并将该计算结果作为重要的参照，采用MIKE11模型，根据评价时段内天然径流量满足基流标准的天数进行评价。

　　2.2 水质指标

　　按照《环境监测技术规范》及《水和废水监测分析方法》(第三版)要求执行，采用单因子评价法对城南河流域水质进行评价。各水质指标具体监测方法如表1所列。

　　2.3 生物指标

　　(1)岸坡植被结构完整性选取植被覆盖率为主要评价指标

　　式中，P为岸坡植被覆盖率指标值；A为调查河段植被覆盖面积；S为调查河段岸坡总面积。

　　(2)水生生物多样性本次评价指标为浮游植物、浮游动物和底栖动物，选取Shannon-Wiener法进行分析评价

　　式中，I为生物多样性指数；n为总物种数；di为第i种生物量占总生物量的比例。

　　2.4 水生态服务功能

　　水生态服务功能选取产品供给功能、调节功能、文化功能和支持功能等4项指标，并结合水质评价结果、现场调研以及参考滨江城市水生态系统服务功能，采取专家打分以及问卷调查的方式进行分析评价。

3 模型构建

　　3.1 城南河流域水动力模型构建

　　3.1.1 河网概化

　　研究区共概化河流8条，为城南河干流、上游支流护城河、雨山河、极乐河和下游支流丰字河、东方红河、南农河、芝麻河。水利工程概化主要包括：橡胶坝、城圩泵站、钢材泵站等10个水工建筑物。城南河流域河网概化如图2所示。

　　图 2 城南河流域河网概化

　　3.1.2 模型率定

　　HD模块选取枯水期水位作为模型的初始条件，雨山河、芝麻河、南农河、东方红河、丰字河为水位边界条件，水位值为常数2 m; 选取极乐河和护城河为流量边界条件，流量分别为常数5 m3/s和3 m3/s, 由于城南河干流下游汇入长江，所以选取2012年枯水期长江潮位为城南河干流边界条件，如图3所示。

　　图 3 枯水期长江潮位

　　选取2017年11—12月江浦大桥和龙王庙水位实测数据进行模型率定，并以2018年11—12月水位数据进行验证，HD模块主要率定参数为河床糙率，河床糙率是表征河道底部和岸壁影响水流阻力各种因素的综合系数,经模型率定河床糙率取值范围为0.022 5～0.025,率定结果如图4所示，验证结果如图5所示。

　　图 4 水动力率定结果( 2017 年 11 月—12 月)

　　图 5 水动力验证结果( 2018 年 11 月—12 月)

　　率定和验证结果显示，HD模块水位绝对误差均在10 cm以内；符合《水文情预规范》(GB 22482—2008)中对MIKE11率定过程中许可误差的规定。所以模型可较好反应城南河流域水动力状况。

　　3.2 水生态系统综合评价指标体系构建

　　3.2.1 水生态系统评价指标及分级标准

　　选取水生态系统综合评价模型对城南河流域河流健康进行现状评价，考虑河流的自然属性、社会属性和当地实际情况，按照独立性、代表性、科学性的原则并参考《江苏省重要河流健康状况(2013)》以及河海大学和中科院南京地理湖泊研究所共同提出的河湖健康评估指标体系及方法选取评价指标,根据所选指标将城南河流域健康指标体系分为3个层次，其中目标层为：河流健康综合评价指数(RHI),准则层为水文、水质、生物以及水生态服务功能，指标层为具体的13项评价指标，参考南京市水资源质量简、《江苏省重要河流健康状况(2013)》以及现场调研和专家咨询并借鉴美国、澳大利亚、新西兰等国外河流健康评价标准及国家《地表水环境质量标准》对各指标进行赋分,每一项指标划分为4个等级，赋予不同分值4、3、2、1,各指标分级标准如表2所列。

　　3.2.2 水生态系统综合评价指标权重确定

　　将所有元素对上一层的重要程度按照1～9比例标度法进行赋值，基于层次分析法构造两两判断矩阵,并借助Matlab工具求解判断矩阵的最大特征值和特征向量，进而得出各评价指标权重值，经检验分析所有判断矩阵一致性指标均小于0.1,具有一致性，各指标赋予的权重值是合理的，评价体系权重值如表3所列。

　　根据各指标层评分值及指标层、准则层权重值[23]构建城南河流域河流健康综合评价模型

　　式中，B为准则层评分值；W为河流健康综合评分值；ci为指标层分数值；li为指标层权重；yi为准则层权重。

4 水生态系统现状分析与评价

　　4.1 水文现状分析与评价

　　4.1.1 河岸稳定性评价

　　以枯水期为例，城南河流域各河段岸坡稳定性指数统计结果如表4所列。

　　根据表4统计结果及现场调研分析可知，城南河干流岸坡完好，河岸稳定性指数为0.90;护城河和丰字河存在土方流失、河岸侵蚀现象，河岸稳定性指数分别为0.60、0.55;其他支流水体流动不明显，河岸稳定性指数位于0.73～0.80之间，岸坡较稳定。

　　4.1.2 水体流动性评价

　　根据MIKE11水动力模型模拟结果，以水动力状况较差的枯水期为例，结果如图6所示。

　　图 6 枯水期各河段水动力状况

　　由图6可知极乐河、护城河及城南河干流水体流动性较好，流速可达0.10 m/s以上，其他支流水体无明显流动，流速位于0.00～0.02 m/s之间。经分析可知，极乐河位于象山水库下游，有水库下泄水量补给其上段，护城河设有滚水坝、城南河干流设有橡胶坝，这在一定程度上促进了水体的流动性。而其他支流由于受到闸泵组合的影响，水体流动性差。

　　4.1.3 生态流量满足程度评价

　　根据水文学方法计算得知，城南河一般水期(10月—次年3月)基流标准为0.16 m3/s, 鱼类产卵育幼期(4—9月)基流标准为0.47 m3/s, 对模型模拟时段(2018年4月—2019年3月)获得的数据进行统计分析可知，2018年4—9月中，天然径流量可满足基流标准的天数为183 d; 2018年10月—2019年3月中天然径流量可满足基流标准的天数为182 d, 评价时段内生态流量均达到要求，满足程度为100%。

　　以水文状况较差的枯水期为例，根据现场调研、模型模拟结果，利用标准经验取值对水文各指标进行赋分(见表4)。

　　4.2 水质现状分析与评价

　　以情况最不利的枯水期为例，水质指标实测值及得分情况如表5所列。

　　总体来看城南河流域水质状况不容乐观，除城南河干流达到Ⅳ类水标准外，各支流均为劣Ⅴ类水，城南河支流比干流污染严重，这与城南河支流都与干流有泵站连接、泵站都为关闭状态、水体流通性差有关。根据具体数据分析可知，城南河及其支流中主要污染物为氨氮，次要污染物为COD。大部分河道磷浓度较低，但在磷超标的断面中，磷浓度超标严重。不同河段溶解氧浓度差距较大，城南河干流溶解氧浓度较大，芝麻河溶解氧浓度较低。

　　4.3 生物现状分析与评价

　　4.3.1 岸坡植被结构完整性评价

　　根据《河湖健康评估技术导则》中岸坡植被完整性指标评价标准，指标值0～0.4评价为“差”,0.4～0.6评价为“中”,0.6～0.85评价为“良”,0.85～1.0评价为“优”。城南河流域岸坡植被结构完整性综合评价结果和得分情况如表6所列。

　　城南河流域丰水期岸坡植被覆盖率较好，枯水期受水位以及天气影响岸坡植被覆盖率较差。结合现场调研情况以及表6结果，综合评价城南河流域岸坡植被结构完整性为“良”。

　　4.3.2 生物多样性评价

　　生物多样性指数0～1评价为“差”,1～2评价为“中”,2～3评价为“良”,大于3评价为“优”。城南河流域生物多样性评价结果如表7所列。

　　根据现场采样及镜检结果分析可知：

　　(1)枯水期浮游植物共4门11属12种，最多的是绿藻门，生物量约为0.143 9mg/L,优势种为小球藻；浮游动物优势种为近邻剑水蚤；底栖动物5种，生物量约为0.793 g/m2,优势种为节肢动物门。

　　(2)平水期浮游植物共4门12属13种，最多的是绿藻门，生物量约为0.229 9mg/L,优势种为小球藻；浮游动物优势种为近邻剑水蚤；底栖动物4种，生物量约为0.434 g/m2,优势种为节肢动物门。

　　(3)丰水期浮游植物共5门19属29种，最多的是蓝藻门，生物量约为0.097 5mg/L,优势种为啮蚀隐藻；浮游动物优势种为三肢轮虫；底栖动物3种，生物量约为0.074 g/m2。优势种为节肢动物门。

　　依据生物多样性指数评价城南河流域水生生物状况整体处于中等水平。

　　4.4 水生态服务功能现状分析与评价

　　结合水质评价结果、现场调研以及参考滨江城市水生态系统服务功能，分析城南河流域水生态系统现存服务功能情况，如表8所列。

　　分析可得，城南河流域上游为山丘区，分布着零散的小水库，仅供下游河道用水，下泄量不足以发电，故无水力发电以及航运功能，各支流不具备旅游服务、涵养水源功能。除此以外，城南河流域其他功能现存情况较好。城南河流域水生态服务功能得分情况如表9所列。

　　4.5 水生态系统现状综合评价

　　基于水生态系统综合评价模型利用加权平均对准则层进行计算，参考国内外研究进展及专家咨询结果，将河流健康得分情况划分为四个等级：3～4为健康，2～3为亚健康，1～2为不健康，0～1为病态。城南河流域水生态系统现状综合评价结果如表10所列和图7所示。

　　图 7 水生态系统现状综合评价结果

　　城南河流域水生态系统总评分2.42,为亚健康水平。其中城南河干流水生态系统总评分3.08,呈健康状态，城南河各支流评分位于2～3之间，为亚健康水平，分析可知：

　　(1)城南河流域水文指标综合评分3.18,为健康水平。

　　其中，城南河干流、支流极乐河、护城河评分3分以上，水文指标为健康，而其它支流由于受到闸泵影响，水体流动性不好，水文指标呈现亚健康。

　　(2)城南河流域水质指标综合评分1.66,为不健康水平。

　　除城南河干流水质指标为亚健康，支流芝麻河水质指标为病态，其它各支流水质指标均为不健康，主要是与各支流与干流均有泵站连接、且泵站为关闭状态水体流通性差、以及生产生活污水直排入河等有关。

　　(3)生物综合评分2.33,为亚健康状态。

　　受水质影响，浮游动物和底栖动物种类不多，各条河流生物状况均呈现亚健康水平。

　　(4)水生态服务功能评分2.84,为亚健康水平。

　　城南河干流和极乐河水生态服务功能较完善，河流呈现健康状态，其它支流由于受到水力发电、航运等影响，水生态服务功能呈现亚健康状态。

5 结 论

　　(1)在参考国内外关于河流生态系统健康评价指标体系和评价方法的基础上，结合滨江城市南京市城南河流域自身特点，分别从水文、水质、生物和水生态服务功能四方面进行分析与评价，并最终得出城南河流域的综合评价结果。采用综合评价法从多指标、多方面进行流域水生态系统现状评价，弥补了单纯化学指标或单纯生物指标评价水生态不够全面的问题，评价结果符合客观实际并具有一定的科学性，可为水生态修复与管理提供理论依据与可行性思路。

　　(2)城南河流域水生态系统现状综合评价结果为亚健康，其中生物和水生态服务功能由于受到水工建筑物以及河道渠化、硬化等的影响，呈现亚健康状态；水质指标由于受到闸泵以及生产、生活污水直排入河的影响，呈现不健康水平。建议后续重点关注城南河流域水质改善。

　　考虑实际情况和河流水生态系统评价体系的不成熟，在进行评价指标体系选择时具有一定的主观性，后续研究应从多方面、多角度进一步制定针对性更强的评价指标体系和评价标准，为滨江城市小流域水生态修复与管理提供进一步的指导。

　　水利水电技术

　　水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

本文标题：南京市城南河流域水生态系统现状评价