根据河道形态和沉积物特征的河流新分类
第26卷第5期2010年9月水资源保护WA TER RESO URCE S PRO TEC TIO N V ol. 26No. 5
Sep. 2010
DOI :10. 3969/j. issn. 1004O 6933. 2010. 05. 004
广州城市河流形态对河流自净能力的影响
蔡建楠1, 2, 潘伟斌2, 曹英姿1, 吴 云3, 张 亮2
(1. 中山市环境监测站, 广东中山 528402; 2. 华南理工大学环境科学与工程学院, 广东广州 510006; 3. 广州开发区建设和环境管理局, 广东广州 510530)
摘要:构建了包括河道分维数、河道断面形态、河岸基质、河岸带宽度、河岸带植被盖度、河床底质状况、河床栖境复杂性共7项指标的城市河流形态评价体系, 并以乌涌广州市开发区段为研究对象, 通过定期水质监测研究河流形态对河流自净能力的影响。结果表明, 该评价体系能够反映研究河段的形态差异; 不同形态河段水体BO D 5降解系数及多项水质指标沿程降解率均有显著性差异; 河流形态评价得分较高的河段水体自净能力也较强; 河流形态与N H 32N 、SS 、D O 和浊度的降解存在相关性, 是影响河流自净能力的重要因素。关键词:河流形态; 自净能力; 广州市
中图分类号:TV213.4 文献标识码:A 文章编号:1004O 6933(2010) 05O 0016O 04
Impact of river morphology on urban river self 2purification capacity in Guangzhou
CA I Jian 2nan 1, 2, PAN Wei 2bin 2, CAO Ying 2zi 1, WU Yun 3, ZHA NG Liang 2
(1. Zhongshan Environmental M onitoring Station, Zhongshan 528402, China ; 2. Colle ge o f Environme ntal Science and Enginee ring, South China U nive rsity o f Te chnology, G uangz hou 510006, China ; 3. G uangzhou De velo pment Distric t Construc tion and Environme nt M anage ment Bureau, G uangzhou 510530, China )
Abstract:A river morphology assessment system with seven indexes, c hannel fractal dimension, channel sectional morphology, riverbank substrate, riparian width, riparian vegetation covera ge, riverbed material, and riverbed habitat comple xity, was construc ted and used to study the ef fec t of river morphology on the river self 2purification capacity of Wuyong Strea m in Guangzhou through regular w ater quality monitoring. The results showed that this system can reflect the morphology differences a mong the reaches. The B OD 5de gradation c oefficient and along 2path degradation rate of several wa ter quality inde xes in different reaches show ed significant differences. The reach with the higher river morphology index value had a better self 2purification capacity. River morphology had a c orrelation with the degradation of N H +42N, SS, DO, and turbidity, which w as an important factor for river self 2purification. Key words:urban river; river morphology; self 2purification capacity; Guangzhou 近年来, 我国许多城市在河流整治过程中, 对河道采取裁弯取直、河岸硬质化的改造方式, 使城市河流的自然形态受到了很大程度影响。研究表明, 河流形态多样性是流域生物群落多样性的基础[3]; 破坏河流形态会降低生物群落多样性及生物栖息地质量, 影响河流生态系统健康[4]。笔者构建了一套城市河流形态评价体系, 并以乌涌广州市开发区段为研究对象, 开展河流形态评价及其对河流自净能
[1O 2]
力的影响研究, 探索不同河流形态下河流自净能力的差异, 从河流形态保护角度为城市河流整治工作提供参考。
1 研究对象及方法
1. 1 研究河段概况
乌涌为珠江一级支流, 全长24113km, 其广州开
发区段总长度约12135km 。由于不同时期下河道整
基金项目:广东省科技计划项目(2009B030801003) ; 中山市科技计划项目(20092A142)
作者简介:蔡建楠(1982) ) , 男, 广东潮州人, 助理工程师, 硕士, 主要从事河流生态恢复与环境质量评价工作。E 2m ail:[email protected]
#
治工作指导思想的差异, 2001) 2006年间, 相关部门对乌涌广州开发区段(以下简称乌涌) 采取了3种不同的河道整治方法, 使当前乌涌存在着多种河流形态。本研究中选取的河段概况如表1。
表1 研究河段概况
河段名称
河段长度/m
水深/m
河段形态概述
近自然河段:河道弯曲, 有多处天然跌水; 天然泥质护岸; 岸边带植物类型多样; 泥质河床, 生长多种大型水生动植物人工修葺生态护岸河段:河道较为顺直; 可渗透性石笼及木桩式人工护岸, 生长有多种人工栽植的树木; 沙质河床
渠化河段:河道顺直; 两岸为混凝土护岸, 无岸边带植物生长; 水中无大型水生动植物生长, 沙质河床
系中所占权重, 并根据各项二级指标的评价分值计算河流形态总分值[5O 6]。建立的层次结构模型如图1所示。河流形态总分值的计算公式为
T =
i=1n
E I i W i
式中:T 为河流形态总分值; I i 为第i 项评价指标分值; W i 为第i
项评价指标权重。
W1485016~113
W2512016~110
W3497113~115
图1 河流形态评价层次结构模型
1. 2 河流形态评价指标体系
本研究中将城市河流形态定义为河流生态系统的河道生境特征和地质特征。以此定义为原则, 在对广州市各主要河流形态特征进行调查的基础上, 建立包括河道物理形态、河岸带状况、河床生物栖境等3项一级评价指标和河道分维数、河道断面形态、河岸基质、河岸带宽度、河岸带植被盖度、河床底质状况、河床栖境复杂性等7项二级评价指标的城市河流形态评价体系, 并通过专家咨询的方法确定各指标的分级评价标准(表2) 。1. 3 评价模型及方法
城市河流形态涉及多项特征因子, 每项因子的评价结果对河流形态总分值的贡献也有所不同。本研究中利用层次分析法确定各项二级指标在评价体
1. 4 河流自净能力研究
2007年3月至2008年5月期间, 定期对各研究河段同时开展水质监测, 监测项目包括SS 、D O 、BO D 5、T N 、TP 、N H 32N 、NO 32N 、N O 22N 、浊度及流速等。各项水质指标的监测与分析均采用标准方法测
定[7]。通过比较各研究河段的BOD 5降解系数和水质指标沿程降解率, 可定量评价不同形态下河流自净能力的差异。
1. 4. 1 B OD 5降解系数
BO D 5降解系数是对水体中可生物降解的有机物浓度的一个度量, 可集中反映水体的污染特性和恢复潜力。笔者根据稳态一维B OD 5降解模型对研究河段的BO D 5降解系数进行反推求算, 以定量评价该河段水体B OD 5降解能力。稳态一维BO D 5降
河岸带宽度011911
河岸带植
被盖度%010833
河床底
质状况010775底质粒径组成范围广, 营养盐及有机质含量低
以大型砾石为主, 营养盐及有机质含量低
以砂质土为主, 营养盐及有机质含量低以小粒径砂质土为主, 营养盐及有机质含量高
以淤泥或黏质土为主, 营养盐及有机质含量较高
--
表2 城市河流形态分级评价标准
评价指标指标权重
河道分维数010660
河道断面形态
011340以天然抛物线形断
面为主, 河道宽深比有较大变化以天然抛物线形断面为主, 河道宽深比变化较小
河岸基质012156泥质河岸, 大部分被植物覆盖泥质河岸, 部分河岸有植物覆盖
河岸底部为浆砌护岸, 顶部为泥质河岸
河床栖境复杂性
012325
河道栖境多样化, 有大
型水生植物生长, 有浅滩、深潭和倒凹堤岸等各种栖境
有大型水生植物生长, 有浅滩、深潭等栖境
25~21>111>2 B >80
分
级标准及分值
20~161105~1111~2 B 60~80
15~11
天然抛物线形、人工
矩形或梯形断面均
1102~1105
存在, 河道宽深比有较大变化以人工矩形或梯形
1101~1102断面为主, 河道宽深
比有较大变化[1101
河道断面为单一矩形或梯形断面, 宽深比变化较小
015~1 B 40~60有大型水生植物生长
10~6浆砌块石河岸混凝土硬质化
河岸
20~40
无大型水生植物生长, 以1种或2种栖境为主
栖境单一, 底质多以淤泥或细沙为主
5~1[20
注:表中 B 表示平均河宽。
#
解模型数学表达式为:
K X/V
Q =Q 0e
式中:Q Q 分别为河段上、下断面B OD 5质量浓度, 0、mg/L ; X 为河段上, 下断面距离, m ; V 为河段平均流速, m/d ; K 为B OD 5降解系数, d -1。
1. 4. 2 水质指标沿程降解率
本研究中3种河段长度不同, 因此采用计算水质指标沿程降解率的方法, 以比较不同河段中各水质指标的变化趋势。水质指标沿程降解率计算公式为:
Q c 1-Q c 04
R =@10Q c 0X 式中:Q c 1、Q c 0分别为河段上、下断面某水质指标浓
度; R 为该水质指标沿程降解率。
[8]
表3 不同河段B OD 5降解系数K 的测定结果d -序号12345
W[***********][1**********]9
W[***********]26311521
W[***********]39701149
6789
W [***********]311121
W[***********]496
W3
1
[***********]92
2. 2. 2 研究河段水质指标沿程降解率的差异
表4表明, 除浊度外, 其他水质指标在不同研究河段中的沿程降解率均有显著性差异。N O -N H 32N 22N 、和S S 在W1河段中的降解程度最高, 并且D O 在W1河段中的恢复能力最强。T P 、T N 在W2河段中的降解程度最高。W3河段中, TP 、T N 、N O 22N 、N H 32N 和SS 浓度均呈现升高趋势, 而DO 浓度则逐渐下降; W3河段中N O -32N 虽有一定程度的降解, 但同时T N 浓度升高, 其主要原因可能是N O 32N 向N O 22N 的转变, 因此总体上W3河段水质呈恶化趋势。
表4 不同河段各水质指标沿程降解率的结果及差异性分析
指标TP TN NO -32N NO -22N NH 32N D O 浊度S S
W111953a 11049a 11229a 11912a 01603a -21103a
11171a
51369a
W 231405b 11237a 11348a -11447b -01924b -01993a
11066a 01751b
W3-101290c -41779b
51954b -21071c -71662c
91071c 01821a
-41433c
---
2 结果与分析
2. 1 各河段形态评价结果
W1河段具备良好的河道蜿蜒性及断面多样性, 河水流速变化快, 并存在众多滩涂, 构成了较复杂的河道栖息地环境, 河段形态评价总分值为20129。W2河段河道较为顺直, 河床中有类型多样的挺水植物及沉水植物, 部分河段中植被覆盖度达50%以上, 河段形态评价总分值为14185。W3河段中无大型水生植物存在, 并且河水流速变化小, 整个河段栖息地条件较为单一, 河流形态评价总分值为4115。
2. 2 各河段自净能力研究结果2. 2. 1 BO D 5降解系数测定结果
使用S PSS 1115软件对BO D 5降解系数K 的测定结果进行独立样本t 检验, 结果显示3种河段下的BOD 5降解系数均有显著性差异(表3) 。W1河段中BOD 5降解系数K 要远高于其他2个河段, 超过8~33倍。但W1河段的B OD 5降解系数K 变化幅度大, 其标准偏差达? 81091, 显示此类河段在具有较高BOD 5降解能力的同时, 也存在着B OD 5降解能力
不稳定的特点。
注:同一行中上标相同字母表示各河段无显著性差异, 不同字母表示有显著性差异, 显著性概率P
2. 3 河流形态评价结果与河流自净能力的关系
利用SPSS 1115软件统计不同河段下各水质指标沿程降解率与河道物理形态、河岸带状况、河床生物栖境3项河流形态一级指标评价结果的相关性。结果显示:各河段中河道物理形态以及河岸带状况与SS 的降解呈正相关; 河床生物栖境与浊度、N H 32N 的降解呈正相关; 而河道物理形态和河床生物栖境均与DO 的降解呈负相关(表5) 。
表5 不同河段各水质指标沿程降解率与
河流形态一级指标相关性
指标TP TN NH 32N D O NO -32N NO -22N S S 浊度
河道物理形态
[**************]-01998*
-[***********]96
*
河岸带状况[**************]-01991-[***********]89
*
河床生物栖境
[**************]*-01997*-[***********]98*
图2 研究河段河流形态评价结果
注:*是显著性概率P
#
3 讨 论
上述研究结果表明, 河流形态评价分值较高的河段, 其水体也有较高的自净能力; 河流形态与部分水质指标的改善存在着相关性。其原因有如下几个方面:
a. 河段的蜿蜒程度及断面多样性增加, 一定程度上降低河水流速, 减缓了水力冲刷作用, 使得水体中悬浮颗粒物得到沉降, 这可能是河流形态与S S 、浊度降解相关的原因。河道物理形态多样性形成的河水流态复杂性, 有利于大气向水体的氧扩散, 对于水体复氧有重要的意义[9]。
b. 河岸带对于削减、吸纳可能进入河流的面源污染起到关键作用, 这实际上有助于增强污染物在河流中的降解程度。良好的河岸植物带的存在有利于稳定河流小区域的气候, 降低热污染, 从而也有助于水体的复氧[10]。
c. 河床生物栖境是影响底栖动物的重要因素。良好的河床生物栖境不仅能为底栖动物提供食物与栖息、繁殖、避难场所, 还能稳定底质[11], 降低大水对底栖动物的冲击[12]。河床附生植物通过光合作用为水体提供了丰富的氧气来源, 这可能是河床底质状况影响D O 降解率的直接原因。同时, 水体中DO 的提供使得好氧性动物大量出现, 将进一步提高底栖动物的多样性和数量, 从而有助于水质改善, 促
-使N H 32N 向NO -32N 和NO 22N 的转化, 使得河床生
物栖境与NH 32N 的降解相关。
策方法[M]. 北京:科学出版社, 1985:1O 57.
[6]文科军, 马劲, 吴丽萍, 等. 城市河流生态健康评价体系
构建研究[J].水资源保护, 2008, 24(2) :50O 52.
[7]5水和废水监测分析方法6编委会. 水和废水监测分析方
法[M].4版. 北京:中国环境科学出版社. 2002. [8]魏永霞. 工程水文学[M].北京:中国水利水电出版社, 2005:1O 130.
[9]王锦旗, 宋玉芝, 王国祥. 溢流堰基质及生物膜对水体复
氧及水质的影响[J].水利水电技术, 2009(1) :34O 36. [10]夏继红. 生态河岸带综合评价理论与应用研究[D]. 河海大学, 2005:27O 40. [11]D OW NES B J, L A KE P S, SC HREIBER E S, et al. Habitat
structure, resources and diversity:the separate effects of surface roug hness and macroalgae on stream invertebrates[J].Oecolo gia, 2000, 123(4) :569O 581.
[12]BEISE L J N, USSEGL IO O PO LA TERA P, T HO MA S S, et al.
Stream co mmunity structure in relation to spatial variatio n:the influence o f meso habi tat characteri stics [J]. Hydro bio lo gia, 1998, 389(1) :73O 88.
(收稿日期:2009O 11O 29 编辑:徐 娟)
(上接第15页) 参考文献:
[1]宋庆辉, 杨志峰. 对我国城市河流综合管理的思考[J].水科学进展, 2002, 13(3) :377O 381. [2]LIV ET T E A. Geochemical monitoring o f atmospheric heavy
metal pollution:theo ry and applicatio n [J ].Eco logical Resear ch, 1988, 18:65O 77.
Adv ances in
4 结 论
a. 构建了包括河道物理形态、河岸带状况、河床
生物栖境等3项一级评价指标和河道分维数等7项二级评价指标的城市河流形态评价体系, 并确定各指标的评价方法及评价标准。对乌涌的形态评价结果表明, 该评价体系能够反映研究河段的形态差异。
b. 水质监测结果表明, 河流形态评价分值较高的河段, 其水体也有较高的自净能力; 河流形态评价结果与N H 32N 、SS 、D O 和浊度的降解存在相关性, 表明河流形态是影响河流自净能力的一个重要因素。参考文献:
[1]国家环境保护局. 中国生态问题报告[M].北京:中国环
境科学出版社, 1999:34O 35.
[2]董哲仁. 河流形态多样性与生物群落多样性[J]. 水利学报, 2003(11) :1O 6. [3]王沛芳, 王超, 侯俊. 城市河流生态系统建设模式研究及应用[J]. 河海大学学报:自然科学版, 2005, 33(1) :68O 71. [4]郑丙辉, 张远, 李英博. 辽河流域河流栖息地评价指标与
评价方法研究[J]. 环境科学学报, 2007, 27(6) :928O 936. [5]赵焕臣, 许树柏, 和金生. 层次分析法:一种简易的新决
[3]F &O RSTN ER U, WIT TMA N N G T W. Metal Po llution in the
A quatic Environment [M]. Berli n:Springer Verleg, 1979:110O
192.
[4]D A MIAN S. Develop ment sediment quality criteria [J ].
Enviro nmental Sciences &Technolo gy, 1988, 22(11) :1256O 1261.
[5]汤莉莉, 牛生杰, 徐建强, 等. 外秦淮河疏浚后底泥重金
属污染与潜在生态风险评价[J]. 长江流域资源与环境, 2008, 17(3) :424O 430.
[6]陈静生, 周佳义. 中国水环境重金属研究[M]. 北京:中
国环境科学出版社, 1992:168O 170.
[7]HA KA NSO N L. An eco logical risk index fo r aquatic pollutio n co ntrol:a sedi ment lo gical approach[J].Water Research, 1980,
14:975O 1001.
[8]张建岳. 南通市主城区河道存在问题及整治对策[J]. 江
苏水利, 2001(8) :32O 33. [9]陆建军. 南通市城市水环境治理思路[J].江苏水利, 2005(4) :42O 43.
[10]喻福涛, 张东华. 南通市城市水环境整治的实践[J]. 江
苏水利, 2006(10) :29O 30.
[11]安强华, 沃珍娣, 童占明, 等. 南通市农业土壤和粮食中金属元素背景值的调查[J]. 环境科学技术, 1989, 2(2) :
27O 31.
(收稿日期:2009O 09O 02 编辑:徐 娟)
#