張 舒 靜

(1.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200061； 2.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

1 研究背景

河流生態(tài)系統(tǒng)是生物圈物質(zhì)循環(huán)的重要通道，具有調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境以及維護生物多樣性等眾多功能[1]。河岸帶是河流環(huán)境的重要組成部分。作為水陸相互作用的區(qū)域，河岸帶是河流生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)進行物質(zhì)、能量、信息交換的重要場所[2]。作為河道治理的重要措施，護岸工程的建設(shè)不僅要滿足基本的防洪、航運要求，即符合工程設(shè)計原理，同時也要融合生態(tài)學(xué)、生物科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和美學(xué)等學(xué)科，注重保護生態(tài)環(huán)境的發(fā)展[3]。生態(tài)護岸的建造對整個河岸帶生物多樣性的維持以及生態(tài)功能的發(fā)揮有著重要影響。

上海地處長江、太湖流域下游，屬典型平原感潮河網(wǎng)地區(qū)。上海因水而興，上海的高度文明與區(qū)域內(nèi)豐富的水資源有著密切的關(guān)系。上海市在水利發(fā)展新形勢中，更加注重水環(huán)境綜合治理和水環(huán)境質(zhì)量根本改善。2015年12月上海市提出《上海市水污染防治行動計劃實施方案》，2016年12月提出《關(guān)于加快本市城鄉(xiāng)中小河道綜合整治的工作方案》，2018年啟動消除劣Ⅴ類水體的治理攻堅戰(zhàn)。

在全面推進河道生態(tài)化治理的大背景下，上海市以水岸聯(lián)動、截污治污，溝通水系、調(diào)活水體，改善水質(zhì)、修復(fù)生態(tài)為準則，對生態(tài)護岸技術(shù)進行進一步的探索。自21世紀初，上海市各類河湖整治工程中已開始應(yīng)用生態(tài)護岸技術(shù)。生態(tài)護岸型式多樣，但存在一些項目實際效果不理想的現(xiàn)象。河道生態(tài)護岸措施構(gòu)建效果如何，缺乏統(tǒng)一的評價驗收標準，無法進一步指導(dǎo)河道生態(tài)護岸工程實踐。為了能科學(xué)、合理地評價上海市已建多種類型的生態(tài)護岸成效，本文旨在規(guī)范生態(tài)護岸指標的選擇標準和評價模式，建立完善、適用性強的河流生態(tài)護岸評價體系，為該地區(qū)的河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性管理提供參考[4]。

2 調(diào)研工作概述

上海市水務(wù)局牽頭組織了相關(guān)管理單位和設(shè)計單位，對上海市不同行政區(qū)典型河道護岸開展生態(tài)性評估總結(jié)工作，全面客觀地了解和評價這些工程的實際應(yīng)用效果。根據(jù)安全性、生態(tài)性、重點性及代表性原則，先后分赴寶山區(qū)、松江區(qū)、嘉定區(qū)、閔行區(qū)、浦東新區(qū)及崇明區(qū)等地進行調(diào)研。調(diào)研內(nèi)容主要包括生態(tài)護岸技術(shù)應(yīng)用的自然條件、設(shè)計方案、施工情況、生態(tài)效益、維護管理、造價成本等因素和相關(guān)性問題。調(diào)研河道名錄見表1。

表1 上海河道護岸生態(tài)性情況調(diào)研對象名錄Tab.1 List of objects for investigation on ecological situation of river revetment in Shanghai

在總結(jié)分析大量生態(tài)護岸工程實踐的基礎(chǔ)上，上海目前常用的生態(tài)護岸，依據(jù)主要材料可劃分為四大類型：① 天然材料生態(tài)護岸，如杞柳、蘆葦、草皮、木樁、疊石、石籠等；② 混凝土制品生態(tài)護岸，如仿木樁、預(yù)制混凝土砌塊、生態(tài)混凝土等；③ 土工合成材料生態(tài)護岸，如生態(tài)毯、生態(tài)袋、土工格室、三維土工網(wǎng)墊等；④ 化學(xué)膠凝材料生態(tài)護岸，如固化土等。

3 上海市河道生態(tài)護岸評價模型建立

3.1 生態(tài)護岸的定義與特征

生態(tài)護岸是指利用植物或者木材、石材等材料與植物搭配對河道坡面進行綠化及防護的一種河道護坡形式，具有“可滲透性”的突出特點。生態(tài)護岸除了具備傳統(tǒng)護岸基本的防洪功能外，還兼具生態(tài)功能、景觀功能與自凈功能[5]。生態(tài)護岸利用特定工程技術(shù)手段和材料，使水體與河岸之間的水分調(diào)節(jié)與交換成為可能，防止水流和波浪(通航河道包括船形波)對岸坡土體的沖蝕和淘刷，實現(xiàn)了養(yǎng)分、物質(zhì)、能量的交流，從而加強河岸穩(wěn)定、調(diào)節(jié)水位、滯洪補枯、防治水土流失。此外，生態(tài)護岸利用恢復(fù)和增加植被等方法使河岸與河道在生態(tài)上聯(lián)系起來，既增強了水體自凈能力，又讓生物在其間生長棲息，使護岸環(huán)境和生物和諧共存。

3.2 評價指標選取原則

要建立一個科學(xué)合理的生態(tài)護岸效果評價體系應(yīng)立足上海實際，指標選擇既要反映護岸的共性，又要體現(xiàn)不同護岸間的差異。且評價結(jié)果可用于不同地區(qū)、不同類別生態(tài)護岸的參考比較[6]。唐濤等[7]最早報道河流生態(tài)系統(tǒng)的健康研究；劉聯(lián)兵等[8]分析了環(huán)境友好型護岸評價指標的選取原則，對環(huán)境友好型護岸技術(shù)的評價指標體系進行了研究;王菁菁[9]選取了4個準則層，17個具體指標構(gòu)建了杭州市生態(tài)護岸景觀的量化評價體系。經(jīng)過對生態(tài)治理工程后期評價指標選取的研究，選擇評價指標應(yīng)遵循科學(xué)性、目標性、系統(tǒng)性、定量指標與定性指標相結(jié)合的原則和可操作性原則。

3.3 影響生態(tài)護岸健康關(guān)鍵因素分析

生態(tài)護岸在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，水-路通道不能被阻隔，打造景觀多樣性的同時要與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，關(guān)鍵增強河道自凈能力，提升水質(zhì)。生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)是否安全可靠，護岸材料是否具有一定滲透性，能否為不同水生動植物提供良好的生境等因素是評價的關(guān)鍵。

河道是城市生活交往的活動載體，生態(tài)護岸搭配柔性岸線，助力生態(tài)之城的建設(shè)。打造具有活力的濱水空間不僅能為市民提供觀景、休憩場所，還能彰顯城市文化風(fēng)貌特征。是否具有城水相融、人水相宜的設(shè)計理念，是上海市生態(tài)護岸評價的關(guān)鍵。

3.4 層次結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

生態(tài)護岸評價體系中的每個具體的單項指標都經(jīng)過了反復(fù)的修正與意見征求，這些指標從不同方面反映生態(tài)護岸的效果功能。本文指標體系建立的實施步驟具體如下：

(1) 河道資料結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研報告，運用頻度分析法，初步建立評價指標體系框架。

(2) 統(tǒng)計分析專家意見，對初步指標體系給出修正建議。

(3) 將增減后的指標進行第二輪意見征求，建立第二輪指標體系框架。

(4) 對(3)中篩選出的指標進行主成分性和獨立性分析，形成最終河道生態(tài)護岸效果評價指標體系。

(5) 若對結(jié)果不滿意，可返回(3)，直到得出科學(xué)、合理的評價指標。

遵循河流生態(tài)護岸的健康特征和指標選取原則，從結(jié)構(gòu)性、生態(tài)性、功能性3個方面出發(fā)整理確定生態(tài)護岸效果，共15個指標，進行生態(tài)護岸效果后評價，見圖1。

圖1 生態(tài)護岸效果評價層次模型Fig.1 Hierarchical model of ecological revetment evaluation

3.5 評價指標說明

(1) 結(jié)構(gòu)性指標。① 岸坡穩(wěn)定性：即護岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，地基土不會發(fā)生沉降、坍塌現(xiàn)象，坡度不大于1∶2，越緩越好，岸坡不出現(xiàn)滑動變形或破壞。② 行洪能力：河流的基本功能就是行洪排澇，具體評判標準為河道能否承受起歷史洪水重現(xiàn)或特大洪水出現(xiàn)，滿足防洪排澇要求。③ 岸坡抗沖流速：與岸坡的基質(zhì)與護岸材料密切相關(guān)，不同河道對于抗沖流速有不同的要求，超過這一極限流速岸坡會發(fā)生坍塌破壞。一般來說，木樁護岸河道流速一般不大于2.0 m/s，生態(tài)混凝土護岸河道流速一般不大于3.0 m/s，石籠、預(yù)制混凝土連鎖塊護岸河道流速一般不大于4.0 m/s。④ 岸坡沖刷狀況：能抵御較強的水流沖刷，維護岸坡穩(wěn)定，護坡結(jié)構(gòu)無損毀脫落現(xiàn)象，通航河道可以有效抵御船行波等水流的沖刷。

(2) 生態(tài)性指標。① 植被覆蓋率：植被莖葉在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的比例，植被對于防止坡面侵蝕和降低地表徑流有直接作用。② 植物種類豐富度：豐富度越高越有利于群落結(jié)構(gòu)形成及生境營造。將該指標分為4級，植物種類≥12種為豐富；6～12種為較豐富；3～6種為一般；≤3種為缺乏。③ 空間布局合理性：即護岸帶水生植物是否按照挺水-浮葉-沉水的方式由陸域向水域布局。該指標等級中，合理指全系列布局；較合理指缺失一類水生植物；一般指缺失兩類水生植物；不合理指無水生植物。④ 生物通道暢通度：即護岸材料孔隙率，護岸建成后生物通道不能被阻隔，水體與陸地之間的水分和氣體交換調(diào)節(jié)能力應(yīng)得到提升。⑤ 凈化水體作用：生態(tài)護岸配合其周圍的水生植物等，攔截污染物，吸收相關(guān)有機質(zhì)，達到凈化水質(zhì)作用。⑥ 水土保持作用：護坡結(jié)構(gòu)對岸坡的水土保持是否起到積極作用，有無水土流失現(xiàn)象。⑦ 材料環(huán)保性：材料能否與自然生態(tài)環(huán)境友好協(xié)調(diào)共生，是否安全、健康且滿足可持續(xù)性發(fā)展要求。

(3) 功能性指標。① 建造成本：通過查閱工程相關(guān)資料，確定各類型生態(tài)護岸的材料成本、人工成本及管理成本。護岸施工費用與維護費用是否經(jīng)濟合理是影響其應(yīng)用的重要因素。② 文學(xué)美學(xué)：護岸景觀與周圍環(huán)境、建筑融合呼應(yīng)，結(jié)合當?shù)匚幕厣?，起到集引水、生態(tài)、旅游為一體的功效。③ 休閑娛樂：設(shè)置一定的親水設(shè)施供居民休閑、娛樂、戲水，提升宜居環(huán)境。④ 使用壽命：生態(tài)護岸在保持正常運行狀態(tài)下的使用時間，也是影響其應(yīng)用的重要因素之一。

3.6 評價指標權(quán)重確定

為了全面、客觀地反映生態(tài)護岸各因素權(quán)重的意義，本文采用兩種方法對評價指標進行權(quán)重確定，一種是偏主觀的賦權(quán)方法，即層次分析法，并綜合考慮專家意見；另一種是偏客觀的賦權(quán)方法，熵權(quán)法。

(1) 層次分析法。通過以下5個步驟確定準則層和目標層的權(quán)重，即：① 明確問題，建立層次結(jié)構(gòu)；② 通過專家打分法構(gòu)造判斷矩陣；③ 層次單排序；④ 層次總排序；⑤ 一致性檢驗[10]。評價體系總體權(quán)重見表2。

表2 總體權(quán)重Tab.2 Overall weight

(2) 熵權(quán)法。根據(jù)各指標的變異程度，利用信息熵計算出各指標的熵權(quán)，再通過熵權(quán)修正各指標權(quán)重，得出較為客觀的指標權(quán)重。熵可以度量數(shù)據(jù)提供的有效信息量。包括3個步驟：① 原始數(shù)據(jù)矩陣標準化處理，② 求各指標的信息熵Ej，③ 定義熵權(quán)[11]。第j個指標的熵權(quán)定義為

(1)

3.7 評價標準確立

將河流生態(tài)護岸的效果程度劃分為4個等級，各等級具體含義如下。

等級一：效果理想，河岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足防洪排澇要求；生態(tài)系統(tǒng)未受破壞，植被覆蓋率高，層次豐富，能給生物提供棲息地，具有較強的生態(tài)自我修復(fù)能力；有較高的文學(xué)與美學(xué)價值，充分的親水設(shè)施，施工簡便，造價經(jīng)濟，維護簡單。

等級二：效果較好，河岸帶結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，能較好地滿足防洪排澇要求；生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)能力降低，岸坡植被覆蓋率較高，水生植物空間布局有缺失；與周圍景觀協(xié)調(diào)性降低，能提供一定的親水場所，文學(xué)與美學(xué)感減弱。

等級三：效果一般，河岸帶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一般，基本滿足防洪排澇要求；生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在一般干擾下尚可恢復(fù)，岸坡植物覆蓋率及多樣性一般，水生植物的物種配備少，護岸材料透水性一般，與周圍環(huán)境不太協(xié)調(diào)；親水設(shè)施缺乏，文學(xué)與美學(xué)體驗感一般。

等級四：效果較差，河岸帶結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，不滿足防洪排澇要求；護岸基本采用硬質(zhì)護岸材料，生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，一般干擾下生態(tài)系統(tǒng)難以恢復(fù)，植被覆蓋率低，生物多樣性低，功能較差；幾乎沒有親水設(shè)施，后期維護管養(yǎng)費用高。

以上四等級確定了等級劃分的標準，在進行生態(tài)護岸評價時，由于各指標量綱、數(shù)量級不一樣，需對各指標進行標準化處理。具體指標層等級劃分及標準見表3。

表3 指標層等級劃分及標準Tab.3 Index level classification and standard

3.8 評價方法

上海市生態(tài)護岸評價體系模型的評價指標是基于多指標和多點調(diào)查獲得的，為了能全面客觀地反映上海市生態(tài)護岸效果的實際情況，本文通過基于層次分析法的綜合指數(shù)評價法，對上海市已建生態(tài)護岸進行打分，定量評價其功能效果；再基于熵權(quán)法的TOPSIS評價法，客觀地找出生態(tài)護岸中最優(yōu)和最劣模式，并對兩者結(jié)果進行總結(jié)分析。

3.8.1綜合指數(shù)評價法

綜合指數(shù)法是將不同性質(zhì)、不同單位的各種實測指標值通過指數(shù)變換，加權(quán)得出綜合指數(shù)，對綜合指數(shù)進行比較分析，評價優(yōu)劣。綜合評價指標計算與健康等級劃分是根據(jù)各個指標因子的權(quán)重值與各個評價指標的等級值進行層次加權(quán)計算，得到生態(tài)護岸功能效果綜合評價指數(shù)。生態(tài)護岸綜合評價指數(shù)值N對應(yīng)標準見表4。

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式中：N為生態(tài)護岸綜合評分值；Bi為第i個準則層的權(quán)重；Cj為第i個準則層中第j個指標所占的權(quán)重；Xij為第i個準則層中選取的第j個指標的評分值；n為準則層的個數(shù)；m為指標層中指標的個數(shù)。

表4 綜合評價指數(shù)值N對應(yīng)評價等級Tab.4 Comprehensive evaluation index value N corresponding to evaluation grade table

3.8.2TOPSIS綜合評價

(3)

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(5)

式中：i=1，…，m；j=1，…，n；0≤Ci≤1；Zij是第j個目標對第i個方案的規(guī)范化加權(quán)值。

4 上海市生態(tài)護岸綜合評價結(jié)果

各指標的采集方法采用定性描述與定量測量相結(jié)合，現(xiàn)場觀察結(jié)合理論知識、經(jīng)驗等，對定性指標給予賦值，利用儀器測量對定量指標給予賦值。按照評價指標的標準將調(diào)查數(shù)據(jù)記錄在表，計算結(jié)果見表5～7。

4.1 上海市生態(tài)護岸綜合指數(shù)法綜合評價

上海市生態(tài)護岸綜合指數(shù)法評價打分，結(jié)果見表5。

表5 生態(tài)護岸效果綜合指數(shù)法評價結(jié)果Tab.5 Evaluation results of comprehensive index method for ecological revetment

4.2 上海市生態(tài)護岸TOPSIS法綜合評價

4.2.1熵權(quán)法計算權(quán)重

熵權(quán)法得出的各評價指標權(quán)重及排序見表6。

表6 基于熵權(quán)法的生態(tài)護岸評價指標權(quán)重Tab.6 Weights of ecological evaluation indices of revetment based on entropy weight method

4.2.2TOPSIS法綜合評價

上海市河道生態(tài)護岸效果TOPSIS法綜合評價結(jié)果見表7。

表7 護岸生態(tài)性TOPSIS法評價結(jié)果及排序Tab.7 Evaluation results and ranking of ecological TOPSIS method for ecological revetment

4.3 護岸生態(tài)性綜合分析

4.3.1綜合指數(shù)評價法

依據(jù)綜合指數(shù)法評價結(jié)果，所調(diào)研河道生態(tài)護岸效果90%處于一般及以上狀態(tài)，沒有河道處于較差狀態(tài)。處于理想狀態(tài)的河道有1條，為沙溪河；處于一般狀態(tài)的河道有3條，為瞿門河、戰(zhàn)斗河和純陽村橫河；剩余河道都處于較好狀態(tài)。

沙溪河生態(tài)效果最佳，主要原因為：其護岸型式為景觀黃石拋石加生態(tài)袋組合，接近自然護岸狀態(tài)，注重水陸之間物質(zhì)、能量、信息的交流。生態(tài)袋具有穩(wěn)定邊坡作用，穩(wěn)定性優(yōu)于純土坡。袋內(nèi)草籽生長情況較好，很好地遮擋了生態(tài)袋，沒有影響護岸帶美觀，挺水-浮葉-沉水植物布局完善，與河岸帶風(fēng)景融為一體，且造價經(jīng)濟合理，后期維護到位，此類護岸型式適用于緩坡性岸坡。

瞿門河、戰(zhàn)斗河和純陽村橫河在綜合評價中得分靠后，主要原因為：木樁穩(wěn)定性雖優(yōu)于自然岸坡，但遠遠不如砌石擋墻，抗沖刷性能較低，加之河水流動，木樁表面受損日益嚴重，易遭受腐蝕，而且如今木樁護岸材料很難按規(guī)模成批取得，價格上沒有明顯優(yōu)勢，使用年限也受限。瞿門河、戰(zhàn)斗河河岸帶植被覆蓋率低，種類欠缺，土坡裸露，無水生植物，也是其綜合得分低的重要原因。而純陽村橫河緊鄰民房，河道中有居民搭建的小水橋，河道本身窄小，水動力不足，加之受人為干擾因素大，崇明地區(qū)土質(zhì)為砂性土，水質(zhì)情況不樂觀。且固化土技術(shù)是項新技術(shù)，還處于發(fā)展實驗階段，施工質(zhì)量難以控制，目前較多還是應(yīng)用于開挖受限的河道。

4.3.2TOPSIS指數(shù)法

本文采用基于熵權(quán)法的TOPSIS綜合評價法，通過熵求出權(quán)重，構(gòu)建加權(quán)規(guī)范矩陣，準確、客觀地找出調(diào)研河道中最優(yōu)和最劣的生態(tài)護岸型式。按TOPSIS評價值對生態(tài)護岸效果進行排序，最優(yōu)方案為橫港河，最劣方案為瞿門河。橫港河仿木樁護岸穩(wěn)定性好，其獨特之處在于，局部岸段與沿線綠地設(shè)計相結(jié)合，如在橫港河道南岸至富水路之間建造面積約1.97萬m2的公共綠地，在橫港泵站及周邊建筑約2 700 m2公共綠地；局部河段在平面上擴大河口寬度，形成湖泊和河中小島，部分岸線結(jié)合綠地改為蜿蜒曲線；對于已建直線擋墻岸線，調(diào)整墻前挺水植物的種植平臺形態(tài)，形成曲線的視覺效果。

5 結(jié) 論

本文深入地對上海市生態(tài)護岸應(yīng)用效果進行調(diào)研分析，從結(jié)構(gòu)性、生態(tài)性、功能性三方面構(gòu)建生態(tài)護岸效果綜合評價指標體系，采用層次分析法和熵權(quán)法全面、客觀地反映評價指標各因素權(quán)重的意義，并以此為依據(jù)綜合評價上海市已建多種類型的生態(tài)護岸效果。評價結(jié)果能客觀地反映生態(tài)護岸治理措施的實際情況，選取的評價指標可操作性強，為今后各個地域、流域的生態(tài)護岸的建設(shè)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

依據(jù)綜合評價結(jié)果及城市化進程關(guān)系，充分考慮工程安全與生態(tài)措施搭配的合理性，推薦護岸型式：① 中心城鎮(zhèn)地區(qū)，用地受限地區(qū)，可同橫港河采取仿木樁護岸；對于景觀要求較高的地區(qū)，有一定的過渡帶范圍，可采用景觀黃石搭配水生植物布置形成復(fù)合型式。② 郊區(qū)-新城鎮(zhèn)型：采用區(qū)別于傳統(tǒng)的硬質(zhì)混凝土擋墻的生態(tài)擋墻——石籠擋墻、舒布洛克擋墻、箱型砌塊擋墻、榮勛砌塊擋墻等；親近自然的斜坡護岸——連鎖塊體、螺母塊體、綠化混凝土及生態(tài)袋護坡。③ 農(nóng)田-村落型：采用近似自然的河岸帶為主，選取護岸型式應(yīng)盡量維持自然土坡護岸型式；對于流速較大等不穩(wěn)定岸段，可采取綠化混凝土，石籠等抗沖刷性能較好的護岸型式。

此次調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)，護岸結(jié)構(gòu)的效果雖受材料選擇、設(shè)計方案影響，但只有在設(shè)計、施工、養(yǎng)護管理科學(xué)到位的情況下，才能取得較好效果。