李 港,陳 誠(chéng),2,* ,姚斯洋,何夢(mèng)男,闞加力,欒 澔,陳求穩(wěn)

1 南京水利科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境研究所,南京 210029 2 河海大學(xué)水利水電學(xué)院,南京 210098 3 南京市鼓樓區(qū)水務(wù)局,南京 210000

城市的擴(kuò)張和工業(yè)的發(fā)展使得人類活動(dòng)對(duì)城市河流的干擾和破壞不斷加劇,進(jìn)而導(dǎo)致了水系衰退、水體黑臭等水生態(tài)環(huán)境問題[1]。隨著近些年來城市河流生態(tài)健康受到社會(huì)的廣泛關(guān)注與重視,一系列生態(tài)修復(fù)措施得以實(shí)施以期能夠改善城市河流的健康狀態(tài)[2]。因此,進(jìn)行城市河流的健康評(píng)價(jià),一方面可以檢驗(yàn)生態(tài)修復(fù)措施的效果,同時(shí)也是進(jìn)行城市河流管理與保護(hù)的重要前提,對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前,河流健康評(píng)價(jià)方法主要包括指示物種法和指標(biāo)體系法。指示物種法采用魚類、浮游動(dòng)植物、底棲動(dòng)物以及微生物等生物類群的物種完整性來監(jiān)測(cè)河流生態(tài)系統(tǒng)健康,適用于受人類活動(dòng)影響較小的自然河流的健康評(píng)價(jià)[3—5]。指標(biāo)體系法則是根據(jù)河流系統(tǒng)特征構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用數(shù)學(xué)模型確定河流健康等級(jí),在河流健康評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用[6—7]。城市河流作為人類活動(dòng)和自然過程相互作用較為強(qiáng)烈的區(qū)域,河流資源的過度開發(fā)利用以及污染物排放等壓力使得城市河流健康狀況不斷惡化[8],而為了應(yīng)對(duì)河流健康狀況的惡化,針對(duì)城市河流實(shí)施了大量的生態(tài)治理修復(fù)措施,人類活動(dòng)施加給河流的壓力和采取的積極措施共同影響著城市河流的健康狀態(tài)[9]。然而,目前針對(duì)城市河流構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要集中在水文、水質(zhì)、生境等河流的自然屬性以及人類對(duì)河流施加的壓力方面[10],而忽視了人類采取的積極措施對(duì)河流生態(tài)健康的影響,從而使得表征河流健康狀態(tài)的信息考慮不夠全面,綜合考慮人類正負(fù)面影響對(duì)河流健康狀態(tài)的影響,可提供更加全面準(zhǔn)確的城市河流健康評(píng)價(jià)結(jié)果。

壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型于20世紀(jì)70年代由David J.Rapport和Tony Friend提出,后由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)推廣發(fā)展[11],由于能夠清晰的描繪外界壓力、系統(tǒng)狀態(tài)以及響應(yīng)決策與行動(dòng)三者之間的關(guān)系,被廣泛應(yīng)用于生態(tài)安全、生態(tài)環(huán)境承載力等方面的評(píng)價(jià)[12],基于PSR模型篩選評(píng)價(jià)指標(biāo),除了可以將不同地區(qū)城市河流健康評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建統(tǒng)一到同一框架下,還能考慮人類積極措施對(duì)河流健康狀態(tài)的影響,有效提高城市河流健康綜合評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性和合理性。彭濤等[13]、Zhao等[14]采用PSR模型構(gòu)建城市河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,利用集對(duì)分析方法進(jìn)行了宜昌黃柏河和合肥十五里河的健康評(píng)價(jià),取得了較為全面準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

采用常規(guī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行河流健康等級(jí)評(píng)定時(shí),其評(píng)價(jià)結(jié)果往往具有一定的模糊性[15],并且僅能針對(duì)當(dāng)前指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià),難以根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果判斷河流健康狀態(tài)的變化趨勢(shì)。物元可拓模型最早由我國(guó)學(xué)者蔡文提出,主要用于解決復(fù)雜的不相容問題[16],同時(shí)可以根據(jù)相鄰等級(jí)綜合關(guān)聯(lián)度之間的距離判斷河流健康水平的發(fā)展趨勢(shì),將其與PSR模型相結(jié)合,能夠有效提升城市河流健康的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。城市河流往往流經(jīng)城市的多個(gè)區(qū)域,由于發(fā)展程度與功能定位的不同,各區(qū)域內(nèi)河段包含河流物理形態(tài)、土地利用類型以及河流水環(huán)境等要素在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)往往存在較大的差異[17],從而導(dǎo)致城市河流的健康狀態(tài)呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性,基于河流沿程生態(tài)系統(tǒng)特征的差異,進(jìn)行河流分段健康評(píng)價(jià),可以有效識(shí)別各河段生態(tài)健康的關(guān)鍵制約因素。同時(shí),為避免河流尺度指標(biāo)造成各河段之間差異的平均化,影響評(píng)價(jià)結(jié)果,選取的指標(biāo)應(yīng)集中在河段尺度和斷面尺度。

本研究以城市河流鼓樓區(qū)西北護(hù)城河為對(duì)象,根據(jù)河流形態(tài)特征及其所處區(qū)域功能定位差異劃分河段,基于PSR模型構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用物元可拓模型進(jìn)行河流健康評(píng)價(jià)并判斷其變化趨勢(shì),以期為城市河流的針對(duì)性生態(tài)治理與修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

西北護(hù)城河位于江蘇省南京市鼓樓區(qū)中部,全長(zhǎng)約5.6 km,匯水面積3.95 km2(圖1),主要流經(jīng)公園、景區(qū)以及居民住宅區(qū)等區(qū)域,各河段所處環(huán)境存在顯著的差異,河流形態(tài)沿程呈現(xiàn)較大變化。為準(zhǔn)確描述西北護(hù)城河各河段健康狀況的差異,考慮河流周邊土地利用類型的區(qū)別以及河流形態(tài)的變化情況,并結(jié)合城市地下管網(wǎng)走向,將西北護(hù)城河劃分為6個(gè)河段進(jìn)行河流的分段健康綜合評(píng)價(jià)。河段A起于小桃園泵站,止于桃園橋,全長(zhǎng)0.55 km,河寬10—15 m,沿岸植被較多,沿河無居民區(qū)；河段B起于桃園橋,止于中山北路,河段長(zhǎng)1.3 km,均寬100 m,護(hù)岸為軟質(zhì)護(hù)坡,功能定位為景觀河道；河段C起于中山北路,止于繡球公園閘,為公園內(nèi)湖泊,水流流速緩慢,人流量較大；河段D起于繡球公園閘,止于盧龍橋,河段長(zhǎng)0.54 km,均寬15 m,河段蜿蜒曲折,兩岸主要為商業(yè)用地；河段E起于盧龍橋,止于建寧西路橋,河段長(zhǎng)0.81 km,均寬75 m,右岸為景區(qū),左岸為道路；河段F起于建寧西路橋,止于金川門泵站,河段長(zhǎng)1.24 km,河段均寬35 m,兩岸均為居民住宅區(qū),采用硬質(zhì)襯砌護(hù)岸,河段內(nèi)較多生態(tài)浮床及曝氣設(shè)施。西北護(hù)城河的污染源主要為地表徑流污染、生活污水以及本底污染,水量補(bǔ)給多由閘壩控制,其健康狀態(tài)受人類活動(dòng)影響大,具有典型的城市河流特征[18]。

1.2 數(shù)據(jù)資料

本研究于2019年對(duì)西北護(hù)城河6個(gè)河段布設(shè)12個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)進(jìn)行每個(gè)季度水環(huán)境和水生態(tài)監(jiān)測(cè),獲取包括水質(zhì)指標(biāo)(CODMn、NH3-N和TP等)、透明度、浮游植物生物量等水質(zhì)水生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算指標(biāo)現(xiàn)狀值時(shí)參考《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》[19]中水質(zhì)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)頻次要求,對(duì)四個(gè)季度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均處理。城市河流污染負(fù)荷主要來自降雨攜帶、地表徑流以及河道本底3個(gè)方面。降雨攜帶的年入河污染物負(fù)荷估算通過進(jìn)行每個(gè)季度的降雨實(shí)驗(yàn),獲得雨水中包括CODMn、NH3-N以及TP在內(nèi)的污染物濃度,結(jié)合2019年水文年鑒中鼓樓區(qū)年降雨量數(shù)據(jù),估算污染物降雨入河量；地表徑流污染物入河負(fù)荷估算通過各季度降雨試驗(yàn)測(cè)量雨水流經(jīng)不同下墊面(綠地、硬質(zhì)地面等)后靠近河道一側(cè)的地表徑流中各污染物濃度,參考楊迪虎[20]的研究確定不同下墊面面源污染物入河系數(shù),通過解譯2019年9月高分1號(hào)遙感影像獲得各河段匯水范圍內(nèi)不同類型下墊面面積,估算污染物地表徑流入河量；河道本底污染負(fù)荷根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[21]進(jìn)行估算；采取的生態(tài)修復(fù)措施及其工程量數(shù)據(jù)來自《西北護(hù)城河水質(zhì)提升工程可行性研究報(bào)告》。

2 評(píng)價(jià)模型

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

PSR模型包含人類活動(dòng)給河流帶來的壓力、河流在人類壓力作用下的狀態(tài)以及人類為改善河流狀態(tài)而采取的響應(yīng)措施三個(gè)方面,能夠全面考慮人類對(duì)河流健康的正負(fù)面影響,因此本研究從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以進(jìn)行全面準(zhǔn)確的河流健康評(píng)價(jià)。

(1)壓力指標(biāo)

隨著社會(huì)對(duì)城市河流健康的關(guān)注與重視,同時(shí)由于城市河流自凈能力有限,對(duì)于河流點(diǎn)源污染排放管控也越來越嚴(yán)格,眾多城市河流已進(jìn)行了排污口的整治,禁止污染物通過管道直接排入河流,因此,河流中影響水質(zhì)水生態(tài)的污染物CODMn、NH3-N以及TP主要來自面源沖刷、降雨攜帶以及河道本底累積的內(nèi)源污染[22],考慮到各河段納污量的差異,采用各河段CODMn、NH3-N以及TP三個(gè)污染物指標(biāo)的年排放量與對(duì)應(yīng)河段納污量的比值表征污染負(fù)荷對(duì)河流水質(zhì)水生態(tài)造成的壓力。城市河流周邊濱水建筑物的體量大小會(huì)直接影響到河岸帶的寬度,對(duì)河岸帶的狀態(tài)產(chǎn)生一定的脅迫,而河岸帶作為水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)交換的關(guān)鍵區(qū)域,能一定程度表征河流健康狀況,因此將濱水建筑物體量作為河岸帶壓力來源的指標(biāo)。

(2)狀態(tài)指標(biāo)

城市河流在各種人類活動(dòng)壓力的作用下,其各方面的狀態(tài)會(huì)受到一定的影響。其中污染物的排放量大小會(huì)直接影響到城市河流的水質(zhì)健康狀態(tài),使得城市河流的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)發(fā)生改變,進(jìn)而引起水生動(dòng)植物的多樣性的變化,對(duì)河流的水質(zhì)水生態(tài)產(chǎn)生影響,水質(zhì)狀態(tài)選用透明度和水質(zhì)等級(jí)兩個(gè)指標(biāo)表征,水質(zhì)等級(jí)的計(jì)算綜合考慮CODMn、NH3-N以及TP三個(gè)主要污染物參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[21]和《生態(tài)河湖狀況評(píng)價(jià)規(guī)范》[23]確定,水生態(tài)狀態(tài)采用浮游植物多樣性指標(biāo)表征；濱水建筑物體量會(huì)影響到河岸帶的健康狀態(tài),例如濱水建筑物體量較大的一般為商業(yè)住宅區(qū),河岸帶寬度較窄,而濱水建筑物體量較小的一般為公園綠地,其河岸帶寬度較寬,因此采用在濱水建筑物作用下的河岸帶寬度表征河岸帶的狀態(tài)。

(3)響應(yīng)指標(biāo)

人類為了改善河流在壓力作用下的狀態(tài)而采取的響應(yīng)措施對(duì)于河流的健康水平會(huì)產(chǎn)生一定的影響。城市河流相較于自然河流,其河岸帶的植被大都為人工種植和維護(hù)[24],同時(shí)部分河段修建了生態(tài)護(hù)坡以還原護(hù)岸的自然狀態(tài),河岸帶的植被種植情況及對(duì)應(yīng)的岸坡自然狀態(tài)共同影響著污染物的截留及水陸物質(zhì)的交換,因此將河岸帶植被覆蓋率和岸坡自然程度作為河岸帶狀態(tài)的響應(yīng)指標(biāo)；對(duì)于水質(zhì)水生態(tài)狀態(tài)而言,往往會(huì)采取減少排污口和進(jìn)行生態(tài)修復(fù)從而達(dá)到改善水質(zhì)水生態(tài)的目的,因此可以將排污口處理率及生態(tài)修復(fù)措施對(duì)污染物的削減情況作為水質(zhì)水生態(tài)的響應(yīng)指標(biāo)。

根據(jù)上述分析選取指標(biāo),基于PSR模型構(gòu)建了包含壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個(gè)方面共12指標(biāo)的城市河流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,指標(biāo)及其計(jì)算方式具體如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)計(jì)算方法Table 1 Evaluation index system and its calculation method

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前對(duì)于城市河流的健康評(píng)價(jià)尚未制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),因此本研究結(jié)合國(guó)內(nèi)外河流健康評(píng)價(jià)的研究成果以及城市河流的實(shí)際情況,將目標(biāo)層城市河流健康等級(jí)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)于健康、亞健康、中等、亞病態(tài)、病態(tài)五個(gè)健康水平[26]。同時(shí)采取同樣方式對(duì)準(zhǔn)則層進(jìn)行分級(jí),對(duì)于壓力準(zhǔn)則層,分為低壓力(Ⅰ)、較低壓力(Ⅱ)、中等壓力(Ⅲ)、較高壓力(Ⅳ)以及高壓力(Ⅴ)；對(duì)于狀態(tài)準(zhǔn)則層,分為好狀態(tài)(Ⅰ)、較好狀態(tài)(Ⅱ)、中等狀態(tài)(Ⅲ)、較差狀態(tài)(Ⅳ)以及差狀態(tài)(Ⅴ)；對(duì)于響應(yīng)準(zhǔn)則層,分為高響應(yīng)能力(Ⅰ)、較高響應(yīng)能力(Ⅱ)、中等響應(yīng)能力(Ⅲ)、較低響應(yīng)能力(Ⅳ)以及低響應(yīng)能力(Ⅴ)。各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值參考相關(guān)文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并結(jié)合西北護(hù)城河實(shí)際情況制定,具體如表2所示。

表2 河流健康指標(biāo)體系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation criteria of river health index system

2.3 評(píng)價(jià)方法

當(dāng)所給的條件不能達(dá)到要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)時(shí),稱為不相容問題[30—31]。對(duì)于河流健康評(píng)價(jià)而言,理論上指標(biāo)選取的越多,對(duì)于河流健康的描述就會(huì)更加全面,但往往有些指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取會(huì)存在一定難度,即當(dāng)前所選的有限的指標(biāo)并不能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)河流健康狀態(tài)的全面描述,即河流健康評(píng)價(jià)是一個(gè)不相容問題。而物元可拓模型主要用于解決不相容的復(fù)雜問題[15],因此,本文采用物元可拓模型進(jìn)行河流健康等級(jí)評(píng)定,并判斷其演變趨勢(shì),同時(shí)對(duì)河流準(zhǔn)則層進(jìn)行評(píng)價(jià),確定各準(zhǔn)則層所處的等級(jí)。為減少權(quán)重判定的主觀性影響,采用熵權(quán)法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。

(1)河流健康物元矩陣、經(jīng)典域及節(jié)域構(gòu)建：物元是描述事物的名稱、特征及量值3個(gè)基本元素的簡(jiǎn)稱。將研究事物記為M,本研究中指河流健康水平,M的特征記為C,本研究中指各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),M關(guān)于C的量值記為V,即為評(píng)價(jià)指標(biāo)處于某一等級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)的量值,將有序三元組R=(M,C,V)稱為物元矩陣。若研究事物M具有n個(gè)特征c1,c2,c3,…,cn及其對(duì)應(yīng)量值v1,v2,v3,…,vn,相應(yīng)物元矩陣R表示為：

(1)

經(jīng)典域表示待評(píng)價(jià)對(duì)象的特征處于各個(gè)等級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)的取值范圍,節(jié)域表示待評(píng)價(jià)事物對(duì)應(yīng)特征的所有數(shù)據(jù)范圍,根據(jù)制定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)即可得到相應(yīng)經(jīng)典域和節(jié)域矩陣[32]。

(2)關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算：根據(jù)關(guān)聯(lián)度計(jì)算獲得指標(biāo)所隸屬的等級(jí),Kj(vi)表示第i個(gè)指標(biāo)屬于第j個(gè)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,Kj(vi)越大,則隸屬于哪個(gè)等級(jí),計(jì)算公式如下：

(2)

其中,

(3)

式中,ρ(vi,voji)和ρ(vi,vpi)分別為點(diǎn)vi與經(jīng)典域voji和節(jié)域vpi的距離,vi、voji、vpi分別為待評(píng)價(jià)事物的量值、經(jīng)典域的量值范圍和節(jié)域的量值范圍。

(3)權(quán)重計(jì)算：熵權(quán)法根據(jù)指標(biāo)自身所含信息量確定指標(biāo)權(quán)重,是相對(duì)客觀的權(quán)重確定方法[33],采用熵權(quán)法計(jì)算得到第i個(gè)指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重wi。

(4)綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算：根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則,確定研究事物評(píng)價(jià)等級(jí),待評(píng)價(jià)事物Mx(x=1,2,3,…,n)關(guān)于等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度Kj(Mx)為：

(4)

式中,m表示指標(biāo)數(shù)量。若Kjx=maxKj(Mx),則待評(píng)價(jià)事物Mx屬于等級(jí)j。同時(shí)根據(jù)Kjx與K(j-1)x及K(j+1)x的距離大小,判斷當(dāng)前位于等級(jí)j的待評(píng)價(jià)事物Mx的等級(jí)變化趨勢(shì)。

3 結(jié)果分析

3.1 河段指標(biāo)層現(xiàn)狀值及對(duì)應(yīng)等級(jí)

利用2019年數(shù)據(jù)資料,根據(jù)表1中各指標(biāo)計(jì)算方法得到指標(biāo)現(xiàn)狀值,結(jié)合表2中的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),將各指標(biāo)現(xiàn)狀值代入式(2),獲得指標(biāo)關(guān)于各個(gè)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,從而確定各指標(biāo)所處的等級(jí),指標(biāo)現(xiàn)狀值及其所處等級(jí)如表3所示。從表3中可以看出,盡管選取的城市河流的尺度較小,但同一指標(biāo)的等級(jí)在不同河段仍然存在明顯的差異。各河段處于Ⅲ級(jí)以上(Ⅰ、Ⅱ)的指標(biāo)數(shù)量占比分別為58.3%、66.7%、50%、25%、33%以及16.7%,總體而言,河段A,B、C各指標(biāo)狀態(tài)相對(duì)較好,而河段D、F則相對(duì)較差。

表3 各河段指標(biāo)現(xiàn)狀值及其對(duì)應(yīng)等級(jí)Table 3 The current index value and corresponding grade of each river reach

3.2 指標(biāo)權(quán)重分配

根據(jù)各河段指標(biāo)現(xiàn)狀值,采用熵權(quán)法計(jì)算獲得城市河流健康評(píng)價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重,結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出,準(zhǔn)則層權(quán)重表現(xiàn)為壓力指標(biāo)>狀態(tài)指標(biāo)>響應(yīng)指標(biāo),各指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重介于0.049—0.140,權(quán)重較大的指標(biāo)主要為CODMn、NH3-N、TP排放量以及河流植被覆蓋率,權(quán)重均達(dá)到了0.12以上,而其他指標(biāo)的權(quán)重則相對(duì)較小,根據(jù)熵權(quán)法的內(nèi)涵,表明CODMn、NH3-N、TP排放量、河流植被覆蓋率四個(gè)指標(biāo)在不同河段現(xiàn)狀值的離散程度大于其他指標(biāo),即上述四個(gè)指標(biāo)在不同河段的差異性相對(duì)更大,對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度也更大。

表4 城市河流健康評(píng)價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重Table 4 Index weight of urban river health evaluation system

3.3 河段準(zhǔn)則層及綜合等級(jí)

將指標(biāo)相對(duì)于準(zhǔn)則層和目標(biāo)層的權(quán)重以及關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度代入式(4),計(jì)算得到各河段準(zhǔn)則層以及河流健康水平關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,關(guān)聯(lián)度結(jié)果如表5所示,各河段準(zhǔn)則層等級(jí)及河流綜合等級(jí)如圖2所示。從表5和圖2中可以看出,在河流健康水平綜合等級(jí)方面,河段A、B處于亞健康等級(jí),河段C、E處于中等等級(jí),而河段D、F則處于亞病態(tài)等級(jí),同時(shí),根據(jù)河流健康水平所處等級(jí)的關(guān)聯(lián)度與其相鄰水平關(guān)聯(lián)度之間的距離,可以看出河段C、D、E的健康水平均與更優(yōu)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度距離相近,表明該河段健康水平有進(jìn)一步提升的趨勢(shì),而河段A、E、F的健康水平則存在惡化的趨勢(shì),同時(shí),各河段健康水平的變化趨勢(shì)與該河段準(zhǔn)則層的變化趨勢(shì)也呈現(xiàn)出了較高的一致性。

表5 各河段準(zhǔn)則層及綜合評(píng)價(jià)等級(jí)關(guān)聯(lián)度Table 5 Criterion layer grade and each river reach′s grade

圖2 各河段準(zhǔn)則層及綜合健康等級(jí) Fig.2 Criteria levels and comprehensive health levels of each river reach等級(jí)Ⅰ—Ⅴ分別代表健康、亞健康、中等、亞病態(tài)、病態(tài)

4 討論

4.1 河流健康水平的空間異質(zhì)性

城市河流相較于自然河流,除了需要保有部分自然生態(tài)功能外,還要發(fā)揮一定的社會(huì)服務(wù)功能[33—35],其通常會(huì)流經(jīng)城市的不同功能區(qū)域,如公園綠地、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)等,這使得城市河流沿程周邊的土地利用類型呈現(xiàn)出顯著的差異性,影響各區(qū)域河段的污染負(fù)荷輸入量及濱水景觀格局。同時(shí),為滿足不同區(qū)域內(nèi)河流相應(yīng)服務(wù)功能的發(fā)揮,人類往往會(huì)根據(jù)區(qū)域功能定位對(duì)河流的物理形態(tài)進(jìn)行一定程度的人為干預(yù),如截彎取直、河道拓寬、岸坡襯砌[29]等,使得城市河流自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)沿程發(fā)生較大的變化,這兩方面原因使得城市河流在不同河段的生態(tài)系統(tǒng)特征呈現(xiàn)一定的差異,進(jìn)而導(dǎo)致河流健康水平的空間異質(zhì)性。本研究中,河段A、B作為城市景觀河段,主要處在公園綠地內(nèi),河岸帶自然程度較好,能夠截留一部分降雨徑流沖刷過程中的污染負(fù)荷,降低入河污染負(fù)荷量,其健康水平相對(duì)較高;而采用硬質(zhì)護(hù)岸的河段(如河段D、F),往往處于人類活動(dòng)較為頻繁的商業(yè)區(qū)或居民區(qū),存在較大的面源污染,在降雨期間污染物易直接沖刷入河,造成較大的外源污染,使得河段壓力水平較高,難以維持較好的狀態(tài),整體健康水平較低;即使針對(duì)這些河段采取了一定的生態(tài)措施(曝氣復(fù)氧、生態(tài)浮床等),但不注意控制外部點(diǎn)面源污染的輸入,使得污染負(fù)荷入河量遠(yuǎn)高于生態(tài)修復(fù)措施對(duì)河段污染物的削減量(如河段F),其健康水平仍然難以得到進(jìn)一步改善,導(dǎo)致顯著的河段健康水平差異。

4.2 河流健康評(píng)價(jià)方法適用性

自然河流中,不同生境的生物群落組成往往具有明顯差異性[36],但城市河流在人類活動(dòng)的干擾下,其水文特征、渠化、底泥等環(huán)境因子的改變使得河流生境的復(fù)雜性和異質(zhì)性降低,不同生境中生物群落組成的相似性明顯增加[37],雖然可以基于指示生物物種確定河流健康水平,但難以辨別河流健康水平的空間差異性。因此,本研究根據(jù)西北護(hù)城河周邊的土地利用類型(例如公園綠地各居民小區(qū)的分界處)、河流物理形態(tài)(例如河寬即河流形狀突變處)以及城市管網(wǎng)分布進(jìn)行河段的劃分；基于PSR框架篩選河段尺度指標(biāo)構(gòu)建了城市河流健康綜合評(píng)價(jià)體系,考慮了人類活動(dòng)對(duì)河流健康狀態(tài)的正負(fù)面影響,指標(biāo)分類明確,能夠較為全面的描述城市河流的綜合健康狀態(tài),適用于人類活動(dòng)和自然過程相互作用強(qiáng)烈的城市河流。利用常規(guī)的模糊綜合評(píng)價(jià)法[38]、集對(duì)分析法[39]以及灰色關(guān)聯(lián)度分析法[40]等方法確定河流健康等級(jí)時(shí),僅能獲得單次評(píng)價(jià)結(jié)果,無法進(jìn)行河流未來健康狀態(tài)的預(yù)測(cè),而物元可拓模型根據(jù)河流健康水平隸屬于某一等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度與其相鄰等級(jí)綜合關(guān)聯(lián)度的距離,除了可以確定當(dāng)前河流所處的健康狀態(tài),還可以預(yù)測(cè)下一階段河流健康水平以及各項(xiàng)指標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)。為管理者下一階段城市河流的針對(duì)性管理和保護(hù)提供科學(xué)的指導(dǎo)。

4.3 河段健康水平的變化趨勢(shì)及改善措施

根據(jù)河段準(zhǔn)則層及健康水平關(guān)聯(lián)度與相鄰水平關(guān)聯(lián)度的距離,可以看出河段B、C、D的健康水平有向更優(yōu)等級(jí)發(fā)展的趨勢(shì),而河段A、E、F的健康水平有惡化的趨勢(shì)。盡管河段D有向更優(yōu)等級(jí)發(fā)展的趨勢(shì),但其現(xiàn)狀健康水平接近病態(tài),宜針對(duì)河段D納污量低、污染物易沉積的情況,進(jìn)行定期的河底清淤,減少內(nèi)源污染。河段A整體上有惡化的趨勢(shì),但當(dāng)前健康水平較高,為亞健康水平,保持或進(jìn)一步降低當(dāng)前壓力輸入水平及提高響應(yīng)級(jí)別即可使河段A維持在理想的水平。合理的生態(tài)治理措施可以緩解河流的壓力,改善河流的狀態(tài),最終達(dá)到提高河流健康水平的目的。從表5中可以看出,河段C、F當(dāng)前壓力均處于較高及以上水平,但河段C由于采取了較高的響應(yīng)措施,河段狀態(tài)水平維持在中等,最終健康水平也為中等。因此,針對(duì)河段F應(yīng)重點(diǎn)排查沿河排污口設(shè)置情況,堅(jiān)決取締非法排污口,減小點(diǎn)源污染,同時(shí)建立完善的雨污分流系統(tǒng),避免降雨徑流過程將大量污染物沖刷入河,增加河段壓力。河段E的健康水平呈現(xiàn)出由當(dāng)前中等水平向亞病態(tài)過渡的趨勢(shì),雖然響應(yīng)措施向更優(yōu)發(fā)展,但河段壓力水平卻在惡化,結(jié)合準(zhǔn)則層權(quán)重來看,壓力準(zhǔn)則層權(quán)重最大,對(duì)河流健康水平的影響也最大,應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)治理措施,設(shè)立合理的河道控制紅線,在控制紅線內(nèi)適當(dāng)拓寬河岸帶,多設(shè)置人工生態(tài)護(hù)岸,增加水-空氣-植被-土壤之間的交互作用,為動(dòng)植物提供棲息生境,增加生物多樣性,以更高的響應(yīng)能力抵消壓力增大對(duì)河流健康的影響,改善河段F健康水平。同時(shí),嚴(yán)抓對(duì)應(yīng)河流各級(jí)河長(zhǎng)的考核工作,保證河湖長(zhǎng)制的長(zhǎng)效性,也是促進(jìn)城市河流生態(tài)健康改善與恢復(fù)的重要措施。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)PSR模型構(gòu)建的西北護(hù)城河健康評(píng)價(jià)體系包含壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)3個(gè)方面,涵蓋CODMn排放量、岸坡自然程度、水質(zhì)等級(jí)等12個(gè)指標(biāo),3類指標(biāo)的權(quán)重排序?yàn)閴毫χ笜?biāo)>狀態(tài)指標(biāo)>響應(yīng)指標(biāo)。

(2)西北護(hù)城河6個(gè)河段的健康水平存在明顯的差異,河段A、B為亞健康水平、河段C、E為中等水平,河段D、F為亞病態(tài)水平；各河段生態(tài)系統(tǒng)組成要素的區(qū)別與其健康水平的差異有較大的關(guān)聯(lián)性,流經(jīng)公園綠地的河段健康水平較高,流經(jīng)居民區(qū)的河段健康水平相對(duì)較低,從趨勢(shì)變化上來看,河段B、C、D的健康水平有向更優(yōu)等級(jí)發(fā)展的趨勢(shì),而河段A、E、F的健康水平有惡化的趨勢(shì)。

(3)本研究基于PSR模型構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,結(jié)合熵權(quán)法和物元可拓模型,能夠?qū)Σ煌佣蔚耐饨鐗毫Τ潭?、系統(tǒng)狀態(tài)以及響應(yīng)決策能力進(jìn)行分級(jí)評(píng)估,考慮了人類修復(fù)措施對(duì)河流健康水平的影響,能較為準(zhǔn)確全面的評(píng)價(jià)各河段當(dāng)前健康水平并判斷其變化趨勢(shì)。