北京市涼水河物理棲息地完整性評價

孫 斌，劉靜玲，孟 博，包 坤，史 璇，尤曉光

(1.水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875)

北京市涼水河物理棲息地完整性評價

孫 斌1,2，劉靜玲1,2，孟 博1,2，包 坤1,2，史 璇1,2，尤曉光1,2

(1.水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875)

針對城市河流強人為干擾特征，從橫向完整性、縱向完整性和垂向完整性3個維度選擇了10個評價指標(biāo)，引入信息熵對傳統(tǒng)的灰色聚類評價方法進行改進，構(gòu)建城市河流物理完整性評價指標(biāo)體系。利用該方法對北京市涼水河物理棲息地完整性開展了評價，結(jié)果表明在監(jiān)測的21個采樣點中評價結(jié)果為好、較好、一般和較差的比例分別為19.1%、23.8%、33.3%和23.8%，造成涼水河物理棲息地完整性較差的指標(biāo)依次為生態(tài)流量滿足率、縱向連通性指數(shù)和河流蜿蜒度。導(dǎo)致涼水河物理棲息地完整性較差的突出原因為生態(tài)流量滿足率低、閘壩較多及土地利用不合理，其中閘壩出現(xiàn)的周期性與物理棲息地變差的周期性相一致。

物理棲息地完整性；信息熵；灰色聚類；涼水河

河流與城市的發(fā)展息息相關(guān)，受人類活動的影響目前城市河流生態(tài)系統(tǒng)普遍退化嚴(yán)重[1-2]。通常導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)退化的原因包括土地利用變化、水質(zhì)污染、水量不足等，其中河流水文地貌條件的改變是根本原因之一[3]。對河流水文地貌條件進行評價，尤其是對河流的物理棲息地評價是河流管理和河流修復(fù)的中心環(huán)節(jié)[4]。

Platts等[5]利用MESC(methods for evaluating stream conditions)對河流、河岸帶和生物多樣性三者之間的關(guān)系開展了研究，在隨后不到20年的時間里關(guān)于河流物理棲息地評價方法不斷涌現(xiàn)，其中應(yīng)用比較廣泛的有QHEI(qualitative habitat evaluation index)、CEM(channel evolution models)和RHS (river habitat survey) 等方法[6]。1999年美國環(huán)保署建立了河流物理棲息地評價體系[7]，從河岸帶、河道寬深比、河床條件、水生動植物等方面對河流的物理棲息地進行評價；歐盟于2000年發(fā)布水框架指令[8]，要求從河流的河床、河岸帶、水文等方面對歐盟境內(nèi)的所有河流的水文地貌進行監(jiān)測。評價體系和指令的出臺，使得河流物理棲息地評價方法得到了進一步的發(fā)展[9]。

結(jié)合Belletti等[9-11]在河流棲息地評價方面的綜述，以及截止到2016年12月在web of science數(shù)據(jù)庫和知網(wǎng)中所能檢索到國內(nèi)外關(guān)于河流物理棲息地評價的方法一共有101種，這些方法均直接從河流水文地貌出發(fā)對河流物理棲息地進行評價，不包括河流生物完整性評價和物理棲息地模擬等其他河流棲息地評價方法。通過對這101種河流物理棲息地評價方法進行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者在進行河流物理棲息地評價時，多使用綜合指數(shù)方法，較少使用綜合評價法；在空間尺度方面主要是從橫向和縱向兩個維度對河流物理棲息地進行評價，關(guān)于河流物理棲息地垂向完整性方面較少考慮；在時間尺度方面當(dāng)前研究多集中在分析近1年的數(shù)據(jù)，缺乏在較大時間尺度下河流物理棲息地完整性變化研究；在指標(biāo)選擇方面，不同類型的指標(biāo)使用比例大都集中在40%～75%(表1)。

表1 河流棲息地評價方法綜合信息

針對我國具有強人為干擾特征的城市河流物理棲息地開展的評價較少[9,12]。本研究將河流棲息地完整性分為物理完整性、化學(xué)完整性和生物完整性3個方面，從橫向完整性、縱向完整性和垂向完整性3方面構(gòu)建城市河流物理棲息地完整性評價指標(biāo)體系，利用信息熵權(quán)計算各指標(biāo)的權(quán)重，最后利用灰色聚類評價模型對其物理棲息地完整性開展評價。

1 研究區(qū)概況

海河流域位于北緯35°～43°，東經(jīng)112°～120°，流域大部分位于河北省境內(nèi)，總面積3.18 萬km2，占國土面積3.31%，而流域內(nèi)人口占到全國人口的10%，水資源利用率超過100%[13]。經(jīng)濟的快速增長及不斷持續(xù)的城鎮(zhèn)化進程，導(dǎo)致大量的污染物排入河流中，使該區(qū)域成為全國水污染最嚴(yán)重、水資源最短缺的流域之一。涼水河發(fā)源于石景山區(qū)人民渠，流經(jīng)海淀、宣武、豐臺、朝陽等區(qū)(縣)，最終由通州區(qū)榆林莊閘匯入北運河，全長約53 km，總流域面積約815.39 km2[14-15]，是北京市重要的非常規(guī)水源補給。涼水河是典型的平原河網(wǎng)城市河流，具有流速慢、水深淺等特點，河流的自凈能力差、底泥容易沉積[16]。在實地調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合河流兩岸的人類活動情況、土地利用類型以及河道中閘壩情況，沿河流走向布設(shè)了21個采樣點，見圖1。

圖1 研究區(qū)及采樣點位置

2 河流物理棲息地完整性評價方法

2.1 評價指標(biāo)的選擇

基于海河流域城市河流強人為干擾的特征，結(jié)合海河流域的自然特征，參照Tavzes等的研究成果，選取了10個指標(biāo)，其特征與計算方法見表2[17-21]。將這10個指標(biāo)歸為橫向完整性、縱向完整性和垂向完整性3個維度，其中橫向完整性包括橫向連通性(lateral continuity, TC)、河岸植被覆蓋率(river vegetation coverage, RVC)、河岸帶植被緩沖帶寬度(riparian vegetation width, RVW)、河岸帶人類活動強度指數(shù)(artificial features index, AFI)以及河岸帶土地利用類型指數(shù)(land use index, LUI)；縱向完整性包括河流生態(tài)流量滿足率(ecological flow, EF)、縱向連通性(longitudinal continuity, LC)以及河流蜿蜒度(river meandering, RM)；垂向完整性包括底質(zhì)構(gòu)成指數(shù)(substrate composition index, SCI)和棲境復(fù)雜性指數(shù)(habitat complexity index, HCI)。

從表2可以看出，除RM外各指標(biāo)的取值范圍均在0和1之間，且越接近于1，越有利于保證河流物理棲息地完整性[22]。借鑒An等[23]對棲息地質(zhì)量分級時所采用的分級方法，各指標(biāo)的得分小于所有點中該指標(biāo)最高得分的20%為差等級，20%～40%為較差等級，40%～60%為一般等級，60%～80%為較好等級，大于等于80%為好的等級。

表2 城市河流物理棲息地完整性評價指標(biāo)及計算方法

2.2 計算方法

灰色聚類評價過程中的主要步驟[24]如下：

步驟1：假設(shè)有m個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點有n個監(jiān)測指標(biāo)，則構(gòu)成C=m×n的白化矩陣，矩陣中元素ckj為第k個監(jiān)測點第j個聚類指標(biāo)的白化值。

步驟2：數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。監(jiān)測指標(biāo)的白化值的標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(1)

式中：dkj為第k個監(jiān)測點第j個監(jiān)測指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；c0j為第j個監(jiān)測指標(biāo)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

灰類的標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(2)

式中：rji為第j個監(jiān)測指標(biāo)第i個灰類的標(biāo)準(zhǔn)化處理值；sji為第j個監(jiān)測指標(biāo)的第i個灰類值；h為總的灰類數(shù)。

步驟3：確定白化函數(shù)。白化函數(shù)反映聚類指標(biāo)對灰類的親疏關(guān)系。第j個監(jiān)測指標(biāo)的灰類1的白化函數(shù)為

(3)

第j個監(jiān)測指標(biāo)的灰類i的白化函數(shù)為

(4)

第j個監(jiān)測指標(biāo)的灰類h的白化函數(shù)為

(5)

步驟4：求算聚類權(quán)。聚類權(quán)是衡量各個監(jiān)測指標(biāo)對同一灰類的權(quán)重，考慮到各監(jiān)測指標(biāo)對評價結(jié)果的貢獻不同，借鑒信息熵的思想，計算各指標(biāo)的信息熵權(quán)，用傳統(tǒng)的聚類權(quán)與信息熵權(quán)的乘積作為最終的聚類權(quán)。首先計算信息熵，計算公式為

(6)

(7)

聚類權(quán)值ωji的計算公式為

(8)

步驟5：求算聚類系數(shù)。聚類系數(shù)反映了各監(jiān)測點對灰類的親疏程度。第k個監(jiān)測點第i個灰類的聚類系數(shù)εki計算公式為

(9)

式中，fji=(dkj)為第k個監(jiān)測點第j個監(jiān)測指標(biāo)的第i個灰類的白化函數(shù)。將每個監(jiān)測點對各個灰類的聚類系數(shù)組成聚類行向量，在行向量中最大聚類系數(shù)所對應(yīng)的灰類即為該監(jiān)測點所屬的類別。

3 結(jié)果與分析

3.1 涼水河物理棲息地完整性灰色聚類分析結(jié)果

根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，利用各監(jiān)測指標(biāo)的最高得分可以分別計算得到?jīng)鏊游锢項⒌赝暾栽u價各指標(biāo)的具體分級標(biāo)準(zhǔn)，見表3。根據(jù)引入信息熵的灰色聚類評價方法，計算得到各監(jiān)測點聚類系數(shù)及所屬類型，見表4。

表3 涼水河物理棲息地完整性評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

3.2 涼水河物理棲息地完整性評價結(jié)果分析

從圖2中可以看出對涼水河物理棲息地完整性影響較大的5個指標(biāo)依次為： LUI、LC、EF、RVC和RM。

表4 各監(jiān)測點對灰度的聚類系數(shù)及所屬類型

圖2 各監(jiān)測指標(biāo)的信息熵權(quán)

評價結(jié)果表明涼水河物理棲息地物理完整性可以分為4個等級，在21個監(jiān)測點中評價結(jié)果為好、較好、一般和較差的監(jiān)測點分別為19.1%、23.8%、33.3%和23.8%。其中，評價結(jié)果為較差的5個監(jiān)測點分別為LS1、LS3、LS8、LS11和LS12。通過圖3可以看出，5個監(jiān)測點所在河流斷面的EF、LC、RM的灰類等級均較差。除此之外監(jiān)測點LS1的TC、RVC、LUI也較差，這主要是由于監(jiān)測點LS1監(jiān)測點位于城市核心區(qū)，住宅和路網(wǎng)較密集，同時監(jiān)測點附近的大紅門閘阻斷了河流的縱向連通性。監(jiān)測點LS3、LS8和LS12的縱向完整性和垂向完整性均較差，其中監(jiān)測點LS3的上游為小紅門處理廠的卵形硝化池出水，水質(zhì)較差，水體呈青灰色，同時河床底部有較多淤泥，SCI和HCI值較低；監(jiān)測點LS8的河床底部同樣為淤泥，且水體微臭，水質(zhì)較差，河岸兩側(cè)住宅密集、人口密度大；監(jiān)測點LS12上游為污水處理廠出水口，水質(zhì)較差，河岸左側(cè)堆放較多垃圾，河岸兩側(cè)植被覆蓋率較低。監(jiān)測點LS11為通惠河灌渠、灌渠內(nèi)有污水處理廠，灌渠筑壩取水使得河流縱向連通性降低、河流水量減少，而灌渠內(nèi)污水處理廠出水進一步影響EF。

圖3 部分監(jiān)測點各監(jiān)測指標(biāo)的灰類等級

利用 MATLAB中繪制21個監(jiān)測點各監(jiān)測指標(biāo)的熱圖(圖4)，圖中顏色越深表明等級越差。從圖4可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前對涼水河物理棲息地完整性造成較大負(fù)面影響的指標(biāo)主要包括4個：EF、LC、LUI、SCI。

圖4 物理棲息地完整性較差點的各指標(biāo)聚類結(jié)果

EF包含水量和水質(zhì)兩個方面。在水量方面，涼水河所在的海河流域最突出的矛盾在于水資源的嚴(yán)重短缺[25]，這在客觀上限制了涼水河的水量；在水質(zhì)方面，涼水河接納了來自首鋼污水處理廠、小紅門污水處理廠等的出水，同時接納了河流沿岸部分小區(qū)未經(jīng)處理直接排放的生活污水。高橋幸彥等[26]的研究表明污水處理廠出水直接排放到小流量河流中會對河流的生態(tài)環(huán)境造成不利影響。

出于城市景觀和防洪的需要，城市河段中修建了大量的閘壩，閘壩不僅對水生生物直接生活的棲息地完整性造成了破壞，也對河岸植被完整性產(chǎn)生不良影響[27]。在涼水河一共出現(xiàn)9個閘壩，把河流分割成系列單獨的小單元，對LC造成了嚴(yán)重的影響。

由于經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市化進程不斷加快，城市土地利用類型處在不斷變化之中。河岸帶土地利用類型的變化，對河道等產(chǎn)生影響[28]。從圖4可以看出涼水河LUI較低，且由于LUI的權(quán)重最大，其對涼水河的物理棲息地完整性產(chǎn)生了較大的負(fù)面效應(yīng)。并且位于城市核心區(qū)的LUI大于城市周邊地區(qū)，即城市核心區(qū)的土地利用類型等級稍優(yōu)于城市周邊，這主要是由于城市核心區(qū)擁有相對比較合理完善的城市規(guī)劃，而在城市周邊由于缺乏規(guī)劃其對河流物理棲息地完整性破壞更大。

河流底質(zhì)為底棲生物、水生動植物等提供了直接的棲息環(huán)境。水量不足，加上修建的大量閘壩，影響了河流的對沉積物的輸送，并使得沉積物在河道內(nèi)淤積[29]，在河流底部產(chǎn)生了大量的淤泥，造成了水生生物的棲息地多樣性的喪失，SCI較差。

圖5為涼水河物理棲息地完整性空間尺度的變化特征。從圖5可以看出涼水河物理棲息地完整性在空間上呈現(xiàn)出周期性變化特征，且物理棲息地完整性變差的周期性與閘壩出現(xiàn)的周期性相一致(除LS1—LS3河段外，其間有污水處理廠出水匯入)。在監(jiān)測點LS13以后河流物理棲息地完整性的波動小于LS1—LS13之間的波動，可見自上游到下游物理棲息地完整性在波動中逐漸得到改善，這主要是由于上游河段位于城市核心區(qū)，受人為干擾程度大于下游河段。

圖5 涼水河物理棲息地完整性空間尺度變化特征

4 結(jié) 論

利用引入信息熵的灰色聚類方法對涼水河物理棲息地完整性進行評價，21個采樣點中評價結(jié)果為好、較好、一般和較差的監(jiān)測點比例分別為19.1%、23.8%、33.3%和23.8%，全河段中最差的5個監(jiān)測點分別為LS1、LS3、LS8、LS11和LS12。

a. LUI、LC和EF 3個評價指標(biāo)對涼水河物理棲息地完整性評價結(jié)果貢獻較大，貢獻率分別為26%、20%和18%。

b. 在空間上，城市河流物理棲息地完整性的變異性大于自然河流，其中閘壩通過影響縱向連通性和底質(zhì)完整性，使得涼水河物理棲息地完整性降低；污水處理廠通過影響EF使得LS3點的物理棲息地完整性最差。

c. 對評價結(jié)果貢獻較大的LUI、LC、EF指標(biāo)，其聚類結(jié)果為差的比例分別為38%、33%和48%。利用信息熵權(quán)對各指標(biāo)賦予的權(quán)重較合理，評價結(jié)果對河流物理棲息地完整性修復(fù)具有指導(dǎo)意義。

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EvaluationofphysicalhabitatintegrityofLiangshuiRiverinBeijing

SUNBin1,2,LIUJingling1,2,MENGBo1,2,BAOKun1,2,SHIXuan1,2,YOUXiaoguang1,2

(1.StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,Beijing100875,China；2.SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Considering the strong human disturbances of urban rivers, 10 evaluation indexes from three dimensions of horizontal integrity, longitudinal integrity and vertical integrity were selected. The traditional grey clustering evaluation method was improved by introducing information entropy to construct the urban river physical integrity evaluation index system. This method was used to evaluate the physical habitat integrity of Liangshui River in Beijing. The results show that: among the 21 monitoring sites under the evaluation of physical habitat integrity, evaluation results were defined to be four grades of good, better, medium and poor, accounting for 19.1%, 23.8%, 33.3% and 23.8%, respectively. The indicators leading to poor physical habitat integrity of Liangshui River are the low ecological flow (EF), longitudinal connectivity (LC), and river meandering(RM)in sequence. The prominent reasons that cause poor physical habitat integrity of Liangshui River attribute to low ecological flow, more dams and unreasonable land use. The periodicity of the emerging dam is consistent with the same of the physical habitat deterioration.

physical habitat integrity; information entropy; gray clustering; Liangshui River

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.03

國家自然科學(xué)基金(41271496)；國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07203-006)

孫斌(1993—)，男，碩士研究生，研究方向為水生態(tài)系統(tǒng)管理。E-mail：Eco-bin@mail.bnu.edu.cn

劉靜玲，教授。E-mail：jingling@bnu.edu.cn

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1004-6933(2017)06-0020-07

2017-05-06 編輯：王 芳)