城市河道生態(tài)評價體系構(gòu)建研究

李文泉,南貴珍,牟天瑜

（1. 山東省環(huán)境保護科學(xué)研究設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250013；2. 山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

作為城市水環(huán)境的重要組成部分，城市河道水體由于流動性差、水源單一、受人類活動影響嚴(yán)重等原因，造成生態(tài)功能脆弱、自凈能力差，普遍面臨生態(tài)功能被破壞的問題。 隨著國務(wù)院提出的“水十條”以及“十四五”流域治理目標(biāo)，為切實做好城市河道的生態(tài)治理工作，恢復(fù)水體生態(tài)功能等問題必將更加受到重視和關(guān)注。 20世紀(jì)80年代，西方各國開始認識到生態(tài)學(xué)原理在水體治理中的重要作用，并提出建設(shè)“多自然型河川”，“近自然河道”等理念[1]。 城市河道生態(tài)修復(fù)與重建過程是將人類對傳統(tǒng)河流的干擾逐漸消除并恢復(fù)其自然特征的過程，城市河道的生態(tài)治理工作不僅要考慮河道的防洪排澇作用，還需重視恢復(fù)河道的生態(tài)服務(wù)功能，盡量保持和恢復(fù)其自然特征，必須結(jié)合生態(tài)學(xué)原理實現(xiàn)河道人為破壞過程的逐漸恢復(fù)，構(gòu)建城市河道生態(tài)評價體系對于實現(xiàn)該目標(biāo)有一定重要意義。

完整、 有效的城市河道生態(tài)綜合評價體系能夠比較全面地反映城市河道的各方面生態(tài)性能，通過量化評價城市河道治理前、后的生態(tài)差異，可以達到監(jiān)督治理效果的目的[2]。西方許多國家早已開展對河流水體生態(tài)系統(tǒng)綜合評價的研究與實踐[3-4]。其中，美國、英國、澳大利亞、瑞典等國已形成一種乃至多種經(jīng)過實踐檢驗的評價方法（如美國的快速生物監(jiān)測方法（PBPs）、英國的河溪棲息地調(diào)查法（RHS）、澳大利亞的河溪狀況指標(biāo)體系（ISC）和河流形態(tài)結(jié)構(gòu)框架法（GRS）、瑞典的河溪環(huán)境細則（RCE）等）。 與國外相比，國內(nèi)城市河道生態(tài)性綜合評價方法尚存在較多問題[3]，對此，通過研究國內(nèi)、外有關(guān)自然水體生態(tài)治理方面的文獻、政府規(guī)范以及項目案例等，分析影響河道生態(tài)穩(wěn)定的各生態(tài)因子，綜合不同評價系統(tǒng)的優(yōu)、缺點和適用范圍，建立一套基于層次分析法的城市河道生態(tài)評價模型及多層級評估方法，可為城市河道的生態(tài)修復(fù)及后期保育提供一定參考和指導(dǎo)。

1 城市河道生態(tài)評價體系構(gòu)建意義

（1）構(gòu)建城市河道生態(tài)評價體系有助于識別河道生態(tài)現(xiàn)狀和主要影響因素

利用城市河道生態(tài)評價體系對城市河道進行評價，并對評價結(jié)果進行詳細分析，不僅可以了解當(dāng)前城市河道的生態(tài)現(xiàn)狀，而且通過分析各級評價指標(biāo)評價結(jié)果，還可篩選出影響該河道生態(tài)功能的最主要因素，找出導(dǎo)致該河道生態(tài)功能惡化的主要原因，從而制定有針對性的治理措施，指導(dǎo)河道生態(tài)重建，盡快恢復(fù)河道生態(tài)功能。

（2）構(gòu)建城市河道生態(tài)評價體系可指導(dǎo)制定河道生態(tài)治理的技術(shù)措施

利用城市河道生態(tài)評價體系對城市河道進行評價，可了解當(dāng)前城市河道生態(tài)各組成部分的現(xiàn)狀，找出薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)此決定生態(tài)修復(fù)的具體內(nèi)容，并可為河道的緩沖帶狀況、護岸狀況、水體狀況及采用的修復(fù)技術(shù)提供依據(jù)。

（3）城市河道生態(tài)評價體系有助于評價城市河道生態(tài)治理效果

利用城市河道生態(tài)評價體系對城市河道進行評價，評價結(jié)果可作為城市河道整治前、后比對依據(jù)，從而可評估整治工程是否對城市河道生態(tài)狀況產(chǎn)生積極作用，并找出改善整治和管理方式的途徑。

2 城市河道生態(tài)評價體系指標(biāo)選取原則

選取城市河道生態(tài)評價體系指標(biāo)在很大程度上決定了評價的可行性和結(jié)果的科學(xué)性，是構(gòu)建評價體系的基礎(chǔ)，城市河道不同于自然河道，因其同時具有社會性與自然性2 方面屬性，涉及人文、水文、地貌、生態(tài)等多種因素，所以選取指標(biāo)應(yīng)遵循以下基本原則[1,5-7]。

（1）系統(tǒng)性。 要全面考慮構(gòu)建指標(biāo)體系，設(shè)置指標(biāo)應(yīng)盡可能完整、全面、系統(tǒng)地反映被評價河道生態(tài)系統(tǒng)的完整性，全面衡量諸多生態(tài)影響因子。

（2）典型性。 由于城市河道生態(tài)性影響因子繁多，為便于分析研究，在滿足指標(biāo)體系系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上，需綜合考慮河道的自然和社會功能因素，選取具有決定性因素，形成典型的城市河道評價指標(biāo)體系，綜合反映城市河道生態(tài)性差異。

（3）可行性。 用于評價的指標(biāo)數(shù)據(jù)必須易于采集，結(jié)果便于統(tǒng)計和計算。選取指標(biāo)在兼顧定性與定量的同時，各指標(biāo)優(yōu)劣程度應(yīng)具有明顯的可度量性，便于評價者客觀判定，避免因評價者主觀因素產(chǎn)生不同評價結(jié)果。

3 城市河道生態(tài)評價體系的構(gòu)建步驟

根據(jù)城市河道生態(tài)評價體系構(gòu)建意義及原則，借鑒國內(nèi)、外河道生態(tài)評價的研究，按以下步驟構(gòu)建城市河道生態(tài)評價體系。

（1）選擇評價體系指標(biāo)?；诔鞘泻拥赖纳鷳B(tài)特征及生態(tài)建設(shè)的特點，確定城市河道生態(tài)評價模型關(guān)鍵指標(biāo)。

（2）確定評價標(biāo)準(zhǔn)。 針對各指標(biāo)特點，確定每項指標(biāo)的評價方法和評價標(biāo)準(zhǔn)。

（3）計算權(quán)重。采用層次分析法確定各評價指標(biāo)的基礎(chǔ)權(quán)重，并采用德爾菲法對基礎(chǔ)權(quán)重進行修正，得到最終的權(quán)重向量。

（4）綜合評價河道生態(tài)性。將上述評價指標(biāo)進行無量綱化的數(shù)據(jù)錄入，并將各個評價指標(biāo)得分與其權(quán)重加權(quán)，得到城市河道生態(tài)評價綜合指數(shù)（UREI），據(jù)此進行城市河道的生態(tài)評價。

3.1 選擇評價指標(biāo)

根據(jù)城市河道生態(tài)評價體系構(gòu)建意義及原則，結(jié)合河道生態(tài)性的概念與特征，將城市河道分為緩沖帶、護岸和水體3 部分，建立一套（包含3 個一級指標(biāo)和16 個二級指標(biāo)）城市河道生態(tài)評價體系。

3.1.1 河道緩沖帶

河道緩沖帶是指位于河道護岸兩側(cè)，具有養(yǎng)分截留、污染物攔截、水質(zhì)保護、美化景觀、保護生物多樣性等一系列生態(tài)功能的植被區(qū)域，對保持與修復(fù)河道生態(tài)性具有重要意義[3-8]。 根據(jù)緩沖帶的定義及生態(tài)意義，選擇植被豐富度、緩沖帶寬度、植被結(jié)構(gòu)完整性、 植被覆蓋率4 個指標(biāo)表征河道緩沖帶生態(tài)狀況。

3.1.2 河道護岸

河道護岸是城市河道的重要組成部分，城市河道護岸在注重其安全穩(wěn)定性的同時，還需注重其對河道的生態(tài)和景觀功能[5]。由于城市河道護岸受人工干擾程度較大，因此對護岸的評價不僅可以反映河道生態(tài)情況，還可以表征人類活動對河道濱岸帶的影響。根據(jù)城市河道護岸的建設(shè)特點和生態(tài)意義，選擇護岸坡度、護岸類型、植被覆蓋率、護岸親水性4個指標(biāo)表征河道護岸生態(tài)狀況。

3.1.3 河道水體

河道水體是城市河道的最主要組成部分，水體的生境及生物結(jié)構(gòu)對發(fā)揮河道生態(tài)功能至關(guān)重要。根據(jù)城市河道水體的建設(shè)特點和生態(tài)意義，選擇水流狀態(tài)、河床基質(zhì)類型、富營養(yǎng)化程度、水質(zhì)指標(biāo)、水生植物連續(xù)性、水生植物結(jié)構(gòu)完整性、水污染指示生物、魚類8 個指標(biāo)表征河道水體生態(tài)狀況。

3.2 確定指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 河道緩沖帶

（1）河道植被豐富度。該指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)選用緩沖帶植被種類與當(dāng)?shù)亟匀缓拥乐脖环N類之比作為量化指標(biāo)，采用當(dāng)?shù)亟匀缓拥乐脖环N類作為基準(zhǔn)，可實現(xiàn)因地制宜的目的，因此更具有針對性和參考性。

（2）河道緩沖帶寬度。在保持河道緩沖帶基本功能基礎(chǔ)上和滿足城市建設(shè)和經(jīng)濟效益要求的同時確定緩沖帶寬度指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)。 根據(jù)相關(guān)研究[9-10]，河道緩沖帶寬度為15 m 時，可過濾80%以上的TN，TP，基本滿足要求。

（3）河道植被結(jié)構(gòu)完整性。根據(jù)喬灌木植物的不同生態(tài)功能，綜合考慮河道緩沖帶穩(wěn)固岸坡、景觀視覺影響以及抵制洪水的作用來確定河道植被結(jié)構(gòu)完整性指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)，即根據(jù)“喬木+ 灌木+ 草本”，“喬木+ 草本”，“灌木+ 草本”等不同的植物配置方式對河道生態(tài)功能的貢獻[10]確定緩沖帶寬度指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)。

（4）河道植被覆蓋率。依據(jù)美國河流生境快速評價法（PBS）確定河道植被覆蓋率指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 河道護岸指標(biāo)

（1）河道護岸坡度。 根據(jù)澳大利亞WHEP 生態(tài)評測方法以及近自然護岸岸坡的相對平衡坡度綜合確定河道護岸坡度指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)。

（2）河道護岸類型。該指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)主要參考河道護岸的人工化程度。一般來說，河道護岸人工化程度越高，其穩(wěn)定性越好，而生態(tài)效應(yīng)則會變差。 根據(jù)城市河道護岸特點，結(jié)合已有研究[11-13]，確定河道護岸類型指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)。

（3）河道植被覆蓋率。依據(jù)美國河流生境快速評價法（PBS）確定植被覆蓋率指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)。

（4）河道護岸親水性。城市內(nèi)河具有明顯的社會性，其承擔(dān)了一定的景觀娛樂功能，河道護岸的親水功能是城市河道生態(tài)功能的重要組成部分，故采用居民親水的便捷性作為河道護岸親水性指標(biāo)的評價參考[5]。

3.2.3 河道水體指標(biāo)

（1）水流狀態(tài)。該指標(biāo)主要反映河道水體的水深和流速狀況。 復(fù)雜多樣的水流狀態(tài)可提供適合不同生物生存的河流生境，從而形成更為復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，這對于維持河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定有著重要意義。依據(jù)美國河流生境快速評價法（PBS）采用水深和流速2 個因子確定水流狀態(tài)指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)。

（2）河床基質(zhì)類型。河床基質(zhì)類型主要反映水體生境對水生生物的適宜性。 城市河道以土質(zhì)界面和人工硬化界面為主，且普遍存在淤泥淤積現(xiàn)象，土質(zhì)界面有利于水體與河床基質(zhì)進行物質(zhì)交換，同時有利于水體生物多樣性的增加。因此，河床基質(zhì)類型評價指標(biāo)在考慮河床淤泥的基礎(chǔ)上只對土質(zhì)界面和人工硬化界面進行評價。

（3）富營養(yǎng)化程度。根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的《湖泊（水庫）富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》（中國環(huán)境監(jiān)測總站，總站生字[2001]090 號）確定富營養(yǎng)化程度指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)。

（4）水質(zhì)指標(biāo)。 參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》確定水質(zhì)指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)。

（5）水生植物結(jié)構(gòu)完整性。 根據(jù)浮葉、挺水和沉水植物的生態(tài)功能和城市河道水體水質(zhì)特點，綜合考慮對污染水體的綜合凈化能力和對水體的遮蔽作用及可能存在的藻華風(fēng)險等因素確定水生植物結(jié)構(gòu)完整性指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)。 即根據(jù) “浮葉+ 挺水+ 沉水”，“浮葉+ 挺水”，“挺水+ 沉水”等不同的水生植物配置方式對河道生態(tài)功能的貢獻[14-15]確定水生植物結(jié)構(gòu)完整性評價標(biāo)準(zhǔn)。

（6）水生植物連續(xù)性。該指標(biāo)主要評價植物空間分布的連續(xù)性，其采用定性指標(biāo)描述水體水生植物分布的連續(xù)性。

（7）水污染指示生物。該指標(biāo)主要反映水體當(dāng)前的污染程度，并指示水體生境的優(yōu)劣，故根據(jù)水體中清潔指示種和耐污種指示生物的種類分布來確定水污染指示生物指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)。

（8）魚類。該指標(biāo)主要用來反映當(dāng)前河流生態(tài)系統(tǒng)的的健康狀況，是水體生態(tài)的重要指示生物[16]。 其主要參考魚類完整性指數(shù)（FIBI）進行評價[17-18]，當(dāng)濾食性魚類較多時，說明河水水質(zhì)較差；當(dāng)肉食性和草食性魚類較多時，說明河水水質(zhì)較好。

城市河道水質(zhì)生態(tài)評價指標(biāo)體系評分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 城市河道水質(zhì)生態(tài)評價指標(biāo)體系評分標(biāo)準(zhǔn)

3.3 確定指標(biāo)權(quán)重評價方法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process ，AHP)是一種簡明的定性與定量分析相結(jié)合的多因素系統(tǒng)分析和評價方法，該方法將專家的經(jīng)驗判斷進行量化，在國內(nèi)已得到廣泛推廣，是一種實用和常用的評價方法[5]。 為提高指標(biāo)權(quán)重獲取的科學(xué)性，避免由于單一專家評價導(dǎo)致的諸多不確定因素影響，考慮獲取多位專家的共同決策并利用德爾菲法修正權(quán)重數(shù)據(jù)[19]，力求評價結(jié)果盡可能最大程度反映實際情況。

3.3.1 層次分析法確定指標(biāo)基礎(chǔ)權(quán)重

（1）建立判斷矩陣。 根據(jù)層次分析法原理，對不同指標(biāo)進行兩兩比較，形成評價指標(biāo)的比較矩陣。

（2）層次單排序。計算對應(yīng)判斷矩陣的最大特征根λmax，得到特征矩陣的特征向量W =（W1，W2，…，Wn），經(jīng)歸一化計算后即得同一層次的因素對于上一層次的因素的某因素的相對重要性排序權(quán)值。

（3）一致性檢驗。該檢驗主要用來檢驗各元素重要度之間的協(xié)調(diào)性。

定義一致性指標(biāo)：

式中：CI 為一致性指標(biāo)；λ 為判斷矩陣的最大特征值；n 為判斷矩陣的階數(shù)。

定義一致性比率：

式中：CR 為一致性比率；RI 為隨機一致性指標(biāo)，取值見表2。

表2 RI 取值

當(dāng)CR≤0.1 時，判斷矩陣通過一致性檢驗，特征向量可作為權(quán)重向量計算，否則需重新調(diào)整判斷矩陣元素取值。

（4）層次總排序。計算各層次對于系統(tǒng)的層次總排序，得到該層所有因素對于最高層的相對權(quán)重值。

（5）層次總排序的一致性檢驗。設(shè)某一層對于上一層中各因素的層次單排序的隨機一致性為RI，一致性指標(biāo)為CI，計算出層次總排序的一致性比率：

式中：a 為一級指標(biāo)相對于總目標(biāo)的排序（權(quán)重）。

當(dāng)CR<0.1 時，一致性檢驗通過，否則需重新調(diào)整判斷矩陣的元素取值。

3.3.2 德爾菲法修正評價指標(biāo)的基礎(chǔ)權(quán)重

假設(shè)有M 位專家參與評價決策，則根據(jù)X 專家決策得到的判斷矩陣計算而得的權(quán)重向量為：WX=（Wx1，Wx2，Wx3，…，Wxn），(X=1，2，3，…，M)，取判斷矩陣權(quán)重向量Wi與Wj的夾角為θij，則Sij表示2 個專家各自的判斷矩陣之間的一致程度。

依據(jù)Sij可求得第i 個專家所得的判斷矩陣平均一致度Si。

最后，歸一化處理所有專家的平均一致度，得到各個專家的判斷矩陣相對一致度S 'i，將S 'i與相對應(yīng)權(quán)重向量Wi相乘并求和，最后得出修正后的權(quán)重W'。

3.4 城市河道水質(zhì)生態(tài)評價綜合指數(shù)

城市河道水質(zhì)生態(tài)評價綜合指數(shù)計算公式：

式中：UREI 為城市河道水質(zhì)生態(tài)評價綜合指數(shù)；f1～fn為各項分級指標(biāo)評估得分，W '1～W 'n為各分級指標(biāo)修正后的權(quán)重值。

城市河道水質(zhì)生態(tài)評價綜合指數(shù)分級見表3。按照表3 要求，根據(jù)城市河道水質(zhì)生態(tài)評價綜合指數(shù)得分對河道生態(tài)功能進行評價。

表3 城市河道水質(zhì)生態(tài)評價綜合指數(shù)分級

4 結(jié)論

（1）通過分析國內(nèi)、外河道生態(tài)評價的研究與實踐資料，明確構(gòu)建城市河道生態(tài)評價體系在城市河道生態(tài)治理研究中的重要意義，通過闡述城市河道生態(tài)評價意義、原則和評價步驟，為構(gòu)建城市河道生態(tài)評價體系建立基礎(chǔ)。

（2）結(jié)合我國城市河道的特性，進行城市河道生態(tài)評價指標(biāo)體系的研究與探索。 從河道緩沖帶、護岸、水體3 個角度，初步建立涵蓋河道生境和生物等16 個詳細指標(biāo)的城市河道生態(tài)評價體系。該結(jié)果可為城市河道生態(tài)建設(shè)和效果評估提供一定參考和借鑒。

（3）提出以層次分析法作為確定各評價指標(biāo)基礎(chǔ)權(quán)重的基本方法，同時為減少單一專家決策導(dǎo)致的主觀因素，采用德爾菲法對多專家決策結(jié)果進行修正。針對各指標(biāo)的特點，確定各指標(biāo)的采集和量化方法和評價標(biāo)準(zhǔn)。