周林飛，左建軍，孫中華

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，沈陽 110866;2.即墨市水利局，山東 即墨，266200)

城市河流指發(fā)源于城區(qū)或流經(jīng)城市區(qū)域的河流或河流段，以及一些歷史上雖屬人工開挖、但經(jīng)多年演化已具有自然河流特點(diǎn)的運(yùn)河和渠系，是重要的城市環(huán)境因素，正得到越來越多的關(guān)注[1]。近年來，由于我國社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快，城市河流生態(tài)系統(tǒng)受到了來自自然和人為因素的巨大壓力，在各類直接或間接、潛在或顯在獨(dú)立作用與累積干擾的作用下，城市河流生態(tài)系統(tǒng)整體狀況及生態(tài)過程受到嚴(yán)重影響[2]，已成為城市可持續(xù)發(fā)展的制約瓶頸。因此，探討城市河流有效的生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系以及評價方法，是正確進(jìn)行城市河流生態(tài)系統(tǒng)功能現(xiàn)狀診斷評價及其未來的預(yù)測和管理的需要。

目前，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價的方法大體可分為生物監(jiān)測法和綜合指標(biāo)法。生物監(jiān)測法通過監(jiān)測一些生物或其類群的數(shù)量、生物量、生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)指標(biāo)、功能指標(biāo)及其一些生理生態(tài)狀況的動態(tài)變化來描述河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。生物監(jiān)測法的缺點(diǎn)是選擇不同的研究對象及監(jiān)測參數(shù)會導(dǎo)致不同的評價結(jié)果，難于確定不同生物類群進(jìn)行評價時的取樣尺度與頻度，無法綜合評價河流生態(tài)系統(tǒng)狀況問題等[3]?；诖?，產(chǎn)生了綜合指標(biāo)法，綜合指標(biāo)法能夠綜合物理、化學(xué)、生物，甚至社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。這種能夠反映不同尺度信息的綜合指標(biāo)法成為未來生態(tài)系統(tǒng)健康評價的重要手段[4]。本文即采用綜合指標(biāo)法，建立評價指標(biāo)體系及模糊綜合評判模型，對渾河沈陽段進(jìn)行評價，為河流生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

渾河發(fā)源于遼寧撫順市清源縣長白山支脈的滾馬嶺，是遼寧省第二大河流。南部與太子河相鄰，北與清、柴、范河接壤;東部以龍崗山脈與鴨綠江及松花江流域分界。自東向西南流，至營盤附近左岸納入支流蘇子河，然后流經(jīng)撫順、沈陽至黃土坎后支流蒲河由右岸匯入，最后在三岔河處與太子河匯合，注入大遼河。渾河全長415 km，流域面積11 481 km2。

本文評價范圍為流經(jīng)沈陽城市段，東起沈陽市東陵區(qū)干河子攔河壩，西至于洪區(qū)謨家堡大閘段，全長31.98 km，河道最大寬度964 m，最窄處寬 270 m，平均寬度400 m。沈陽市地處歐亞大陸東岸，中緯度地帶，氣候類型屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。冬冷夏暖，寒冷期長，平均氣溫-9.1℃，夏季平均氣溫22.3℃，年降水量平均為716.6 mm，降水集中在6-8月。

1.2 數(shù)據(jù)來源

渾河徑流量數(shù)據(jù)來自1967-2007年的中華人民共和國水文年鑒，河岸帶植被覆蓋率來自2005年遙感影像解譯結(jié)果，水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于2009年3月、7月和8月遼寧省重點(diǎn)水功能區(qū)水量水質(zhì)評價結(jié)果。防洪標(biāo)準(zhǔn)、河道固化強(qiáng)度和親水景觀面積的相關(guān)數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際調(diào)查得出。根據(jù)以上資料對2009年渾河沈陽段進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價。

2 建立城市河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價模糊綜合評判模型

城市河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價問題具有以下特征:評判客體不存在絕對分明的界限，具有中介過渡性，屬于模糊概念;評判主體的思維方法上具有多樣性;評判結(jié)果在表達(dá)上具有口語化的特征[5]。因此，不能用一個簡單的“是”或“否”，“非此即彼”來回答。對于這種界限(邊界)不分明的事物，需要有一種能對事物漸變過程中的不分明性加以描述的數(shù)學(xué)形式，模糊綜合評判模型是處理這類外延邊界“模糊不清”問題的最好方法。

2.1 隸屬函數(shù)的確定

隸屬函數(shù)是各單項(xiàng)指標(biāo)模糊評價的依據(jù)，各單項(xiàng)指標(biāo)的評價又是多因素模糊綜合評價的基礎(chǔ)。因此確定各因素對各級的隸屬函數(shù)是問題的關(guān)鍵。求隸屬函數(shù)的方法很多，其中有中值法以及按函數(shù)分布形態(tài)曲線求隸屬函數(shù)等。較為成熟的是用降半梯形分布函數(shù)確定某種元素的隸屬函數(shù)[6]。分別用降半梯形和升半梯形隸屬函數(shù)求兩端等級的隸屬度，用對稱山型隸屬函數(shù)求中間等級隸屬度[7]，見式(1)-(3)。

式中:i— —指標(biāo)個數(shù)，i=1 ，2 ，…，n;j——評價等級 ，j=1，2，…，m，共 5 級;uiI— —指標(biāo) i等級 Ⅰ 下的特征值對模糊子集的相對隸屬度;uij——指標(biāo)i等級Ⅱ-Ⅳ下的特征值對模糊子集的相對隸屬度;uiV——指標(biāo)i等級Ⅴ下的特征值對模糊子集的相對隸屬度;x——某評價因子實(shí)際值;aj——某級標(biāo)準(zhǔn)值。

把各評價指標(biāo)的實(shí)際值代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)，計算出每個指標(biāo)對于各評價等級的隸屬度，得模糊關(guān)系R，稱R為模糊矩陣。

2.2 建立評判指標(biāo)的權(quán)重矩陣

運(yùn)用層次分析法賦權(quán)。層次分析法的主要特點(diǎn)是定性與定量分析相結(jié)合，將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達(dá)出來并進(jìn)行科學(xué)處理。運(yùn)用層次分析法確定權(quán)重，可分為4個步驟:建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型;構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣;層次單排序及一致性檢驗(yàn);層次總排序及一致性檢驗(yàn)。計算出各參評指標(biāo)的權(quán)重，組成一個1×n的模糊矩陣E，即:

式中:en——各參評指標(biāo)的權(quán)重。

2.3 模糊綜合運(yùn)算及評判

模糊綜合評判問題最終目的是尋求一個模糊集合B，所以還要進(jìn)行E與R模糊關(guān)系合成，得綜合隸屬度，對B中結(jié)果還必須歸一化。

式中:bm——對各等級的綜合隸屬度。

為了解決最大隸屬度原則的不適用性，這里采用陳守煜[8]提出的級別提特征值作為判定標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)左極點(diǎn)狀態(tài)記以序數(shù)1，自左向右的中介狀態(tài)記為2，3，…，直至右極點(diǎn)狀態(tài)記以序數(shù)m。1，2，…，m稱為狀態(tài)點(diǎn)，以狀態(tài)變量h表示，h=1，2，…，m。則級別特征值H利用式(7)進(jìn)行計算。

3 評價指標(biāo)體系及評價標(biāo)準(zhǔn)

3.1 建立評價指標(biāo)體系

河流生態(tài)系統(tǒng)健康的概念是近幾年才提出的，至今尚無統(tǒng)一的定義，分歧在于是否考慮人類價值。目前普遍認(rèn)可的一種定義是Meyer[9]提出的，認(rèn)為健康的河流生態(tài)系統(tǒng)不但要維持生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，而且應(yīng)包括人類與社會價值。人類與社會價值主要指工農(nóng)業(yè)用水供應(yīng)、潔凈飲用水、環(huán)境娛樂、精神享受、魚類生產(chǎn)、保持水供應(yīng)、物質(zhì)儲存與再生、美學(xué)價值和凈化能力等。本文在這個概念的基礎(chǔ)上建立城市河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系。

本研究在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，建立包括水量、水質(zhì)、河岸帶、水生生物與物理結(jié)構(gòu)5個一級指標(biāo)的指標(biāo)體系。河流來水量能夠反映流域的氣候、地形地貌特征以及受人工設(shè)施干擾的程度，同時又受這些因素影響。水量一般用城市河流生態(tài)需水量和開發(fā)利用率表達(dá)。水質(zhì)標(biāo)志著水體的物理(如色度、濁度、臭味等)、化學(xué)(無機(jī)物和有機(jī)物的含量)和生物(細(xì)菌、微生物、浮游生物、底棲生物)的特性及其組成的狀況。良好的水質(zhì)是水生物健康生長與繁殖的必備條件。

河岸帶是處于水陸交界處的生態(tài)脆弱帶，是異質(zhì)性最強(qiáng)、最復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)之一[10]，在維持區(qū)域生物多樣性、促進(jìn)物質(zhì)與能量交換、抵抗水流侵蝕與滲透、營養(yǎng)物過濾及吸收等方面發(fā)揮重要的作用[11-13]，表現(xiàn)為廊道、緩沖與護(hù)岸等3方面的生態(tài)功能[14]，可以用河岸帶植被覆蓋、親水景觀建設(shè)面積、效果和可達(dá)性以及防洪標(biāo)準(zhǔn)來表達(dá)[15]。

河流的生物群落主要受河流系統(tǒng)水文情勢、地貌、流態(tài)、水質(zhì)和人類活動等因素的影響。著眼于水域生物群落結(jié)構(gòu)和功能，處于河流食物鏈營養(yǎng)頂級的魚類能反映整個水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，是河流健康評價的重要指示生物，采用魚類生物完整性指數(shù)表征河流生物指標(biāo)狀況。物理結(jié)構(gòu)反映的是河道的幾何形態(tài)，直接影響到水體同河岸河道交換的能力、水生物棲息地、河道物理穩(wěn)固及連通程度等方面，可以用河岸與河道固化強(qiáng)度、河床、河岸穩(wěn)固性、河流廊道連續(xù)性、棲息地、魚道狀況來表達(dá)[15]。

3.2 渾河沈陽段具體評價指標(biāo)的選取

所選取的評價指標(biāo)既能綜合反映渾河沈陽段的健康狀況，又要具有可操作性和可獲得性。水量指標(biāo)選取水資源開發(fā)利用率和生態(tài)需水量;水質(zhì)指標(biāo)根據(jù)國家地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，選取多個指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，來確定等級;水生生物指標(biāo)選取魚類生物完整性指數(shù)(IBI);河岸帶指標(biāo)選取防洪標(biāo)準(zhǔn)、河岸帶植被覆蓋和親水景觀面積3個指標(biāo);物理結(jié)構(gòu)指標(biāo)選取河岸與河道固化強(qiáng)度，共8個指標(biāo)。

3.3 評價標(biāo)準(zhǔn)

評價標(biāo)準(zhǔn)通過以下幾種方法確定:(1)歷史資料法;(2)實(shí)地考察;(3)借鑒國家標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)研究成果。其中，生態(tài)需水量等級是指生態(tài)需水量占河道天然年徑流量的百分比，根據(jù)Tennant法確定。分級采用通用的5級分級標(biāo)準(zhǔn):病態(tài)、不健康、亞健康、健康和很健康。防洪標(biāo)準(zhǔn)、河岸與河道固化強(qiáng)度、親水景觀面積3個指標(biāo)，分別對各個級別進(jìn)行特征描述，以分值閥“1，2，3，4，5”代表 5個級別的標(biāo)準(zhǔn)。各個指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

表1 城市河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價標(biāo)準(zhǔn)

4 評價結(jié)果與分析

將8指標(biāo)的實(shí)際值分別代入各等級的隸屬函數(shù)式(1)-(3)，計算各單項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度，即求模糊矩陣 ，其結(jié)果見表2。根據(jù)層次分析法原理，建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，各層權(quán)重計算結(jié)果見表2。

利用式(6)進(jìn)行模糊綜合運(yùn)算，得到綜合隸屬度B，見表2。由于最大隸屬度原則的不適用性，再利用式(7)計算，H=1.94。因此，渾河處于不健康狀態(tài)。由綜合隸屬度可以看出，渾河對于病態(tài)、不健康和亞健康的隸屬度之和為0.96，而對健康和很健康的隸屬度之和僅為0.04，即前者的隸屬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，這說明了最后評價結(jié)果為不健康的合理性。從各單項(xiàng)評價指標(biāo)對各級別的隸屬度來看，水資源開發(fā)利用率過高，水質(zhì)污染嚴(yán)重，以及作為城市河流親水景觀面積還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。今后應(yīng)合理開發(fā)水資源，加強(qiáng)污水排放的監(jiān)管治理，加大親水景觀的建設(shè)，使渾河城市段處于較健康狀態(tài)，為水生物和城市居民提供一個良好的生境，使其更好地可持續(xù)地為人類提供服務(wù)功能。

表2 各評價指標(biāo)隸屬度、權(quán)重及綜合隸屬度

為驗(yàn)證計算模型的正確性，采用多模型對比方法進(jìn)行檢驗(yàn)。仍利用層次分析法確定權(quán)重，應(yīng)用另一種模型模糊模式識別模型，對2009年渾河沈陽段進(jìn)行評價，其評價結(jié)果是，H=1.912，亦處于不健康狀態(tài)。兩種評價結(jié)果相吻合，從而證明了所運(yùn)用模型的可靠性和實(shí)用性。

5 結(jié)論

根據(jù)渾河沈陽段的實(shí)際情況、具體特征，建立了渾河健康評價指標(biāo)體系，從水量、水質(zhì)、水生生物、河岸帶、物理結(jié)構(gòu)5個方面選取了水資源開發(fā)利用率、生態(tài)需水量、水質(zhì)等級、魚類生物完整性指數(shù)等8個指標(biāo)。分級采用通用的5級分級標(biāo)準(zhǔn)，分為病態(tài)、不健康、亞健康、健康和很健康;分級標(biāo)準(zhǔn)值通過歷史資料、實(shí)地考察、借鑒國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究成果確定。采用模糊綜合評判模型對渾河沈陽段進(jìn)行了評價，評價結(jié)果顯示:2009年渾河沈陽段處于不健康狀態(tài)，并與模糊模式識別模型的計算結(jié)果進(jìn)行對比，證明了結(jié)果的正確性。處于不健康狀態(tài)主要是由于人類長期對渾河的過度開發(fā)利用和污染造成的，今后應(yīng)合理開發(fā)水資源，加強(qiáng)污水排放的監(jiān)管和治理，使河流處于健康狀態(tài)，為水生物提供一個良好的生境。

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