沈陽城市河流生態系統健康評價研究

周林飛，左建軍，孫中華

(1.沈陽農業大學 水利學院，沈陽 110866;2.即墨市水利局，山東 即墨，266200)

城市河流指發源于城區或流經城市區域的河流或河流段，以及一些歷史上雖屬人工開挖、但經多年演化已具有自然河流特點的運河和渠系，是重要的城市環境因素，正得到越來越多的關注[1]。近年來，由于我國社會經濟高速發展、城市化進程的加快，城市河流生態系統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、潛在或顯在獨立作用與累積干擾的作用下，城市河流生態系統整體狀況及生態過程受到嚴重影響[2]，已成為城市可持續發展的制約瓶頸。因此，探討城市河流有效的生態系統評價指標體系以及評價方法，是正確進行城市河流生態系統功能現狀診斷評價及其未來的預測和管理的需要。

目前，河流生態系統健康評價的方法大體可分為生物監測法和綜合指標法。生物監測法通過監測一些生物或其類群的數量、生物量、生產力、結構指標、功能指標及其一些生理生態狀況的動態變化來描述河流生態系統的健康狀況。生物監測法的缺點是選擇不同的研究對象及監測參數會導致不同的評價結果，難于確定不同生物類群進行評價時的取樣尺度與頻度，無法綜合評價河流生態系統狀況問題等[3]。基于此，產生了綜合指標法，綜合指標法能夠綜合物理、化學、生物，甚至社會經濟指標。這種能夠反映不同尺度信息的綜合指標法成為未來生態系統健康評價的重要手段[4]。本文即采用綜合指標法，建立評價指標體系及模糊綜合評判模型，對渾河沈陽段進行評價，為河流生態修復提供科學依據和技術支持。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

渾河發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沈陽城市段，東起沈陽市東陵區干河子攔河壩，西至于洪區謨家堡大閘段，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 數據來源

渾河徑流量數據來自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年遙感影像解譯結果，水質數據來源于2009年3月、7月和8月遼寧省重點水功能區水量水質評價結果。防洪標準、河道固化強度和親水景觀面積的相關數據根據實際調查得出。根據以上資料對2009年渾河沈陽段進行生態系統健康狀況進行評價。

2 建立城市河流生態系統健康評價模糊綜合評判模型

城市河流生態系統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;評判結果在表達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學形式，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 隸屬函數的確定

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

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

把各評價指標的實際值代入相應的隸屬函數，計算出每個指標對于各評價等級的隸屬度，得模糊關系R，稱R為模糊矩陣。

2.2 建立評判指標的權重矩陣

運用層次分析法賦權。層次分析法的主要特點是定性與定量分析相結合，將人的主觀判斷用數量形式表達出來并進行科學處理。運用層次分析法確定權重，可分為4個步驟:建立遞階層次結構模型;構造出各層次中的所有判斷矩陣;層次單排序及一致性檢驗;層次總排序及一致性檢驗。計算出各參評指標的權重，組成一個1×n的模糊矩陣E，即:

式中:en——各參評指標的權重。

2.3 模糊綜合運算及評判

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

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準。設左極點狀態記以序數1，自左向右的中介狀態記為2，3，…，直至右極點狀態記以序數m。1，2，…，m稱為狀態點，以狀態變量h表示，h=1，2，…，m。則級別特征值H利用式(7)進行計算。

3 評價指標體系及評價標準

3.1 建立評價指標體系

河流生態系統健康的概念是近幾年才提出的，至今尚無統一的定義，分歧在于是否考慮人類價值。目前普遍認可的一種定義是Meyer[9]提出的，認為健康的河流生態系統不但要維持生態系統的結構和功能，而且應包括人類與社會價值。人類與社會價值主要指工農業用水供應、潔凈飲用水、環境娛樂、精神享受、魚類生產、保持水供應、物質儲存與再生、美學價值和凈化能力等。本文在這個概念的基礎上建立城市河流生態系統健康評價指標體系。

本研究在借鑒前人研究的基礎上，建立包括水量、水質、河岸帶、水生生物與物理結構5個一級指標的指標體系。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需水量和開發利用率表達。水質標志著水體的物理(如色度、濁度、臭味等)、化學(無機物和有機物的含量)和生物(細菌、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脆弱帶，是異質性最強、最復雜的生態系統之一[10]，在維持區域生物多樣性、促進物質與能量交換、抵抗水流侵蝕與滲透、營養物過濾及吸收等方面發揮重要的作用[11-13]，表現為廊道、緩沖與護岸等3方面的生態功能[14]，可以用河岸帶植被覆蓋、親水景觀建設面積、效果和可達性以及防洪標準來表達[15]。

河流的生物群落主要受河流系統水文情勢、地貌、流態、水質和人類活動等因素的影響。著眼于水域生物群落結構和功能，處于河流食物鏈營養頂級的魚類能反映整個水生態系統的健康狀況，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表征河流生物指標狀況。物理結構反映的是河道的幾何形態，直接影響到水體同河岸河道交換的能力、水生物棲息地、河道物理穩固及連通程度等方面，可以用河岸與河道固化強度、河床、河岸穩固性、河流廊道連續性、棲息地、魚道狀況來表達[15]。

3.2 渾河沈陽段具體評價指標的選取

所選取的評價指標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。水量指標選取水資源開發利用率和生態需水量;水質指標根據國家地表水質標準，選取多個指標進行綜合評價，來確定等級;水生生物指標選取魚類生物完整性指數(IBI);河岸帶指標選取防洪標準、河岸帶植被覆蓋和親水景觀面積3個指標;物理結構指標選取河岸與河道固化強度，共8個指標。

3.3 評價標準

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

表1 城市河流生態系統健康評價標準

4 評價結果與分析

將8指標的實際值分別代入各等級的隸屬函數式(1)-(3)，計算各單項指標的隸屬度，即求模糊矩陣 ，其結果見表2。根據層次分析法原理，建立遞階層次結構模型，各層權重計算結果見表2。

利用式(6)進行模糊綜合運算，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。由綜合隸屬度可以看出，渾河對于病態、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，即前者的隸屬度遠遠大于后者，這說明了最后評價結果為不健康的合理性。從各單項評價指標對各級別的隸屬度來看，水資源開發利用率過高，水質污染嚴重，以及作為城市河流親水景觀面積還遠遠不夠。今后應合理開發水資源，加強污水排放的監管治理，加大親水景觀的建設，使渾河城市段處于較健康狀態，為水生物和城市居民提供一個良好的生境，使其更好地可持續地為人類提供服務功能。

表2 各評價指標隸屬度、權重及綜合隸屬度

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

5 結論

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

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