上海市典型河道生態護岸效果綜合評價

張 舒 靜

(1.上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061； 2.上海灘涂海岸工程技術研究中心，上海 200061)

1 研究背景

河流生態系統是生物圈物質循環的重要通道，具有調節氣候、改善生態環境以及維護生物多樣性等眾多功能[1]。河岸帶是河流環境的重要組成部分。作為水陸相互作用的區域，河岸帶是河流生態系統與陸地生態系統進行物質、能量、信息交換的重要場所[2]。作為河道治理的重要措施，護岸工程的建設不僅要滿足基本的防洪、航運要求，即符合工程設計原理，同時也要融合生態學、生物科學、環境科學和美學等學科，注重保護生態環境的發展[3]。生態護岸的建造對整個河岸帶生物多樣性的維持以及生態功能的發揮有著重要影響。

上海地處長江、太湖流域下游，屬典型平原感潮河網地區。上海因水而興，上海的高度文明與區域內豐富的水資源有著密切的關系。上海市在水利發展新形勢中，更加注重水環境綜合治理和水環境質量根本改善。2015年12月上海市提出《上海市水污染防治行動計劃實施方案》，2016年12月提出《關于加快本市城鄉中小河道綜合整治的工作方案》，2018年啟動消除劣Ⅴ類水體的治理攻堅戰。

在全面推進河道生態化治理的大背景下，上海市以水岸聯動、截污治污，溝通水系、調活水體，改善水質、修復生態為準則，對生態護岸技術進行進一步的探索。自21世紀初，上海市各類河湖整治工程中已開始應用生態護岸技術。生態護岸型式多樣，但存在一些項目實際效果不理想的現象。河道生態護岸措施構建效果如何，缺乏統一的評價驗收標準，無法進一步指導河道生態護岸工程實踐。為了能科學、合理地評價上海市已建多種類型的生態護岸成效，本文旨在規范生態護岸指標的選擇標準和評價模式，建立完善、適用性強的河流生態護岸評價體系，為該地區的河流生態系統的可持續性管理提供參考[4]。

2 調研工作概述

上海市水務局牽頭組織了相關管理單位和設計單位，對上海市不同行政區典型河道護岸開展生態性評估總結工作，全面客觀地了解和評價這些工程的實際應用效果。根據安全性、生態性、重點性及代表性原則，先后分赴寶山區、松江區、嘉定區、閔行區、浦東新區及崇明區等地進行調研。調研內容主要包括生態護岸技術應用的自然條件、設計方案、施工情況、生態效益、維護管理、造價成本等因素和相關性問題。調研河道名錄見表1。

表1 上海河道護岸生態性情況調研對象名錄Tab.1 List of objects for investigation on ecological situation of river revetment in Shanghai

在總結分析大量生態護岸工程實踐的基礎上，上海目前常用的生態護岸，依據主要材料可劃分為四大類型：① 天然材料生態護岸，如杞柳、蘆葦、草皮、木樁、疊石、石籠等；② 混凝土制品生態護岸，如仿木樁、預制混凝土砌塊、生態混凝土等；③ 土工合成材料生態護岸，如生態毯、生態袋、土工格室、三維土工網墊等；④ 化學膠凝材料生態護岸，如固化土等。

3 上海市河道生態護岸評價模型建立

3.1 生態護岸的定義與特征

生態護岸是指利用植物或者木材、石材等材料與植物搭配對河道坡面進行綠化及防護的一種河道護坡形式，具有“可滲透性”的突出特點。生態護岸除了具備傳統護岸基本的防洪功能外，還兼具生態功能、景觀功能與自凈功能[5]。生態護岸利用特定工程技術手段和材料，使水體與河岸之間的水分調節與交換成為可能，防止水流和波浪(通航河道包括船形波)對岸坡土體的沖蝕和淘刷，實現了養分、物質、能量的交流，從而加強河岸穩定、調節水位、滯洪補枯、防治水土流失。此外，生態護岸利用恢復和增加植被等方法使河岸與河道在生態上聯系起來，既增強了水體自凈能力，又讓生物在其間生長棲息，使護岸環境和生物和諧共存。

3.2 評價指標選取原則

要建立一個科學合理的生態護岸效果評價體系應立足上海實際，指標選擇既要反映護岸的共性，又要體現不同護岸間的差異。且評價結果可用于不同地區、不同類別生態護岸的參考比較[6]。唐濤等[7]最早報道河流生態系統的健康研究；劉聯兵等[8]分析了環境友好型護岸評價指標的選取原則，對環境友好型護岸技術的評價指標體系進行了研究;王菁菁[9]選取了4個準則層，17個具體指標構建了杭州市生態護岸景觀的量化評價體系。經過對生態治理工程后期評價指標選取的研究，選擇評價指標應遵循科學性、目標性、系統性、定量指標與定性指標相結合的原則和可操作性原則。

3.3 影響生態護岸健康關鍵因素分析

生態護岸在保證結構穩定的基礎上，水-路通道不能被阻隔，打造景觀多樣性的同時要與周圍環境相協調，關鍵增強河道自凈能力，提升水質。生態護岸結構是否安全可靠，護岸材料是否具有一定滲透性，能否為不同水生動植物提供良好的生境等因素是評價的關鍵。

河道是城市生活交往的活動載體，生態護岸搭配柔性岸線，助力生態之城的建設。打造具有活力的濱水空間不僅能為市民提供觀景、休憩場所，還能彰顯城市文化風貌特征。是否具有城水相融、人水相宜的設計理念，是上海市生態護岸評價的關鍵。

3.4 層次結構模型構建

生態護岸評價體系中的每個具體的單項指標都經過了反復的修正與意見征求，這些指標從不同方面反映生態護岸的效果功能。本文指標體系建立的實施步驟具體如下：

(1) 河道資料結合現場調研報告，運用頻度分析法，初步建立評價指標體系框架。

(2) 統計分析專家意見，對初步指標體系給出修正建議。

(3) 將增減后的指標進行第二輪意見征求，建立第二輪指標體系框架。

(4) 對(3)中篩選出的指標進行主成分性和獨立性分析，形成最終河道生態護岸效果評價指標體系。

(5) 若對結果不滿意，可返回(3)，直到得出科學、合理的評價指標。

遵循河流生態護岸的健康特征和指標選取原則，從結構性、生態性、功能性3個方面出發整理確定生態護岸效果，共15個指標，進行生態護岸效果后評價，見圖1。

圖1 生態護岸效果評價層次模型Fig.1 Hierarchical model of ecological revetment evaluation

3.5 評價指標說明

(1) 結構性指標。① 岸坡穩定性：即護岸結構穩定，地基土不會發生沉降、坍塌現象，坡度不大于1∶2，越緩越好，岸坡不出現滑動變形或破壞。② 行洪能力：河流的基本功能就是行洪排澇，具體評判標準為河道能否承受起歷史洪水重現或特大洪水出現，滿足防洪排澇要求。③ 岸坡抗沖流速：與岸坡的基質與護岸材料密切相關，不同河道對于抗沖流速有不同的要求，超過這一極限流速岸坡會發生坍塌破壞。一般來說，木樁護岸河道流速一般不大于2.0 m/s，生態混凝土護岸河道流速一般不大于3.0 m/s，石籠、預制混凝土連鎖塊護岸河道流速一般不大于4.0 m/s。④ 岸坡沖刷狀況：能抵御較強的水流沖刷，維護岸坡穩定，護坡結構無損毀脫落現象，通航河道可以有效抵御船行波等水流的沖刷。

(2) 生態性指標。① 植被覆蓋率：植被莖葉在地面的垂直投影面積占統計區總面積的比例，植被對于防止坡面侵蝕和降低地表徑流有直接作用。② 植物種類豐富度：豐富度越高越有利于群落結構形成及生境營造。將該指標分為4級，植物種類≥12種為豐富；6～12種為較豐富；3～6種為一般；≤3種為缺乏。③ 空間布局合理性：即護岸帶水生植物是否按照挺水-浮葉-沉水的方式由陸域向水域布局。該指標等級中，合理指全系列布局；較合理指缺失一類水生植物；一般指缺失兩類水生植物；不合理指無水生植物。④ 生物通道暢通度：即護岸材料孔隙率，護岸建成后生物通道不能被阻隔，水體與陸地之間的水分和氣體交換調節能力應得到提升。⑤ 凈化水體作用：生態護岸配合其周圍的水生植物等，攔截污染物，吸收相關有機質，達到凈化水質作用。⑥ 水土保持作用：護坡結構對岸坡的水土保持是否起到積極作用，有無水土流失現象。⑦ 材料環保性：材料能否與自然生態環境友好協調共生，是否安全、健康且滿足可持續性發展要求。

(3) 功能性指標。① 建造成本：通過查閱工程相關資料，確定各類型生態護岸的材料成本、人工成本及管理成本。護岸施工費用與維護費用是否經濟合理是影響其應用的重要因素。② 文學美學：護岸景觀與周圍環境、建筑融合呼應，結合當地文化特色，起到集引水、生態、旅游為一體的功效。③ 休閑娛樂：設置一定的親水設施供居民休閑、娛樂、戲水，提升宜居環境。④ 使用壽命：生態護岸在保持正常運行狀態下的使用時間，也是影響其應用的重要因素之一。

3.6 評價指標權重確定

為了全面、客觀地反映生態護岸各因素權重的意義，本文采用兩種方法對評價指標進行權重確定，一種是偏主觀的賦權方法，即層次分析法，并綜合考慮專家意見；另一種是偏客觀的賦權方法，熵權法。

(1) 層次分析法。通過以下5個步驟確定準則層和目標層的權重，即：① 明確問題，建立層次結構；② 通過專家打分法構造判斷矩陣；③ 層次單排序；④ 層次總排序；⑤ 一致性檢驗[10]。評價體系總體權重見表2。

表2 總體權重Tab.2 Overall weight

(2) 熵權法。根據各指標的變異程度，利用信息熵計算出各指標的熵權，再通過熵權修正各指標權重，得出較為客觀的指標權重。熵可以度量數據提供的有效信息量。包括3個步驟：① 原始數據矩陣標準化處理，② 求各指標的信息熵Ej，③ 定義熵權[11]。第j個指標的熵權定義為

(1)

3.7 評價標準確立

將河流生態護岸的效果程度劃分為4個等級，各等級具體含義如下。

等級一：效果理想，河岸結構穩定，滿足防洪排澇要求；生態系統未受破壞，植被覆蓋率高，層次豐富，能給生物提供棲息地，具有較強的生態自我修復能力；有較高的文學與美學價值，充分的親水設施，施工簡便，造價經濟，維護簡單。

等級二：效果較好，河岸帶結構較穩定，能較好地滿足防洪排澇要求；生態系統自我修復能力降低，岸坡植被覆蓋率較高，水生植物空間布局有缺失；與周圍景觀協調性降低，能提供一定的親水場所，文學與美學感減弱。

等級三：效果一般，河岸帶結構穩定性一般，基本滿足防洪排澇要求；生態系統結構在一般干擾下尚可恢復，岸坡植物覆蓋率及多樣性一般，水生植物的物種配備少，護岸材料透水性一般，與周圍環境不太協調；親水設施缺乏，文學與美學體驗感一般。

等級四：效果較差，河岸帶結構不穩定，不滿足防洪排澇要求；護岸基本采用硬質護岸材料，生態環境破壞嚴重，一般干擾下生態系統難以恢復，植被覆蓋率低，生物多樣性低，功能較差；幾乎沒有親水設施，后期維護管養費用高。

以上四等級確定了等級劃分的標準，在進行生態護岸評價時，由于各指標量綱、數量級不一樣，需對各指標進行標準化處理。具體指標層等級劃分及標準見表3。

表3 指標層等級劃分及標準Tab.3 Index level classification and standard

3.8 評價方法

上海市生態護岸評價體系模型的評價指標是基于多指標和多點調查獲得的，為了能全面客觀地反映上海市生態護岸效果的實際情況，本文通過基于層次分析法的綜合指數評價法，對上海市已建生態護岸進行打分，定量評價其功能效果；再基于熵權法的TOPSIS評價法，客觀地找出生態護岸中最優和最劣模式，并對兩者結果進行總結分析。

3.8.1綜合指數評價法

綜合指數法是將不同性質、不同單位的各種實測指標值通過指數變換，加權得出綜合指數，對綜合指數進行比較分析，評價優劣。綜合評價指標計算與健康等級劃分是根據各個指標因子的權重值與各個評價指標的等級值進行層次加權計算，得到生態護岸功能效果綜合評價指數。生態護岸綜合評價指數值N對應標準見表4。

(2)

式中：N為生態護岸綜合評分值；Bi為第i個準則層的權重；Cj為第i個準則層中第j個指標所占的權重；Xij為第i個準則層中選取的第j個指標的評分值；n為準則層的個數；m為指標層中指標的個數。

表4 綜合評價指數值N對應評價等級Tab.4 Comprehensive evaluation index value N corresponding to evaluation grade table

3.8.2TOPSIS綜合評價

(3)

(4)

(5)

式中：i=1，…，m；j=1，…，n；0≤Ci≤1；Zij是第j個目標對第i個方案的規范化加權值。

4 上海市生態護岸綜合評價結果

各指標的采集方法采用定性描述與定量測量相結合，現場觀察結合理論知識、經驗等，對定性指標給予賦值，利用儀器測量對定量指標給予賦值。按照評價指標的標準將調查數據記錄在表，計算結果見表5～7。

4.1 上海市生態護岸綜合指數法綜合評價

上海市生態護岸綜合指數法評價打分，結果見表5。

表5 生態護岸效果綜合指數法評價結果Tab.5 Evaluation results of comprehensive index method for ecological revetment

4.2 上海市生態護岸TOPSIS法綜合評價

4.2.1熵權法計算權重

熵權法得出的各評價指標權重及排序見表6。

表6 基于熵權法的生態護岸評價指標權重Tab.6 Weights of ecological evaluation indices of revetment based on entropy weight method

4.2.2TOPSIS法綜合評價

上海市河道生態護岸效果TOPSIS法綜合評價結果見表7。

表7 護岸生態性TOPSIS法評價結果及排序Tab.7 Evaluation results and ranking of ecological TOPSIS method for ecological revetment

4.3 護岸生態性綜合分析

4.3.1綜合指數評價法

依據綜合指數法評價結果，所調研河道生態護岸效果90%處于一般及以上狀態，沒有河道處于較差狀態。處于理想狀態的河道有1條，為沙溪河；處于一般狀態的河道有3條，為瞿門河、戰斗河和純陽村橫河；剩余河道都處于較好狀態。

沙溪河生態效果最佳，主要原因為：其護岸型式為景觀黃石拋石加生態袋組合，接近自然護岸狀態，注重水陸之間物質、能量、信息的交流。生態袋具有穩定邊坡作用，穩定性優于純土坡。袋內草籽生長情況較好，很好地遮擋了生態袋，沒有影響護岸帶美觀，挺水-浮葉-沉水植物布局完善，與河岸帶風景融為一體，且造價經濟合理，后期維護到位，此類護岸型式適用于緩坡性岸坡。

瞿門河、戰斗河和純陽村橫河在綜合評價中得分靠后，主要原因為：木樁穩定性雖優于自然岸坡，但遠遠不如砌石擋墻，抗沖刷性能較低，加之河水流動，木樁表面受損日益嚴重，易遭受腐蝕，而且如今木樁護岸材料很難按規模成批取得，價格上沒有明顯優勢，使用年限也受限。瞿門河、戰斗河河岸帶植被覆蓋率低，種類欠缺，土坡裸露，無水生植物，也是其綜合得分低的重要原因。而純陽村橫河緊鄰民房，河道中有居民搭建的小水橋，河道本身窄小，水動力不足，加之受人為干擾因素大，崇明地區土質為砂性土，水質情況不樂觀。且固化土技術是項新技術，還處于發展實驗階段，施工質量難以控制，目前較多還是應用于開挖受限的河道。

4.3.2TOPSIS指數法

本文采用基于熵權法的TOPSIS綜合評價法，通過熵求出權重，構建加權規范矩陣，準確、客觀地找出調研河道中最優和最劣的生態護岸型式。按TOPSIS評價值對生態護岸效果進行排序，最優方案為橫港河，最劣方案為瞿門河。橫港河仿木樁護岸穩定性好，其獨特之處在于，局部岸段與沿線綠地設計相結合，如在橫港河道南岸至富水路之間建造面積約1.97萬m2的公共綠地，在橫港泵站及周邊建筑約2 700 m2公共綠地；局部河段在平面上擴大河口寬度，形成湖泊和河中小島，部分岸線結合綠地改為蜿蜒曲線；對于已建直線擋墻岸線，調整墻前挺水植物的種植平臺形態，形成曲線的視覺效果。

5 結 論

本文深入地對上海市生態護岸應用效果進行調研分析，從結構性、生態性、功能性三方面構建生態護岸效果綜合評價指標體系，采用層次分析法和熵權法全面、客觀地反映評價指標各因素權重的意義，并以此為依據綜合評價上海市已建多種類型的生態護岸效果。評價結果能客觀地反映生態護岸治理措施的實際情況，選取的評價指標可操作性強，為今后各個地域、流域的生態護岸的建設提供了理論依據和技術支持。

依據綜合評價結果及城市化進程關系，充分考慮工程安全與生態措施搭配的合理性，推薦護岸型式：① 中心城鎮地區，用地受限地區，可同橫港河采取仿木樁護岸；對于景觀要求較高的地區，有一定的過渡帶范圍，可采用景觀黃石搭配水生植物布置形成復合型式。② 郊區-新城鎮型：采用區別于傳統的硬質混凝土擋墻的生態擋墻——石籠擋墻、舒布洛克擋墻、箱型砌塊擋墻、榮勛砌塊擋墻等；親近自然的斜坡護岸——連鎖塊體、螺母塊體、綠化混凝土及生態袋護坡。③ 農田-村落型：采用近似自然的河岸帶為主，選取護岸型式應盡量維持自然土坡護岸型式；對于流速較大等不穩定岸段，可采取綠化混凝土，石籠等抗沖刷性能較好的護岸型式。

此次調研中也發現，護岸結構的效果雖受材料選擇、設計方案影響，但只有在設計、施工、養護管理科學到位的情況下，才能取得較好效果。