基于壓力-狀態-響應和物元可拓模型的城市河流健康評價

李 港,陳 誠,2,* ,姚斯洋,何夢男,闞加力,欒 澔,陳求穩

1 南京水利科學研究院生態環境研究所,南京 210029 2 河海大學水利水電學院,南京 210098 3 南京市鼓樓區水務局,南京 210000

城市的擴張和工業的發展使得人類活動對城市河流的干擾和破壞不斷加劇,進而導致了水系衰退、水體黑臭等水生態環境問題[1]。隨著近些年來城市河流生態健康受到社會的廣泛關注與重視,一系列生態修復措施得以實施以期能夠改善城市河流的健康狀態[2]。因此,進行城市河流的健康評價,一方面可以檢驗生態修復措施的效果,同時也是進行城市河流管理與保護的重要前提,對城市的可持續發展具有重要意義。

目前,河流健康評價方法主要包括指示物種法和指標體系法。指示物種法采用魚類、浮游動植物、底棲動物以及微生物等生物類群的物種完整性來監測河流生態系統健康,適用于受人類活動影響較小的自然河流的健康評價[3—5]。指標體系法則是根據河流系統特征構建評價指標體系,采用數學模型確定河流健康等級,在河流健康評價中得到了廣泛的應用[6—7]。城市河流作為人類活動和自然過程相互作用較為強烈的區域,河流資源的過度開發利用以及污染物排放等壓力使得城市河流健康狀況不斷惡化[8],而為了應對河流健康狀況的惡化,針對城市河流實施了大量的生態治理修復措施,人類活動施加給河流的壓力和采取的積極措施共同影響著城市河流的健康狀態[9]。然而,目前針對城市河流構建的評價指標體系主要集中在水文、水質、生境等河流的自然屬性以及人類對河流施加的壓力方面[10],而忽視了人類采取的積極措施對河流生態健康的影響,從而使得表征河流健康狀態的信息考慮不夠全面,綜合考慮人類正負面影響對河流健康狀態的影響,可提供更加全面準確的城市河流健康評價結果。

壓力-狀態-響應(PSR)模型于20世紀70年代由David J.Rapport和Tony Friend提出,后由經濟合作與發展組織(OECD)和聯合國環境規劃署(UNEP)推廣發展[11],由于能夠清晰的描繪外界壓力、系統狀態以及響應決策與行動三者之間的關系,被廣泛應用于生態安全、生態環境承載力等方面的評價[12],基于PSR模型篩選評價指標,除了可以將不同地區城市河流健康評價體系的構建統一到同一框架下,還能考慮人類積極措施對河流健康狀態的影響,有效提高城市河流健康綜合評價準確性和合理性。彭濤等[13]、Zhao等[14]采用PSR模型構建城市河流健康評價指標體系,利用集對分析方法進行了宜昌黃柏河和合肥十五里河的健康評價,取得了較為全面準確的評價結果。

采用常規數學模型進行河流健康等級評定時,其評價結果往往具有一定的模糊性[15],并且僅能針對當前指標監測數據進行現狀評價,難以根據評價結果判斷河流健康狀態的變化趨勢。物元可拓模型最早由我國學者蔡文提出,主要用于解決復雜的不相容問題[16],同時可以根據相鄰等級綜合關聯度之間的距離判斷河流健康水平的發展趨勢,將其與PSR模型相結合,能夠有效提升城市河流健康的評價準確性。城市河流往往流經城市的多個區域,由于發展程度與功能定位的不同,各區域內河段包含河流物理形態、土地利用類型以及河流水環境等要素在內的生態系統往往存在較大的差異[17],從而導致城市河流的健康狀態呈現出明顯的空間異質性,基于河流沿程生態系統特征的差異,進行河流分段健康評價,可以有效識別各河段生態健康的關鍵制約因素。同時,為避免河流尺度指標造成各河段之間差異的平均化,影響評價結果,選取的指標應集中在河段尺度和斷面尺度。

本研究以城市河流鼓樓區西北護城河為對象,根據河流形態特征及其所處區域功能定位差異劃分河段,基于PSR模型構建評價指標體系,采用物元可拓模型進行河流健康評價并判斷其變化趨勢,以期為城市河流的針對性生態治理與修復提供參考。

1 研究區域與數據

1.1 研究區域概況

西北護城河位于江蘇省南京市鼓樓區中部,全長約5.6 km,匯水面積3.95 km2(圖1),主要流經公園、景區以及居民住宅區等區域,各河段所處環境存在顯著的差異,河流形態沿程呈現較大變化。為準確描述西北護城河各河段健康狀況的差異,考慮河流周邊土地利用類型的區別以及河流形態的變化情況,并結合城市地下管網走向,將西北護城河劃分為6個河段進行河流的分段健康綜合評價。河段A起于小桃園泵站,止于桃園橋,全長0.55 km,河寬10—15 m,沿岸植被較多,沿河無居民區；河段B起于桃園橋,止于中山北路,河段長1.3 km,均寬100 m,護岸為軟質護坡,功能定位為景觀河道；河段C起于中山北路,止于繡球公園閘,為公園內湖泊,水流流速緩慢,人流量較大；河段D起于繡球公園閘,止于盧龍橋,河段長0.54 km,均寬15 m,河段蜿蜒曲折,兩岸主要為商業用地；河段E起于盧龍橋,止于建寧西路橋,河段長0.81 km,均寬75 m,右岸為景區,左岸為道路；河段F起于建寧西路橋,止于金川門泵站,河段長1.24 km,河段均寬35 m,兩岸均為居民住宅區,采用硬質襯砌護岸,河段內較多生態浮床及曝氣設施。西北護城河的污染源主要為地表徑流污染、生活污水以及本底污染,水量補給多由閘壩控制,其健康狀態受人類活動影響大,具有典型的城市河流特征[18]。

1.2 數據資料

本研究于2019年對西北護城河6個河段布設12個采樣點(圖1)進行每個季度水環境和水生態監測,獲取包括水質指標(CODMn、NH3-N和TP等)、透明度、浮游植物生物量等水質水生態監測數據,計算指標現狀值時參考《地表水資源質量評價技術規程》[19]中水質評價數據頻次要求,對四個季度的監測數據進行算術平均處理。城市河流污染負荷主要來自降雨攜帶、地表徑流以及河道本底3個方面。降雨攜帶的年入河污染物負荷估算通過進行每個季度的降雨實驗,獲得雨水中包括CODMn、NH3-N以及TP在內的污染物濃度,結合2019年水文年鑒中鼓樓區年降雨量數據,估算污染物降雨入河量；地表徑流污染物入河負荷估算通過各季度降雨試驗測量雨水流經不同下墊面(綠地、硬質地面等)后靠近河道一側的地表徑流中各污染物濃度,參考楊迪虎[20]的研究確定不同下墊面面源污染物入河系數,通過解譯2019年9月高分1號遙感影像獲得各河段匯水范圍內不同類型下墊面面積,估算污染物地表徑流入河量；河道本底污染負荷根據水質監測數據及《地表水環境質量標準》[21]進行估算；采取的生態修復措施及其工程量數據來自《西北護城河水質提升工程可行性研究報告》。

2 評價模型

2.1 評價指標體系

PSR模型包含人類活動給河流帶來的壓力、河流在人類壓力作用下的狀態以及人類為改善河流狀態而采取的響應措施三個方面,能夠全面考慮人類對河流健康的正負面影響,因此本研究從壓力、狀態、響應三個方面構建評價指標體系,以進行全面準確的河流健康評價。

(1)壓力指標

隨著社會對城市河流健康的關注與重視,同時由于城市河流自凈能力有限,對于河流點源污染排放管控也越來越嚴格,眾多城市河流已進行了排污口的整治,禁止污染物通過管道直接排入河流,因此,河流中影響水質水生態的污染物CODMn、NH3-N以及TP主要來自面源沖刷、降雨攜帶以及河道本底累積的內源污染[22],考慮到各河段納污量的差異,采用各河段CODMn、NH3-N以及TP三個污染物指標的年排放量與對應河段納污量的比值表征污染負荷對河流水質水生態造成的壓力。城市河流周邊濱水建筑物的體量大小會直接影響到河岸帶的寬度,對河岸帶的狀態產生一定的脅迫,而河岸帶作為水生生態系統和陸地生態系統進行物質交換的關鍵區域,能一定程度表征河流健康狀況,因此將濱水建筑物體量作為河岸帶壓力來源的指標。

(2)狀態指標

城市河流在各種人類活動壓力的作用下,其各方面的狀態會受到一定的影響。其中污染物的排放量大小會直接影響到城市河流的水質健康狀態,使得城市河流的營養狀態發生改變,進而引起水生動植物的多樣性的變化,對河流的水質水生態產生影響,水質狀態選用透明度和水質等級兩個指標表征,水質等級的計算綜合考慮CODMn、NH3-N以及TP三個主要污染物參考《地表水環境質量標準》[21]和《生態河湖狀況評價規范》[23]確定,水生態狀態采用浮游植物多樣性指標表征；濱水建筑物體量會影響到河岸帶的健康狀態,例如濱水建筑物體量較大的一般為商業住宅區,河岸帶寬度較窄,而濱水建筑物體量較小的一般為公園綠地,其河岸帶寬度較寬,因此采用在濱水建筑物作用下的河岸帶寬度表征河岸帶的狀態。

(3)響應指標

人類為了改善河流在壓力作用下的狀態而采取的響應措施對于河流的健康水平會產生一定的影響。城市河流相較于自然河流,其河岸帶的植被大都為人工種植和維護[24],同時部分河段修建了生態護坡以還原護岸的自然狀態,河岸帶的植被種植情況及對應的岸坡自然狀態共同影響著污染物的截留及水陸物質的交換,因此將河岸帶植被覆蓋率和岸坡自然程度作為河岸帶狀態的響應指標；對于水質水生態狀態而言,往往會采取減少排污口和進行生態修復從而達到改善水質水生態的目的,因此可以將排污口處理率及生態修復措施對污染物的削減情況作為水質水生態的響應指標。

根據上述分析選取指標,基于PSR模型構建了包含壓力、狀態、響應三個方面共12指標的城市河流評價指標體系,指標及其計算方式具體如表1所示。

表1 評價指標體系及指標計算方法Table 1 Evaluation index system and its calculation method

2.2 評價標準

目前對于城市河流的健康評價尚未制定統一的標準,因此本研究結合國內外河流健康評價的研究成果以及城市河流的實際情況,將目標層城市河流健康等級分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個等級,分別對應于健康、亞健康、中等、亞病態、病態五個健康水平[26]。同時采取同樣方式對準則層進行分級,對于壓力準則層,分為低壓力(Ⅰ)、較低壓力(Ⅱ)、中等壓力(Ⅲ)、較高壓力(Ⅳ)以及高壓力(Ⅴ)；對于狀態準則層,分為好狀態(Ⅰ)、較好狀態(Ⅱ)、中等狀態(Ⅲ)、較差狀態(Ⅳ)以及差狀態(Ⅴ)；對于響應準則層,分為高響應能力(Ⅰ)、較高響應能力(Ⅱ)、中等響應能力(Ⅲ)、較低響應能力(Ⅳ)以及低響應能力(Ⅴ)。各等級標準值參考相關文獻、標準規范并結合西北護城河實際情況制定,具體如表2所示。

表2 河流健康指標體系評價標準Table 2 Evaluation criteria of river health index system

2.3 評價方法

當所給的條件不能達到要實現的目標時,稱為不相容問題[30—31]。對于河流健康評價而言,理論上指標選取的越多,對于河流健康的描述就會更加全面,但往往有些指標數據的獲取會存在一定難度,即當前所選的有限的指標并不能完全實現對河流健康狀態的全面描述,即河流健康評價是一個不相容問題。而物元可拓模型主要用于解決不相容的復雜問題[15],因此,本文采用物元可拓模型進行河流健康等級評定,并判斷其演變趨勢,同時對河流準則層進行評價,確定各準則層所處的等級。為減少權重判定的主觀性影響,采用熵權法進行權重計算。

(1)河流健康物元矩陣、經典域及節域構建：物元是描述事物的名稱、特征及量值3個基本元素的簡稱。將研究事物記為M,本研究中指河流健康水平,M的特征記為C,本研究中指各個評價指標,M關于C的量值記為V,即為評價指標處于某一等級時對應的量值,將有序三元組R=(M,C,V)稱為物元矩陣。若研究事物M具有n個特征c1,c2,c3,…,cn及其對應量值v1,v2,v3,…,vn,相應物元矩陣R表示為：

(1)

經典域表示待評價對象的特征處于各個等級時對應的取值范圍,節域表示待評價事物對應特征的所有數據范圍,根據制定的評價標準即可得到相應經典域和節域矩陣[32]。

(2)關聯函數計算：根據關聯度計算獲得指標所隸屬的等級,Kj(vi)表示第i個指標屬于第j個等級的關聯度,Kj(vi)越大,則隸屬于哪個等級,計算公式如下：

(2)

其中,

(3)

式中,ρ(vi,voji)和ρ(vi,vpi)分別為點vi與經典域voji和節域vpi的距離,vi、voji、vpi分別為待評價事物的量值、經典域的量值范圍和節域的量值范圍。

(3)權重計算：熵權法根據指標自身所含信息量確定指標權重,是相對客觀的權重確定方法[33],采用熵權法計算得到第i個指標相對于目標層的權重wi。

(4)綜合關聯度計算：根據最大關聯度原則,確定研究事物評價等級,待評價事物Mx(x=1,2,3,…,n)關于等級j的關聯度Kj(Mx)為：

(4)

式中,m表示指標數量。若Kjx=maxKj(Mx),則待評價事物Mx屬于等級j。同時根據Kjx與K(j-1)x及K(j+1)x的距離大小,判斷當前位于等級j的待評價事物Mx的等級變化趨勢。

3 結果分析

3.1 河段指標層現狀值及對應等級

利用2019年數據資料,根據表1中各指標計算方法得到指標現狀值,結合表2中的評價標準,將各指標現狀值代入式(2),獲得指標關于各個等級的關聯度,從而確定各指標所處的等級,指標現狀值及其所處等級如表3所示。從表3中可以看出,盡管選取的城市河流的尺度較小,但同一指標的等級在不同河段仍然存在明顯的差異。各河段處于Ⅲ級以上(Ⅰ、Ⅱ)的指標數量占比分別為58.3%、66.7%、50%、25%、33%以及16.7%,總體而言,河段A,B、C各指標狀態相對較好,而河段D、F則相對較差。

表3 各河段指標現狀值及其對應等級Table 3 The current index value and corresponding grade of each river reach

3.2 指標權重分配

根據各河段指標現狀值,采用熵權法計算獲得城市河流健康評價體系指標權重,結果如表4所示。從表4中可以看出,準則層權重表現為壓力指標>狀態指標>響應指標,各指標相對于目標層的權重介于0.049—0.140,權重較大的指標主要為CODMn、NH3-N、TP排放量以及河流植被覆蓋率,權重均達到了0.12以上,而其他指標的權重則相對較小,根據熵權法的內涵,表明CODMn、NH3-N、TP排放量、河流植被覆蓋率四個指標在不同河段現狀值的離散程度大于其他指標,即上述四個指標在不同河段的差異性相對更大,對綜合評價結果的影響程度也更大。

表4 城市河流健康評價體系指標權重Table 4 Index weight of urban river health evaluation system

3.3 河段準則層及綜合等級

將指標相對于準則層和目標層的權重以及關于各等級的關聯度代入式(4),計算得到各河段準則層以及河流健康水平關于各等級的關聯度,關聯度結果如表5所示,各河段準則層等級及河流綜合等級如圖2所示。從表5和圖2中可以看出,在河流健康水平綜合等級方面,河段A、B處于亞健康等級,河段C、E處于中等等級,而河段D、F則處于亞病態等級,同時,根據河流健康水平所處等級的關聯度與其相鄰水平關聯度之間的距離,可以看出河段C、D、E的健康水平均與更優等級的關聯度距離相近,表明該河段健康水平有進一步提升的趨勢,而河段A、E、F的健康水平則存在惡化的趨勢,同時,各河段健康水平的變化趨勢與該河段準則層的變化趨勢也呈現出了較高的一致性。

表5 各河段準則層及綜合評價等級關聯度Table 5 Criterion layer grade and each river reach′s grade

圖2 各河段準則層及綜合健康等級 Fig.2 Criteria levels and comprehensive health levels of each river reach等級Ⅰ—Ⅴ分別代表健康、亞健康、中等、亞病態、病態

4 討論

4.1 河流健康水平的空間異質性

城市河流相較于自然河流,除了需要保有部分自然生態功能外,還要發揮一定的社會服務功能[33—35],其通常會流經城市的不同功能區域,如公園綠地、居民區、商業區等,這使得城市河流沿程周邊的土地利用類型呈現出顯著的差異性,影響各區域河段的污染負荷輸入量及濱水景觀格局。同時,為滿足不同區域內河流相應服務功能的發揮,人類往往會根據區域功能定位對河流的物理形態進行一定程度的人為干預,如截彎取直、河道拓寬、岸坡襯砌[29]等,使得城市河流自身的形態結構沿程發生較大的變化,這兩方面原因使得城市河流在不同河段的生態系統特征呈現一定的差異,進而導致河流健康水平的空間異質性。本研究中,河段A、B作為城市景觀河段,主要處在公園綠地內,河岸帶自然程度較好,能夠截留一部分降雨徑流沖刷過程中的污染負荷,降低入河污染負荷量,其健康水平相對較高;而采用硬質護岸的河段(如河段D、F),往往處于人類活動較為頻繁的商業區或居民區,存在較大的面源污染,在降雨期間污染物易直接沖刷入河,造成較大的外源污染,使得河段壓力水平較高,難以維持較好的狀態,整體健康水平較低;即使針對這些河段采取了一定的生態措施(曝氣復氧、生態浮床等),但不注意控制外部點面源污染的輸入,使得污染負荷入河量遠高于生態修復措施對河段污染物的削減量(如河段F),其健康水平仍然難以得到進一步改善,導致顯著的河段健康水平差異。

4.2 河流健康評價方法適用性

自然河流中,不同生境的生物群落組成往往具有明顯差異性[36],但城市河流在人類活動的干擾下,其水文特征、渠化、底泥等環境因子的改變使得河流生境的復雜性和異質性降低,不同生境中生物群落組成的相似性明顯增加[37],雖然可以基于指示生物物種確定河流健康水平,但難以辨別河流健康水平的空間差異性。因此,本研究根據西北護城河周邊的土地利用類型(例如公園綠地各居民小區的分界處)、河流物理形態(例如河寬即河流形狀突變處)以及城市管網分布進行河段的劃分；基于PSR框架篩選河段尺度指標構建了城市河流健康綜合評價體系,考慮了人類活動對河流健康狀態的正負面影響,指標分類明確,能夠較為全面的描述城市河流的綜合健康狀態,適用于人類活動和自然過程相互作用強烈的城市河流。利用常規的模糊綜合評價法[38]、集對分析法[39]以及灰色關聯度分析法[40]等方法確定河流健康等級時,僅能獲得單次評價結果,無法進行河流未來健康狀態的預測,而物元可拓模型根據河流健康水平隸屬于某一等級的綜合關聯度與其相鄰等級綜合關聯度的距離,除了可以確定當前河流所處的健康狀態,還可以預測下一階段河流健康水平以及各項指標的發展趨勢。為管理者下一階段城市河流的針對性管理和保護提供科學的指導。

4.3 河段健康水平的變化趨勢及改善措施

根據河段準則層及健康水平關聯度與相鄰水平關聯度的距離,可以看出河段B、C、D的健康水平有向更優等級發展的趨勢,而河段A、E、F的健康水平有惡化的趨勢。盡管河段D有向更優等級發展的趨勢,但其現狀健康水平接近病態,宜針對河段D納污量低、污染物易沉積的情況,進行定期的河底清淤,減少內源污染。河段A整體上有惡化的趨勢,但當前健康水平較高,為亞健康水平,保持或進一步降低當前壓力輸入水平及提高響應級別即可使河段A維持在理想的水平。合理的生態治理措施可以緩解河流的壓力,改善河流的狀態,最終達到提高河流健康水平的目的。從表5中可以看出,河段C、F當前壓力均處于較高及以上水平,但河段C由于采取了較高的響應措施,河段狀態水平維持在中等,最終健康水平也為中等。因此,針對河段F應重點排查沿河排污口設置情況,堅決取締非法排污口,減小點源污染,同時建立完善的雨污分流系統,避免降雨徑流過程將大量污染物沖刷入河,增加河段壓力。河段E的健康水平呈現出由當前中等水平向亞病態過渡的趨勢,雖然響應措施向更優發展,但河段壓力水平卻在惡化,結合準則層權重來看,壓力準則層權重最大,對河流健康水平的影響也最大,應加強生態治理措施,設立合理的河道控制紅線,在控制紅線內適當拓寬河岸帶,多設置人工生態護岸,增加水-空氣-植被-土壤之間的交互作用,為動植物提供棲息生境,增加生物多樣性,以更高的響應能力抵消壓力增大對河流健康的影響,改善河段F健康水平。同時,嚴抓對應河流各級河長的考核工作,保證河湖長制的長效性,也是促進城市河流生態健康改善與恢復的重要措施。

5 結論

(1)根據PSR模型構建的西北護城河健康評價體系包含壓力指標、狀態指標和響應指標3個方面,涵蓋CODMn排放量、岸坡自然程度、水質等級等12個指標,3類指標的權重排序為壓力指標>狀態指標>響應指標。

(2)西北護城河6個河段的健康水平存在明顯的差異,河段A、B為亞健康水平、河段C、E為中等水平,河段D、F為亞病態水平；各河段生態系統組成要素的區別與其健康水平的差異有較大的關聯性,流經公園綠地的河段健康水平較高,流經居民區的河段健康水平相對較低,從趨勢變化上來看,河段B、C、D的健康水平有向更優等級發展的趨勢,而河段A、E、F的健康水平有惡化的趨勢。

(3)本研究基于PSR模型構建評價指標體系,結合熵權法和物元可拓模型,能夠對不同河段的外界壓力程度、系統狀態以及響應決策能力進行分級評估,考慮了人類修復措施對河流健康水平的影響,能較為準確全面的評價各河段當前健康水平并判斷其變化趨勢。