長江下游平原河網地區生態護岸對河流生態系統影響的評價指標體系

廖迎娣，范俊浩，張 歡，張詩敏，陳 達

(1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學長江保護與綠色發展研究院，江蘇 南京 210098)

長江下游平原河網地區地勢低平、水資源豐富、岸線利用率高、人類開發活動高度密集[1-2],是我國經濟較為發達，發展較為迅速的地區。近年來，隨著經濟高速發展和城鎮化快速推進，生活、工農業生產污染物大量進入河流區域，河流生態系統面臨嚴重威脅[3]。在此背景下，堅持開發與保護并重，實現人水和諧，加強改善流域水生態環境已成為區域發展的重要議題[4-5]。

生態護岸、生態輸(調)水和磁化誘導等生態修復技術的研發與應用已成為目前研究熱點[6-7]，其中，生態護岸是集防洪、景觀、社會和生態為一體的河流生態修復技術，在河流治理工程中已得到越來越多的應用[8-9]。但是，針對生態護岸對河流生態系統影響或修復效果的評價還缺少有效的方法。基于此，本文采用頻度分析法和相關性分析法，結合長江下游平原河網特點，對現有關于生態護岸、河流生態系統評價等的研究成果進行分析，篩選關鍵評價指標，構建長江下游平原河網地區生態護岸對河流生態系統影響的評價指標體系，可為實現生態護岸效果的定量化評價提供技術支撐。

1 評價指標體系構建原則與方法

生態護岸對河流生態系統影響評價實質上是評價生態護岸工程對河流生態系統修復的效果，是一個較為復雜的過程。在體系構建和指標選取過程中應遵循科學性、代表性、層次性和可操作性等原則[10]。本文采用層次分析法構建目標層、準則層和指標層3級評價指標體系。目標層代表生態護岸對河流生態系統的影響程度；準則層是對目標層和指標層之間影響機制的分類概括和解釋說明[11]；指標層則是由多個能夠直接反映河流生態系統狀況的指標組成。根據生態護岸對河流生態系統的影響方式以及健康河流的特征，本文提出以水質狀況、生物狀況、水文特征、地貌特征和社會經濟5個方面作為評價指標體系的準則層，在此基礎上分別確定關鍵性指標，以全面評估生態護岸對河流生態系統的影響。

2 評價指標的選取

評價指標的篩選包含3個步驟：①指標梳理。在查閱2007—2021年發表的80余篇與河流生態健康、生態護岸、河流生態修復效果和水生態文明等相關文獻的基礎上，梳理出具有代表性且包含具體評價指標體系的文獻共55篇，涉及評價指標共222個。②初步篩選。按照已構建的準則層將上述評價指標進行分類，以指標采用頻次代表該指標的認可度，采用頻度分析法篩選出采用頻次不少于4次的指標作為候選指標。③適應性遴選。遵循指標選取原則，根據指標的內涵對候選指標進行相關性分析，避免各指標間存在較強的關聯或表達重復。

2.1 水質狀況

水質狀況指標反映生態護岸對河流水質的影響程度以及自凈能力的恢復程度，經過初步篩選共有溶解氧、水功能區水質達標率、氨氮、化學需氧量、總磷、生化需氧量、總氮、河道水質類別、酸堿度、高錳酸鹽指數、重金屬、飲用水安全保證率、底泥平均污染指數、河道內底質和大腸桿菌群等15項候選指標，各指標對應采用頻次分別為20次、17次、16次、15次、11次、7次、6次、5次、5次、5次、5次、5次、4次、4次和4次。優先選取采用頻次不少于6次的指標，即溶解氧、水功能區水質達標率、氨氮、化學需氧量、總磷、生化需氧量和總氮7項指標。其中，水功能區水質達標率屬于綜合性指數，其內涵包含其他6項指標，能夠反映河流水質的總體狀況，但它在揭示與其他指標之間的關聯度上存在困難[12]；溶解氧、氨氮等6項理化參數指標能直觀反映河流健康的問題所在，進而能夠對生態護岸的維護與管理提出針對性的指導意見。如溶解氧的高低與大型無脊椎動物數量密切相關[13]；氨氮會對魚類造成攝食降低、生長減緩和組織損壞等危害，與魚類的存活狀況相關[14]。由于長江下游平原河網地區河流流速緩慢，水動力條件較弱，水體污染以富營養化為主[1]，上述6項指標可以反映河流水體營養化和自凈能力。綜上分析將水質狀況關鍵指標定為溶解氧(C1)、氨氮(C2)、化學需氧量(C3)、總磷(C4)、生化需氧量(C5)和總氮(C6)6項，數據的采集與標準可參照SL 219—2013《水環境監測規范》以及GB 3838—2002《地表水質量標準》。

2.2 生物狀況

生物狀況指標主要反映生態護岸對魚類、底棲動物、浮游生物和藻類等生物的存活狀況的影響，經過初步篩選共有底棲動物多樣性、浮游植物多樣性、浮游動物多樣性、魚類多樣性指數、珍稀水生物存活狀況、魚類完整性指數和固著藻類多樣性等7項候選指標，各指標對應采用頻次分別為23次、22次、17次、8次、8次、7次和6次。在河流生態系統食物鏈中，底棲動物、浮游植物、浮游動物和魚類從屬于不同的層次，分別代表著不同的生命形態和營養類型[15]。其中，浮游動物多樣性與底棲動物多樣性之間存在較強的相關性，不宜同時作為評價指標[16]；底棲動物生命周期較長，能反映長期生態護岸對河流生態系統的擾動程度[17]，因此保留底棲動物多樣性指標，剔除浮游動物多樣性指標；珍稀水生物存活狀況在大部分地區缺乏歷史資料的參考，且在實際操作過程中該類生物難以捕捉，不符合可操作性原則，予以剔除；魚類多樣性指數和魚類完整性指數均受漁民濫放、濫捕等人為因素的干擾，并不能客觀反映生態護岸對河流魚類生存的影響，且后者是包括物種豐富度指標、群落結構組成指標等16項分指標的綜合性指標，其獲取過程極其煩瑣，因此這兩項指標均剔除。綜上分析，將生物狀況關鍵指標定為采用頻次較高的底棲動物多樣性(C7)和浮游植物多樣性(C8)2項，兩者均可采用Shannon-Weaner多樣性指數進行計算：

(1)

式中：H為Shannon-Weaner物種多樣性指數；K為總的物種數；Pk為物種k的個體數與總個體數的比值。

2.3 水文特征

水文特征指標主要反映生態護岸對河流水文要素的影響，經過初步篩選共有生態流量保障程度、流速分布、流量過程變異程度、水土流失率、水溫變異程度和水量等6項候選指標，各指標對應采用頻次分別為25次、11次、11次、9次、8次和6次。其中，生態流量保障程度出現頻次最高，該指標主要通過河流長序列水文數據來反映河流的水文特征，且能夠同時表征流量過程變異程度和水量，因此剔除流量過程變異程度和水量這兩項指標。由于建造生態護岸的首要目的是保護河岸免受沖刷，所以水土流失在本文所研究的評價指標體系中不具有代表性。綜上分析，將水文特征關鍵指標定為生態流量保障程度(C9)、流速分布(C10)和水溫變異程度(C11)3項。

生態流量是維持水生生物存在、污染物稀釋自凈、河流水沙平衡和生態系統平衡所需要的最小流量[18]，而在高度人工化城市中生態流量是指能保障城市河流連通性和景觀娛樂等功能正常發揮的流量條件[19]，應根據研究區域的特征，評估計算生態流量。考慮到長江下游平原河網地區水資源時間分布不均的特點，生態流量保障程度可用評估年河道實測日均流量大于生態基流的天數占總天數的比例來表征[20]，計算公式如下：

C9=(ds/365)×100%

(2)

式中ds為評估年實測日均流量達到河道生態流量的天數。

河流生態環境中不同流速條件更利于不同生物群落的聚集[21]，且流速分布與河流物質的交換擴散以及泥沙輸移有關，在一定程度上影響著河流的自凈能力[1]。流速分布可根據河流斷面流速分布的差異程度進行定性描述。

水溫是水環境變化的重要驅動因子，水溫的改變會直接或間接影響河流水質狀況和水生生物狀況[17]。水溫變異程度可由評估年逐月實測月均水溫與多年平均月均水溫變異最大值表示[22]，計算公式如下：

(3)

2.4 地貌特征

地貌特征指標主要用以表征生態護岸對河岸帶與河道自然結構形態特征的影響，河流地貌直接影響著水生生物棲息環境的質量，很大程度上決定著河流生物的種類及其群落的結構組成，是維持河流健康的重要前提[23]。經過初步篩選共有河岸帶植被覆蓋率、縱向連通性、岸坡穩定性、蜿蜒度、河床穩定性、護岸形式、天然濕地保留率、河岸植被結構完整性、河道渠化程度、岸坡傾角、河岸帶寬度、河岸緩沖帶寬度、橫向連通性、水系連通性、岸坡抗蝕性、岸坡高度和滲透性等17項候選指標，各指標對應采用頻次為30次、20次、20次、15次、14次、10次、9次、8次、8次、7次、7次、6次、5次、5次、4次、4次和4次。由于指標較多，優先選用認可度較高、采用頻次不少于8次的指標。其中，河岸帶植被覆蓋率與河岸植被結構完整性均表征河岸帶植被狀況，內容存在交叉，選取采用頻次較高的河岸帶植被覆蓋率指標；生態護岸應以保證岸坡穩定為前提條件進行生態修復，岸坡穩定性指標不具有代表性，予以剔除；護岸形式和河道渠化程度的內涵有所關聯，均反映河岸渠化或硬質化的影響，選取采用頻次較高的護岸形式指標；天然濕地保留率屬于面源指標，不適用于評價河段尺度，予以剔除。綜上分析，將地貌特征關鍵指標定為河岸帶植被覆蓋率(C12)、縱向連通性(C13)、蜿蜒度(C14)、河床穩定性(C15)和護岸形式(C16)5項。

河岸帶是河流生態系統的重要組成部分，河岸帶植被覆蓋率是表征河岸帶植物群落存活狀況的量化指標，能間接反映河流的水土保持度和生境質量，計算公式如下：

C12=(Sp/S)×100%

(4)

式中：Sp為河岸帶植被占有面積；S為河岸帶總面積。

河流物質循環、信息交換和生物遷徙在縱向上的暢通程度影響著水質、生物群落種類等參數的時空分布，縱向連通性表征河流縱向連通程度，計算公式如下：

C13=N/l

(5)

式中：N為研究河段攔河建筑物的數量；l為研究河段沿河流中線的實際長度。

彎曲是河流的自然屬性，河流的蜿蜒曲折有利于流速的多樣性分布、多種生境的形成和水生生物群落的發展，蜿蜒度表征河流的彎曲程度，計算公式如下：

C14=l/L

(6)

式中L為研究河段河流的直線長度。

較為穩定的河床有利于水位的穩定，能夠營造良好生物棲息地，河床穩定性是表征河床穩定程度的指標，反映河床在縱向、橫向和垂向維持自身結構形態平衡的能力。該指標為定性指標。

不同的護岸形式對兩棲動物影響極大，最優形式為對河流橫向連通無干擾的護岸，最差則為直立式硬質護岸。護岸形式為定性指標，反映陸地系統和水生生態系統之間能量、信息和物質交換通道的順暢程度。

2.5 社會經濟

河流生態系統不但承載著自然服務功能，同時也承載著社會服務功能[24]，社會經濟指標主要反映生態護岸對河流生態系統在社會服務功能以及經濟效益兩方面的影響。經過初步篩選共有防洪能力、水資源開發利用率、建造維護成本、社會公共認可度、文化美學功能、水能資源開發利用率、供水保證率、休閑娛樂功能、通航保證率、可親水度、景觀舒適度、排澇能力、維護成本、建筑材料環保性和景觀多樣性等15項候選指標，各指標對應采用頻次分別為21次、15次、11次、10次、8次、8次、7次、7次、7次、6次、6次、6次、5次、5次和4次。優先選取采用頻次不少于8次的指標。防洪能力一般由河流達標堤防長度與河流總堤防長度的比值來表示，而生態護岸的建設需滿足防洪要求，所以該指標予以剔除；水資源開發利用率和水能資源開發利用率是指流域內各類生產、生活和生態用水的總量占流域內水資源的比重，與本評價指標體系所針對的河段研究尺度不符，數據不易獲取，予以剔除；社會公共認可度、文化美學功能都表達了群眾對河流生態景觀美學功能的滿意程度，均為定性指標，為了盡可能減少定性指標數量以降低主觀因素的影響，選擇社會公共認可度來涵蓋其他指標的功能。綜上分析，將社會經濟關鍵指標定為建造維護成本(C17)和社會公共認可度(C18)2項。

景觀化是生態護岸在保障水安全和生態健康基礎上的一項有益補充，提升了河岸水景觀效果，但過度景觀化卻是浪費國家資源的不良現象，因此需定性分析工程建造維護成本是否經濟合理。

社會公共認可度是指居民或游客對河岸帶景觀、休閑娛樂等設施的滿意程度，可以從景觀的文化美學性、休閑娛樂豐富度和景觀多樣性等方面進行現場調研打分。該指標為定性指標。

3 評價方法

通過以上分析，從水質狀況、生物狀況、水文特征、地貌特征和社會經濟5個方面構建包含13項定量指標與5項定性指標的生態護岸對河流生態系統影響評價指標體系，如圖1所示。在此基礎上，采用綜合評價指數法定量評價生態護岸對河流生態系統的影響，最終可得到生態護岸綜合影響指數：

圖1 生態護岸對河流生態系統影響評價指標體系

(7)

式中：I為綜合影響指數；Wi為第i個準則層權重；wj為第i個準則層中第j個指標在該準則層所占的權重；Fij為第i個準則層中第j個指標的賦分值；ni為第i個準則層指標數。

各指標賦分等級定為理想狀態(4分)、健康(3分)、亞健康(2分)、不健康(1分)和病態(0分)共5個等級。在對各指標進行賦分時，應盡量參照國家或行業明確的適用標準，確定各等級的賦分區間或定性評價標準；若無相關標準可參考，則可通過借鑒國內外相關研究成果、區域規劃要求或采用專家咨詢等方法來確定。

在實際工程評價過程中，應首先對上述18項指標進行實測、定量計算或定性評價，在此基礎上分別進行賦分，再選擇合適的賦權方法確定各準則層和指標的權重，按照式(7)計算出生態護岸綜合影響指數I。根據Ⅰ級(3.2

4 結 語

本文采用頻度分析法和相關性分析法，構建了水質狀況、生物狀況、水文特征、地貌特征和社會經濟5個方面18項指標的生態護岸對河流生態系統影響評價指標體系，提出了各項指標的賦分方法和生態護岸綜合影響指數計算方法以及生態護岸對河流生態系統影響等級標準，可為長江下游平原河網地區生態護岸建設與評價提供科學手段。生態護岸對河流生態系統影響評價是一個復雜的多層次、多因素的綜合評價過程，在實際應用中應結合研究區域的特點，充分分析各項指標的敏感性，合理確定指標和準則層的權重，準確評價生態護岸對河流健康的實際影響。