孫 斌，劉靜玲，孟 博，包 坤，史 璇，尤曉光

(1.水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875)

北京市涼水河物理?xiàng)⒌赝暾栽u(píng)價(jià)

孫 斌1,2，劉靜玲1,2，孟 博1,2，包 坤1,2，史 璇1,2，尤曉光1,2

(1.水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875)

針對(duì)城市河流強(qiáng)人為干擾特征，從橫向完整性、縱向完整性和垂向完整性3個(gè)維度選擇了10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，引入信息熵對(duì)傳統(tǒng)的灰色聚類評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建城市河流物理完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。利用該方法對(duì)北京市涼水河物理?xiàng)⒌赝暾蚤_展了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明在監(jiān)測(cè)的21個(gè)采樣點(diǎn)中評(píng)價(jià)結(jié)果為好、較好、一般和較差的比例分別為19.1%、23.8%、33.3%和23.8%，造成涼水河物理?xiàng)⒌赝暾暂^差的指標(biāo)依次為生態(tài)流量滿足率、縱向連通性指數(shù)和河流蜿蜒度。導(dǎo)致涼水河物理?xiàng)⒌赝暾暂^差的突出原因?yàn)樯鷳B(tài)流量滿足率低、閘壩較多及土地利用不合理，其中閘壩出現(xiàn)的周期性與物理?xiàng)⒌刈儾畹闹芷谛韵嘁恢隆?/p>

物理?xiàng)⒌赝暾?；信息熵；灰色聚類；涼水?/p>

河流與城市的發(fā)展息息相關(guān)，受人類活動(dòng)的影響目前城市河流生態(tài)系統(tǒng)普遍退化嚴(yán)重[1-2]。通常導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)退化的原因包括土地利用變化、水質(zhì)污染、水量不足等，其中河流水文地貌條件的改變是根本原因之一[3]。對(duì)河流水文地貌條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，尤其是對(duì)河流的物理?xiàng)⒌卦u(píng)價(jià)是河流管理和河流修復(fù)的中心環(huán)節(jié)[4]。

Platts等[5]利用MESC(methods for evaluating stream conditions)對(duì)河流、河岸帶和生物多樣性三者之間的關(guān)系開展了研究，在隨后不到20年的時(shí)間里關(guān)于河流物理?xiàng)⒌卦u(píng)價(jià)方法不斷涌現(xiàn)，其中應(yīng)用比較廣泛的有QHEI(qualitative habitat evaluation index)、CEM(channel evolution models)和RHS (river habitat survey) 等方法[6]。1999年美國(guó)環(huán)保署建立了河流物理?xiàng)⒌卦u(píng)價(jià)體系[7]，從河岸帶、河道寬深比、河床條件、水生動(dòng)植物等方面對(duì)河流的物理?xiàng)⒌剡M(jìn)行評(píng)價(jià)；歐盟于2000年發(fā)布水框架指令[8]，要求從河流的河床、河岸帶、水文等方面對(duì)歐盟境內(nèi)的所有河流的水文地貌進(jìn)行監(jiān)測(cè)。評(píng)價(jià)體系和指令的出臺(tái)，使得河流物理?xiàng)⒌卦u(píng)價(jià)方法得到了進(jìn)一步的發(fā)展[9]。

結(jié)合Belletti等[9-11]在河流棲息地評(píng)價(jià)方面的綜述，以及截止到2016年12月在web of science數(shù)據(jù)庫(kù)和知網(wǎng)中所能檢索到國(guó)內(nèi)外關(guān)于河流物理?xiàng)⒌卦u(píng)價(jià)的方法一共有101種，這些方法均直接從河流水文地貌出發(fā)對(duì)河流物理?xiàng)⒌剡M(jìn)行評(píng)價(jià)，不包括河流生物完整性評(píng)價(jià)和物理?xiàng)⒌啬M等其他河流棲息地評(píng)價(jià)方法。通過(guò)對(duì)這101種河流物理?xiàng)⒌卦u(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行河流物理?xiàng)⒌卦u(píng)價(jià)時(shí)，多使用綜合指數(shù)方法，較少使用綜合評(píng)價(jià)法；在空間尺度方面主要是從橫向和縱向兩個(gè)維度對(duì)河流物理?xiàng)⒌剡M(jìn)行評(píng)價(jià)，關(guān)于河流物理?xiàng)⒌卮瓜蛲暾苑矫孑^少考慮；在時(shí)間尺度方面當(dāng)前研究多集中在分析近1年的數(shù)據(jù)，缺乏在較大時(shí)間尺度下河流物理?xiàng)⒌赝暾宰兓芯?；在指?biāo)選擇方面，不同類型的指標(biāo)使用比例大都集中在40%～75%(表1)。

表1 河流棲息地評(píng)價(jià)方法綜合信息

針對(duì)我國(guó)具有強(qiáng)人為干擾特征的城市河流物理?xiàng)⒌亻_展的評(píng)價(jià)較少[9,12]。本研究將河流棲息地完整性分為物理完整性、化學(xué)完整性和生物完整性3個(gè)方面，從橫向完整性、縱向完整性和垂向完整性3方面構(gòu)建城市河流物理?xiàng)⒌赝暾栽u(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用信息熵權(quán)計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重，最后利用灰色聚類評(píng)價(jià)模型對(duì)其物理?xiàng)⒌赝暾蚤_展評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

海河流域位于北緯35°～43°，東經(jīng)112°～120°，流域大部分位于河北省境內(nèi)，總面積3.18 萬(wàn)km2，占國(guó)土面積3.31%，而流域內(nèi)人口占到全國(guó)人口的10%，水資源利用率超過(guò)100%[13]。經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)及不斷持續(xù)的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，導(dǎo)致大量的污染物排入河流中，使該區(qū)域成為全國(guó)水污染最嚴(yán)重、水資源最短缺的流域之一。涼水河發(fā)源于石景山區(qū)人民渠，流經(jīng)海淀、宣武、豐臺(tái)、朝陽(yáng)等區(qū)(縣)，最終由通州區(qū)榆林莊閘匯入北運(yùn)河，全長(zhǎng)約53 km，總流域面積約815.39 km2[14-15]，是北京市重要的非常規(guī)水源補(bǔ)給。涼水河是典型的平原河網(wǎng)城市河流，具有流速慢、水深淺等特點(diǎn)，河流的自凈能力差、底泥容易沉積[16]。在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合河流兩岸的人類活動(dòng)情況、土地利用類型以及河道中閘壩情況，沿河流走向布設(shè)了21個(gè)采樣點(diǎn)，見圖1。

圖1 研究區(qū)及采樣點(diǎn)位置

2 河流物理?xiàng)⒌赝暾栽u(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

基于海河流域城市河流強(qiáng)人為干擾的特征，結(jié)合海河流域的自然特征，參照Tavzes等的研究成果，選取了10個(gè)指標(biāo)，其特征與計(jì)算方法見表2[17-21]。將這10個(gè)指標(biāo)歸為橫向完整性、縱向完整性和垂向完整性3個(gè)維度，其中橫向完整性包括橫向連通性(lateral continuity, TC)、河岸植被覆蓋率(river vegetation coverage, RVC)、河岸帶植被緩沖帶寬度(riparian vegetation width, RVW)、河岸帶人類活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)(artificial features index, AFI)以及河岸帶土地利用類型指數(shù)(land use index, LUI)；縱向完整性包括河流生態(tài)流量滿足率(ecological flow, EF)、縱向連通性(longitudinal continuity, LC)以及河流蜿蜒度(river meandering, RM)；垂向完整性包括底質(zhì)構(gòu)成指數(shù)(substrate composition index, SCI)和棲境復(fù)雜性指數(shù)(habitat complexity index, HCI)。

從表2可以看出，除RM外各指標(biāo)的取值范圍均在0和1之間，且越接近于1，越有利于保證河流物理?xiàng)⒌赝暾訹22]。借鑒An等[23]對(duì)棲息地質(zhì)量分級(jí)時(shí)所采用的分級(jí)方法，各指標(biāo)的得分小于所有點(diǎn)中該指標(biāo)最高得分的20%為差等級(jí)，20%～40%為較差等級(jí)，40%～60%為一般等級(jí)，60%～80%為較好等級(jí)，大于等于80%為好的等級(jí)。

表2 城市河流物理?xiàng)⒌赝暾栽u(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法

2.2 計(jì)算方法

灰色聚類評(píng)價(jià)過(guò)程中的主要步驟[24]如下：

步驟1：假設(shè)有m個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有n個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，則構(gòu)成C=m×n的白化矩陣，矩陣中元素ckj為第k個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第j個(gè)聚類指標(biāo)的白化值。

步驟2：數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。監(jiān)測(cè)指標(biāo)的白化值的標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(1)

式中：dkj為第k個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第j個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；c0j為第j個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

灰類的標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(2)

式中：rji為第j個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)第i個(gè)灰類的標(biāo)準(zhǔn)化處理值；sji為第j個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的第i個(gè)灰類值；h為總的灰類數(shù)。

步驟3：確定白化函數(shù)。白化函數(shù)反映聚類指標(biāo)對(duì)灰類的親疏關(guān)系。第j個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的灰類1的白化函數(shù)為

(3)

第j個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的灰類i的白化函數(shù)為

(4)

第j個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的灰類h的白化函數(shù)為

(5)

步驟4：求算聚類權(quán)。聚類權(quán)是衡量各個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)同一灰類的權(quán)重，考慮到各監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)不同，借鑒信息熵的思想，計(jì)算各指標(biāo)的信息熵權(quán)，用傳統(tǒng)的聚類權(quán)與信息熵權(quán)的乘積作為最終的聚類權(quán)。首先計(jì)算信息熵，計(jì)算公式為

(6)

(7)

聚類權(quán)值ωji的計(jì)算公式為

(8)

步驟5：求算聚類系數(shù)。聚類系數(shù)反映了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)灰類的親疏程度。第k個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第i個(gè)灰類的聚類系數(shù)εki計(jì)算公式為

(9)

式中，fji=(dkj)為第k個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第j個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的第i個(gè)灰類的白化函數(shù)。將每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)各個(gè)灰類的聚類系數(shù)組成聚類行向量，在行向量中最大聚類系數(shù)所對(duì)應(yīng)的灰類即為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)所屬的類別。

3 結(jié)果與分析

3.1 涼水河物理?xiàng)⒌赝暾曰疑垲惙治鼋Y(jié)果

根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，利用各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的最高得分可以分別計(jì)算得到?jīng)鏊游锢項(xiàng)⒌赝暾栽u(píng)價(jià)各指標(biāo)的具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表3。根據(jù)引入信息熵的灰色聚類評(píng)價(jià)方法，計(jì)算得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)聚類系數(shù)及所屬類型，見表4。

表3 涼水河物理?xiàng)⒌赝暾栽u(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 涼水河物理?xiàng)⒌赝暾栽u(píng)價(jià)結(jié)果分析

從圖2中可以看出對(duì)涼水河物理?xiàng)⒌赝暾杂绊戄^大的5個(gè)指標(biāo)依次為： LUI、LC、EF、RVC和RM。

表4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)灰度的聚類系數(shù)及所屬類型

圖2 各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的信息熵權(quán)

評(píng)價(jià)結(jié)果表明涼水河物理?xiàng)⒌匚锢硗暾钥梢苑譃?個(gè)等級(jí)，在21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中評(píng)價(jià)結(jié)果為好、較好、一般和較差的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為19.1%、23.8%、33.3%和23.8%。其中，評(píng)價(jià)結(jié)果為較差的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為L(zhǎng)S1、LS3、LS8、LS11和LS12。通過(guò)圖3可以看出，5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在河流斷面的EF、LC、RM的灰類等級(jí)均較差。除此之外監(jiān)測(cè)點(diǎn)LS1的TC、RVC、LUI也較差，這主要是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)LS1監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于城市核心區(qū)，住宅和路網(wǎng)較密集，同時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近的大紅門閘阻斷了河流的縱向連通性。監(jiān)測(cè)點(diǎn)LS3、LS8和LS12的縱向完整性和垂向完整性均較差，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)LS3的上游為小紅門處理廠的卵形硝化池出水，水質(zhì)較差，水體呈青灰色，同時(shí)河床底部有較多淤泥，SCI和HCI值較低；監(jiān)測(cè)點(diǎn)LS8的河床底部同樣為淤泥，且水體微臭，水質(zhì)較差，河岸兩側(cè)住宅密集、人口密度大；監(jiān)測(cè)點(diǎn)LS12上游為污水處理廠出水口，水質(zhì)較差，河岸左側(cè)堆放較多垃圾，河岸兩側(cè)植被覆蓋率較低。監(jiān)測(cè)點(diǎn)LS11為通惠河灌渠、灌渠內(nèi)有污水處理廠，灌渠筑壩取水使得河流縱向連通性降低、河流水量減少，而灌渠內(nèi)污水處理廠出水進(jìn)一步影響EF。

圖3 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的灰類等級(jí)

利用 MATLAB中繪制21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的熱圖(圖4)，圖中顏色越深表明等級(jí)越差。從圖4可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前對(duì)涼水河物理?xiàng)⒌赝暾栽斐奢^大負(fù)面影響的指標(biāo)主要包括4個(gè)：EF、LC、LUI、SCI。

圖4 物理?xiàng)⒌赝暾暂^差點(diǎn)的各指標(biāo)聚類結(jié)果

EF包含水量和水質(zhì)兩個(gè)方面。在水量方面，涼水河所在的海河流域最突出的矛盾在于水資源的嚴(yán)重短缺[25]，這在客觀上限制了涼水河的水量；在水質(zhì)方面，涼水河接納了來(lái)自首鋼污水處理廠、小紅門污水處理廠等的出水，同時(shí)接納了河流沿岸部分小區(qū)未經(jīng)處理直接排放的生活污水。高橋幸彥等[26]的研究表明污水處理廠出水直接排放到小流量河流中會(huì)對(duì)河流的生態(tài)環(huán)境造成不利影響。

出于城市景觀和防洪的需要，城市河段中修建了大量的閘壩，閘壩不僅對(duì)水生生物直接生活的棲息地完整性造成了破壞，也對(duì)河岸植被完整性產(chǎn)生不良影響[27]。在涼水河一共出現(xiàn)9個(gè)閘壩，把河流分割成系列單獨(dú)的小單元，對(duì)LC造成了嚴(yán)重的影響。

由于經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，城市土地利用類型處在不斷變化之中。河岸帶土地利用類型的變化，對(duì)河道等產(chǎn)生影響[28]。從圖4可以看出涼水河LUI較低，且由于LUI的權(quán)重最大，其對(duì)涼水河的物理?xiàng)⒌赝暾援a(chǎn)生了較大的負(fù)面效應(yīng)。并且位于城市核心區(qū)的LUI大于城市周邊地區(qū)，即城市核心區(qū)的土地利用類型等級(jí)稍優(yōu)于城市周邊，這主要是由于城市核心區(qū)擁有相對(duì)比較合理完善的城市規(guī)劃，而在城市周邊由于缺乏規(guī)劃其對(duì)河流物理?xiàng)⒌赝暾云茐母蟆?/p>

河流底質(zhì)為底棲生物、水生動(dòng)植物等提供了直接的棲息環(huán)境。水量不足，加上修建的大量閘壩，影響了河流的對(duì)沉積物的輸送，并使得沉積物在河道內(nèi)淤積[29]，在河流底部產(chǎn)生了大量的淤泥，造成了水生生物的棲息地多樣性的喪失，SCI較差。

圖5為涼水河物理?xiàng)⒌赝暾钥臻g尺度的變化特征。從圖5可以看出涼水河物理?xiàng)⒌赝暾栽诳臻g上呈現(xiàn)出周期性變化特征，且物理?xiàng)⒌赝暾宰儾畹闹芷谛耘c閘壩出現(xiàn)的周期性相一致(除LS1—LS3河段外，其間有污水處理廠出水匯入)。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)LS13以后河流物理?xiàng)⒌赝暾缘牟▌?dòng)小于LS1—LS13之間的波動(dòng)，可見自上游到下游物理?xiàng)⒌赝暾栽诓▌?dòng)中逐漸得到改善，這主要是由于上游河段位于城市核心區(qū)，受人為干擾程度大于下游河段。

圖5 涼水河物理?xiàng)⒌赝暾钥臻g尺度變化特征

4 結(jié) 論

利用引入信息熵的灰色聚類方法對(duì)涼水河物理?xiàng)⒌赝暾赃M(jìn)行評(píng)價(jià)，21個(gè)采樣點(diǎn)中評(píng)價(jià)結(jié)果為好、較好、一般和較差的監(jiān)測(cè)點(diǎn)比例分別為19.1%、23.8%、33.3%和23.8%，全河段中最差的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為L(zhǎng)S1、LS3、LS8、LS11和LS12。

a. LUI、LC和EF 3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)涼水河物理?xiàng)⒌赝暾栽u(píng)價(jià)結(jié)果貢獻(xiàn)較大，貢獻(xiàn)率分別為26%、20%和18%。

b. 在空間上，城市河流物理?xiàng)⒌赝暾缘淖儺愋源笥谧匀缓恿?，其中閘壩通過(guò)影響縱向連通性和底質(zhì)完整性，使得涼水河物理?xiàng)⒌赝暾越档?；污水處理廠通過(guò)影響EF使得LS3點(diǎn)的物理?xiàng)⒌赝暾宰畈睢?/p>

c. 對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果貢獻(xiàn)較大的LUI、LC、EF指標(biāo)，其聚類結(jié)果為差的比例分別為38%、33%和48%。利用信息熵權(quán)對(duì)各指標(biāo)賦予的權(quán)重較合理，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)河流物理?xiàng)⒌赝暾孕迯?fù)具有指導(dǎo)意義。

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EvaluationofphysicalhabitatintegrityofLiangshuiRiverinBeijing

SUNBin1,2,LIUJingling1,2,MENGBo1,2,BAOKun1,2,SHIXuan1,2,YOUXiaoguang1,2

(1.StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,Beijing100875,China；2.SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Considering the strong human disturbances of urban rivers, 10 evaluation indexes from three dimensions of horizontal integrity, longitudinal integrity and vertical integrity were selected. The traditional grey clustering evaluation method was improved by introducing information entropy to construct the urban river physical integrity evaluation index system. This method was used to evaluate the physical habitat integrity of Liangshui River in Beijing. The results show that: among the 21 monitoring sites under the evaluation of physical habitat integrity, evaluation results were defined to be four grades of good, better, medium and poor, accounting for 19.1%, 23.8%, 33.3% and 23.8%, respectively. The indicators leading to poor physical habitat integrity of Liangshui River are the low ecological flow (EF), longitudinal connectivity (LC), and river meandering(RM)in sequence. The prominent reasons that cause poor physical habitat integrity of Liangshui River attribute to low ecological flow, more dams and unreasonable land use. The periodicity of the emerging dam is consistent with the same of the physical habitat deterioration.

physical habitat integrity; information entropy; gray clustering; Liangshui River

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.06.03

國(guó)家自然科學(xué)基金(41271496)；國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07203-006)

孫斌(1993—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗鷳B(tài)系統(tǒng)管理。E-mail：Eco-bin@mail.bnu.edu.cn

劉靜玲，教授。E-mail：jingling@bnu.edu.cn

X826

A

1004-6933(2017)06-0020-07

2017-05-06 編輯：王 芳)