張宇帆朱瑩瑩陳奕潔田國行

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院,河南 鄭州450002)

高密度、高速度、高高度、大尺度的城市化發(fā)展給人類生活帶來了極大的便利,但也帶來了許多挑戰(zhàn),人口壓力、極端天氣、公共衛(wèi)生事件等切實(shí)影響著城市的興衰,可以說當(dāng)下城市對(duì)抗風(fēng)險(xiǎn)的韌性對(duì)城市的存亡起著決定性作用,城市河流作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成,其健康狀態(tài)制約著韌性城市建設(shè)的水平[1-2]。當(dāng)前,流經(jīng)城市的河流都面臨著城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張河流污染加劇,城市下墊面改變引起河道行洪壓力增加,河流渠化阻斷河流與周邊環(huán)境的物質(zhì)能量交換等幾乎相似的問題[3-4],城市河流功能幾近喪失。如何對(duì)城市河流進(jìn)行修復(fù)與維護(hù),恢復(fù)城市河流的健康成為了研究熱點(diǎn)。城市河流健康評(píng)價(jià)作為開展河流修復(fù)與管理的前提,能夠?yàn)槌鞘泻恿鞅Ｗo(hù)、管理與利用提供決策支持。河流健康是人類期望下河流的理想狀態(tài)。隨著人類社會(huì)的發(fā)展與相關(guān)研究的深入,以純自然的河流作為評(píng)價(jià)城市河流健康的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前城市內(nèi)河流所具有的社會(huì)屬性,無法科學(xué)地指導(dǎo)決策[5]?！绊g性”指遭受影響干擾后恢復(fù)原狀的能力,韌性理念引入城市河流相關(guān)研究中可被解釋為城市河流受干擾后自我調(diào)節(jié)的能力,其可以從生態(tài)、安全、社會(huì)3個(gè)方面定義[6]。將韌性理念引入對(duì)城市河流的研究中,有助于建立適應(yīng)不同功能的河流管理模式,提升城市的抗風(fēng)險(xiǎn)能力,在極端天氣狀況頻發(fā)的當(dāng)下具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國外對(duì)于河流健康的評(píng)價(jià)開始于20世紀(jì)70年代,到20世紀(jì)90年代已經(jīng)建立了澳大利亞溪流狀況指數(shù)法[7],美國的快速生物評(píng)價(jià)協(xié)議,英國河流保護(hù)評(píng)價(jià)等[8]一些系列評(píng)價(jià)體系,以滿足河流保護(hù)管理修復(fù)的需求。國內(nèi)對(duì)于河流健康評(píng)價(jià)開始于2002年,唐濤[9]引入河流生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的內(nèi)容,隨著國家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略的推進(jìn),眾多學(xué)者對(duì)河流評(píng)價(jià)體系、標(biāo)準(zhǔn)和方法等開展了深入研究,趙彥偉、楊文慧、鄧曉軍等[8-10]從水生態(tài)、物理結(jié)構(gòu)、河岸帶生態(tài)功能、社會(huì)服務(wù)、景觀等多個(gè)方面構(gòu)建了河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;并以國內(nèi)大尺度的河流為例展開評(píng)價(jià),王龍、趙鑫涯、劉曉燕等[11-12]基于健康長(zhǎng)江理念對(duì)長(zhǎng)江和黃河的綜合健康評(píng)價(jià)以及左其亭等[13]對(duì)于淮河的評(píng)價(jià)。上述研究都為我國河流的治理提供了大量的科學(xué)支持,但從相關(guān)研究成果可以看出,河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)選取多從河流自然屬性以及人類社會(huì)對(duì)于城市河流的壓力方面入手,缺乏對(duì)人類正面影響的考量,從而使評(píng)價(jià)結(jié)果不全面,健康評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏前瞻性,僅可對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)判,難以預(yù)測(cè)河流健康狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì);評(píng)價(jià)尺度較為集中,對(duì)于大尺度的自然河流評(píng)估體系已形成,而對(duì)于中小尺度的城市河流評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)相對(duì)較少。因此,在本次研究中引入人類積極措施對(duì)河流的影響,在結(jié)果評(píng)價(jià)時(shí)加入對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè),并考慮中小城市河流與大尺度河流的差別,使評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理且對(duì)中小城市河流更有實(shí)際參考意義。PSR模型在20世紀(jì)70年代被提出,其可以準(zhǔn)確描述外界壓力、系統(tǒng)狀態(tài)、響應(yīng)策略三者的關(guān)系[14],在構(gòu)建城市河流評(píng)價(jià)體系時(shí)引入PSR模型,考慮人類積極措施對(duì)河流健康狀態(tài)的影響,可以獲得較為全面合理的城市河流評(píng)價(jià)結(jié)果。物元可拓模型在20世紀(jì)80年代提出,在解決不相容問題時(shí)具有較大優(yōu)勢(shì),且可以判斷物元的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì),在對(duì)河流健康水平進(jìn)行判斷時(shí)引入物元可拓模型,不僅可以確定河流健康水平等級(jí)的還能判斷河流健康的發(fā)展趨勢(shì),相較于傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法,更加具有參考性[15]。

在鄭州市建設(shè)國家中心城市的大背景下,金水河作為鄭州市唯一串聯(lián)四大城市服務(wù)中心且串聯(lián)新老城區(qū)的城市內(nèi)河,不僅承載著鄭州人民的記憶,也是鄭州“中優(yōu)”戰(zhàn)略崛起的核心抓手,大尺度和高速度的城市化嚴(yán)重地破壞了金水河的健康,限制了金水河與其周邊城市區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人文、生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展?；谝陨戏治霰狙芯恳脏嵵菔薪鹚訛閷?duì)象,根據(jù)城市河流匯水區(qū)域以及河段周邊現(xiàn)狀選取樣段,基于PSR模型以及組合賦權(quán)法構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用物元可拓模型進(jìn)行河流健康評(píng)價(jià)與發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè),并分析河流健康水平對(duì)于城市化水平的響應(yīng),為韌性視角下的水城共融提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

鄭州市域內(nèi)的金水河,發(fā)源于二七區(qū)侯寨鄉(xiāng),屬單干型河流,屬賈魯河主要二級(jí)支流[16],由西南向東北方向橫穿市區(qū),流經(jīng)二七區(qū)、中原區(qū)、金水區(qū)和鄭東新區(qū),是鄭州市唯一發(fā)源于市郊且貫穿新老城區(qū)的河流,受城市化建設(shè)影響較大[17]。河流南起南四環(huán),北至東風(fēng)渠,全長(zhǎng)22.3 km,匯水面積為80.21 km2。金水河流經(jīng)市郊、公園、景區(qū)、居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、市政管理區(qū)等多個(gè)區(qū)域。由于各個(gè)區(qū)域的發(fā)展強(qiáng)度與功能定位不同,河段的物理形態(tài)、土地利用類型以及河流水環(huán)境等要素存在較大差異,需要對(duì)整個(gè)河流進(jìn)行分段評(píng)估,因此先根據(jù)河道形態(tài)以及鄭州市海綿城市規(guī)劃對(duì)于金水河排水管控單元的劃分,將金水河劃分為長(zhǎng)度近似的16個(gè)河段,再從河流周邊綠地覆蓋、人口密度、建設(shè)強(qiáng)度3個(gè)方面對(duì)河段進(jìn)行聚類分析并結(jié)合周邊土地利用與上位規(guī)劃從16個(gè)河段中選取7個(gè)具有代表性的典型河段作為評(píng)價(jià)對(duì)象(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及樣段分布圖

1.2 數(shù)據(jù)資料獲取

1.2.1 空間數(shù)據(jù) 空間數(shù)據(jù)以資源三號(hào)衛(wèi)星2020年9月的遙感影像(課題組內(nèi)部資料)和《鄭州都市區(qū)總體規(guī)劃2012—2030年》為基礎(chǔ),結(jié)合2021年9月谷歌地圖和實(shí)地調(diào)研利用ENVI,ArcGIS監(jiān)督分類與目視解譯相結(jié)合的方法獲取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)和植被覆蓋數(shù)據(jù)。

1.2.2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計(jì)局的《2020中國人口普查年鑒》(即第七次人口普查數(shù)據(jù),http:∥www.stats.gov.cn/tjsj/pcsj/),在ArcGIS軟件中將人口以街道為基本單元進(jìn)行分配,而后利用面域統(tǒng)計(jì)功能計(jì)算各河段對(duì)應(yīng)的人口數(shù)據(jù)。

1.2.3 河段數(shù)據(jù) 典型河段選取運(yùn)用SPSS軟件,以每個(gè)河段周邊的人口密度、綠地覆蓋比例、建設(shè)強(qiáng)度3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析,將16個(gè)河段分為低人口密度—低建設(shè)強(qiáng)度—高綠地覆蓋、高人口密度—高建設(shè)強(qiáng)度—低綠地覆蓋、高人口密度—中建設(shè)強(qiáng)度—中綠地覆蓋三大類,然后結(jié)合各河段周邊主要的土地利用類型與上位規(guī)劃定位在每一類中選取具有不同特征的河段作為典型河段進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,所選河段編號(hào)為1,3,6,7,8,11,14。河段數(shù)據(jù)以實(shí)地調(diào)研為主并結(jié)合ArcGIS對(duì)遙感衛(wèi)星影像的提取,收集每個(gè)典型河段的樣點(diǎn)數(shù)據(jù),求其平均數(shù)作為該河段的最終數(shù)據(jù)。為了確保所獲得數(shù)據(jù)的真實(shí)、客觀,在河段數(shù)據(jù)收集階段本研究選取澳大利亞河流現(xiàn)狀指數(shù)法,該方法在河段數(shù)據(jù)調(diào)查中用每個(gè)位置點(diǎn)代表一個(gè)河段,在每個(gè)河段范圍內(nèi),選取3個(gè)距離平均且近似相等的斷面作為樣點(diǎn)(每個(gè)調(diào)查點(diǎn)代表一個(gè)垂直于河道的斷面),求其平均數(shù)作為該河段的最終數(shù)據(jù)。本研究結(jié)合河段實(shí)際情況在每個(gè)河段內(nèi)每間隔200 m選取一個(gè)樣點(diǎn)作為調(diào)查點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集,7個(gè)河段共選取53個(gè)樣點(diǎn)。

2 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.1 指標(biāo)體系

PSR模型包含城市化施加于城市河流的壓力、河流系統(tǒng)自身狀態(tài)以及人類為改變河流狀態(tài)采取的措施3個(gè)方面,能夠全面考慮人類對(duì)河流健康的正負(fù)影響,金水河位于高密度建設(shè)的城市之中,受人類活動(dòng)影響更大,利用PSR模型能進(jìn)行更加全面準(zhǔn)確的河流健康評(píng)價(jià)。①壓力指標(biāo)描述人類活動(dòng)對(duì)于城市河流造成的干擾與壓力,基于韌性理念下城市河流健康的內(nèi)涵,可以從3個(gè)方面考慮河流的外界壓力:即生態(tài)壓力、安全壓力以及社會(huì)服務(wù)壓力。生態(tài)壓力包括污染對(duì)于水質(zhì)壓力和河流沿線建筑對(duì)于河岸帶生態(tài)環(huán)境的壓力,根據(jù)鄭州市地表水污染的相關(guān)研究,鄭州市地表水的污染程度與其周邊的土地利用方式存在著密切的關(guān)系[18],因此用土地利用對(duì)地表水污染的影響程度表征河流的污染壓力,濱水建筑體量作為河流生態(tài)環(huán)境的壓力指標(biāo);安全壓力主要來源于城市行洪排澇的安全需求,即河流匯水區(qū)域的徑流量,因此利用河流匯水區(qū)的綜合徑流系數(shù)表征安全壓力[19];社會(huì)服務(wù)壓力即周邊人群的游憩需求,人口密度能夠較好地描述人群游憩需求[20],因此用人口密度表征社會(huì)服務(wù)需求壓力。②狀態(tài)指標(biāo)描述各種因素長(zhǎng)期作用于城市河流生態(tài)系統(tǒng)后,河流功能和特征所表現(xiàn)出來的狀態(tài),在不同的外界干擾下,河流的生態(tài)特征、行洪排澇功能與社會(huì)服務(wù)能力等都處于一定的狀態(tài),參考相關(guān)文獻(xiàn),選取了水質(zhì)、水量、蜿蜒度、河岸坡度、河流阻塞程度以及游人滿意度[10,21-22]6項(xiàng)指標(biāo)分別來描述河流生態(tài)韌性、安全韌性、社會(huì)韌性3個(gè)方面的狀態(tài)。③響應(yīng)指標(biāo)描述人類對(duì)河流處于壓力作用下的狀態(tài)而采取的措施,城市河流主要由人工維護(hù)[23],如為了維護(hù)河流生態(tài)環(huán)境進(jìn)行的河岸帶植被綠化、邊坡自然化處理,為了提升河道行洪安全建設(shè)的堤防工程,為了提升河道社會(huì)服務(wù)能力建設(shè)的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施[12,20,24],因此選取駁岸自然程度、河岸帶植被覆蓋、防洪功能完善度、基礎(chǔ)設(shè)施完善度4個(gè)指標(biāo)來表征人類對(duì)于河流問題的響應(yīng)。

根據(jù)上述分析構(gòu)建城市河流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,指標(biāo)及其計(jì)算方法等詳見表1。

表1 城市河流健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

2.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,消除指標(biāo)間不同量綱的影響[20]。

式中:Xij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)值;xij為評(píng)價(jià)系統(tǒng)中指標(biāo)的初始值;xjmax,xjmin分別為樣本數(shù)據(jù)的最大值與最小值。

2.2.2 綜合權(quán)重計(jì)算 本研究選取內(nèi)置權(quán)重與用戶權(quán)重相結(jié)合的綜合賦權(quán)方法,其中內(nèi)置權(quán)重指主觀權(quán)重;用戶權(quán)重指客觀權(quán)重。

主觀權(quán)重的確定采用層次分析法,根據(jù)20位水利和風(fēng)景園林學(xué)專業(yè)的老師以及研究生對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性進(jìn)行打分與綜合排序,在排序的基礎(chǔ)上利用YAAHP軟件結(jié)合層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,并將結(jié)果通過一致性檢驗(yàn)。

客觀權(quán)重的確定采用熵權(quán)法,其是根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)本身包含的信息量確定指標(biāo)權(quán)重的方法,依據(jù)信息論的基本原理,使用信息熵法表征各指標(biāo)的差異程度,指標(biāo)的熵值越小,對(duì)目標(biāo)的重要性越大[12]。將所有指標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件中,結(jié)合熵權(quán)法獲取指標(biāo)權(quán)重。

綜合考慮主客觀因素,結(jié)合內(nèi)置權(quán)重與用戶權(quán)重計(jì)算,指標(biāo)綜合權(quán)重,計(jì)算公式為:

式中:λi為各指標(biāo)綜合權(quán)重;θi為內(nèi)置權(quán)重由層次分析法確定;ωi為用戶權(quán)重由熵權(quán)法確定。

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合本研究所提出的城市河流健康內(nèi)涵,將目標(biāo)層的河流健康水平劃分為5個(gè)等級(jí),1(健康),2(亞健康),3(中等),4(亞病態(tài)),5(病態(tài))[23];1,2,3,4,5分別對(duì)應(yīng)壓力準(zhǔn)則層的低壓力、較低壓力、中等壓力、較高壓力以及高壓力,狀態(tài)準(zhǔn)則層分為好狀態(tài)、較好狀態(tài)、中等狀態(tài)、較差狀態(tài)、差狀態(tài),響應(yīng)準(zhǔn)則層分為高響應(yīng)能力、較高響應(yīng)能力、中等響應(yīng)能力、較低響應(yīng)能力、低響應(yīng)能力。各等級(jí)的范圍值按照前述研究并結(jié)合金水河實(shí)際情況制定,具體詳見表2。

表2 河流健康指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 物元法評(píng)價(jià)方法

對(duì)于事件的評(píng)價(jià)來說,選取的參考要素越多,評(píng)價(jià)就越全面,但在實(shí)際的操作過程中一些參考要素的獲取存在限制,當(dāng)前參考的有限內(nèi)容并不能對(duì)事件進(jìn)行全面的描述,現(xiàn)存條件無法達(dá)到要實(shí)現(xiàn)的評(píng)價(jià)目標(biāo)時(shí),即可稱為不相容問題,物元可拓模型在解決不相容的復(fù)雜問題時(shí)具有較大優(yōu)勢(shì),由于河流的評(píng)價(jià)參考指標(biāo)廣泛且獲取不易,因此在本研究中引入物元可拓模型,對(duì)河流健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)河流健康物元矩陣、經(jīng)典域以及節(jié)域的構(gòu)建。物元是描述事物的名稱、特征及量值3個(gè)基本元素的簡(jiǎn)稱[28],本次研究的事物為河流的健康水平,即T;河流健康水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)即為事物T的特征,記為F;評(píng)價(jià)指標(biāo)處于特定等級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)的量即為特征F的量值,記為M,則R=(T,F,M)為物元矩陣。

在對(duì)事物進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)一般都有多個(gè)特征F(f1,f2,f3,f4,…,fn)以及對(duì)應(yīng)的量值M(m1,m2,m3,m4,…,mn),此時(shí)物元矩陣R可以表示為:

經(jīng)典域表示待評(píng)價(jià)的對(duì)象特征F處于各等級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)的取值范圍,根據(jù)研究所制定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)即可確定相應(yīng)的經(jīng)典物元,表示如下:

式中:R0為經(jīng)典域;Tj為河流健康等級(jí)的第j個(gè)等級(jí);Fi為評(píng)價(jià)指標(biāo);Mij為指標(biāo)Fi對(duì)應(yīng)等級(jí)j時(shí)的取值范圍,即第j個(gè)等級(jí)經(jīng)典域的取值范圍;an,bn分別為最小與最大值所對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

節(jié)域表示待評(píng)價(jià)事物對(duì)應(yīng)特征F的所有數(shù)據(jù)范圍,由特征相應(yīng)的數(shù)值范圍適當(dāng)拓展可確定相應(yīng)的節(jié)域矩陣物元:

式中:Rp為節(jié)域;Fi為評(píng)價(jià)指標(biāo);Mip為指標(biāo)Fi所有數(shù)值的范圍,即節(jié)域的取值范圍;anp,bnp分別表示各個(gè)指標(biāo)的最小與最大值所對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

(2)關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算。模式識(shí)別是根據(jù)指標(biāo)的量值符合要求的水平來表達(dá)的,關(guān)聯(lián)函數(shù)可將這種符合程度量化[15],可以用來表示指標(biāo)所屬的等級(jí),Ki(vj)表示第i個(gè)指標(biāo)屬于第j個(gè)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,計(jì)算公式為:

式中:Kj(Tx)表示待評(píng)價(jià)事物Tx關(guān)于等級(jí)j的關(guān)聯(lián)系數(shù);λi為各指標(biāo)綜合權(quán)重;Ki(vj)表示第i個(gè)指標(biāo)與第j個(gè)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度。

3 結(jié)果與分析

式中:(vi,v0ji),(vi,vpi)分別為點(diǎn)vi與經(jīng)典域和節(jié)域的距離;vi為待評(píng)價(jià)事物的量值;v0ji為經(jīng)典域的量值范圍;vpi為節(jié)域的量值范圍。

(3)綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算與判別準(zhǔn)則。根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則,待評(píng)價(jià)事物隸屬于綜合關(guān)聯(lián)度最大的等級(jí)[29],趨勢(shì)等級(jí)為距離現(xiàn)狀等級(jí)距離最小的等級(jí),待評(píng)價(jià)事物T關(guān)于等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法為:

3.1 河段指標(biāo)層現(xiàn)狀值及對(duì)應(yīng)等級(jí)

利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù),根據(jù)各指標(biāo)的計(jì)算方法計(jì)算指標(biāo)現(xiàn)狀值,并判斷其所處的等級(jí)。由表3可知,雖然所處位置的自然條件差異不大,但大多數(shù)指標(biāo)的等級(jí)在不同河段仍然存在較大差異性。各河段處于1,2等級(jí)的指標(biāo)所占比例分別為85.71%,42.86%,50.00%,35.71%,64.29%,50.00%,78.57%?？傮w而言,河段1,8,14各指標(biāo)狀態(tài)較好,而河段3,7則較差。

表3 各河段指標(biāo)現(xiàn)狀值及其對(duì)應(yīng)等級(jí)

3.2 河段準(zhǔn)則層及綜合等級(jí)

根據(jù)單項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果,利用物元可拓模型確定河段對(duì)不同健康等級(jí)的關(guān)聯(lián)度,以最大關(guān)聯(lián)度為原則,確定各河段綜合健康水平與發(fā)展趨勢(shì)。由表4,圖2可知在河流綜合健康等級(jí)方面河段1,14處于健康等級(jí),河段8處于亞健康等級(jí),河段3,6,11處于亞病態(tài)等級(jí),河段7處于病態(tài)等級(jí)。在河流綜合健康發(fā)展趨勢(shì)方面河段6,7,11健康等級(jí)有進(jìn)一步優(yōu)化的趨勢(shì),河段1,3,8,14健康等級(jí)有惡化的趨勢(shì)。同樣由表4和圖2可知各河段壓力、狀態(tài)、響應(yīng)準(zhǔn)則層的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

表4 各河段準(zhǔn)則層及綜合評(píng)價(jià)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

圖2 各河段準(zhǔn)則層與綜合健康評(píng)價(jià)等級(jí)及趨勢(shì)圖

3.3 河流健康水平空間格局

城市河流除了需要具備自然河流的生態(tài)功能外,還需要具有一定的社會(huì)功能,因此在流經(jīng)城市各區(qū)域時(shí)所受到的人類活動(dòng)影響的差異較大,從而導(dǎo)致城市河流健康水平存在較大的空間差異性。本研究中河段健康水平同樣存在較大的空間差異性,健康水平較高的河段1,14位于距離鄭州市中心點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置,緊鄰城市公園,河岸植被覆蓋良好,能夠有效地吸收和攔截污染物,改善水質(zhì),提升河流系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力,綜合健康水平較高。而距離鄭州市中心點(diǎn)較近的河段3,6,7,11健康水平均為病態(tài)或亞病態(tài),這些河段受城市化水平高、居住用地密集等因素影響,人類活動(dòng)頻繁,一方面面源污染相較于城市化水平低的河段更加嚴(yán)重,徑流壓力也較大,另一方面城市中心區(qū)域土地利緊張,河流空間被擠占,河道硬質(zhì)化渠化嚴(yán)重,不僅難以削減面源污染而且也無法對(duì)于城市地表徑流起到緩沖,河段所面臨城市化壓力較大,整體健康水平較差。河段8是唯一一個(gè)處于老城區(qū),但綜合健康評(píng)價(jià)為亞健康水平的河段,具體分析可以發(fā)現(xiàn),河段8的響應(yīng)能力處于較高水平,即雖然河流系統(tǒng)所受到的外界壓力與其他老城區(qū)的河段處于相近水平,但由于人類采取了一定的措施,該段河流沿岸綠地覆蓋較高,防洪能力較優(yōu),對(duì)于外界壓力有一定的緩解作用,所以能夠保持較好狀態(tài),整體河流健康水平較能夠保持相對(duì)較高的水平。

3.4 河流健康因素對(duì)城市化的響應(yīng)分析

根據(jù)相關(guān)研究,流域城市化水平對(duì)河流健康水平與有較大影響[25,30],基于城市河流健康的準(zhǔn)則層和綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,采用ISC(不透水地面比例)指示城市流域城市化水平,分析河流健康因素對(duì)城市流域城市化

的相關(guān)性與響應(yīng)規(guī)律,確定河流健康受損時(shí)ISC的閾值,為指導(dǎo)河流引導(dǎo)下的城市建設(shè)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

3.4.1 準(zhǔn)則層對(duì)于城市化的響應(yīng) 根據(jù)各準(zhǔn)則層與城市化水平的相關(guān)分析與線性擬合結(jié)果(圖3),其中壓力、狀態(tài)準(zhǔn)則層與城市化相關(guān)性顯著(p＜0.05),對(duì)應(yīng)的擬合模型為有效模型,說明城市化水平能對(duì)河流所受壓力以及河流的狀態(tài)進(jìn)行有效的解釋與預(yù)測(cè),在所有有效模型中,ISC對(duì)河段壓力的解釋量為R2=0.833 19,相較于狀態(tài)擬合模型的R2=0.306解釋效果更好,這主要是由于面源污染系數(shù),地表徑流風(fēng)險(xiǎn),ISC都與土地利用狀況有顯著的相關(guān)性。當(dāng)流域的ISC為40%左右時(shí)壓力開始由較低壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橹械葔毫?河流周邊的城區(qū)開始對(duì)河流系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的壓力輸入;在ISC與河流狀態(tài)的擬合模型中,城市流域的ISC增加會(huì)造成河流狀態(tài)的惡化,城市流域?qū)恿鳡顟B(tài)產(chǎn)生顯著影響的閾值為60%,相較于同類研究的閾值較高,可能是由于人類響應(yīng)提升了城市河流系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力,使閾值變大,這對(duì)于科學(xué)管理與修復(fù)城市河流,提供了新思路。

圖3 各準(zhǔn)則層與對(duì)應(yīng)城市流域城市化水平的線性擬合結(jié)果

3.4.2 河流綜合健康度對(duì)于城市化的響應(yīng) 結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果利用Origin軟件繪制河流健康等級(jí)—城市化水平線性擬合模型,可獲得河流健康水平與城市化水平之間的線性關(guān)系(圖4)。根據(jù)擬合結(jié)果可知河流綜合健康水平與城市流域的城市化水平也呈現(xiàn)了較好的線性擬合(p＜0.05兩變量相關(guān)性顯著,R2=0.457,ISC對(duì)河流健康水平的解釋量為0.457),進(jìn)一明確了當(dāng)前城市化對(duì)于河流健康的負(fù)面影響。根據(jù)擬合結(jié)果可以判斷,當(dāng)城市化水平達(dá)到40%時(shí),城市化水平開始對(duì)河流健康水平產(chǎn)生影響,達(dá)到50%時(shí),河流的健康水平開始由亞健康狀態(tài)變差,影響更為顯著;在相關(guān)研究中,引起河流健康水平變化的閾值在10%～30%的范圍,而在本研究中,河流健康狀態(tài)變差的閾值相較其他研究有所提升,在30%～50%的范圍時(shí)仍可維持亞健康狀態(tài),可能由于城市河流這個(gè)評(píng)價(jià)限定使得河流本底值遠(yuǎn)離了自然河流,另一方面,本研究引入了人類響應(yīng)的因素,表明對(duì)于城市河流的維護(hù)和管理可以在一定程度上協(xié)調(diào)河流與城市化發(fā)展的沖突,達(dá)到城市與水共存的效果,說明科學(xué)指導(dǎo)下的城市河流維護(hù)和管理對(duì)于提升河流健康水平,增強(qiáng)城市韌性具有較為顯著的作用。

圖4 河流綜合健康水平對(duì)流域城市化水平的線性擬合結(jié)果

3.5 河流健康的修復(fù)與管理策略

在精細(xì)化管理和韌性城市建設(shè)的大背景下城市河流的發(fā)展應(yīng)主動(dòng)適應(yīng)人類社會(huì)的發(fā)展與需求,從粗放修復(fù)管理轉(zhuǎn)向精細(xì)化管理的方式轉(zhuǎn)變,通過評(píng)價(jià)精準(zhǔn)識(shí)別城市河流中制約不同河段健康水平的關(guān)鍵因素與發(fā)展趨勢(shì),提升河流修復(fù)管理的精細(xì)化與時(shí)效性?；诮鹚痈骱佣谓】翟u(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)處于病態(tài)、亞病態(tài)的河段3,6,7,11提出優(yōu)化改進(jìn)策略。河段3健康水平為亞病態(tài),屬于高壓力—較好狀態(tài)—高響應(yīng)類型,針對(duì)其所受外界壓力較大的狀況,需對(duì)濱河城區(qū)的土地利用格局進(jìn)行優(yōu)化,降低河道行洪排澇壓力,提升城市下墊面的滲透能力,同時(shí)對(duì)駁岸、河岸帶進(jìn)行軟化,激活沿線的附屬綠地,提升河流的韌性;河段6健康水平為亞病態(tài),屬于高壓力—較差狀態(tài)—中等響應(yīng)類型,在削減壓力輸入的同時(shí),結(jié)合沿岸的人民公園設(shè)置生態(tài)駁岸構(gòu)建綠地緩沖帶,使人民公園與河流產(chǎn)生有機(jī)聯(lián)系,發(fā)揮城市綠地對(duì)于城市河流的輔助功能,提升河流的響應(yīng)能力與承載能力;河段7健康水平為病態(tài),屬于較高壓力—差狀態(tài)—低響應(yīng)類型,考慮到河段7所處的區(qū)域空間狹小,結(jié)合防汛和生態(tài)需求,在對(duì)河段進(jìn)行改造時(shí)使用人工結(jié)合自然的改造方法,將垂直與斜坡式護(hù)岸相結(jié)合,設(shè)置前硬后軟的駁岸,在修復(fù)河流生態(tài)功能的同時(shí)兼顧安全要求,最終達(dá)到提升河段健康水平效果。河段11健康水平為亞病態(tài),屬于中等壓力—好狀態(tài)—較低響應(yīng)類型,針對(duì)其駁岸硬質(zhì)化嚴(yán)重、防洪設(shè)施與基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施欠缺的問題,應(yīng)加強(qiáng)該段河流的人工治理,可將硬質(zhì)駁岸轉(zhuǎn)化為河流緩沖空間,在生態(tài)修復(fù)的同時(shí)提升其防洪能力,并完善沿河綠道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與系統(tǒng)性,滿足城市各類人群對(duì)公共休閑空間的需求。

4 討論與結(jié)論

(1)根據(jù)PSR模型構(gòu)建的韌性理念下的城市河流評(píng)價(jià)體系包含壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)方面,涵蓋了生態(tài)韌性、安全韌性、社會(huì)韌性3個(gè)角度的14項(xiàng)指標(biāo),各準(zhǔn)則層權(quán)重幾乎相等。

(2)本研究中7個(gè)典型河段的健康水平存在明顯的空間差異,各河段的健康水平與其所對(duì)應(yīng)的城市流域所輸入的壓力具有較大的關(guān)聯(lián)性,流經(jīng)建設(shè)強(qiáng)度大,居住區(qū)密集的河段健康水平較低,而河段周邊建設(shè)強(qiáng)度小,緊鄰大型城市綠地的健康水平高,從趨勢(shì)上來看,河段6,7,11的健康水平有進(jìn)一步優(yōu)化的趨勢(shì),河段1,3,8,14健康水平有惡化的趨勢(shì)。

(3)城市化水平可以對(duì)河流壓力輸入和狀態(tài)準(zhǔn)則層進(jìn)行有效的解釋與預(yù)測(cè),且對(duì)壓力的解釋能力更高;同時(shí),根據(jù)河流綜合健康程度對(duì)城市化水平的擬合結(jié)果,可以得知當(dāng)城市化水平達(dá)到50%的閾值時(shí),河流健康水平會(huì)受到顯著影響。

(4)本研究以前人研究為基礎(chǔ),在韌性理念指導(dǎo)下,引入PSR與物元可拓模型構(gòu)建評(píng)價(jià)模型,提升了評(píng)價(jià)結(jié)果的全面性、準(zhǔn)確性與前瞻性;河流健康水平與城市化水平響應(yīng)模型的構(gòu)建,確定了研究區(qū)城市化水平對(duì)河流健康影響的閾值,為韌性理念下城市藍(lán)綠空間的精細(xì)化管理提供基礎(chǔ)。

(5)由于數(shù)據(jù)獲取的季節(jié)性,本研究水文相關(guān)指標(biāo)僅以9月前后的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析,可能對(duì)于水質(zhì)、水量等季節(jié)性指標(biāo)的評(píng)價(jià)具有局限性,下一步可以河流季節(jié)變化為切入點(diǎn),獲取季節(jié)性的河流數(shù)據(jù),評(píng)價(jià)不同季相下的河流健康程度,探索城市河流與季節(jié)變化的關(guān)系。