基于韌性理念的城市河流健康評價
——以鄭州市金水河為例

張宇帆朱瑩瑩陳奕潔田國行

(河南農業大學 風景園林與藝術學院,河南 鄭州450002)

高密度、高速度、高高度、大尺度的城市化發展給人類生活帶來了極大的便利,但也帶來了許多挑戰,人口壓力、極端天氣、公共衛生事件等切實影響著城市的興衰,可以說當下城市對抗風險的韌性對城市的存亡起著決定性作用,城市河流作為城市生態系統的重要組成,其健康狀態制約著韌性城市建設的水平[1-2]。當前,流經城市的河流都面臨著城市建設用地擴張河流污染加劇,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境的物質能量交換等幾乎相似的問題[3-4],城市河流功能幾近喪失。如何對城市河流進行修復與維護,恢復城市河流的健康成為了研究熱點。城市河流健康評價作為開展河流修復與管理的前提,能夠為城市河流保護、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。隨著人類社會的發展與相關研究的深入,以純自然的河流作為評價城市河流健康的標準已經不能適應當前城市內河流所具有的社會屬性,無法科學地指導決策[5]?！绊g性”指遭受影響干擾后恢復原狀的能力,韌性理念引入城市河流相關研究中可被解釋為城市河流受干擾后自我調節的能力,其可以從生態、安全、社會3個方面定義[6]。將韌性理念引入對城市河流的研究中,有助于建立適應不同功能的河流管理模式,提升城市的抗風險能力,在極端天氣狀況頻發的當下具有重要的現實意義。國外對于河流健康的評價開始于20世紀70年代,到20世紀90年代已經建立了澳大利亞溪流狀況指數法[7],美國的快速生物評價協議,英國河流保護評價等[8]一些系列評價體系,以滿足河流保護管理修復的需求。國內對于河流健康評價開始于2002年,唐濤[9]引入河流生態系統評價的內容,隨著國家生態文明建設戰略的推進,眾多學者對河流評價體系、標準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、物理結構、河岸帶生態功能、社會服務、景觀等多個方面構建了河流健康評價指標體系;并以國內大尺度的河流為例展開評價,王龍、趙鑫涯、劉曉燕等[11-12]基于健康長江理念對長江和黃河的綜合健康評價以及左其亭等[13]對于淮河的評價。上述研究都為我國河流的治理提供了大量的科學支持,但從相關研究成果可以看出,河流健康評價指標選取多從河流自然屬性以及人類社會對于城市河流的壓力方面入手,缺乏對人類正面影響的考量,從而使評價結果不全面,健康評價結果缺乏前瞻性,僅可對現狀進行評判,難以預測河流健康狀態的發展趨勢;評價尺度較為集中,對于大尺度的自然河流評估體系已形成,而對于中小尺度的城市河流評價的文獻相對較少。因此,在本次研究中引入人類積極措施對河流的影響,在結果評價時加入對未來發展趨勢的預測,并考慮中小城市河流與大尺度河流的差別,使評價結果更加合理且對中小城市河流更有實際參考意義。PSR模型在20世紀70年代被提出,其可以準確描述外界壓力、系統狀態、響應策略三者的關系[14],在構建城市河流評價體系時引入PSR模型,考慮人類積極措施對河流健康狀態的影響,可以獲得較為全面合理的城市河流評價結果。物元可拓模型在20世紀80年代提出,在解決不相容問題時具有較大優勢,且可以判斷物元的現狀與發展趨勢,在對河流健康水平進行判斷時引入物元可拓模型,不僅可以確定河流健康水平等級的還能判斷河流健康的發展趨勢,相較于傳統的評價方法,更加具有參考性[15]。

在鄭州市建設國家中心城市的大背景下,金水河作為鄭州市唯一串聯四大城市服務中心且串聯新老城區的城市內河,不僅承載著鄭州人民的記憶,也是鄭州“中優”戰略崛起的核心抓手,大尺度和高速度的城市化嚴重地破壞了金水河的健康,限制了金水河與其周邊城市區域社會、經濟、人文、生態的協調發展?；谝陨戏治霰狙芯恳脏嵵菔薪鹚訛閷ο?根據城市河流匯水區域以及河段周邊現狀選取樣段,基于PSR模型以及組合賦權法構建評價指標體系,采用物元可拓模型進行河流健康評價與發展趨勢預測,并分析河流健康水平對于城市化水平的響應,為韌性視角下的水城共融提供科學參考。

1 研究區域與數據獲取

1.1 研究區概況

鄭州市域內的金水河,發源于二七區侯寨鄉,屬單干型河流,屬賈魯河主要二級支流[16],由西南向東北方向橫穿市區,流經二七區、中原區、金水區和鄭東新區,是鄭州市唯一發源于市郊且貫穿新老城區的河流,受城市化建設影響較大[17]。河流南起南四環,北至東風渠,全長22.3 km,匯水面積為80.21 km2。金水河流經市郊、公園、景區、居住區、商業區、市政管理區等多個區域。由于各個區域的發展強度與功能定位不同,河段的物理形態、土地利用類型以及河流水環境等要素存在較大差異,需要對整個河流進行分段評估,因此先根據河道形態以及鄭州市海綿城市規劃對于金水河排水管控單元的劃分,將金水河劃分為長度近似的16個河段,再從河流周邊綠地覆蓋、人口密度、建設強度3個方面對河段進行聚類分析并結合周邊土地利用與上位規劃從16個河段中選取7個具有代表性的典型河段作為評價對象(圖1)。

圖1 研究區位置及樣段分布圖

1.2 數據資料獲取

1.2.1 空間數據 空間數據以資源三號衛星2020年9月的遙感影像(課題組內部資料)和《鄭州都市區總體規劃2012—2030年》為基礎,結合2021年9月谷歌地圖和實地調研利用ENVI,ArcGIS監督分類與目視解譯相結合的方法獲取研究區土地利用數據和植被覆蓋數據。

1.2.2 統計數據 人口統計數據來源于國家統計局的《2020中國人口普查年鑒》(即第七次人口普查數據,http:∥www.stats.gov.cn/tjsj/pcsj/),在ArcGIS軟件中將人口以街道為基本單元進行分配,而后利用面域統計功能計算各河段對應的人口數據。

1.2.3 河段數據 典型河段選取運用SPSS軟件,以每個河段周邊的人口密度、綠地覆蓋比例、建設強度3個指標進行聚類分析,將16個河段分為低人口密度—低建設強度—高綠地覆蓋、高人口密度—高建設強度—低綠地覆蓋、高人口密度—中建設強度—中綠地覆蓋三大類,然后結合各河段周邊主要的土地利用類型與上位規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行評價分析,所選河段編號為1,3,6,7,8,11,14。河段數據以實地調研為主并結合ArcGIS對遙感衛星影像的提取,收集每個典型河段的樣點數據,求其平均數作為該河段的最終數據。為了確保所獲得數據的真實、客觀,在河段數據收集階段本研究選取澳大利亞河流現狀指數法,該方法在河段數據調查中用每個位置點代表一個河段,在每個河段范圍內,選取3個距離平均且近似相等的斷面作為樣點(每個調查點代表一個垂直于河道的斷面),求其平均數作為該河段的最終數據。本研究結合河段實際情況在每個河段內每間隔200 m選取一個樣點作為調查點進行數據收集,7個河段共選取53個樣點。

2 評價模型構建

2.1 指標體系

PSR模型包含城市化施加于城市河流的壓力、河流系統自身狀態以及人類為改變河流狀態采取的措施3個方面,能夠全面考慮人類對河流健康的正負影響,金水河位于高密度建設的城市之中,受人類活動影響更大,利用PSR模型能進行更加全面準確的河流健康評價。①壓力指標描述人類活動對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涵,可以從3個方面考慮河流的外界壓力:即生態壓力、安全壓力以及社會服務壓力。生態壓力包括污染對于水質壓力和河流沿線建筑對于河岸帶生態環境的壓力,根據鄭州市地表水污染的相關研究,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系[18],因此用土地利用對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環境的壓力指標;安全壓力主要來源于城市行洪排澇的安全需求,即河流匯水區域的徑流量,因此利用河流匯水區的綜合徑流系數表征安全壓力[19];社會服務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服務需求壓力。②狀態指標描述各種因素長期作用于城市河流生態系統后,河流功能和特征所表現出來的狀態,在不同的外界干擾下,河流的生態特征、行洪排澇功能與社會服務能力等都處于一定的狀態,參考相關文獻,選取了水質、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項指標分別來描述河流生態韌性、安全韌性、社會韌性3個方面的狀態。③響應指標描述人類對河流處于壓力作用下的狀態而采取的措施,城市河流主要由人工維護[23],如為了維護河流生態環境進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的堤防工程,為了提升河道社會服務能力建設的基礎服務設施[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、基礎設施完善度4個指標來表征人類對于河流問題的響應。

根據上述分析構建城市河流評價指標體系,指標及其計算方法等詳見表1。

表1 城市河流健康評價指標體系

2.2 組合賦權法確定指標權重

2.2.1 數據標準化處理 對原始數據進行標準化處理,消除指標間不同量綱的影響[20]。

式中:Xij為標準化處理后的數據值;xij為評價系統中指標的初始值;xjmax,xjmin分別為樣本數據的最大值與最小值。

2.2.2 綜合權重計算 本研究選取內置權重與用戶權重相結合的綜合賦權方法,其中內置權重指主觀權重;用戶權重指客觀權重。

主觀權重的確定采用層次分析法,根據20位水利和風景園林學專業的老師以及研究生對評價指標的重要性進行打分與綜合排序,在排序的基礎上利用YAAHP軟件結合層次分析法計算指標權重,并將結果通過一致性檢驗。

客觀權重的確定采用熵權法,其是根據指標數據本身包含的信息量確定指標權重的方法,依據信息論的基本原理,使用信息熵法表征各指標的差異程度,指標的熵值越小,對目標的重要性越大[12]。將所有指標對應的數據導入SPSS軟件中,結合熵權法獲取指標權重。

綜合考慮主客觀因素,結合內置權重與用戶權重計算,指標綜合權重,計算公式為:

式中:λi為各指標綜合權重;θi為內置權重由層次分析法確定;ωi為用戶權重由熵權法確定。

2.3 評價標準

結合本研究所提出的城市河流健康內涵,將目標層的河流健康水平劃分為5個等級,1(健康),2(亞健康),3(中等),4(亞病態),5(病態)[23];1,2,3,4,5分別對應壓力準則層的低壓力、較低壓力、中等壓力、較高壓力以及高壓力,狀態準則層分為好狀態、較好狀態、中等狀態、較差狀態、差狀態,響應準則層分為高響應能力、較高響應能力、中等響應能力、較低響應能力、低響應能力。各等級的范圍值按照前述研究并結合金水河實際情況制定,具體詳見表2。

表2 河流健康指標評價標準

2.4 物元法評價方法

對于事件的評價來說,選取的參考要素越多,評價就越全面,但在實際的操作過程中一些參考要素的獲取存在限制,當前參考的有限內容并不能對事件進行全面的描述,現存條件無法達到要實現的評價目標時,即可稱為不相容問題,物元可拓模型在解決不相容的復雜問題時具有較大優勢,由于河流的評價參考指標廣泛且獲取不易,因此在本研究中引入物元可拓模型,對河流健康進行評價。

(1)河流健康物元矩陣、經典域以及節域的構建。物元是描述事物的名稱、特征及量值3個基本元素的簡稱[28],本次研究的事物為河流的健康水平,即T;河流健康水平的評價指標即為事物T的特征,記為F;評價指標處于特定等級時對應的量即為特征F的量值,記為M,則R=(T,F,M)為物元矩陣。

在對事物進行評價時一般都有多個特征F(f1,f2,f3,f4,…,fn)以及對應的量值M(m1,m2,m3,m4,…,mn),此時物元矩陣R可以表示為:

經典域表示待評價的對象特征F處于各等級時對應的取值范圍,根據研究所制定的評價標準即可確定相應的經典物元,表示如下:

式中:R0為經典域;Tj為河流健康等級的第j個等級;Fi為評價指標;Mij為指標Fi對應等級j時的取值范圍,即第j個等級經典域的取值范圍;an,bn分別為最小與最大值所對應的數值。

節域表示待評價事物對應特征F的所有數據范圍,由特征相應的數值范圍適當拓展可確定相應的節域矩陣物元:

式中:Rp為節域;Fi為評價指標;Mip為指標Fi所有數值的范圍,即節域的取值范圍;anp,bnp分別表示各個指標的最小與最大值所對應的數值。

(2)關聯函數計算。模式識別是根據指標的量值符合要求的水平來表達的,關聯函數可將這種符合程度量化[15],可以用來表示指標所屬的等級,Ki(vj)表示第i個指標屬于第j個等級的關聯度,計算公式為:

式中:Kj(Tx)表示待評價事物Tx關于等級j的關聯系數;λi為各指標綜合權重;Ki(vj)表示第i個指標與第j個等級的關聯度。

3 結果與分析

式中:(vi,v0ji),(vi,vpi)分別為點vi與經典域和節域的距離;vi為待評價事物的量值;v0ji為經典域的量值范圍;vpi為節域的量值范圍。

(3)綜合關聯度計算與判別準則。根據最大關聯度原則,待評價事物隸屬于綜合關聯度最大的等級[29],趨勢等級為距離現狀等級距離最小的等級,待評價事物T關于等級j的綜合關聯度計算方法為:

3.1 河段指標層現狀值及對應等級

利用基礎數據,根據各指標的計算方法計算指標現狀值,并判斷其所處的等級。由表3可知,雖然所處位置的自然條件差異不大,但大多數指標的等級在不同河段仍然存在較大差異性。各河段處于1,2等級的指標所占比例分別為85.71%,42.86%,50.00%,35.71%,64.29%,50.00%,78.57%?？傮w而言,河段1,8,14各指標狀態較好,而河段3,7則較差。

表3 各河段指標現狀值及其對應等級

3.2 河段準則層及綜合等級

根據單項指標的評價結果,利用物元可拓模型確定河段對不同健康等級的關聯度,以最大關聯度為原則,確定各河段綜合健康水平與發展趨勢。由表4,圖2可知在河流綜合健康等級方面河段1,14處于健康等級,河段8處于亞健康等級,河段3,6,11處于亞病態等級,河段7處于病態等級。在河流綜合健康發展趨勢方面河段6,7,11健康等級有進一步優化的趨勢,河段1,3,8,14健康等級有惡化的趨勢。同樣由表4和圖2可知各河段壓力、狀態、響應準則層的現狀與發展趨勢。

表4 各河段準則層及綜合評價關聯度計算結果

圖2 各河段準則層與綜合健康評價等級及趨勢圖

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功能外,還需要具有一定的社會功能,因此在流經城市各區域時所受到的人類活動影響的差異較大,從而導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較遠的位置,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,提升河流系統的自我調節能力,綜合健康水平較高。而距離鄭州市中心點較近的河段3,6,7,11健康水平均為病態或亞病態,這些河段受城市化水平高、居住用地密集等因素影響,人類活動頻繁,一方面面源污染相較于城市化水平低的河段更加嚴重,徑流壓力也較大,另一方面城市中心區域土地利緊張,河流空間被擠占,河道硬質化渠化嚴重,不僅難以削減面源污染而且也無法對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是唯一一個處于老城區,但綜合健康評價為亞健康水平的河段,具體分析可以發現,河段8的響應能力處于較高水平,即雖然河流系統所受到的外界壓力與其他老城區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,對于外界壓力有一定的緩解作用,所以能夠保持較好狀態,整體河流健康水平較能夠保持相對較高的水平。

3.4 河流健康因素對城市化的響應分析

根據相關研究,流域城市化水平對河流健康水平與有較大影響[25,30],基于城市河流健康的準則層和綜合評價結果,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城市流域城市化

的相關性與響應規律,確定河流健康受損時ISC的閾值,為指導河流引導下的城市建設規劃提供數據支持。

3.4.1 準則層對于城市化的響應 根據各準則層與城市化水平的相關分析與線性擬合結果(圖3),其中壓力、狀態準則層與城市化相關性顯著(p＜0.05),對應的擬合模型為有效模型,說明城市化水平能對河流所受壓力以及河流的狀態進行有效的解釋與預測,在所有有效模型中,ISC對河段壓力的解釋量為R2=0.833 19,相較于狀態擬合模型的R2=0.306解釋效果更好,這主要是由于面源污染系數,地表徑流風險,ISC都與土地利用狀況有顯著的相關性。當流域的ISC為40%左右時壓力開始由較低壓力轉變為中等壓力,河流周邊的城區開始對河流系統產生顯著的壓力輸入;在ISC與河流狀態的擬合模型中,城市流域的ISC增加會造成河流狀態的惡化,城市流域對河流狀態產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提升了城市河流系統的調節能力,使閾值變大,這對于科學管理與修復城市河流,提供了新思路。

圖3 各準則層與對應城市流域城市化水平的線性擬合結果

3.4.2 河流綜合健康度對于城市化的響應 結合評價結果利用Origin軟件繪制河流健康等級—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系(圖4)。根據擬合結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了較好的線性擬合(p＜0.05兩變量相關性顯著,R2=0.457,ISC對河流健康水平的解釋量為0.457),進一明確了當前城市化對于河流健康的負面影響。根據擬合結果可以判斷,當城市化水平達到40%時,城市化水平開始對河流健康水平產生影響,達到50%時,河流的健康水平開始由亞健康狀態變差,影響更為顯著;在相關研究中,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,河流健康狀態變差的閾值相較其他研究有所提升,在30%～50%的范圍時仍可維持亞健康狀態,可能由于城市河流這個評價限定使得河流本底值遠離了自然河流,另一方面,本研究引入了人類響應的因素,表明對于城市河流的維護和管理可以在一定程度上協調河流與城市化發展的沖突,達到城市與水共存的效果,說明科學指導下的城市河流維護和管理對于提升河流健康水平,增強城市韌性具有較為顯著的作用。

圖4 河流綜合健康水平對流域城市化水平的線性擬合結果

3.5 河流健康的修復與管理策略

在精細化管理和韌性城市建設的大背景下城市河流的發展應主動適應人類社會的發展與需求,從粗放修復管理轉向精細化管理的方式轉變,通過評價精準識別城市河流中制約不同河段健康水平的關鍵因素與發展趨勢,提升河流修復管理的精細化與時效性?；诮鹚痈骱佣谓】翟u價結果,對處于病態、亞病態的河段3,6,7,11提出優化改進策略。河段3健康水平為亞病態,屬于高壓力—較好狀態—高響應類型,針對其所受外界壓力較大的狀況,需對濱河城區的土地利用格局進行優化,降低河道行洪排澇壓力,提升城市下墊面的滲透能力,同時對駁岸、河岸帶進行軟化,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,屬于高壓力—較差狀態—中等響應類型,在削減壓力輸入的同時,結合沿岸的人民公園設置生態駁岸構建綠地緩沖帶,使人民公園與河流產生有機聯系,發揮城市綠地對于城市河流的輔助功能,提升河流的響應能力與承載能力;河段7健康水平為病態,屬于較高壓力—差狀態—低響應類型,考慮到河段7所處的區域空間狹小,結合防汛和生態需求,在對河段進行改造時使用人工結合自然的改造方法,將垂直與斜坡式護岸相結合,設置前硬后軟的駁岸,在修復河流生態功能的同時兼顧安全要求,最終達到提升河段健康水平效果。河段11健康水平為亞病態,屬于中等壓力—好狀態—較低響應類型,針對其駁岸硬質化嚴重、防洪設施與基礎服務設施欠缺的問題,應加強該段河流的人工治理,可將硬質駁岸轉化為河流緩沖空間,在生態修復的同時提升其防洪能力,并完善沿河綠道基礎設施建設與系統性,滿足城市各類人群對公共休閑空間的需求。

4 討論與結論

(1)根據PSR模型構建的韌性理念下的城市河流評價體系包含壓力、狀態、響應3個方面,涵蓋了生態韌性、安全韌性、社會韌性3個角度的14項指標,各準則層權重幾乎相等。

(2)本研究中7個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應的城市流域所輸入的壓力具有較大的關聯性,流經建設強度大,居住區密集的河段健康水平較低,而河段周邊建設強度小,緊鄰大型城市綠地的健康水平高,從趨勢上來看,河段6,7,11的健康水平有進一步優化的趨勢,河段1,3,8,14健康水平有惡化的趨勢。

(3)城市化水平可以對河流壓力輸入和狀態準則層進行有效的解釋與預測,且對壓力的解釋能力更高;同時,根據河流綜合健康程度對城市化水平的擬合結果,可以得知當城市化水平達到50%的閾值時,河流健康水平會受到顯著影響。

(4)本研究以前人研究為基礎,在韌性理念指導下,引入PSR與物元可拓模型構建評價模型,提升了評價結果的全面性、準確性與前瞻性;河流健康水平與城市化水平響應模型的構建,確定了研究區城市化水平對河流健康影響的閾值,為韌性理念下城市藍綠空間的精細化管理提供基礎。

(5)由于數據獲取的季節性,本研究水文相關指標僅以9月前后的數據為基礎進行分析,可能對于水質、水量等季節性指標的評價具有局限性,下一步可以河流季節變化為切入點,獲取季節性的河流數據,評價不同季相下的河流健康程度,探索城市河流與季節變化的關系。