北京市凉水河物理栖息地完整性评价

孙 斌，刘静玲，孟 博，包 坤，史 璇，尤晓光

(1.水环境模拟国家重点实验室，北京 100875；2.北京师范大学环境学院，北京 100875)

北京市凉水河物理栖息地完整性评价

孙 斌1,2，刘静玲1,2，孟 博1,2，包 坤1,2，史 璇1,2，尤晓光1,2

(1.水环境模拟国家重点实验室，北京 100875；2.北京师范大学环境学院，北京 100875)

针对城市河流强人为干扰特征，从横向完整性、纵向完整性和垂向完整性3个维度选择了10个评价指标，引入信息熵对传统的灰色聚类评价方法进行改进，构建城市河流物理完整性评价指标体系。利用该方法对北京市凉水河物理栖息地完整性开展了评价，结果表明在监测的21个采样点中评价结果为好、较好、一般和较差的比例分别为19.1%、23.8%、33.3%和23.8%，造成凉水河物理栖息地完整性较差的指标依次为生态流量满足率、纵向连通性指数和河流蜿蜒度。导致凉水河物理栖息地完整性较差的突出原因为生态流量满足率低、闸坝较多及土地利用不合理，其中闸坝出现的周期性与物理栖息地变差的周期性相一致。

物理栖息地完整性；信息熵；灰色聚类；凉水河

河流与城市的发展息息相关，受人类活动的影响目前城市河流生态系统普遍退化严重[1-2]。通常导致河流生态系统退化的原因包括土地利用变化、水质污染、水量不足等，其中河流水文地貌条件的改变是根本原因之一[3]。对河流水文地貌条件进行评价，尤其是对河流的物理栖息地评价是河流管理和河流修复的中心环节[4]。

Platts等[5]利用MESC(methods for evaluating stream conditions)对河流、河岸带和生物多样性三者之间的关系开展了研究，在随后不到20年的时间里关于河流物理栖息地评价方法不断涌现，其中应用比较广泛的有QHEI(qualitative habitat evaluation index)、CEM(channel evolution models)和RHS (river habitat survey) 等方法[6]。1999年美国环保署建立了河流物理栖息地评价体系[7]，从河岸带、河道宽深比、河床条件、水生动植物等方面对河流的物理栖息地进行评价；欧盟于2000年发布水框架指令[8]，要求从河流的河床、河岸带、水文等方面对欧盟境内的所有河流的水文地貌进行监测。评价体系和指令的出台，使得河流物理栖息地评价方法得到了进一步的发展[9]。

结合Belletti等[9-11]在河流栖息地评价方面的综述，以及截止到2016年12月在web of science数据库和知网中所能检索到国内外关于河流物理栖息地评价的方法一共有101种，这些方法均直接从河流水文地貌出发对河流物理栖息地进行评价，不包括河流生物完整性评价和物理栖息地模拟等其他河流栖息地评价方法。通过对这101种河流物理栖息地评价方法进行分析发现，当前国内外学者在进行河流物理栖息地评价时，多使用综合指数方法，较少使用综合评价法；在空间尺度方面主要是从横向和纵向两个维度对河流物理栖息地进行评价，关于河流物理栖息地垂向完整性方面较少考虑；在时间尺度方面当前研究多集中在分析近1年的数据，缺乏在较大时间尺度下河流物理栖息地完整性变化研究；在指标选择方面，不同类型的指标使用比例大都集中在40%～75%(表1)。

表1 河流栖息地评价方法综合信息

针对我国具有强人为干扰特征的城市河流物理栖息地开展的评价较少[9,12]。本研究将河流栖息地完整性分为物理完整性、化学完整性和生物完整性3个方面，从横向完整性、纵向完整性和垂向完整性3方面构建城市河流物理栖息地完整性评价指标体系，利用信息熵权计算各指标的权重，最后利用灰色聚类评价模型对其物理栖息地完整性开展评价。

1 研究区概况

海河流域位于北纬35°～43°，东经112°～120°，流域大部分位于河北省境内，总面积3.18 万km2，占国土面积3.31%，而流域内人口占到全国人口的10%，水资源利用率超过100%[13]。经济的快速增长及不断持续的城镇化进程，导致大量的污染物排入河流中，使该区域成为全国水污染最严重、水资源最短缺的流域之一。凉水河发源于石景山区人民渠，流经海淀、宣武、丰台、朝阳等区(县)，最终由通州区榆林庄闸汇入北运河，全长约53 km，总流域面积约815.39 km2[14-15]，是北京市重要的非常规水源补给。凉水河是典型的平原河网城市河流，具有流速慢、水深浅等特点，河流的自净能力差、底泥容易沉积[16]。在实地调研的基础上，结合河流两岸的人类活动情况、土地利用类型以及河道中闸坝情况，沿河流走向布设了21个采样点，见图1。

图1 研究区及采样点位置

2 河流物理栖息地完整性评价方法

2.1 评价指标的选择

基于海河流域城市河流强人为干扰的特征，结合海河流域的自然特征，参照Tavzes等的研究成果，选取了10个指标，其特征与计算方法见表2[17-21]。将这10个指标归为横向完整性、纵向完整性和垂向完整性3个维度，其中横向完整性包括横向连通性(lateral continuity, TC)、河岸植被覆盖率(river vegetation coverage, RVC)、河岸带植被缓冲带宽度(riparian vegetation width, RVW)、河岸带人类活动强度指数(artificial features index, AFI)以及河岸带土地利用类型指数(land use index, LUI)；纵向完整性包括河流生态流量满足率(ecological flow, EF)、纵向连通性(longitudinal continuity, LC)以及河流蜿蜒度(river meandering, RM)；垂向完整性包括底质构成指数(substrate composition index, SCI)和栖境复杂性指数(habitat complexity index, HCI)。

从表2可以看出，除RM外各指标的取值范围均在0和1之间，且越接近于1，越有利于保证河流物理栖息地完整性[22]。借鉴An等[23]对栖息地质量分级时所采用的分级方法，各指标的得分小于所有点中该指标最高得分的20%为差等级，20%～40%为较差等级，40%～60%为一般等级，60%～80%为较好等级，大于等于80%为好的等级。

表2 城市河流物理栖息地完整性评价指标及计算方法

2.2 计算方法

灰色聚类评价过程中的主要步骤[24]如下：

步骤1：假设有m个监测点，每个监测点有n个监测指标，则构成C=m×n的白化矩阵，矩阵中元素ckj为第k个监测点第j个聚类指标的白化值。

步骤2：数据的标准化处理。监测指标的白化值的标准化处理：

(1)

式中：dkj为第k个监测点第j个监测指标的标准化值；c0j为第j个监测指标的参考标准。

灰类的标准化处理：

(2)

式中：rji为第j个监测指标第i个灰类的标准化处理值；sji为第j个监测指标的第i个灰类值；h为总的灰类数。

步骤3：确定白化函数。白化函数反映聚类指标对灰类的亲疏关系。第j个监测指标的灰类1的白化函数为

(3)

第j个监测指标的灰类i的白化函数为

(4)

第j个监测指标的灰类h的白化函数为

(5)

步骤4：求算聚类权。聚类权是衡量各个监测指标对同一灰类的权重，考虑到各监测指标对评价结果的贡献不同，借鉴信息熵的思想，计算各指标的信息熵权，用传统的聚类权与信息熵权的乘积作为最终的聚类权。首先计算信息熵，计算公式为

(6)

(7)

聚类权值ωji的计算公式为

(8)

步骤5：求算聚类系数。聚类系数反映了各监测点对灰类的亲疏程度。第k个监测点第i个灰类的聚类系数εki计算公式为

(9)

式中，fji=(dkj)为第k个监测点第j个监测指标的第i个灰类的白化函数。将每个监测点对各个灰类的聚类系数组成聚类行向量，在行向量中最大聚类系数所对应的灰类即为该监测点所属的类别。

3 结果与分析

3.1 凉水河物理栖息地完整性灰色聚类分析结果

根据野外调查结果，利用各监测指标的最高得分可以分别计算得到凉水河物理栖息地完整性评价各指标的具体分级标准，见表3。根据引入信息熵的灰色聚类评价方法，计算得到各监测点聚类系数及所属类型，见表4。

表3 凉水河物理栖息地完整性评价指标分级标准

3.2 凉水河物理栖息地完整性评价结果分析

从图2中可以看出对凉水河物理栖息地完整性影响较大的5个指标依次为： LUI、LC、EF、RVC和RM。

表4 各监测点对灰度的聚类系数及所属类型

图2 各监测指标的信息熵权

评价结果表明凉水河物理栖息地物理完整性可以分为4个等级，在21个监测点中评价结果为好、较好、一般和较差的监测点分别为19.1%、23.8%、33.3%和23.8%。其中，评价结果为较差的5个监测点分别为LS1、LS3、LS8、LS11和LS12。通过图3可以看出，5个监测点所在河流断面的EF、LC、RM的灰类等级均较差。除此之外监测点LS1的TC、RVC、LUI也较差，这主要是由于监测点LS1监测点位于城市核心区，住宅和路网较密集，同时监测点附近的大红门闸阻断了河流的纵向连通性。监测点LS3、LS8和LS12的纵向完整性和垂向完整性均较差，其中监测点LS3的上游为小红门处理厂的卵形硝化池出水，水质较差，水体呈青灰色，同时河床底部有较多淤泥，SCI和HCI值较低；监测点LS8的河床底部同样为淤泥，且水体微臭，水质较差，河岸两侧住宅密集、人口密度大；监测点LS12上游为污水处理厂出水口，水质较差，河岸左侧堆放较多垃圾，河岸两侧植被覆盖率较低。监测点LS11为通惠河灌渠、灌渠内有污水处理厂，灌渠筑坝取水使得河流纵向连通性降低、河流水量减少，而灌渠内污水处理厂出水进一步影响EF。

图3 部分监测点各监测指标的灰类等级

利用 MATLAB中绘制21个监测点各监测指标的热图(图4)，图中颜色越深表明等级越差。从图4可以发现当前对凉水河物理栖息地完整性造成较大负面影响的指标主要包括4个：EF、LC、LUI、SCI。

图4 物理栖息地完整性较差点的各指标聚类结果

EF包含水量和水质两个方面。在水量方面，凉水河所在的海河流域最突出的矛盾在于水资源的严重短缺[25]，这在客观上限制了凉水河的水量；在水质方面，凉水河接纳了来自首钢污水处理厂、小红门污水处理厂等的出水，同时接纳了河流沿岸部分小区未经处理直接排放的生活污水。高桥幸彦等[26]的研究表明污水处理厂出水直接排放到小流量河流中会对河流的生态环境造成不利影响。

出于城市景观和防洪的需要，城市河段中修建了大量的闸坝，闸坝不仅对水生生物直接生活的栖息地完整性造成了破坏，也对河岸植被完整性产生不良影响[27]。在凉水河一共出现9个闸坝，把河流分割成系列单独的小单元，对LC造成了严重的影响。

由于经济不断发展，城市化进程不断加快，城市土地利用类型处在不断变化之中。河岸带土地利用类型的变化，对河道等产生影响[28]。从图4可以看出凉水河LUI较低，且由于LUI的权重最大，其对凉水河的物理栖息地完整性产生了较大的负面效应。并且位于城市核心区的LUI大于城市周边地区，即城市核心区的土地利用类型等级稍优于城市周边，这主要是由于城市核心区拥有相对比较合理完善的城市规划，而在城市周边由于缺乏规划其对河流物理栖息地完整性破坏更大。

河流底质为底栖生物、水生动植物等提供了直接的栖息环境。水量不足，加上修建的大量闸坝，影响了河流的对沉积物的输送，并使得沉积物在河道内淤积[29]，在河流底部产生了大量的淤泥，造成了水生生物的栖息地多样性的丧失，SCI较差。

图5为凉水河物理栖息地完整性空间尺度的变化特征。从图5可以看出凉水河物理栖息地完整性在空间上呈现出周期性变化特征，且物理栖息地完整性变差的周期性与闸坝出现的周期性相一致(除LS1—LS3河段外，其间有污水处理厂出水汇入)。在监测点LS13以后河流物理栖息地完整性的波动小于LS1—LS13之间的波动，可见自上游到下游物理栖息地完整性在波动中逐渐得到改善，这主要是由于上游河段位于城市核心区，受人为干扰程度大于下游河段。

图5 凉水河物理栖息地完整性空间尺度变化特征

4 结 论

利用引入信息熵的灰色聚类方法对凉水河物理栖息地完整性进行评价，21个采样点中评价结果为好、较好、一般和较差的监测点比例分别为19.1%、23.8%、33.3%和23.8%，全河段中最差的5个监测点分别为LS1、LS3、LS8、LS11和LS12。

a. LUI、LC和EF 3个评价指标对凉水河物理栖息地完整性评价结果贡献较大，贡献率分别为26%、20%和18%。

b. 在空间上，城市河流物理栖息地完整性的变异性大于自然河流，其中闸坝通过影响纵向连通性和底质完整性，使得凉水河物理栖息地完整性降低；污水处理厂通过影响EF使得LS3点的物理栖息地完整性最差。

c. 对评价结果贡献较大的LUI、LC、EF指标，其聚类结果为差的比例分别为38%、33%和48%。利用信息熵权对各指标赋予的权重较合理，评价结果对河流物理栖息地完整性修复具有指导意义。

[1]徐伟,董增川,付晓花,等.基于BP 人工神经网络的河流生态健康预警[J].河海大学学报(自然科学版),2015,43(1):54-59.(XU Wei,DONG Zengchuan,FU Xiaohua，et al.Early warning of river ecosystem health based on BP artificial neural networks[J].Journal of Hohai University (Natural Sciences),2015,43(1):54-59.(in Chinese))

[2]谈娟娟,董增川,付晓花,等.流域景观生态健康演变及其驱动因子贡献分析[J].河海大学学报(自然科学版),2015,43(2):107-113.(TAN Juanjuan,DONG Zengchuan,FU Xiaohua,et al.Analysis of watershed landscape ecological health evolution and contribution of driving factors[J].Journal of Hohai University (Natural Sciences),2015,43(2):107-113.(in Chinese))

[3]刘静玲,尤晓光,史璇,等.滦河流域大中型闸坝水文生态效应[J].水资源保护,2016,32(1):23-28.(LIU Jingling,YOU Xiaoguang,SHI Xuan，et al.Hydrological and ecological effects of dams in Luanhe River Basin[J].Water Resources Protection,2016,32(1):23-28.(in Chinese))

[4]夏霆,曹方意,龙健,等.农村河流生态健康与服务功能[J].水资源保护,2015,31(1):30-34.(XIA Ting,CAO Fangyi,LONG Jian,et al.Ecosystem health and service functions of rural river [J].Water Resources Protection，2015,31(1):30-34.(in Chinese))

[5]PLATTS W,MEGAHAN W,MINSHALL G.Methods for evaluating stream,riparian,and biotic conditions [J].US Department of Agriculture,Forest Service,Intermountain Forest and Range Experiment Station,1983,9：31-35.

[6]SIMON A,DOWNS P W.An interdisciplinary approach to evaluation of potential instability in alluvial channels[J].Geomorphology,1995,12(3):215-232.

[7]BARBOUS M T,GERRISTEN J,SNYDER B D,et al.Rapid bio-assessment protocols for use in streams and Wadeable Rivers:periphyton,benthic macro invertebrates,and fish[M]．2nd ed.Washington D C:USEPA,Office of Water,1999:2-9.

[8]DIRECTIVE W.DIRECTIVE 2000/60/EC of the European parliament and of the council of 23rd october 2000 establishing a framework for community action in the field of water policy[J].Official Journal,2000,22(22):231-235.

[9]BELLETTI B,RINALDI M,BUIJSE A D,et al.A review of assessment methods for river hydromorphology[J].Environmental Earth Sciences,2015,73(5):2079-2100.

[10]WEIB A,MATOUSKOVA M,MATSCHULLAT J.Hydromorphological assessment within the EU-water framework directive:trans-boundary cooperation and application to different water basins[J].Hydrobiologia,2008,603(1):53-72.

[12]XIA T,ZHU W,XIN P,et al.Assessment of urban stream morphology:an integrated index and modelling system[J].Environmental Monitoring amp; Assessment,2010,167(1/2/3/4):447-460.

[13]YANG T,LIU J L,CHEN Q Y,et al.Estimation of environmental flow requirements for the river ecosystem in the Haihe River Basin,China[J].Water Science and Technology,2013,67(4):699-707.

[14]余向勇,王金南,吴舜泽,等.“三水优先”的海河流域“十二五”水污染防治战略研究[J].环境科学与管理,2013,38(12):191-194.(YU Xiangyong,WANG Jinnan,WU Shunze,et al.Water pollution prevention strategy for Haihe river basin during 12th Five-year plan[J].Environmental Science and Management,2013,38(12):191-194.(in Chinese))

[15]CHAUDHURI D,TRIPATHY S,VEERESH H,et al.Mobility and bioavailability of selected heavy metals in coal ashand sewage sludge-amended acid soil[J].Environmental Geology,2003,44(4):419-432.

[16]孟博,刘静玲,史璇,等.北京市凉水河表层沉积物不同粒径重金属形态分布特征及生态风险[J].农业环境科学学报,2015,34(5):964-972.(MENG Bo,LIU Jingling,SHI Xuan,et al.Speciation and ecological risk assessment of heavy metals in surficial sediments of Liangshui River in Beijing[J].Journal of Agro-Environment Science,2015,34(5):964-972.(in Chinese))

[18]杨涛.基于生态完整性恢复的海河流域平原河流生态基流计算[D].北京：北京师范大学,2013.

[20]郑炳辉,张远,李英博,等.辽河流域河流栖息地评价指标与评价方法研究[J].环境科学学报,2007,27(6):928-936.(ZHENG Binghui,ZHANG Yuan,LI Yingbo,et al.Study of indicators and methods for river habitat assessment of Liaohe River Basin[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2007,27(6):928-936.(in Chinese))

[21]夏霆,朱伟,姜谋余,等.城市河流栖息地评价方法与应用[J].环境科学学报,2007,27(12):2095-2104.(XIA Ting,ZHU Wei,JIANG Mouyu,et al.Assessment of urban river habitats application and methodology[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2007,27(12):2095-2104.(in Chinese))

[22]王建华,田景汉,吕宪国.挠力河流域河流的B-IBI评价[J].生态学报,2009,29(12):6672-6680.(WANG Jianhua,TIAN Jinghan,LV Xianguo.B-IBI assessment of stream in Naoli river watershed China[J].Acta Ecologica Sinica,2009,29(12):6672-6680.(in Chinese))

[23]AN K G,PARK S S,SHIN J Y.An evaluation of a river health using the index of biological integrity along with relations to chemical and habitat conditions[J].Environment International,2002,28(5):411-420.

[24]李祚泳.环境质量评价原理与方法[M].北京：化学工业出版社,2004:118-136.

[25]秦长海,甘泓,汪林,等.海河流域水资源开发利用阈值研究[J].水科学进展,2013,24(2):220-227.(QIN Changhai,GAN Hong,WANG Lin,et al.Threshold value for water resources exploitation and utilization in Haihe river basin[J].Advances in Water Science,2013,24(2):220-227.(in Chinese))

[26]高桥幸彦,杜茂安,范振强,等.污水处理排放水对小流量河流水体生态的影响[J].哈尔滨工业大学学报,2006,38(2):212-215.(TAKAHASHI Y,DU Maoan,FAN Zhenqiang,et al.Effects on ecologic situation of small flow water by discharge of two-stage treated wastewater[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2006,38(2):212-215.(in Chinese))

[27]HUNT S D,GUZY J C,PRICE S J,et al.Responses of riparian reptile communities to damming and urbanization[J].Biological Conservation,2013,157(2):277-284.

[28]PANDER J,GEIST J.Ecological indicators for stream restoration success[J].Ecological Indicators,2013,30(5):106-118.

[29]HUANG F,XIA Z,LI F,et al.Assessing sediment regime alteration of the upper Yangtze River[J].Environmental Earth Sciences,2013,70(5):2349-2357.

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

国家自然科学基金(41271496)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07203-006)

孙斌(1993—)，男，硕士研究生，研究方向为水生态系统管理。E-mail：Eco-bin@mail.bnu.edu.cn

刘静玲，教授。E-mail：jingling@bnu.edu.cn

X826

A

1004-6933(2017)06-0020-07

2017-05-06 编辑：王 芳)