基于韧性理念的城市河流健康评价——以郑州市金水河为例

张宇帆朱莹莹陈奕洁田国行

(河南农业大学 风景园林与艺术学院,河南 郑州450002)

高密度、高速度、高高度、大尺度的城市化发展给人类生活带来了极大的便利,但也带来了许多挑战,人口压力、极端天气、公共卫生事件等切实影响着城市的兴衰,可以说当下城市对抗风险的韧性对城市的存亡起着决定性作用,城市河流作为城市生态系统的重要组成,其健康状态制约着韧性城市建设的水平[1-2]。当前,流经城市的河流都面临着城市建设用地扩张河流污染加剧,城市下垫面改变引起河道行洪压力增加,河流渠化阻断河流与周边环境的物质能量交换等几乎相似的问题[3-4],城市河流功能几近丧失。如何对城市河流进行修复与维护,恢复城市河流的健康成为了研究热点。城市河流健康评价作为开展河流修复与管理的前提,能够为城市河流保护、管理与利用提供决策支持。河流健康是人类期望下河流的理想状态。随着人类社会的发展与相关研究的深入,以纯自然的河流作为评价城市河流健康的标准已经不能适应当前城市内河流所具有的社会属性,无法科学地指导决策[5]。“韧性”指遭受影响干扰后恢复原状的能力,韧性理念引入城市河流相关研究中可被解释为城市河流受干扰后自我调节的能力,其可以从生态、安全、社会3个方面定义[6]。将韧性理念引入对城市河流的研究中,有助于建立适应不同功能的河流管理模式,提升城市的抗风险能力,在极端天气状况频发的当下具有重要的现实意义。国外对于河流健康的评价开始于20世纪70年代,到20世纪90年代已经建立了澳大利亚溪流状况指数法[7],美国的快速生物评价协议,英国河流保护评价等[8]一些系列评价体系,以满足河流保护管理修复的需求。国内对于河流健康评价开始于2002年,唐涛[9]引入河流生态系统评价的内容,随着国家生态文明建设战略的推进,众多学者对河流评价体系、标准和方法等开展了深入研究,赵彦伟、杨文慧、邓晓军等[8-10]从水生态、物理结构、河岸带生态功能、社会服务、景观等多个方面构建了河流健康评价指标体系;并以国内大尺度的河流为例展开评价,王龙、赵鑫涯、刘晓燕等[11-12]基于健康长江理念对长江和黄河的综合健康评价以及左其亭等[13]对于淮河的评价。上述研究都为我国河流的治理提供了大量的科学支持,但从相关研究成果可以看出,河流健康评价指标选取多从河流自然属性以及人类社会对于城市河流的压力方面入手,缺乏对人类正面影响的考量,从而使评价结果不全面,健康评价结果缺乏前瞻性,仅可对现状进行评判,难以预测河流健康状态的发展趋势;评价尺度较为集中,对于大尺度的自然河流评估体系已形成,而对于中小尺度的城市河流评价的文献相对较少。因此,在本次研究中引入人类积极措施对河流的影响,在结果评价时加入对未来发展趋势的预测,并考虑中小城市河流与大尺度河流的差别,使评价结果更加合理且对中小城市河流更有实际参考意义。PSR模型在20世纪70年代被提出,其可以准确描述外界压力、系统状态、响应策略三者的关系[14],在构建城市河流评价体系时引入PSR模型,考虑人类积极措施对河流健康状态的影响,可以获得较为全面合理的城市河流评价结果。物元可拓模型在20世纪80年代提出,在解决不相容问题时具有较大优势,且可以判断物元的现状与发展趋势,在对河流健康水平进行判断时引入物元可拓模型,不仅可以确定河流健康水平等级的还能判断河流健康的发展趋势,相较于传统的评价方法,更加具有参考性[15]。

在郑州市建设国家中心城市的大背景下,金水河作为郑州市唯一串联四大城市服务中心且串联新老城区的城市内河,不仅承载着郑州人民的记忆,也是郑州“中优”战略崛起的核心抓手,大尺度和高速度的城市化严重地破坏了金水河的健康,限制了金水河与其周边城市区域社会、经济、人文、生态的协调发展。基于以上分析本研究以郑州市金水河为对象,根据城市河流汇水区域以及河段周边现状选取样段,基于PSR模型以及组合赋权法构建评价指标体系,采用物元可拓模型进行河流健康评价与发展趋势预测,并分析河流健康水平对于城市化水平的响应,为韧性视角下的水城共融提供科学参考。

1 研究区域与数据获取

1.1 研究区概况

郑州市域内的金水河,发源于二七区侯寨乡,属单干型河流,属贾鲁河主要二级支流[16],由西南向东北方向横穿市区,流经二七区、中原区、金水区和郑东新区,是郑州市唯一发源于市郊且贯穿新老城区的河流,受城市化建设影响较大[17]。河流南起南四环,北至东风渠,全长22.3 km,汇水面积为80.21 km2。金水河流经市郊、公园、景区、居住区、商业区、市政管理区等多个区域。由于各个区域的发展强度与功能定位不同,河段的物理形态、土地利用类型以及河流水环境等要素存在较大差异,需要对整个河流进行分段评估,因此先根据河道形态以及郑州市海绵城市规划对于金水河排水管控单元的划分,将金水河划分为长度近似的16个河段,再从河流周边绿地覆盖、人口密度、建设强度3个方面对河段进行聚类分析并结合周边土地利用与上位规划从16个河段中选取7个具有代表性的典型河段作为评价对象(图1)。

图1 研究区位置及样段分布图

1.2 数据资料获取

1.2.1 空间数据 空间数据以资源三号卫星2020年9月的遥感影像(课题组内部资料)和《郑州都市区总体规划2012—2030年》为基础,结合2021年9月谷歌地图和实地调研利用ENVI,ArcGIS监督分类与目视解译相结合的方法获取研究区土地利用数据和植被覆盖数据。

1.2.2 统计数据 人口统计数据来源于国家统计局的《2020中国人口普查年鉴》(即第七次人口普查数据,http:∥www.stats.gov.cn/tjsj/pcsj/),在ArcGIS软件中将人口以街道为基本单元进行分配,而后利用面域统计功能计算各河段对应的人口数据。

1.2.3 河段数据 典型河段选取运用SPSS软件,以每个河段周边的人口密度、绿地覆盖比例、建设强度3个指标进行聚类分析,将16个河段分为低人口密度—低建设强度—高绿地覆盖、高人口密度—高建设强度—低绿地覆盖、高人口密度—中建设强度—中绿地覆盖三大类,然后结合各河段周边主要的土地利用类型与上位规划定位在每一类中选取具有不同特征的河段作为典型河段进行评价分析,所选河段编号为1,3,6,7,8,11,14。河段数据以实地调研为主并结合ArcGIS对遥感卫星影像的提取,收集每个典型河段的样点数据,求其平均数作为该河段的最终数据。为了确保所获得数据的真实、客观,在河段数据收集阶段本研究选取澳大利亚河流现状指数法,该方法在河段数据调查中用每个位置点代表一个河段,在每个河段范围内,选取3个距离平均且近似相等的断面作为样点(每个调查点代表一个垂直于河道的断面),求其平均数作为该河段的最终数据。本研究结合河段实际情况在每个河段内每间隔200 m选取一个样点作为调查点进行数据收集,7个河段共选取53个样点。

2 评价模型构建

2.1 指标体系

PSR模型包含城市化施加于城市河流的压力、河流系统自身状态以及人类为改变河流状态采取的措施3个方面,能够全面考虑人类对河流健康的正负影响,金水河位于高密度建设的城市之中,受人类活动影响更大,利用PSR模型能进行更加全面准确的河流健康评价。①压力指标描述人类活动对于城市河流造成的干扰与压力,基于韧性理念下城市河流健康的内涵,可以从3个方面考虑河流的外界压力:即生态压力、安全压力以及社会服务压力。生态压力包括污染对于水质压力和河流沿线建筑对于河岸带生态环境的压力,根据郑州市地表水污染的相关研究,郑州市地表水的污染程度与其周边的土地利用方式存在着密切的关系[18],因此用土地利用对地表水污染的影响程度表征河流的污染压力,滨水建筑体量作为河流生态环境的压力指标;安全压力主要来源于城市行洪排涝的安全需求,即河流汇水区域的径流量,因此利用河流汇水区的综合径流系数表征安全压力[19];社会服务压力即周边人群的游憩需求,人口密度能够较好地描述人群游憩需求[20],因此用人口密度表征社会服务需求压力。②状态指标描述各种因素长期作用于城市河流生态系统后,河流功能和特征所表现出来的状态,在不同的外界干扰下,河流的生态特征、行洪排涝功能与社会服务能力等都处于一定的状态,参考相关文献,选取了水质、水量、蜿蜒度、河岸坡度、河流阻塞程度以及游人满意度[10,21-22]6项指标分别来描述河流生态韧性、安全韧性、社会韧性3个方面的状态。③响应指标描述人类对河流处于压力作用下的状态而采取的措施,城市河流主要由人工维护[23],如为了维护河流生态环境进行的河岸带植被绿化、边坡自然化处理,为了提升河道行洪安全建设的堤防工程,为了提升河道社会服务能力建设的基础服务设施[12,20,24],因此选取驳岸自然程度、河岸带植被覆盖、防洪功能完善度、基础设施完善度4个指标来表征人类对于河流问题的响应。

根据上述分析构建城市河流评价指标体系,指标及其计算方法等详见表1。

表1 城市河流健康评价指标体系

2.2 组合赋权法确定指标权重

2.2.1 数据标准化处理 对原始数据进行标准化处理,消除指标间不同量纲的影响[20]。

式中:Xij为标准化处理后的数据值;xij为评价系统中指标的初始值;xjmax,xjmin分别为样本数据的最大值与最小值。

2.2.2 综合权重计算 本研究选取内置权重与用户权重相结合的综合赋权方法,其中内置权重指主观权重;用户权重指客观权重。

主观权重的确定采用层次分析法,根据20位水利和风景园林学专业的老师以及研究生对评价指标的重要性进行打分与综合排序,在排序的基础上利用YAAHP软件结合层次分析法计算指标权重,并将结果通过一致性检验。

客观权重的确定采用熵权法,其是根据指标数据本身包含的信息量确定指标权重的方法,依据信息论的基本原理,使用信息熵法表征各指标的差异程度,指标的熵值越小,对目标的重要性越大[12]。将所有指标对应的数据导入SPSS软件中,结合熵权法获取指标权重。

综合考虑主客观因素,结合内置权重与用户权重计算,指标综合权重,计算公式为:

式中:λi为各指标综合权重;θi为内置权重由层次分析法确定;ωi为用户权重由熵权法确定。

2.3 评价标准

结合本研究所提出的城市河流健康内涵,将目标层的河流健康水平划分为5个等级,1(健康),2(亚健康),3(中等),4(亚病态),5(病态)[23];1,2,3,4,5分别对应压力准则层的低压力、较低压力、中等压力、较高压力以及高压力,状态准则层分为好状态、较好状态、中等状态、较差状态、差状态,响应准则层分为高响应能力、较高响应能力、中等响应能力、较低响应能力、低响应能力。各等级的范围值按照前述研究并结合金水河实际情况制定,具体详见表2。

表2 河流健康指标评价标准

2.4 物元法评价方法

对于事件的评价来说,选取的参考要素越多,评价就越全面,但在实际的操作过程中一些参考要素的获取存在限制,当前参考的有限内容并不能对事件进行全面的描述,现存条件无法达到要实现的评价目标时,即可称为不相容问题,物元可拓模型在解决不相容的复杂问题时具有较大优势,由于河流的评价参考指标广泛且获取不易,因此在本研究中引入物元可拓模型,对河流健康进行评价。

(1)河流健康物元矩阵、经典域以及节域的构建。物元是描述事物的名称、特征及量值3个基本元素的简称[28],本次研究的事物为河流的健康水平,即T;河流健康水平的评价指标即为事物T的特征,记为F;评价指标处于特定等级时对应的量即为特征F的量值,记为M,则R=(T,F,M)为物元矩阵。

在对事物进行评价时一般都有多个特征F(f1,f2,f3,f4,…,fn)以及对应的量值M(m1,m2,m3,m4,…,mn),此时物元矩阵R可以表示为:

经典域表示待评价的对象特征F处于各等级时对应的取值范围,根据研究所制定的评价标准即可确定相应的经典物元,表示如下:

式中:R0为经典域;Tj为河流健康等级的第j个等级;Fi为评价指标;Mij为指标Fi对应等级j时的取值范围,即第j个等级经典域的取值范围;an,bn分别为最小与最大值所对应的数值。

节域表示待评价事物对应特征F的所有数据范围,由特征相应的数值范围适当拓展可确定相应的节域矩阵物元:

式中:Rp为节域;Fi为评价指标;Mip为指标Fi所有数值的范围,即节域的取值范围;anp,bnp分别表示各个指标的最小与最大值所对应的数值。

(2)关联函数计算。模式识别是根据指标的量值符合要求的水平来表达的,关联函数可将这种符合程度量化[15],可以用来表示指标所属的等级,Ki(vj)表示第i个指标属于第j个等级的关联度,计算公式为:

式中:Kj(Tx)表示待评价事物Tx关于等级j的关联系数;λi为各指标综合权重;Ki(vj)表示第i个指标与第j个等级的关联度。

3 结果与分析

式中:(vi,v0ji),(vi,vpi)分别为点vi与经典域和节域的距离;vi为待评价事物的量值;v0ji为经典域的量值范围;vpi为节域的量值范围。

(3)综合关联度计算与判别准则。根据最大关联度原则,待评价事物隶属于综合关联度最大的等级[29],趋势等级为距离现状等级距离最小的等级,待评价事物T关于等级j的综合关联度计算方法为:

3.1 河段指标层现状值及对应等级

利用基础数据,根据各指标的计算方法计算指标现状值,并判断其所处的等级。由表3可知,虽然所处位置的自然条件差异不大,但大多数指标的等级在不同河段仍然存在较大差异性。各河段处于1,2等级的指标所占比例分别为85.71%,42.86%,50.00%,35.71%,64.29%,50.00%,78.57%。总体而言,河段1,8,14各指标状态较好,而河段3,7则较差。

表3 各河段指标现状值及其对应等级

3.2 河段准则层及综合等级

根据单项指标的评价结果,利用物元可拓模型确定河段对不同健康等级的关联度,以最大关联度为原则,确定各河段综合健康水平与发展趋势。由表4,图2可知在河流综合健康等级方面河段1,14处于健康等级,河段8处于亚健康等级,河段3,6,11处于亚病态等级,河段7处于病态等级。在河流综合健康发展趋势方面河段6,7,11健康等级有进一步优化的趋势,河段1,3,8,14健康等级有恶化的趋势。同样由表4和图2可知各河段压力、状态、响应准则层的现状与发展趋势。

表4 各河段准则层及综合评价关联度计算结果

图2 各河段准则层与综合健康评价等级及趋势图

3.3 河流健康水平空间格局

城市河流除了需要具备自然河流的生态功能外,还需要具有一定的社会功能,因此在流经城市各区域时所受到的人类活动影响的差异较大,从而导致城市河流健康水平存在较大的空间差异性。本研究中河段健康水平同样存在较大的空间差异性,健康水平较高的河段1,14位于距离郑州市中心点较远的位置,紧邻城市公园,河岸植被覆盖良好,能够有效地吸收和拦截污染物,改善水质,提升河流系统的自我调节能力,综合健康水平较高。而距离郑州市中心点较近的河段3,6,7,11健康水平均为病态或亚病态,这些河段受城市化水平高、居住用地密集等因素影响,人类活动频繁,一方面面源污染相较于城市化水平低的河段更加严重,径流压力也较大,另一方面城市中心区域土地利紧张,河流空间被挤占,河道硬质化渠化严重,不仅难以削减面源污染而且也无法对于城市地表径流起到缓冲,河段所面临城市化压力较大,整体健康水平较差。河段8是唯一一个处于老城区,但综合健康评价为亚健康水平的河段,具体分析可以发现,河段8的响应能力处于较高水平,即虽然河流系统所受到的外界压力与其他老城区的河段处于相近水平,但由于人类采取了一定的措施,该段河流沿岸绿地覆盖较高,防洪能力较优,对于外界压力有一定的缓解作用,所以能够保持较好状态,整体河流健康水平较能够保持相对较高的水平。

3.4 河流健康因素对城市化的响应分析

根据相关研究,流域城市化水平对河流健康水平与有较大影响[25,30],基于城市河流健康的准则层和综合评价结果,采用ISC(不透水地面比例)指示城市流域城市化水平,分析河流健康因素对城市流域城市化

的相关性与响应规律,确定河流健康受损时ISC的阈值,为指导河流引导下的城市建设规划提供数据支持。

3.4.1 准则层对于城市化的响应 根据各准则层与城市化水平的相关分析与线性拟合结果(图3),其中压力、状态准则层与城市化相关性显著(p＜0.05),对应的拟合模型为有效模型,说明城市化水平能对河流所受压力以及河流的状态进行有效的解释与预测,在所有有效模型中,ISC对河段压力的解释量为R2=0.833 19,相较于状态拟合模型的R2=0.306解释效果更好,这主要是由于面源污染系数,地表径流风险,ISC都与土地利用状况有显著的相关性。当流域的ISC为40%左右时压力开始由较低压力转变为中等压力,河流周边的城区开始对河流系统产生显著的压力输入;在ISC与河流状态的拟合模型中,城市流域的ISC增加会造成河流状态的恶化,城市流域对河流状态产生显著影响的阈值为60%,相较于同类研究的阈值较高,可能是由于人类响应提升了城市河流系统的调节能力,使阈值变大,这对于科学管理与修复城市河流,提供了新思路。

图3 各准则层与对应城市流域城市化水平的线性拟合结果

3.4.2 河流综合健康度对于城市化的响应 结合评价结果利用Origin软件绘制河流健康等级—城市化水平线性拟合模型,可获得河流健康水平与城市化水平之间的线性关系(图4)。根据拟合结果可知河流综合健康水平与城市流域的城市化水平也呈现了较好的线性拟合(p＜0.05两变量相关性显著,R2=0.457,ISC对河流健康水平的解释量为0.457),进一明确了当前城市化对于河流健康的负面影响。根据拟合结果可以判断,当城市化水平达到40%时,城市化水平开始对河流健康水平产生影响,达到50%时,河流的健康水平开始由亚健康状态变差,影响更为显著;在相关研究中,引起河流健康水平变化的阈值在10%～30%的范围,而在本研究中,河流健康状态变差的阈值相较其他研究有所提升,在30%～50%的范围时仍可维持亚健康状态,可能由于城市河流这个评价限定使得河流本底值远离了自然河流,另一方面,本研究引入了人类响应的因素,表明对于城市河流的维护和管理可以在一定程度上协调河流与城市化发展的冲突,达到城市与水共存的效果,说明科学指导下的城市河流维护和管理对于提升河流健康水平,增强城市韧性具有较为显著的作用。

图4 河流综合健康水平对流域城市化水平的线性拟合结果

3.5 河流健康的修复与管理策略

在精细化管理和韧性城市建设的大背景下城市河流的发展应主动适应人类社会的发展与需求,从粗放修复管理转向精细化管理的方式转变,通过评价精准识别城市河流中制约不同河段健康水平的关键因素与发展趋势,提升河流修复管理的精细化与时效性。基于金水河各河段健康评价结果,对处于病态、亚病态的河段3,6,7,11提出优化改进策略。河段3健康水平为亚病态,属于高压力—较好状态—高响应类型,针对其所受外界压力较大的状况,需对滨河城区的土地利用格局进行优化,降低河道行洪排涝压力,提升城市下垫面的渗透能力,同时对驳岸、河岸带进行软化,激活沿线的附属绿地,提升河流的韧性;河段6健康水平为亚病态,属于高压力—较差状态—中等响应类型,在削减压力输入的同时,结合沿岸的人民公园设置生态驳岸构建绿地缓冲带,使人民公园与河流产生有机联系,发挥城市绿地对于城市河流的辅助功能,提升河流的响应能力与承载能力;河段7健康水平为病态,属于较高压力—差状态—低响应类型,考虑到河段7所处的区域空间狭小,结合防汛和生态需求,在对河段进行改造时使用人工结合自然的改造方法,将垂直与斜坡式护岸相结合,设置前硬后软的驳岸,在修复河流生态功能的同时兼顾安全要求,最终达到提升河段健康水平效果。河段11健康水平为亚病态,属于中等压力—好状态—较低响应类型,针对其驳岸硬质化严重、防洪设施与基础服务设施欠缺的问题,应加强该段河流的人工治理,可将硬质驳岸转化为河流缓冲空间,在生态修复的同时提升其防洪能力,并完善沿河绿道基础设施建设与系统性,满足城市各类人群对公共休闲空间的需求。

4 讨论与结论

(1)根据PSR模型构建的韧性理念下的城市河流评价体系包含压力、状态、响应3个方面,涵盖了生态韧性、安全韧性、社会韧性3个角度的14项指标,各准则层权重几乎相等。

(2)本研究中7个典型河段的健康水平存在明显的空间差异,各河段的健康水平与其所对应的城市流域所输入的压力具有较大的关联性,流经建设强度大,居住区密集的河段健康水平较低,而河段周边建设强度小,紧邻大型城市绿地的健康水平高,从趋势上来看,河段6,7,11的健康水平有进一步优化的趋势,河段1,3,8,14健康水平有恶化的趋势。

(3)城市化水平可以对河流压力输入和状态准则层进行有效的解释与预测,且对压力的解释能力更高;同时,根据河流综合健康程度对城市化水平的拟合结果,可以得知当城市化水平达到50%的阈值时,河流健康水平会受到显著影响。

(4)本研究以前人研究为基础,在韧性理念指导下,引入PSR与物元可拓模型构建评价模型,提升了评价结果的全面性、准确性与前瞻性;河流健康水平与城市化水平响应模型的构建,确定了研究区城市化水平对河流健康影响的阈值,为韧性理念下城市蓝绿空间的精细化管理提供基础。

(5)由于数据获取的季节性,本研究水文相关指标仅以9月前后的数据为基础进行分析,可能对于水质、水量等季节性指标的评价具有局限性,下一步可以河流季节变化为切入点,获取季节性的河流数据,评价不同季相下的河流健康程度,探索城市河流与季节变化的关系。