北京山区河流自然性评价系统及其应用

王冰洁,刘朋钢,杨海龙,刘慧博,王志刚,张蔷

(北京林业大学水土保持学院,100083,北京)

北京山区河流自然性评价系统及其应用

王冰洁,刘朋钢,杨海龙†,刘慧博,王志刚,张蔷

(北京林业大学水土保持学院,100083,北京)

合理的河流自然性评价对于开发利用水土资源,做好水土保持工作有积极作用。通过构建包含定性、定量共23个评价指标的北京山区河流自然性评价体系,用层次分析法(AHP)确定各指标的权重,将北京山区河流分为“自然状态”“近自然状态”“退化状态”“严重退化状态”和“人工化状态”5个标准等级。为了提高评价效率,实现评价过程的程序化,为河流管理者分析问题、制订相应的生态修复措施等决策提供依据,以五元联系数为评价模型,用Java语言开发出北京山区河流自然性评价系统。基于构建的评价体系,以北京山区安达木河上游2008、2011年的数据为例,采用所开发的系统对安达木河进行自然性评价。结果表明,安达木河评价等级整体呈下降趋势,16个河样带中有9个评价等级不同程度下降,这些河段靠近村庄,受人为活动影响较大。

河流自然性评价；评价系统；层次分析法；五元联系数

人们常把河流比作地球的大动脉[1],河流生态系统的自然性状况关系到人类的生存和发展。近些年,由于人为干扰等因素的影响河,河流水质不断恶化,水土流失加剧,伴随而来的河流生态问题日益严重,人类社会的进一步发展亦受到威胁,因此,河流生态系统的修复及保护显得格外重要。河流是一个复杂的生态系统,能否对河流的自然性状况做出准确地判断和评价直接影响到修复措施的效果。目前,国内外的河流自然性评价方法主要有生物监测法和综合指标评价法[2]2种。前者由于指标单一,对系统整体评价结果影响较大,有一定的局限性[3]；后者指标综合,在系统评价水平上适用性更强,应用较广泛[2]。层次分析法(AHP)和集对分析相结合的方法属于综合指标评价法的一种,用其对河流进行自然性评价,结果准确、合理,已经得到验证[4-5]；但是,此方法评价过程复杂,计算步骤繁琐,需要借助计算机技术,将评价过程程序化,以缩减评价时间。

笔者通过构建适合北京山区河流的具有层次性的评价指标体系,用层次分析法(AHP)确定各个指标的权重值[6],以五元联系数为评价模型,用Java语言开发北京山区河流自然性评价系统,以期将复杂的评价过程极大地优化,提高评价效率,简洁、直观地显示评价对象的自然性评价等级,为河流管理者分析问题、制订相应的生态修复措施等决策提供指导。

1 评价系统的核心模型

1.1 选取评价指标以及构建评价体系

1.1.1 评价指标获取原则 考虑到地域差异性,需要按照河流的实际情况,选择合理的评价指标和评价标准[7]。按照科学性、独立性、可操作性、目标性、系统性等评价指标选取原则,在借鉴英国河流生境调查法(RHS)[8]和国内外相关资料[4,9-11]的基础上,先选取一部分候选指标,然后结合北京山区河流特性,剔除对河流生态系统特征贡献率不高的指标,最终确定了流速等23个评价指标。

影响河流自然性评价的多种因素具有显著的层次性,这决定了建立的评价体系亦应具有相应的层次性[12-13]。构建的评价体系包含3个层次:1)目标层,反映河流自然性的总体水平,是指标层、准则层逐层聚合的结果；2)准则层,衔接目标层和指标层。从6个方面反映河流自然性水平；3)指标层,评价的最基本单元,包含定量指标和定性指标,共23个。评价指标体系见表1。

1.1.2 定量指标的测定方法

1)流速C11:采用经典漂浮法。

2)水资源开发利用率C13:为水资源开发利用量与水资源总量的比值。

3)生态需水满足程度C14:指能够满足河流水量平衡、水沙平衡、水质达标、生物群落存活及河流生态所需要的最小水资源量,选取最佳满足度100%为参考值。

4)河道蜿蜒度C21:河段弯曲长度与河段直线长度的比值。

5)宽深比C24:河段宽度与河段深度的比值。

6)水质污染状况 C31:用水质平均污染指数(WQI)评定,公式为

式中:W为水质平均污染指数；n为调查评价指标数目；m为调查区域内的调查断面的数目；Cij为第i项评价指标在j取样点处的实测值；Sij为第i项评价指标的参照GB3838—2002《地表水环境质量标准》的三类评价标准。

7)底泥污染状况C32:计算公式为

式中:I为底泥平均污染指数；n为调查评价指标数目；m为某一调查研究区域中调查断面的数目；Ci为第i项评价指标的实测值；C0i为第i项评价指标参照GB15618—1995《土壤环境质量标准》的三级标准值。

8)防洪标准C43:指堤防等防洪设施防御洪水的重现期或频率。

9)浮游动物C51、浮游植物C52:用Shannon-Wiener生物多样性指数评定。

10)底栖动物多样性C53:用Goodnight修正指数(G.B.I)评定。

11)景观多样性指数C61:用Romme的景观丰富度指数计算。

12)观赏游憩价值 C62:采用旅行计算法(TCM)[14]计算。

1.1.3 定性指标的测定方法

1)流态C12:记录某种流态(自由跌落、斜槽、混流、上涌、平滑、静止、干涸等)在调查断面中出现的频次。

2)岸坡结构C22:岸坡的材料以及石块占到护坡高度的比例。

3)边滩C23:调查断面中边滩的数量。

4)特殊生境C25:某种特殊生境类型(辫状河道、浅水沼泽、地下水出口、林沼等)出现的情况。

表1 指标层和准则层指标权重值Tab.1 Calculation of weights of index layer and rule layer

5)河床底质C26:考察基岩、漂砾、圆石、砂砾、卵石、细砂、淤泥、泥土等天然河床底质在调查断面中出现的频率。

6)河岸特征C41:调查天然的河岸特征生境(如侵蚀或稳定河岸、有无植被的曲流或侧向边滩)出现的频率。

7)河岸植被结构C42:调查河岸乔、灌、草空间层次情况。

8)河岸土地利用方式C44:考察左右岸的土地利用类型。

9)河岸林相关特征C45:考察乔木的分布情况。

10)水土流失C46:选取植被覆盖率和坡度2个要素构建指标交叉表模型来评价河岸带水土流失风险度,归一化处理后作为评价对象的水土流失指标。

1.1.4 评价标准 通过查阅相关资料、对比参考等方法,将河流的自然性划分为5个标准评价等级,即“自然状态”“近自然状态”“退化状态”“严重退化状态”“人工化状态”。

1)自然状态Ⅰ:生态系统结构完整,具有协调性、稳定性以及一定程度的可恢复性,人类干扰极少,原生态特征显著。

2)近自然状态Ⅱ:河流水速、深度、纵断面的坡度交替变化,河床和河岸带植被为动物的生存提供了良好的生境,原生植物占绝对优势,河道存在自然的深潭和浅滩,景观美学价值极高。

3)退化状态Ⅲ:部分河道出现人工整治现象,河床受轻微扰动,河宽变化较小；但形态与自然河溪相似,河岸带植被包括原始种和少部分引入种,河流岸坡稳定,河岸带具有丰富的小生境,娱乐休闲日数较长。河流存在退化征兆。

4)严重退化状态Ⅳ:河流功能退化。人工干扰河流现象强烈,大部分河道人工固砌,有小型的固底工程和跌水,影响了鱼类的洄游,河岸带植被退化,景观娱乐功能消失。

5)人工化状态Ⅴ:河流原始结构消失,人工痕迹占优势,具体表现包括实施河道整治工程,剪成了直线型渠道,同时,采用梯形断面,对侧坡及河底全面进行混凝土衬砌,种植了整齐的树木等。

定性指标评价标准如下(自然状态为4分,近自然状态为3分,退化状态为2分,严重退化状态为1分,人工化状态为0分)。

1)流态C12:某种流态在调查河段中——若出现6～10次,为自然状态；若出现4～5次,为近自然状态；若出现2～3次,为退化状态；若出现1次或在调查河段中出现的流态不是优势流态,为严重退化状态；若河床干涸,则为人工化状态。

2)岸坡结构C22:若岸坡稳定,有乔、灌、草本护坡,为自然状态；若岸坡稳定,有灌木和草本护坡,为近自然状态；若岸坡松散,仅有稀疏灌木和草本,为退化状态；若岸坡不稳定,仅有疏松泥沙或土壤,为严重退化状态；若人工化占主导优势,则为人工化状态。

3)边滩C23:若边滩总数大于8个,为自然状态；若边滩总数4～7个,为近自然状态；边滩总数2～3个,为退化状态；边滩总数1个,为严重退化状态；若人工化占主导优势,则为人工化状态。

4)特殊生境C25:只要某种特殊生境类型出现,就为自然状态；没有特殊生境类型出现,则为人工化状态。

5)河床底质 C26:天然河床底质在调查断面中——若出现6～10次,为自然状态；若出现4～5次,为近自然状态；若出现2～3次,为退化状态；若出现1次,为严重退化状态；若河床干涸、人工底质,则为人工化状态。

6)河岸特征C41:天然的河岸特征生境——若出现6～10次,为自然状态；若出现4～5次,为近自然状态；若出现2～3次,为退化状态；若出现1次或某天然的河岸特征生境在调查河段中出现但未在调查断面中出现,为严重退化状态；若天然的河岸特征生境没有出现,则为人工化状态。

7)河岸植被结构C42:对河流左右岸、坡顶和坡面分别评分。10个调查断面中——植被层次≥2的断面有7个以上,为自然状态；若植被层次≥2的断面有4～6个,为近自然状态；若植被层次≥2的断面2～3个,为退化状态；若植被层次≥2的断面只有1个,为严重退化状态；若没有植被层次≥2的断面,则为人工化状态。

8)河岸土地利用方式C44:若两岸的土地主要为天然林地、草地或山体,无生产、生活活动痕迹,为自然状态；若两岸的土地主要为人工林,无农田等利用方式,为近自然状态；若两岸的土地主要为农田,特别是高杆的庄稼,靠近河边有部分林地存在,为退化状态；若两岸的土地主要为道路,道路侵占了河岸带,在外围可有一定量农田,但无林地存在,为严重退化状态；若两岸的土地主要为建筑用地(民宅),并伴有一定交通用地存在,则为人工化状态。

9)河岸林相关特征C45:若乔木分布连续或树枝覆盖河床、河岸树根裸露、水下树根、粗木质残体、倒木生境出现,且倒木分布广泛,为自然状态；若乔木分布半连续或粗木质残体分布广泛,为近自然状态；若乔木呈等间距分布或广泛在≥33%的河段范围内出现,为退化状态；若乔木分布稀疏,为严重退化状态；若无乔木,则为人工化状态。

10)水土流失C46:若微度水土流失,为自然状态；若轻度水土流失,为近自然状态；若中度水土流失,为退化状态；若强度水土流失,为严重退化状态；若极强度水土流失,则为人工化状态。

定量指标的评价标准见表2。

1.2 评价指标权重的确定

1.3 评价方法

采用五元联系数对河流的自然性进行合理评价,以期达到真实反映评价对象现状的目的。五元联系数是集对分析的推广,可准确地表达分类系统的不确定性和提高系统分析的精确性。其表达式[15]可写为

表2 定量指标评价标准Tab.2 Criteria for quantitative evaluation indexes

式中:相似度a∈[0,1]；差异度bi∈[0,1]；对立度c∈[0,1]；满足a+b1+b2+b3+c=1；fi∈[-1,1]；j=-1。

假定目标层集合A={河流自然性评价等级},评价对象集合B={河流自然性评价指标},m(1≤m≤5)代表评价等级,建立五元联系度集合u(A～B),然后进一步将各个等级中的标准值与评价指标的实际取值进行对比分析。具体过程[5,16]如下:

1)计算联系度参数a、bi、c:若评价指标实际取值处在标准评价等级中,则a=1,b1=b2=b3=c= 0；若实际取值处在相邻等级中,则c=0,实际取值与标准评价等级越接近,则a越大,反之c越大；若所处等级与标准评价等级相隔1个等级,则a=0, c=0,与标准评价等级越接近则b1越大,反之b2越大；若所处等级与标准评价等级相隔3个或3个以上等级,则c=1,a=b1=b2=b3=0[17]。

为方便计算,需先将定性指标进行标准量化然后再进行计算分析,式(2)给出了河流自然性评价指标层指标相对于“自然状态”的联系度计算方法,以此求得各个指标相对于“自然状态”的联系度参数a、b1、b2、b3、c。

式中:um为评价指标相对于第m评价等级的五元联系数；Smi为评价标准各级的阈值；xi为评价指标的实际取值。

2)准则层指标的五元联系数为

4)同理,可以计算出目标层指标相对于“近自然状态”“退化状态”“严重退化状态”“人工化状态”的联系度参数。根据均分原理,令f1=0.5,f2= 0,f3=-0.5,j=-1,分别得到目标层相对于5个等级的联系数u1、u2、u3、u4、u5,最后,比较它们的大小以确定评价对象所属的河流自然性评价等级。

2 评价系统的主要功能设计

北京山区河流自然性评价模型系统引入众多适合研究对象的评价指标,并用层次分析法(AHP)计算分析各项指标的权重,用五元联系数对研究对象进行河流自然性评价分析,方便评价信息的存储、管理与查询,可以呈现直观的评价效果图,更好地为河流管理者服务。本系统的主要功能有系统管理、河流信息管理、河流自然性评价。

1)系统管理模块设计:出于对数据的可靠性和系统的安全性考虑,系统登录用户分为管理员用户和普通用户,管理员用户登录系统后有权限添加、删除用户,以及编辑用户的信息。

2)河流信息管理模块设计:主要包含河流基本信息、河流子段信息的编辑与存储。在河流信息管理界面,可以添加、删除河流,添加河流需要编辑河流的名称、长度、位置、数据录入年份等基本信息,每条河流又可以添加、编辑子段信息,录入的子段信息含子段长度、众评价指标实际取值等。河流信息管理按年份存储、管理河流数据,方便对比分析同一条河流自然性变化趋势。

3)河流自然性评价模块设计:本系统的核心功能。对输入的评价指标数据进行运算,得出河流各子段目标层指标相对于“自然状态”“近自然状态”“退化状态”“严重退化状态”“人工化状态”的联系度参数,自动判断子段的自然性评价等级,并生成整条河流的评价效果图。

4)功能模块间的衔接:进入系统,在河流管理中,添加河流,编辑并保存河流基本信息,然后添加子段,编辑子段信息并输入评价指标取值,保存后,系统自动计算联系度参数,进入自然性评价结果界面,点击评价效果图,进入整条河流的评价效果图界面。

3 评价系统的应用实例

以北京市密云县安达木河为研究对象,利用该系统对安达木河2008、2011年分别做出评价。

3.1 研究区概况

北京市密云县安达木河发源于河北省,于北岭和黑关进入密云县境内,后在曹家路村东汇合形成安达木河,流经新城子、大城子等3个乡,在桑园村西汇入潮河。安达木河北京境内全长68 km,流域面积 364.31 km2,流域内为山地,海拔 904.6～ 463.4 m,是典型的北京山区河流。流域内雾灵山海拔较高,降水以雾灵山为分水岭进行扩散,集中在6—9月份,年平均降水量470～850 mm,流域内地下水丰富。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候,全年以东北偏东风为主。

研究区为雾灵山自然保护区至遥桥峪水库入库口河段,整个评价河段长1万1 854.2 m。每500 m作为1个评价调查河样带,在每个评价调查河样带中,又划分成10个评价调查断面,每个调查断面长50 m。对每个调查断面和河样带,采取点状调查(Spot-check)和整体调查法(Sweep-up)相结合的方式进行记录。研究区共设置评价调查河样带24个,但在数据统计过程中,根据河流生境的相似性原则,最终共设置16个调查河样带。

3.2 结果与分析

将2008和2011年安达木河的评价指标数据分别输入系统,得到安达木河16个河样带2008、2011年的自然性评价结果(表3)。

可以看出,1、3、10和16号河样带评价等级维持不变,2、14和15号河样带评价等级上升,4～9号和11～13号河样带评价等级下降；因此,2008—2011年安达木河自然性评价等级整体呈下降趋势。

1～3号、14～16号河样带评价等级维持不变或评价等级上升的主要原因是:1～3号河样带临近雾灵山自然保护区,14～16号河样带临近遥桥峪水库自然保护区,自然保护区内注重生态保护和治理,人类活动对自然环境的干扰呈下降趋势,河流两岸的自然生态环境得到很好的改善。

4～9号和11～13号河样带评价等级下降的主要原因有以下几方面:1)河岸带利用方式的改变是主导因素——近年来,当地农家乐旅游发展较快,沿河景观娱乐开发成为农家乐的一部分,而较快的粗放式发展成为影响河流自然性的重要因素；2)人工挖沙、河滩取石等人为活动破坏了河流的自然连续性,河流开发利用力度过大导致河流水资源量下降,部分河段甚至出现断流现象,生态需水满足度得不到有效的满足,造成河流自然性评价等级下降；3)河流渠道化工程不仅改变了河流的自然形态,亦使水域生态系统的结构和功能受到影响,河流两岸生物的多样性随之降低,进而影响了河流的自然性。

4 结论与建议

北京山区河流自然性评价系统操作简便、内容较全面、结果清晰直观,实现了河流信息的存储、查询、自然性评价程序化等功能,在实际应用中能大幅提高评价效率,在一定程度上满足了河流管理者的工作需求,系统的理论框架以及建设思路对今后河流自然性评价的研究具有一定的理论和现实意义。

表3 2008、2011年安达木河的河流自然性评价结果Tab.3 Results of Andamu river naturalness evaluation in 2008 and 2011

北京山区河流自然性评价系统是为河流管理者服务,在进一步开发中,针对评价结果可显示供参考的生态修复措施建议。以本次安达木河评价结果为例:自然、近自然河段应以保护为主,其他河段,要加强垃圾处理、农家乐旅游可持续性发展、监管人工挖沙等治理措施。

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(责任编辑:宋如华)

Naturalness evaluation system of rivers in Beijing mountainous areas and its application

Wang Bingjie,Liu Penggang,Yang Hailong,Liu Huibo,Wang Zhigang,Zhang Qiang
(School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China)

Resonable river naturalaess evaluation has a positive effect for exploting soil and water resources.Meanwhile,it plays an active role in soil and water consercation.We established a naturalness evaluation system of rivers in Beijing mountainous areas which consists of 23 qualitative and quantitative indexes.The analytic hierarchy process(AHP)is used to determine the weight of each index.We classify the rivers in Beijing mountainous areas into five grades:natural state,nearly natural state, degraded state,seriously degraded state and artificial state.In order to improve the evaluation efficiency, we developed the evaluation system using Java language,with five-element connection number as the evaluation model.The system realizes procedural evaluation process.It also provides scientific support for the river managers to analyze problems or to take ecological restoration measures.Based on the data in 2008 and 2011,we assessed the naturalness of Andamu river using the system.The results show that evaluation grade of Andamu Rive is on the decline on the whole,and that of nine out of the totally 16 samples drops to different degrees.The nine samples are all adjacent to villages greatly influenced by human activities.

river naturalness evaluation；evaluation system；analytic hierarchy process；five-element connection number

X826

A

1672-3007(2015)04-0067-07

2014- 09- 20

2015- 03- 25

项目名称:国家林业公益性行业科研项目“建设工程损毁林地植被修复关键技术研究与示范”(200904030)

王冰洁(1990—),女,硕士。主要研究方向:山地灾害防治。E-mail:wbj903@126.com

†通信作者简介:杨海龙(1966—),男,副教授。主要研究方向:流域管理。E-mail:yang_hlong@163.com