中图分类号: X703 文献标识码: A文章编号: 1007-2284(2011)04-0041-04
An Assessment of Urban River Ecosystem Health Based on Fuzzy Pattern RecogNItion
ZHOU Lin-fei，ZUO Jian-jun，CHEN Fa-xian
Abstract:This paper establishes a health assessment index system of urban river ecosystem by considering water quantity and quality，riparian，aquatic biological and river physical structure reflecting the urban river ecosystem. The fuzzy pattern recognition model is applied to the urban river ecosystem health assessment and AH P is used to determine t he index w eights. Based on the choice principle o f assessment index，this paper chooses eight assessment indexes and advances five grade assessment standards. The ecosystem health of the Hunhe River in Shenyang is assessed in 2009. The result shows that the Hunhe River in Shenyang belongs to the second standard(unhealthy) . Compared with the actual condition，the result is reasonable. The main reasons for the river's poor health are over-exploitation of water resources and sew age disposal.
Key words: urban river ; ecosystem health; assessment; index system
城市河流指发源于城区或流经城市区域的河流或河流段以及一些历史上虽属人工开挖、但经多年演化已具有自然河流特点的运河和渠系[1] ，是重要的城市环境因素，正得到越来越多的关注[2] 。近年来，由于我国社会经济高速发展、城市化进程的加快，城市河流生态系统受到来自自然和人为因素的巨大压力，在各类直接或间接、潜在或显在、独立作用与累积干扰的作用下，城市河流生态系统整体状况及生态过程受到严重影响[3] ，已成为城市可持续发展的制约瓶颈。因此，探讨城市河流有效的生态系统评价指标体系以及评价方法，是正确进行城市河流生态系统功能现状的诊断评价及其未来的预测和管理的需要。
目前，河流生态系统健康评价的方法大体可分为生物监测法和综合指标法。生物监测法通过监测一些生物或其类群的数量、生物量、生产力、结构指标、功能指标及其一些生理生态状况的动态变化来描述河流生态系统的健康状况。生物监测法的缺点是选择不同的研究对象及监测参数会导致不同的评价结果，对不同生物类群进行评价时，难于确定其取样尺度与频度，无法综合评价河流生态系统状况问题等，而且，一个指标只能反映干扰传播过程中造成的某方面影响，在流域范围内对所有干扰都敏感的单一河流健康指标是不可能存在的[4] 。基于以上的原因，产生了综合指标法，综合指标法能够综合物理、化学、生物，甚至社会经济指标。这种能够反映不同尺度信息的综合指标法成为未来生态系统健康评价的重要手段[5] 。目前国内关于城市河流的健康评价多采用综合指标法。
本文在前人研究的基础上，综合分析城市河流生态系统的特点，构建城市河流生态系统健康状况评价指标体系，评价模型采用模糊模式识别模型，并以浑河沈阳段为例进行研究，为河流生态系统修复提供科学依据和技术支持。
1城市河流生态系统健康评价指标体系的建立
关于河流生态系统健康的概念，目前普遍认可是Meyer[6]提出的，认为健康的河流生态系统不但要维持生态系统的结构和功能，而且应包括人类与社会价值。人类与社会价值主要指工农业用水供应、洁净饮用水、环境娱乐、精神享受、鱼类生产、保持水供应、物质储存与再生、美学价值和净化能力等。目前，有关河流健康状况的研究多集中于评价体系。杨馥等[7] 分析确立了城市河流生态系统健康评价指标中不确定性因素存在的原因和种类，构建了包含生态特征指标、整体功能性指标和社会环境影响指标3 大要素的城市河流生态系统健康评价指标体系。张亮等[8] 建立了以河道形态、河岸带状况及河床形态为一级指标，9 个二级指标的河流形态学评价指标体系。耿雷华等[9] 从河流的服务功能、环境功能、防洪功能、开发利用功能和生态功能方面，初步尝试构建了河流健康状况评价体系。还有学者从水量、水质、水生生物、物理结构与河岸带等方面剖析河流系统健康状况的内涵，探讨国外先进的河流健康状况评价方法，指出我国迫切需要构建一套河流健康状况评价指标体系[10-12] 。
本文在Meyer [6] 提出的河流生态系统健康概念的基础上,并借鉴前人研究的成果，建立了包括水量、水质、河岸带、水生生物与物理结构5 个一级指标的指标体系。河流来水量能够反映流域的气候、地形地貌特征以及受人工设施干扰的程度,而河流来水量同时又受这些因素影响。河流的生态需水量充分考虑到了河流的防洪、兴利功能用水量，生态环境功能用水量，生态廊道功能用水，生活环境功能用水，本文认为用生态需水量来表达水量更加能够真实的反应城市河流的健康状况，有利于保护水资源和水环境，遏制水环境的进一步恶化，实现水资源的可持续利用。因此，本文在具体指标选择时，没有用河流径流量而是采用城市河流生态需水量来表达河流水量，此外还选择了开发利用率表达河流水量。水质标志着水体的物理(如色度、浊度、臭味等) 、化学(无机物和有机物的含量) 和生物(细菌、微生物、浮游生物、底栖生物) 的特性及其组成的状况。良好的水质是水生物健康生长与繁殖的必备条件。
河岸带是处于水陆交界处的生态脆弱带，是异质性最强、最复杂的生态系统之一[13] ，在维持区域生物多样性、促进物质与能量交换、抵抗水流侵蚀与渗透、营养物过滤及吸收等方面发挥重要的作用[14-16] ，表现为廊道、缓冲与护岸等3 方面的生态功能[17] ，考虑到城市河流不仅具有净化、输送物质、提供栖息地等功能，而且具有休憩、娱乐、文化功能，城市河流在一定程度上反应了地域文化特征，丰富了城市居民生活，也为城市的稳定性、舒适性、可持续性奠定了一定的基础。亲水景观建设面积能够反应城市河流的休闲娱乐文化功能，因此本文选取河岸带植被覆盖、效果和可达性、防洪标准的同时选取了亲水景观建设面积来表达河岸带[18] 。
河流的生物群落主要受河流系统水文情势、地貌、流态、水质和人类活动等因素的影响。着眼于水域生物群落结构和功能，处于河流食物链营养顶级的鱼类能反映整个水生态系统的健康状况，是河流健康评价的重要指示生物，采用鱼类生物完整性指数表达河流生物指标状况[18] 。物理结构反映河道的几何形态，直接影响到水体同河岸河道交换的能力、水生物栖息地、河道物理稳固及连通程度等方面，可以用河岸与河道固化强度、河床与河岸稳固性、河流廊道连续性、栖息地、鱼道状况来表达[10] 。
本文从城市河流的水量、水质、河岸带、水生生物与物理结构5 个方面考虑建立评价指标体系。河流水量和水质是水资源的两大重要属性，水量能综合反映河流的自然特征与人类干扰程度，是河流变更的重要表现载体; 水质状况直接反映河流污染状况，是评价河流健康状况的重要因素，直接反映河流物理、化学指标状况，是生物与人群健康的根本保障。水量与水质两者的有机组合是水生生物生存、水体各种物理过程与生物化学反应得以完成的基本要求。水质方面在具体指标选取时考虑了多种污染物，包括pH 值、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、硫化物等，在具体级别确定上运用模糊综合评判法进行综合评价，综合考虑多种因素。水量方面在具体指标选择时将城市河流生态需水这一指标引入到评价体系中，河流生态需水是指维持河流生态系统生态平衡和正常发展、保障河流系统水文功能及相关环境功能正常发挥所需要的水量，对河流生态系统能否维持健康具有重要的意义，具体计算方法可以采用Tennant 法。此外，作为城市河流在指标选取时，还充分注意了其休闲、娱乐、文化等功能。
2模糊模式识别评价模型的建立
模糊模式识别最中心的思想是依据模糊数学提出的相对隶属度理论，并以参考连续系统上的两级及中介的线性变化作为相对统一的参照系，用样本与级别之间的加权广义距离求解样本对模糊概念的最优相对隶属度，作为模糊模式识别模型。这样可以避免由于使用绝对隶属度构造隶属函数的不准确性而使识别结果不合理，而且还能克服最大隶属度原则的不适用性，全面反映各指标对评价结果的综合作用，更客观地反映事物的真实状态[19，20] 。
2. 1 推求指标隶属度矩阵
设有n 个河流健康指标值样本，每个样本有m 项健康评价指标的实测值x ，则有河流健康评价实测值矩阵X = (xij ) 。x ij为样本j 指标i 的特征值; i= 1，2,…，m; j = 1，2,…，n。河流健康程度的状态或分级数c，评价指标的标准值为y 。m 项指标c级健康标准值矩阵为Y= (yih )。y ih 为级别h 指标i 的标准特征值; h= 1，2,…，c。
通常有两种类型的指标类型:①指标标准特征值y ih 随级别h 的增大而减小;②指标标准特征值y ih 随级别h 的增大而增大。对于①类指标按式(1) 计算样本值x i j 对模糊子集的相对隶属度，按式(2) 计算指标标准值yih对模糊子集的相对隶属度。对于②类指标按式(3) 计算样本值xij 对模糊子集的相对隶属度，按式(4) 计算指标标准值y ih对模糊子集的相对隶属度。
式中: r ij 为样本j指标i的特征值对模糊子集的相对隶属度;yi1、y ic分别为指标i 的1级、c 级标准值; sih为级别h 指标i的标准值对模糊子集的相对隶属度。
利用式(1)、(2) 或(3)、(4)可将矩阵X与Y变换为对应的相对隶属度矩阵R 和S。
R = (ri j ) (5)
S = (sih ) (6)
2. 2 指标权重的确定
在综合模糊评价中应考虑到各指标高低有所不同，在总的评价中所起的作用亦有所差别。因此有必要对各参评指标赋予权重，目前确定指标权重的常用方法有层次分析法，熵值赋权法和灰色统计法等。层次分析法的主要特点是定性与定量分析相结合，将人的主观判断用数量形式表达出来并进行科学处理，本文运用这一方法。
本文在确定权重时采用的是定权重，即样本集中的每个样本指标的权重相等，则权重矩阵可用式(7) 表示，且应满足式(8) 。
2. 3 模糊模式识别模型
根据河流生态系统健康评价的特点，利用文献[ 21] 建立的模糊模式识别模型，如式(9) 。
式中: uhj 为样本j 对模糊子集级别h 的相对隶属度，j = 1，2,…，n; h= 1，2,…，c; aj 、bj为样本j 的m 项指标的级别下限值与上限值; p 为距离参数，取p= 2，为欧式距离。
2. 4 河流健康级别的确定
为了解决最大隶属度原则的不适用性，这里采用陈守煜[21] 提出的级别提特征值作为判定标准。设左极点状态记以序数1，自左向右的中介状态记为2，3,…，直至右极点状态记以序数c。1，2,…，c 称为状态点，以状态变量h 表示，h= 1，2,…，c。则级别特征值利用式(10) 进行计算。
H = (1，2,…，c)·(uhj) (10)
3实例研究
本文以浑河沈阳段为研究对象，对其城市河流生态系统健康状况进行评价。
3. 1 评价指标的选取与评价标准
3. 1. 1评价指标的选取
上述指标体系是广义的，比较全面，对于不同的城市河流还应考虑其特点，确定具体的指标，并将指标个数控制在一定范围内。根据评价的科学性和可操作性，即要保证城市河流生态系统健康评价指标体系的完整性，又要去除具有相关性的指标，同时要考虑数据的可获得性。水量指标选取水资源开发利用率和生态需水量; 水质指标根据评价年的各污染物实测浓度，以国家规定的?地面水环境质量标准《(GB3838-2002)》为评价标准，进行综合评价，得出污染状况所处的级别; 水生生物指标选取鱼类生物完整性指数(IBI ) ; 河岸带指标选取防洪标准、河岸带植被覆盖和亲水景观面积等3 个指标; 物理结构指标选取河岸与河道固化强度。共8 个指标。
3. 1. 2评价标准
评价标准通过以下几种方法确定:①历史资料法;②实地考察;③借鉴国家标准与相关研究成果。分级采用通用的5 级分级标准: 病态、不健康、亚健康、健康和很健康。其中，生态需水量等级是指生态需水量占河道天然年径流量的百分比，根据Tennant 法确定。防洪标准、河岸与河道固化强度和亲水景观面积3 个指标以分值阈“1、2、3、4、5”代表5 个级别的标准。各个指标的分级标准值见表1。
表1城市河流生态系统健康评价分级标准
Tab. 1 Five grade assessment standard for urban river ecosystem health
3. 2 评价结果与分析
3. 2. 1数据来源
浑河沈阳段径流量数据来自1967- 2009 年的中华人民共和国水文年鉴; 河岸带植被覆盖率来自实地调查及遥感影像解译成果; 水质数据来源于2009 年《辽宁省重点水功能区水量水质通报》; 防洪标准、河道固化强度和亲水景观面积的相关数据根据实际调查得出。根据以上资料对2009 年浑河沈阳段河流
生态系统健康状况进行评价。
3. 2. 2评价结果与分析
确定隶属度矩阵: 利用式(1)-(4)对原始数据进行处理,得到样本指标与标准指标相对隶属度矩阵:
确定指标权重: 根据层次分析法原理，建立递阶层次结构模型，各层权重计算结果见表2。
表2层次分析法确定评价指标权重结果
Tab. 2 The result of assessment index weights determined by AHP
确定样本集对各级别的相对隶属度矩阵: 将S、R 及表2 中的权值代入式(9 ) ，计算得到: U = (uhj ) =| 0. 162 0. 785 0. 034 0. 012 0. 006| T。
计算级别特征值: 利用式(10) 进行计算，计算结果为H =1. 912。因此浑河沈阳段河流生态系统健康状况为2 级，属于不健康状态。由计算结果可以看出，浑河沈阳段对于不健康级别的隶属度远远大于其对亚健康、健康和很健康级别的隶属度。通过对2009 年浑河沈阳段生态系统健康状况进行实际调查研究，评价结果与实际状况相符。沈阳市水资源过高的开发利用率以及大量的污水排放，导致浑河水量的减少和水质的下降，这是导致浑河沈阳段处于不健康状态的主要原因。因此,今后应合理开发水资源，加强污水排放的监管治理，使河流处于较健康状态，为水生物提供一个良好的生境。
4结语
本文在Meyer 提出的城市河流生态系统健康概念的基础上，并借鉴前人研究的成果，建立了包括水量、水质、河岸带、水生生物与物理结构5 个一级指标的指标体系; 分级采用通用的5 级分级标准，分为病态、不健康、亚健康、健康和很健康; 分级标准值通过历史资料、实地考察、借鉴国家标准和相关研究成果确定; 评价模型采用模糊模式识别模型对浑河沈阳段进行了评价。评价结果表明: 2009 年浑河沈阳段处于不健康状态。这主要是由于人类长期对浑河的过度开发利用和污染造成的，今后应合理开发水资源，加强污水排放的监管治理，使河流处于较健康状态，为水生物提供一个良好的生境。
城市河流生态系统健康是一个生态价值与现代城市人类价值相统一的概念，在河流生态系统健康内涵与评价指标体系的建立方面，还存在许多争议，有待于进一步完善。评价标准是城市河流健康评价科学准确与否的关键，因此还需要通过实验、监测等手段，逐步完善评价标准。本文指标权重确定时，采用的是层次分析法，其特点是定性与定量相结合，这就要求研究者对问题必须有更深入的理解。
参考文献:
[ 1] 宋庆辉，杨志峰. 对我国城市河流综合管理的思考[ J] . 水科学进展，2002，13(3) : 377- 382.
[ 2] 姜文超，饶碧华，张智，等. 山地城市河流健康内涵及评价[ J ] .土木建筑与环境工程，2009，31(3) : 104- 108.
[ 3] 边博，程晓娟. 城市河流生态系统健康及其评价[ J] . 环境评价,2006，(2B) : 66- 69.
[ 4] Townsend C R，Riley R H. Assessment of river health: accounting for perturbation pathways in physical and ecological sPACe [ J ] . Freshwater Biology，1999，41: 393- 405.
[ 5] 孔红梅，赵景柱，姬兰柱，等. 生态系统健康评价方法初探[ J] . 应用生态学报，2002，13(4) : 486- 490.
[ 6] Meyer J L. Sream health : incorporating the human dimension to advance stream ecology [J] . Journal of the North American Bentho logical Society. 1997，16: 439- 447.
[ 7] 杨馥，曾光明，刘鸿亮，等. 城市河流健康评价指标体系的不确定性研究[ J] . 湖南大学学报，2008，35(5) : 63- 66.
[ 8] 张亮，潘伟斌，蔡建楠. 城市河流健康的形态学指标体系研究[ J ] . 安徽农业科学，2009，37(30) : 14 862- 14 864.
[ 9] 耿雷华，刘恒，钟华平，等. 健康河流的评价指标和评价标准[ J ] . 水利学报，2006，37(3) : 253- 258.
[ 10] 赵彦伟，杨志峰. 城市河流生态系统健康评价初探[ J] . 水科学进展，2005，16(3) : 349- 355.
[ 11] 吴阿娜，杨凯，车越，等. 河流健康状况的表征及其评价[ J ] .水科学进展，2005，16(4) : 602- 608.
[ 12] 唐涛，蔡庆华，刘建康. 河流生态系统健康及其评价[ J ] . 应用生态学报，2002，13(9) : 1191- 1194.
[ 13] Jung wirth M，Muhar S，Schmutz S . Re-establishing and assessing ecogical integrity in river rine landscapes[ J] . Fresh water Biology，2002，47: 867-887.
[ 14] Naim an R J，Ecam ps H D. The ecology of interface: riparian zones[ J] . Annu Rev Ecol Syst ，1997，28: 621- 658.
[ 15] Mckone P D. Streams and their corridors- functions and values [ J ] . Journal of Management in Engineering，2000，(5) : 28- 29.
[ 16] 邓红兵，王青春，王庆礼，等. 河岸植被缓冲带与河岸带管理[ J ] .应用生态学报，2003，23(1) : 53- 56.
[ 17] 张建春. 河岸带功能极其管理[ J ] . 水土保持学报，2001，15(6 ) : 143- 146.
[ 18] 高学平，赵世新，张晨，等. 河流系统健康状况评价体系及评价方法[ J ] . 水利学报，2009，40(8) : 962- 968.
[ 19] 盖美，田成诗. 大连市水资源可持续利用的模糊模式识别及对策研究[ J ] . 资源科学，2003，25 (2) : 44- 50.
[ 20] 脱友才，邓云，王旭. 多级模糊模式识别方法用于河流水质评价[ J ] . 四川环境，2007，26(1) : 59- 62.
[ 21] 陈守煜. 工程模糊集理论与应用[ M] . 北京: 国防工业出版社,1998: 24- 31.
通讯作者: 左建军(1985-) ，男，硕士研究生，研究方向: 河流生态需水及环境评价。
