一种中小河流不同类型河段生态修复效果评价方法

技术领域

本发明涉及河流生态保护，特别是一种中小河流不同类型河段生态修复效果评价方法。

背景技术

河流生态环境保护十分重要，特别是随着经济的发展和科技的进步，流域水生态环境保护工作重心由“大动脉——大江大河”向“毛细血管——中小河流”延伸。我国集水面积在200-3000km

所谓河段划分是基于河流特定的水文、地貌、生物等结构特征，通过一定标准将河流截断为有区别的河段，并按照一定的规则对其进行分类的过程。河流类型划分方法正朝着学科背景多样化的多因子分类方向发展，但仍较多参考河流的地貌、水系结构、平面形态等自然特征指标，在流域范围小、自然特征差异不明显的中小河流应用中具有一定的局限性。因此，有必要提出一种适用于中小河流的河段类型划分方法。

当前的生态修复、生态评价等研究多基于大江大河开展，中小河流由于历史资料缺乏，修复工作开展相对较晚，生态修复效果评价相关研究尤为欠缺。目前国内外尚无统一的河流修复效果评价方法，国内对于河流修复效果的评价主要针对3个方面，分别是水质改善效果评价、工程效益评价、生态修复效果评价。水质改善效果评价操作简单、应用广泛，但它只能反应水质的变化情况，无法对物理生境、水生生物等生态状况进行准确反馈；工程效益评价侧重于工程本身开展工程实施后的生态环境及社会经济效益评价，对于无法全面反映工程实施前、后河流生态系统的变化；基于指标体系法开展的生态修复效果评价不仅将水文、水质、生境、生物等指标纳入评价方法，还能将人类活动类型、水服务等作为评价指标，丰富了河流生态修复效果评价的内涵，但评价结果针对性不强，未考虑不同类型河段间修复重点的差异性，不能有效引导河流管理部门因地制宜地开展河流生态修复。因此，提出一种中小河流不同类型河段生态修复效果评价方法对科学引导河流生态修复具有重要意义，但至今未见有公开报导。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之不足，本发明之目的就是以与人类生产生活息息相关的中小河流为对象，通过明确中小河流不同河段间的差异，进行中小河流河段类型划分，结合河段类型对应用较广泛的生态修复效果评价方法——指标体系法进行优化，建立中小河流不同类型河段的生态修复效果评价方法，通过对不同类型河段的评价指标进行差异化赋权，改善当前河流生态修复效果评价方法评价结果偏综合、精准性不强的问题，而提供一种中小河流不同类型河段生态修复效果评价方法，可有效解决如何对中小河流不同类型河段的生态修复效果评价，确保生态环保的保护问题。

本发明解决的技术方案是，一种中小河流不同类型河段生态修复效果评价方法，从中小河流对应的人水关系出发，根据不同河段所处行政区位及发挥的主导功能，进行中小河流河段类型划分。之后，在目前应用较多的修复效果评价方法——指标体系法的基础上，根据问卷调查结果进行指标重要性排序，识别不同类型河段的特征指标，对其进行差异化赋权，并基于修复后状态及修复程度分别进行修复效果等级判定，最终修复效果以较差等级为准，具体包括以下步骤：

步骤一、中小河流河段类型划分：将中小河流截取为河段，并根据河流所处行政区位、主导功能，对截取后的河段一一进行类型确定及命名；

所述的中小河流河段截取的方法是，使用ArcGIS 10.0软件，以1:5万的DEM数据为基础，进行河流水系的提取，将水系中河流间的交汇点作为一级节点，再依次按照河流所处行政区位、主导功能确定二级节点，并结合入河排污口分布情况等对二级节点进行校核，最终将校核后的二级节点作为中小河流的河段截取节点；

所述的中小河流河段类型确定及命名方法是，结合行政区划以及其他政府文件对城市/农村的界定，划定城市河段、农村河段，流经县级及以上城市建成区的河段为城市河段，流经乡镇政府驻地建成区及其他地区的河段为农村河段；结合水功能区划、水环境功能区划、功能调查结果，明确河段主导功能类型，主导功能分为3种类型，分别是生态功能、服务功能、生态功能与服务功能共有；中小河流河段命名方式为“生态/服务/双重”功能型“城市/农村”河段；

步骤二、中小河流生态修复效果评价指标体系构建：首先，采用频率统计法(公知技术)对文献中涉及水文、水质、生境、河岸带、水生生物、水服务6个方面的评价指标进行频度分析，根据河流修复效果评价指标筛选的科学性与实用性、针对性与可行性、系统性和可比性、定性和定量结合原则，进行进一步筛选，确定指标层指标；之后，将不同类型河段的生态修复效果评价指标体系分为目标层、准则层、指标层3个层次，目标层代表生态修复效果，用来反映河流修复效果；准则层包括水文、水质、生境、河岸带、水生生物、水服务，分别反映河流修复效果的6个组成部分；指标层由准则层下的若干指标组成，是评价的直接依据；

步骤三、中小河流不同类型河段评价指标权重优化：首先，采用打分法、层次分析法计算得到主观权重；其次，采用熵权法确定客观权重，并利用一定的线性关系得到主客观组合权重；最后，进行中小河流不同类型河段各方面指标重要性调查，结合指标重要性排序结果，优化不同类型河段指标权重；

步骤四、中小河流生态修复效果评价指标赋分标准确定：通过文献调研、现状分析、参照对比、标准对照、专家咨询，借鉴国外的评价标准及国内地表水环境质量标准、河流健康评价指标分级方法，确定不同类型河段生态修复效果评价各指标的赋分标准；

步骤五、中小河流生态修复效果等级判定：首先，依据各指标的赋分标准及研究区域调查情况，计算生态修复效果总评分，依据总评分进行基于修复状态的生态修复效果等级判定，将生态修复效果划分为5个等级；其次，依据修复前、后目标因子加权后得分均值的变化情况，进行基于修复程度的生态修复效果等级判定，将生态修复效果划分为5个等级，当两者判定结果不一致时，最终修复等级以两者中最差的等级为准；

所述目标因子指与修复目标相关的准则层指标；

步骤六、中小河流不同类型河段修复目标阈值确定：以未进行加权的各类型指标得分进行修复目标的量化，判断评价修复后各河段是否达到预期修复效果。

本发明方法充实了河流修复效果评价方法体系，结合河段类型对评价指标权重进行优化，改善了当前评价方法普适性不强、精准性欠缺的问题，并进行基于修复状态及修复程度的修复等级判定，且最终修复效果以较差等级为准，弥补了当前评价方法针对性不足、重点不突出的问题。适用性广，可操作性强，为不同类型河段的中小河流生态修复效果评价提供了准确、实用的方法，为中小河流开展精细化、精准化生态修复效果评价和河流管理因地制宜地开展河流生态修复提供了科学、有效的技术支持，经济和社会效益巨大。

附图说明

图1为本发明方法的流程框示图。

图2为本发明中小河流河段类型划分方法的流程框示图。

图3为本发明评价指标体系框示图。

具体实施方式

以下结合附图和具体情况为本发明的具体实施方式作详细说明。

本发明一种中小河流不同类型河段生态修复效果评价方法，在具体实施中，包括以下步骤：

步骤一、中小河流河段类型划分(见图2所示)，方法是：

(1)中小河流河段类型划分要素确定

中小河流的基础资料较为缺乏，地貌差异不明显，中小河流与大江大河的差异还主要体现在河流等级、水文特征、水源结构、服务功能4个方面，对于同一流域不同区域的河流，其自然地理与社会需求的异质性也导致了河段类型不尽一致，中小河流流经地区、所处行政区位有所不同，处于不同区域的河段主导功能也有所不同；因此，将行政区划结果、河流功能属性作为河段类型划分的要素；

(2)中小河流河段截取节点确定

使用ArcGIS 10.0软件，以1:5万的DEM数据为基础，进行河流水系的提取，将水系中河流间的交汇点作为一级节点，再依次按照河流所处行政区位、主导功能确定二级节点，并结合入河排污口分布情况等对二级节点进行校核，最终将校核后的二级节点作为中小河流的河段截取节点；

(3)中小河流河段类型命名方式确定

从中小河流对应的人水关系出发，根据不同河段所处行政区位及发挥的主导功能，进行中小河流河段类型划分。结合行政区划以及其他政府文件对城市/农村的界定，划定城市河段、农村河段，流经县级及以上城市建成区的河段为城市河段，流经乡镇政府驻地建成区及其他地区的河段为农村河段；结合水功能区划、水环境功能区划、功能调查结果，明确河段主导功能类型，主导功能分为3种类型，分别是生态功能、服务功能、生态功能与服务功能共有；中小河流河段命名方式为“生态/服务/双重”功能型“城市/农村”河段，生态功能主要有水源涵养、水量调节、生境维持和栖息地维持，服务功能主要有水源供给、水体自净、农田灌溉和景观娱乐；

步骤二、中小河流生态修复效果评价指标体系构建：

首先，采用频率统计法(公知技术)选择与河流评价相关且引用次数大于3的文献，对文献中涉及水文、水质、生境、河岸带、水生生物、水服务6个方面的评价指标进行频度分析，将频度大于3的指标纳入候选指标库，并根据河流修复效果评价指标筛选的科学性与实用性、针对性与可行性、系统性和可比性、定性和定量结合原则，进行进一步筛选，最终确定指标层指标；

其次，构建包括目标层、准则层、指标层3个层次的不同类型河段的生态修复效果评价指标体系(见图3所示)；目标层即最高层，代表生态修复效果，用来反映河流修复效果；准则层即中间层，包括水文、水质、生境、河岸带、水生生物、水服务，分别反映河流修复效果的6个组成部分；指标层即最低层，由准则层下的若干指标组成，是评价的直接依据；

基于文献、文件总结得到指标63项，经高频指标筛选、特征指标补充、指标分类汇总后共得到指标29项，依据指标筛选原则再筛，最终得到指标17项；筛选出的17项指标中水文指标3项，分别是断流频率、水流情势、生态流量满足程度；水质指标3项，分别是表观水质、底质特征、水质污染指数；生境指标3项，分别是纵向连通指数、河道改造程度、河床稳定性；河岸带指标3项，分别是河岸带稳定性、河岸带宽度指数、河岸带植被宽度；水生生物指标3项，分别是鱼类丰富度、底栖动物多样性指数、水生植物多样性指数；水服务指标2项，分别是水功能区达标率、公众满意度；

步骤三、中小河流不同类型河段评价指标权重优化：

采用专家打分法、层次分析法、熵权法确定主客观组合权重，专家打分法保证各指标权重的科学性、权威性，层次分析法将定性指标与定量指标充分结合，采用专家打分法、层次分析法计算得到主观权重，熵权法保证各指标权重的客观性，采用熵权法确定客观权重，按照一定的线性关系计算得到主客观组合权重，计算公式如下：

W

式中：W

依据上述步骤得到各指标主客观组合权重；

依据河段类型和评价指标体系，进行中小河流不同类型河段各方面指标的重要性调查，结合指标重要性排序结果，遵循以下要求对指标权重进行优化：

①当河段类型为城市河段时，增加水服务相关指标权重，水文、水质、水生生物相关指标权重保持不变；当河段类型为农村河段时，增加生境、河岸带相关指标权重，水文、水质、水生生物相关指标权重保持不变；

②当河段的主导生态功能为水源涵养时，增加水质、河岸带相关指标权重；为水量调节时，增加水文相关指标权重；为生境维持时，增加水质、生境相关指标权重；为栖息地维持时，增加生境、河岸带、水生生物相关指标权重；

③当河段的主导服务功能为水源供给时，增加水文、水质相关指标权重；为水体自净时，增加水质相关指标权重；为农田灌溉时，增加水质相关指标权重；为景观娱乐时，增加水质、水服务相关指标权重；

④第①-③条要求中，每满足其中一条权重增加条件，对应指标的权重增加5％，权重增加比例可叠加，对于权重增加、权重不变以外的指标，其权重等比例下降；

⑤当第②条、第③条与第①条要求出现冲突时，以第②条、第③条为准；

⑥当同一方面的指标既降低又增加时，以权重降低为准；当同一方面指标既不变又降低/增加时，以权重降低/增加为准；

步骤四、中小河流生态修复效果评价指标赋分标准确定：

通过文献调研、现状分析、参照对比、标准对照、专家咨询，借鉴国外的评价标准及我国地表水环境质量标准、河流健康评价指标分级方法，确定不同类型河段生态修复效果评价各指标的赋分标准(表1)；

表1：中小河流不同类型河段生态修复效果评价各指标赋分标准

步骤五、中小河流生态修复效果等级判定：

(1)基于修复状态的生态修复效果等级判定

首先，依据研究区域调查情况，结合各指标赋分标准计算生态修复效果总评分，计算公式如下：

式中：I

之后，依据总评分进行基于修复状态的生态修复效果等级判定，当总评分处于[4.0,5.0]时修复等级为一级，处于[3.5,4.0)时修复等级为二级，处于[3.0,3.5)时修复等级为三级，处于[2.0,3.0)时修复等级为四级，处于[1.0,2.0)时修复等级为五级；其中：

一级：即修复效果较优，在修复工程措施实施后，经过一段时间的恢复，河段整体生态环境修复效果较优，水动力条件好，水质优良，生态系统物种丰富、结构完整，生态系统功能稳定发挥；

二级：即修复效果良好，在修复工程措施实施后，经过一段时间的恢复，河段整体生态环境修复效果良好，水动力条件较好，水质较好，生态系统物种较丰富、结构较完整，具有一定的稳定性，但个别指标(不多于3项)存在问题；

三级：即修复效果中等，在修复工程措施实施后，经过一段时间的恢复，河段整体生态环境修复效果中等，在水文、水质、生境、河岸带、水生生物、水服务中至多有2个方面的指标(不少于3项)仍存在问题，如水质不能稳定达标、生境相对单一等，在找到问题后仍需针对性开展优化修复工作；

四级：即修复效果一般，在修复工程措施实施后，经过一段时间的恢复，河段整体生态环境修复效果一般，在水文、水质、生境、河岸带、水生生物、水服务中至少有3个方面的指标仍存在问题，如水质达标率低、生物多样性较低等，在找到问题后仍需针对性开展优化修复工作；

五级：即修复效果较差，在修复工程措施实施后，经过一段时间的恢复，河段整体生态环境修复效果较差，在水文、水质、生境、河岸带、水生生物、水服务中几乎所有方面仍存在问题，如水动力条件差、水质不达标、生境单一、生物多样性低等，这说明修复工程措施并不适用于该河段，采用的工程措施未能达到预期效果，后续可进行工程措施的补充/优化，针对性开展优化修复工作；

(2)基于修复程度的生态修复效果等级判定

首先，为避免修复后的目标因子(目标因子指与修复目标相关的准则层指标)加权后得分较低，但其他因子修复后得分均较高，以至于出现修复后总得分较高、修复等级较高的现象，进行基于修复程度的生态修复效果等级判定；进行等级判定前计算修复前、后目标因子加权后得分均值，计算公式如下：

式中：H

其次，参与基于修复程度的生态修复效果等级判定需遵循以下要求：

①对于某一类型河段，若修复前目标因子未加权总得分能达到修复目标，则此项因子不参与评价；

②对于某一类型河段，若修复前目标因子未加权总得分能达到修复目标最低限值的90％，依据基于修复程度的生态修复效果综合评价标准进行评价时，该因子的修复等级提升两级(最高等级为一级)；

③对于某一类型河段，若目标因子为多项，以该河段相对更重要因子的修复等级为准；

目标因子未加权总得分按照下式计算：

式中：H

依据修复前、后目标因子加权后得分均值的变化情况，进行基于修复程度的生态修复效果等级判定，当修复后目标因子加权得分均值较修复前增加≥30％时修复等级为一级，较修复前增加[20％,30％)时修复等级为二级，较修复前增加[10％,20％)时修复等级为三级，较修复前增加[0％,10％)时修复等级为四级，较修复前未增加时修复等级为五级；

(3)最终生态修复效果等级判定

为使评价结果更为真实、合理，当基于修复状态和修复程度的判定结果不一致时，各河段的最终修复等级以两者中最差的等级为准；

步骤六、中小河流不同类型河段修复目标阈值确定：

为判断修复后各河段是否达到预期目标，对每种类型河段6个方面指标的得分均设目标阈值，水文、水质、生境、河岸带、水生生物5个准则层均涵盖3项指标，满分均为15，水服务涵盖2项指标，满分为10，评价指标共计17项，故总分最高限值为85；结合表1的赋分标准，以未进行加权的各类型指标得分进行目标的量化，确定不同类型河段修复目标阈值(表2)，判断修复后各河段是否达到预期目标；此外，为保证整体修复效果，对总分也提出相应得分目标，总分的最低限值略高于各方面指标最低限值加和，总分的最高限值为各方面指标最高限值加和；总分的最低限值取最靠近各方面指标最低限值加和的整数，该整数的个位数字必须为0或5；若各方面指标最低限值加和后个位数字为0或5，则在此基础上加5作为总分最低限值；

表2：不同类型河段修复目标阈值

本发明经实地应用，证明方法具有很强的实用价值，评价结果准确率高，可有效用于对中小河流不同类型河段的生态修复效果评价，有关资料如下：

(1)评价对象确定

河南某流域面积2362km

(2)河段类型划分基础及结果

首先，根据行政区划将区域内河段进行划段，明确城市河段、农村河段；其次，结合水功能区划、水环境功能区划和城市总体规划的目标要求，对不同分区水体的生态功能及服务功能进行界定，明确各分区水体主导功能；此外，结合2015年、2016年入河排污口调查结果，明确区域内入河排污口分布情况；最后，根据区域内河流所处行政区位、主导功能的不同，结合排污口分布情况，将其干流及支流划分为6个河段，分别是干流#1“生态功能型农村河段”、干流#2“生态功能型城市河段”、干流#3“服务功能型城市河段”、干流#4“双重功能型农村河段”、支流#1“双重功能型农村河段”、支流#2“生态功能型农村河段”。

(3)各河段修复目标确定

整体上，要求修复工程实施后，其干流及支流水文(流速、流量)条件有所改善，水体自净能力显著提升，断面水质稳定达标，生境质量有所改善，水生植物、底栖动物等物种的多样性提高。分河段，要求工程实施后，6个河段均能满足表2中不同类型河段修复目标阈值要求。

(4)各河段优化后指标权重确定

按照不同类型河段指标权重优化应遵循的要求，在主客观组合权重值(表3)的基础上，对区域内6个河段进行评价指标权重的优化，各河段指标权重优化结果见表4。

表3：基于主客观赋权法得到的组合权重

表4：优化后各河段评价指标权重

(5)各河段生态修复效果评价结果

通过计算修复后各类型指标得分及总评分，发现6个河段均能满足表2中不同类型河段修复目标阈值要求。以区域内6个河段为对象，以优化后权重、基于修复状态的生态修复效果综合评价标准、基于修复程度的生态修复效果综合评价标准为基础，进行差异赋权、基于修复状态及修复程度的评价。

干流#1“生态功能型农村河段”：首先，进行基于修复状态的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年总评分分别为3.32、3.36，评价等级均为三级中等；其次，进行基于修复程度的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年目标因子修复后较修复前分别+12.48％、+15.24％，评价等级均为三级中等；最后，综合两种评价结果，以相对相差的等级为准，该河段2019年、2021年最终评价等级均为三级中等。

干流#2“生态功能型城市河段”：首先，进行基于修复状态的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年总评分分别为3.27、3.37，评价等级均为三级中等；其次，进行基于修复程度的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年目标因子修复后较修复前分别+13.58％、+14.63％，评价等级均为三级中等；最后，综合两种评价结果，该河段2019年、2021年最终评价等级均为三级中等。

干流#3“服务功能型城市河段”：首先，进行基于修复状态的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年总评分分别为3.31、3.26，评价等级均为三级中等；其次，进行基于修复程度的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年目标因子修复后较修复前分别+12.31％、+11.75％，评价等级均为三级中等；最后，综合两种评价结果，该河段2019年、2021年最终评价等级均为三级中等。

干流#4“双重功能型农村河段”：首先，进行基于修复状态的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年总评分分别为3.17、3.22，评价等级均为三级中等；其次，进行基于修复程度的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年目标因子修复后较修复前分别+13.64％、+15.26％，评价等级均为三级中等；最后，综合两种评价结果，该河段2019年、2021年最终评价等级均为三级中等。

支流#1“双重功能型农村河段”：首先，进行基于修复状态的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年总评分分别为3.56、3.17，评价等级分别为二级良好、三级中等；其次，进行基于修复程度的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年目标因子修复后较修复前分别+15.62％、+6.21％，评价等级分别为三级中等、四级一般；最后，综合两种评价结果，以相对相差的等级为准，该河段2019年、2021年最终评价等级分别为三级中等、四级一般。

支流#2“生态功能型农村河段”：首先，进行基于修复状态的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年总评分分别为3.31、3.26，评价等级均为三级中等；其次，进行基于修复程度的生态修复效果综合评价，该河段2019年、2021年目标因子修复后较修复前分别+17.83％、+16.20％，评价等级分别均为三级中等；最后，综合两种评价结果，该河段2019年、2021年最终评价等级均为三级中等。

(6)方法优化前、后河段评价结果对比

依据2019年修复后及2021年运行期不同河段生态环境状况调查数据，开展方法优化前统一赋权、基于修复状态的评价，以及方法优化后差异赋权、基于修复状态及修复程度的评价。通过对比优化前、后城市河段及农村河段的生态修复效果评价结果，发现优化前、后两类河段2019年、2021年最终修复等级均为中等，但是优化后总评分较优化前均有所增加，这主要是因为两类河段的修复重点略有不同，城市河段更偏向于水服务指标，农村河段更偏向于河岸带、水生生物指标，优化前权重的无差异化导致此类指标加权后得分偏低，优化后指标差异化加权后得分更接近实际状况。

以上表明本发明提出的中小河流不同类型河段生态修复效果评价方法提高了当前评价方法的精准性，可有效引导河流管理部门因地制宜地开展河流生态修复，能够改善当前河流生态修复效果评价方法重点不突出、精准性不强的问题，依据此方法得到的评价结果将为工程运维、优化修复提供技术支持，对同类型河流生态修复工程设计及运行维护具有重要的借鉴意义。

应当说明的是，对具体实施方式进行说明的目的是为示例性阐述本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。因此，在不偏离本发明的思路原理和方法范围的情况下所做的任何修改、等同替换、方法优化等，均属于本发明的保护范围。