基于“碧水指数”的杭州市西湖区河道生态健康评价

孙建明，马方方，王广，庄树林

（1.浙江大学 工程师学院，浙江 杭州 310015；2.清华苏州环境创新研究院，江苏 苏州 215163；3.杭州市西湖区城市管理局，浙江 杭州 310023；4.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058）

伴随着城市化进程的深入，世界重要河流都遭受了不同程度的干扰与损害，城市河流水环境受人为活动尤为突出，水生环境退化等已经成为亟须解决的问题。诸多国家开始重视河流健康评价相关研究，美国、英国等针对河流健康建立监测评价体系[1-2]。有学者基于河流水文学、物理构造特征、河岸区状况、水质及水生生物5 个方面共计22 项指标体系计分，提出了溪流状况指数（ISC）理论[3]，并用于对澳大利亚80 多条河流健康状况的综合评价。我国的河流健康研究起步于21 世纪初，唐涛等[4]率先对河流生态系统健康进行探索。针对长江、黄河、珠江等各大流域机构的河流健康研究相继开展[5-7]，但大部分生态健康评价研究停留在指数构建层面，并且指标主要参照国外已有指数[8]，或者针对性较强、不易推广[9]。

在流域生态健康研究的基础上，伴随近年来城市河流保护及河道综合整治，针对城市河道生态健康状况的研究在逐步开展。曹明弟[10]结合专家咨询法和层次分析法构建了河流生态功能、水质、水生生物、河岸带和物理结构5 个方面的14 个指标。罗坤[11]结合城市化流域的河流特征，构建了针对城市化背景下的河流健康内涵和评价指标体系，涵盖流域尺度、河岸尺度、生境尺度。顾晓昀[12]采用主成分分析和相关分析构建了针对北京运河的河流生态系统健康评价指标。已有的针对城市河流的评价指标与流域生态健康评价相似[13]，涉及评价指标较多，评价方法较为复杂，完成一次评价需要开展大量的现场监测。此外，相关评价不重视城市河流的景观服务功能，并且忽视了河道管理方面的指标。

在河长制的管理模式下，随着物联网监测体系的建设，对城市河道的监管越来越需要做到精细化。如完全沿用传统生态健康评价的体系，评价结果常常严重滞后，不能及时掌控存在的主要问题及主要区域。因此，针对城市河道的评价指标除了考虑代表性、标准性外，需要考虑精细化评价场景下的可操作性和经济性，如何构建评价指标、调整城市河道的综合评价方法，使之满足时空分布的评价需求、精细化监管的目标，这是当前河道评价面临的主要问题。

杭州市西湖区共有141条（段）河道，总长约313千米，水域面积达641 万平方米，2020 年杭州市西湖区智慧治水平台正式开始运行。平台建立了“天地空”一体化、全天候的智能感知网络，汇集了各个类别的监测数据。本文拟基于智慧平台数据，构建针对西湖区河道的便于高频率、精细化评价的“碧水指数”，并对部分河道进行“碧水指数”计算和对比分析，以期为城市河道生态环境的提升提供决策建议。

1 研究方法

1.1 “碧水指数”指标筛选

参考国内外河流生态系统健康评价指标体系，针对城市发展中河道面临的主要问题，构建“碧水指数”一级指标。河道面临的主要问题包括水质恶化、水体流动性下降、河道自然形态改变等[14-15]，据此选取“水质特征”“水文特征”“河道形态特征”三类指标；同时考虑到对水土流失及生物保护起到重要作用的河岸带植被[16]，选取“河岸带植被景观特征”，结合河长制的管理制度，纳入“河道管理”指标。“碧水指数”应用于智慧治水平台，目的是充分利用智慧平台数据并实现高频率、精细化评价，因此选择二级指标时，需同时考虑数据的可获取性。综合上述因素，构建了“碧水指数”综合评价指标体系的5 项一级指标以及19 个二级指标，具体如下：（1）水质特征：包括氨氮、总磷、COD（或高锰酸盐指数）、溶解氧、电导率、pH、浊度（或透明度）；（2）水文特征：包括水量、流速多样性；（3）河道形态特征：包括河道宽深比、河道蜿蜒度、河道变化、河岸稳定性；（4）河岸带植被景观特征：包括河岸植被缓冲带宽度、河岸植被结构完整性、植被纵向连续性、河岸景观；（5）河道管理：包括河长履职、河道维护。

1.2 权重确定

参考文献中专家咨询法的结果，结合西湖区实际情况，采用层次分析法构造出各层次中所有判断矩阵。

根据相关评价指标的权重，来判断各个指标在决策者心中的比重A=(aij)n×n。

根据特征向量法计算权重向量：

当CR＜0.10 时，判断矩阵一致性可接受，否则应当修正。各指标权重系统见表1。

表1 各层次影响因素的权重系数

1.3 评价标准确定

在参考国内外相关的评价研究工作的基础上，结合西湖区的具体情况，制定出了“碧水指数”中各指标的评价标准。

（1）水质指标：氨氮、总磷、高锰酸盐指数、COD、溶解氧根据地表水质标准评分，以地表水二类标准作为“很健康”的标准，其中高锰酸盐指数和COD 根据实际监测参数选其中一个进行评价；电导率、pH、浊度参照ISC 的评价标准[3]；透明度“很健康”的标准参照TLI 指数当中中营养对应的值。浊度和透明度根据实际监测参数选其中一个进行评价。

（2）水文指标：水量引用美国环境署生境调查方法。采用流态多样性对河流的流速分布情况进行评价[11]。

（3）河流形态指标：河道宽深比参照相关研究结果分为五级。按照Pan[17]对城市河流蜿蜒度的研究，健康的河道蜿蜒度应该使河流实际长度增加为其直线距离的2 到3 倍，河道蜿蜒度为河流主河道的实际长度与主河道上下游之间直线距离的比值。根据RBPs 的评价标准，河道变化健康度可以分为五个等级。在对河岸稳定性进行评价的过程中，主要依据现场的文字描述、照片以及河道相关数据进行定性判断[11]。

（4）河岸植被景观特征：河岸带宽度参考国际推荐宽度及国内现状分为五级；河岸带植被完整性按照植被层次给予评分；河岸带纵向连续性参考澳大利亚ISC 评估方法进行评分（表2）。在河岸景观功能方面，主要考虑河岸受社会活动影响的程度，河岸人工构筑物等情况。

表2 “碧水指数”各指标评价标准

（5）河道管理：包括“河道维护”和“河长履职”两项，从河道事件发生情况、河道维护工作完成情况和河长巡查等方面反映河道管理情况。

1.4 评价结果计算

根据表2 对19 个一级指标进行评价，并将评分范围界定为1 ～5 分，然后根据表1 中的权重，分别计算5 类一级指标的得分，加和得到“碧水指数”评分。将综合评价等级划分为五个等级，具体见表3。

表3 “碧水指数”评分、等级及颜色

2 评价区域与数据来源

2.1 区域概况

根据西湖区智慧治水平台的数据，西湖区共有河道159 条，长度从261 m 到8 130 m 不等。本文选取西溪河、古荡湾河、益乐河作为评价对象。西溪河位于西溪街道，总长3 158 m，水域面积50 721 m2；古荡湾河位于翠苑街道，长度2 696 m，水域面积44 370 m2；益乐河位于古荡街道，长度1 278 m，水域面积16 942 m2。根据河流的形态，将西溪河分为北段、中段、南段，将古荡湾河分为北段、中段、南段，将益乐河分为西段、中段、东段。三条河道具体位置及分段见图1。

图1 西溪河、古荡湾河、益乐河位置及分段示意图

2.2 数据来源

系统数据来源于智慧水云物联平台，平台为基于物联网的“碧水指数”应用提供基本的运行环境和感知信息获取能力。平台不仅提供了设备定义、设备管理、设备接入、数据解析、数据汇总、数据存储等设备管理功能，同时具有强大的数据开放能力，能够方便快捷地服务“碧水指数”相关数据的收集、整理和分析应用。核心多融合数据类型见表4。

针对3 条河的具体评价中，水质特征数据来源于表4 中的“水环境监测系统”，以断面监测数据为主，以水质在线监测数据为辅（表5）。为了对河道夏季生态环境状况进行评价，河道形态特征、河岸带植被景观特征、水文特征采用2021 年8 月4 日至8 月5 日现场勘查的数据进行评价。河道管理指标相关数据暂未接入系统，故默认按照“良”的等级进行赋分。

表4 监测数据类型

表5 各河段水质监测数据来源

3 结果分析与讨论

3.1 评价结果分析

西溪河、古荡湾河、益乐河一级指标及“碧水指数”综合评分见图2。3 条河进行对比，9 个河段“碧水指数”综合评分在3.54 ～4.07 分之间，益乐河“碧水指数”得分整体较高，尤其益乐河中段，是唯一一个超过4 分（对应评价结果为“良”）的河段，其他河段得分在3.54 ～3.89分之间，对应的评价结果均为“一般”。同一河流不同河段的“碧水指数”综合得分有一定差异，但差异不大，而一级指标之间差异相对较大。3 条河流得分最低的一级指标均为“河道形态特征”，在2.25 ～3 分之间；古荡湾河和益乐河得分次低的指标为“水文特征”，6 个河段中有5 个得分为3.2 分，西溪河得分次低的指标为“河岸带植被景观特征”，得分在2.39 ～3.58 分之间。

图2 三条河道一级指标及“碧水指数”综合评分

从二级指标分析，河道形态特征的4 项指标中，河岸稳定性得分均较高，各河段的河道宽深比、河道蜿蜒度、河道变化这3 个指标得分均较低，这些也影响了河道的“流态多样性”，现场勘查发现大部分河道流速较小，且很少出现两种以上流态。二级指标中得分均较低的还有河岸带景观、透明度，河岸带景观得分相对较低主要是由于城市河道两侧建筑物较多，且个别河段有少量垃圾堆放，导致河岸带景观一般；各个河段透明度基本在0.4 ～0.6 m 之间，除透明度和个别河段的氨氮外，其他水质指标整体较好，故水质特征这一项指标整体评分均较高，表明污染负荷相对较低。

3.2 从三条河道评价结果分析西湖区河道主要问题

杭州自2013 年开始“五水共治”，在提升城市防洪排涝能力、改善水环境质量、建设景观廊道等方面均取得了较大成果，于2017 年实现剿灭劣Ⅴ类水体的目标，河道氮磷含量持续下降，市控以上断面的达标率由2012 年的44.7%上升到2018 年的96.2%[18]。从本次评价结果中也可以发现，选取的西湖区3 条河道水质整体较好，河岸带植被基本覆盖乔木、灌木和草本3 个类别，大部分河段植被纵向和横向覆盖较为完整。不足之处在于，由于区域面积限制，部分河段植被缓冲带宽度未达到“良”的标准。河岸带植被缓冲带具有维持生物多样性、截留非点源污染、维护河堤及防止土壤侵蚀等作用[16]，部分河段（如西溪河中段）通过提升河岸带植被景观特征，应该可以进一步改善河道整体状况。3 条河道的共同问题在于河道形态特征，表现在蜿蜒度极低、堤岸化严重。20 世纪70 年代开始的渠道化、人工化等水利工程，改变了河道的自然形态，对河流生态系统产生胁迫效应[14-15]，杭州自20 世纪80 年代开始陆续对很多河道开展了疏浚、渠道化等整治工作[19]。形态特征对河流生境影响较大，蜿蜒度降低导致水流运动状态随之改变，影响污染物在河流中的混合、扩散、稀释与迁移；自然河流中的主流、支流、浅滩与急流相间的格局发生变化也直接造成河流生物急剧减少或消失[15]。从西湖区河网水系图可以发现，其他河道也多为长直河道，可以推测多数河道存在蜿蜒度较低、堤岸化严重等问题，以及由此导致的流态单一问题。在截污纳管、雨污分流等降低污染负荷工作进行到一定程度时，可探索以恢复渠道化河道自净能力为目的的生态修复方法，减少引水、曝气等工程的资金投入以及后续的管理成本，同时使河道水生态系统得以恢复并保持长期稳定[20]。

3.3 “碧水指数”优势分析

相比水环境等级评价（生态环境部）、河湖健康评价（水利部），“碧水指数”的优势表现在：（1）实时性强。“碧水指数”可动态实时生成评价指数，相比周期性评价更能反映变化过程，及时发现异常。数据获取成本低、更新频次快，可作为常态化监管指标。（2）可比性高。兼顾多种维度指标因子，涵盖河湖自然属性、管理属性、考核属性等维度，由定性评价提升为定量评价，评价更科学、更具可比性。（3）量化精细。“碧水指数”各维度分指数涵盖了日常管理类的动作、河湖保洁、工程运行养护、水质达标考核等，可对整体管理及各项分工工作进行精细化的量化评价。可根据组成“碧水指数”的各维度指数的变化进行问题精准定位分析，针对性地调整重点工作、指导日常工作部署。以3.1 节中的评价结果为例，针对西溪河中段存在的河岸带植被景观问题，根据其二级指标情况，可从河岸带垃圾清理、增加河岸带植被种类和覆盖宽度方面进行提升；而针对各个河道存在的共性问题，如蜿蜒度极低、流态较少问题，可选择部分河道进行微改造，改造完成后通过“碧水指数”监控改造过程及效果，并逐渐推广至其他区域。

3.4 “碧水指数”优化提升及推广应用

西湖区“碧水指数”是在智慧平台的基础上，基于高频率、精细化评价的目的而构建。在积累现场勘查数据后，可探索结合卫星遥感数据，或河道沿岸摄像头数据，针对河岸带景观特征、水文特征及河道形态特征建立评价模型，实现数据定期更新，提升评价的自动化程度。另外，待河道生态治理工作基本结束，在较少人工干预情况下即可维持较为健康的状态时，应加入生物指标并将其作为评价重点。

“碧水指数”基于智慧治水平台中各环节的数据开展应用，需要在河长制管理体系中增加相应政策作为支撑。河长作为各河段责任人，需根据“碧水指数”的评价结果对各河段开展精细化管理。政府可将河道评价结果作为绩效考核标准，用行政手段提升基层河道管理能力。例如本次评价中发现的影响河道生态环境的指标，河道宽深比、河道蜿蜒度、河道变化、流态多样性、河岸带景观、透明度等，可综合考虑指标之间的联系，结合问题解决的难易程度，设定指标提升的时间要求，并进行跟踪考核。“碧水指数”拓展到其他区域进行应用时，需考虑该区域的环境特征和数据基础。推广应用主要考虑因素包括：（1）针对已经开展数字化监管的城市河道，“碧水指数”可以直接应用，或对特征污染物略作调整之后应用，比如增加重金属、特征有机污染物指标；（2）由定期养护的城市内河拓展到自然河流时需考虑人为管理干预类指标的适配调整；（3）从河湖水生态管理角度，可逐步加入面源污染控制、污染排放管控、水生生物等内容作为“碧水指数”评价要素。

3.5 “碧水指数”应用的效益分析

城市河道是城市生态系统的重要组成部分，河道生态系统与周围环境不断进行物质能量交换，系统内部的任何变化都会对自身及周围环境带来一定影响，一旦河道生态系统功能退化，将对城市生态建设产生重大威胁。河道生态改善的社会效益包括为居民提供游憩、生态教育和保健场所；生态效益包括生态安全、气候调节、景观效益、生物多样性保护及固碳释氧等方面[21-22]。河道生态环境改善首先可以降低或消除这些直接经济损失，其次可以产生间接经济效益，包括沿岸环境改善带来的房地产收益[23]，沿岸生态旅游收益及其带动的餐饮、娱乐等新增收入。杭州河道管理已进入精细化管理阶段。应用“碧水指数”，结合智慧治水平台，可实现对河道的高频率、精细化评价，能够及时发现异常河道及其主要问题，精准提升河道治理，有利于河道生态改善。通过基于“碧水指数”的大数据分析，可以实现问题追踪、预测，进一步降低河道管理的运行成本。

4 结论

（1）针对西湖区智慧治水平台已有监测数据，结合西湖区河道具体形态特征，构建了“碧水指数”，包含5类19 项指标，5 项一级指标分别为水质特征、水文特征、河道形态特征、河岸带植被景观特征和河道管理，并应用层次分析法确定了各指标的权重，将“碧水指数”分为优、良、一般、差、极差5 个等级，对应碧蓝、碧绿、黄绿、暗黄、橙红5 种颜色。“碧水指数”具有实时性强、可比性高、量化精细等优势。

（2）根据构建的“碧水指数”，对西溪河、古荡湾河、益乐河3 条河道的9 个河段进行了评价，评价结果表明，益乐河中段得分最高，古荡湾河中段得分最低，大部分河段对应的等级为“一般”。各河段水质整体较好；得分最低的指标均为“河道形态特征”，次低指标不尽相同，古荡湾河和益乐河为“水文特征”，西溪河为“河岸带植被景观特征”。在二级指标当中，得分普遍较低的指标主要为透明度、河道宽深比、河道蜿蜒度、河道变化、流态多样性和河岸带景观。

（3）根据“碧水指数”各类指标的具体情况，可以实现对数据进行每半年一次至每月一次的定期更新。据此每月对各个河段“碧水指数”进行评价，实现河道精细化、高频率评价，可以提升河道管理和治理的智慧化水平，降低河道恶化导致的经济损失，提升所在区域的经济效益。