上海市典型河道生态护岸效果综合评价

张 舒 静

(1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061； 2.上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海 200061)

1 研究背景

河流生态系统是生物圈物质循环的重要通道，具有调节气候、改善生态环境以及维护生物多样性等众多功能[1]。河岸带是河流环境的重要组成部分。作为水陆相互作用的区域，河岸带是河流生态系统与陆地生态系统进行物质、能量、信息交换的重要场所[2]。作为河道治理的重要措施，护岸工程的建设不仅要满足基本的防洪、航运要求，即符合工程设计原理，同时也要融合生态学、生物科学、环境科学和美学等学科，注重保护生态环境的发展[3]。生态护岸的建造对整个河岸带生物多样性的维持以及生态功能的发挥有着重要影响。

上海地处长江、太湖流域下游，属典型平原感潮河网地区。上海因水而兴，上海的高度文明与区域内丰富的水资源有着密切的关系。上海市在水利发展新形势中，更加注重水环境综合治理和水环境质量根本改善。2015年12月上海市提出《上海市水污染防治行动计划实施方案》，2016年12月提出《关于加快本市城乡中小河道综合整治的工作方案》，2018年启动消除劣Ⅴ类水体的治理攻坚战。

在全面推进河道生态化治理的大背景下，上海市以水岸联动、截污治污，沟通水系、调活水体，改善水质、修复生态为准则，对生态护岸技术进行进一步的探索。自21世纪初，上海市各类河湖整治工程中已开始应用生态护岸技术。生态护岸型式多样，但存在一些项目实际效果不理想的现象。河道生态护岸措施构建效果如何，缺乏统一的评价验收标准，无法进一步指导河道生态护岸工程实践。为了能科学、合理地评价上海市已建多种类型的生态护岸成效，本文旨在规范生态护岸指标的选择标准和评价模式，建立完善、适用性强的河流生态护岸评价体系，为该地区的河流生态系统的可持续性管理提供参考[4]。

2 调研工作概述

上海市水务局牵头组织了相关管理单位和设计单位，对上海市不同行政区典型河道护岸开展生态性评估总结工作，全面客观地了解和评价这些工程的实际应用效果。根据安全性、生态性、重点性及代表性原则，先后分赴宝山区、松江区、嘉定区、闵行区、浦东新区及崇明区等地进行调研。调研内容主要包括生态护岸技术应用的自然条件、设计方案、施工情况、生态效益、维护管理、造价成本等因素和相关性问题。调研河道名录见表1。

表1 上海河道护岸生态性情况调研对象名录Tab.1 List of objects for investigation on ecological situation of river revetment in Shanghai

在总结分析大量生态护岸工程实践的基础上，上海目前常用的生态护岸，依据主要材料可划分为四大类型：① 天然材料生态护岸，如杞柳、芦苇、草皮、木桩、叠石、石笼等；② 混凝土制品生态护岸，如仿木桩、预制混凝土砌块、生态混凝土等；③ 土工合成材料生态护岸，如生态毯、生态袋、土工格室、三维土工网垫等；④ 化学胶凝材料生态护岸，如固化土等。

3 上海市河道生态护岸评价模型建立

3.1 生态护岸的定义与特征

生态护岸是指利用植物或者木材、石材等材料与植物搭配对河道坡面进行绿化及防护的一种河道护坡形式，具有“可渗透性”的突出特点。生态护岸除了具备传统护岸基本的防洪功能外，还兼具生态功能、景观功能与自净功能[5]。生态护岸利用特定工程技术手段和材料，使水体与河岸之间的水分调节与交换成为可能，防止水流和波浪(通航河道包括船形波)对岸坡土体的冲蚀和淘刷，实现了养分、物质、能量的交流，从而加强河岸稳定、调节水位、滞洪补枯、防治水土流失。此外，生态护岸利用恢复和增加植被等方法使河岸与河道在生态上联系起来，既增强了水体自净能力，又让生物在其间生长栖息，使护岸环境和生物和谐共存。

3.2 评价指标选取原则

要建立一个科学合理的生态护岸效果评价体系应立足上海实际，指标选择既要反映护岸的共性，又要体现不同护岸间的差异。且评价结果可用于不同地区、不同类别生态护岸的参考比较[6]。唐涛等[7]最早报道河流生态系统的健康研究；刘联兵等[8]分析了环境友好型护岸评价指标的选取原则，对环境友好型护岸技术的评价指标体系进行了研究;王菁菁[9]选取了4个准则层，17个具体指标构建了杭州市生态护岸景观的量化评价体系。经过对生态治理工程后期评价指标选取的研究，选择评价指标应遵循科学性、目标性、系统性、定量指标与定性指标相结合的原则和可操作性原则。

3.3 影响生态护岸健康关键因素分析

生态护岸在保证结构稳定的基础上，水-路通道不能被阻隔，打造景观多样性的同时要与周围环境相协调，关键增强河道自净能力，提升水质。生态护岸结构是否安全可靠，护岸材料是否具有一定渗透性，能否为不同水生动植物提供良好的生境等因素是评价的关键。

河道是城市生活交往的活动载体，生态护岸搭配柔性岸线，助力生态之城的建设。打造具有活力的滨水空间不仅能为市民提供观景、休憩场所，还能彰显城市文化风貌特征。是否具有城水相融、人水相宜的设计理念，是上海市生态护岸评价的关键。

3.4 层次结构模型构建

生态护岸评价体系中的每个具体的单项指标都经过了反复的修正与意见征求，这些指标从不同方面反映生态护岸的效果功能。本文指标体系建立的实施步骤具体如下：

(1) 河道资料结合现场调研报告，运用频度分析法，初步建立评价指标体系框架。

(2) 统计分析专家意见，对初步指标体系给出修正建议。

(3) 将增减后的指标进行第二轮意见征求，建立第二轮指标体系框架。

(4) 对(3)中筛选出的指标进行主成分性和独立性分析，形成最终河道生态护岸效果评价指标体系。

(5) 若对结果不满意，可返回(3)，直到得出科学、合理的评价指标。

遵循河流生态护岸的健康特征和指标选取原则，从结构性、生态性、功能性3个方面出发整理确定生态护岸效果，共15个指标，进行生态护岸效果后评价，见图1。

图1 生态护岸效果评价层次模型Fig.1 Hierarchical model of ecological revetment evaluation

3.5 评价指标说明

(1) 结构性指标。① 岸坡稳定性：即护岸结构稳定，地基土不会发生沉降、坍塌现象，坡度不大于1∶2，越缓越好，岸坡不出现滑动变形或破坏。② 行洪能力：河流的基本功能就是行洪排涝，具体评判标准为河道能否承受起历史洪水重现或特大洪水出现，满足防洪排涝要求。③ 岸坡抗冲流速：与岸坡的基质与护岸材料密切相关，不同河道对于抗冲流速有不同的要求，超过这一极限流速岸坡会发生坍塌破坏。一般来说，木桩护岸河道流速一般不大于2.0 m/s，生态混凝土护岸河道流速一般不大于3.0 m/s，石笼、预制混凝土连锁块护岸河道流速一般不大于4.0 m/s。④ 岸坡冲刷状况：能抵御较强的水流冲刷，维护岸坡稳定，护坡结构无损毁脱落现象，通航河道可以有效抵御船行波等水流的冲刷。

(2) 生态性指标。① 植被覆盖率：植被茎叶在地面的垂直投影面积占统计区总面积的比例，植被对于防止坡面侵蚀和降低地表径流有直接作用。② 植物种类丰富度：丰富度越高越有利于群落结构形成及生境营造。将该指标分为4级，植物种类≥12种为丰富；6～12种为较丰富；3～6种为一般；≤3种为缺乏。③ 空间布局合理性：即护岸带水生植物是否按照挺水-浮叶-沉水的方式由陆域向水域布局。该指标等级中，合理指全系列布局；较合理指缺失一类水生植物；一般指缺失两类水生植物；不合理指无水生植物。④ 生物通道畅通度：即护岸材料孔隙率，护岸建成后生物通道不能被阻隔，水体与陆地之间的水分和气体交换调节能力应得到提升。⑤ 净化水体作用：生态护岸配合其周围的水生植物等，拦截污染物，吸收相关有机质，达到净化水质作用。⑥ 水土保持作用：护坡结构对岸坡的水土保持是否起到积极作用，有无水土流失现象。⑦ 材料环保性：材料能否与自然生态环境友好协调共生，是否安全、健康且满足可持续性发展要求。

(3) 功能性指标。① 建造成本：通过查阅工程相关资料，确定各类型生态护岸的材料成本、人工成本及管理成本。护岸施工费用与维护费用是否经济合理是影响其应用的重要因素。② 文学美学：护岸景观与周围环境、建筑融合呼应，结合当地文化特色，起到集引水、生态、旅游为一体的功效。③ 休闲娱乐：设置一定的亲水设施供居民休闲、娱乐、戏水，提升宜居环境。④ 使用寿命：生态护岸在保持正常运行状态下的使用时间，也是影响其应用的重要因素之一。

3.6 评价指标权重确定

为了全面、客观地反映生态护岸各因素权重的意义，本文采用两种方法对评价指标进行权重确定，一种是偏主观的赋权方法，即层次分析法，并综合考虑专家意见；另一种是偏客观的赋权方法，熵权法。

(1) 层次分析法。通过以下5个步骤确定准则层和目标层的权重，即：① 明确问题，建立层次结构；② 通过专家打分法构造判断矩阵；③ 层次单排序；④ 层次总排序；⑤ 一致性检验[10]。评价体系总体权重见表2。

表2 总体权重Tab.2 Overall weight

(2) 熵权法。根据各指标的变异程度，利用信息熵计算出各指标的熵权，再通过熵权修正各指标权重，得出较为客观的指标权重。熵可以度量数据提供的有效信息量。包括3个步骤：① 原始数据矩阵标准化处理，② 求各指标的信息熵Ej，③ 定义熵权[11]。第j个指标的熵权定义为

(1)

3.7 评价标准确立

将河流生态护岸的效果程度划分为4个等级，各等级具体含义如下。

等级一：效果理想，河岸结构稳定，满足防洪排涝要求；生态系统未受破坏，植被覆盖率高，层次丰富，能给生物提供栖息地，具有较强的生态自我修复能力；有较高的文学与美学价值，充分的亲水设施，施工简便，造价经济，维护简单。

等级二：效果较好，河岸带结构较稳定，能较好地满足防洪排涝要求；生态系统自我修复能力降低，岸坡植被覆盖率较高，水生植物空间布局有缺失；与周围景观协调性降低，能提供一定的亲水场所，文学与美学感减弱。

等级三：效果一般，河岸带结构稳定性一般，基本满足防洪排涝要求；生态系统结构在一般干扰下尚可恢复，岸坡植物覆盖率及多样性一般，水生植物的物种配备少，护岸材料透水性一般，与周围环境不太协调；亲水设施缺乏，文学与美学体验感一般。

等级四：效果较差，河岸带结构不稳定，不满足防洪排涝要求；护岸基本采用硬质护岸材料，生态环境破坏严重，一般干扰下生态系统难以恢复，植被覆盖率低，生物多样性低，功能较差；几乎没有亲水设施，后期维护管养费用高。

以上四等级确定了等级划分的标准，在进行生态护岸评价时，由于各指标量纲、数量级不一样，需对各指标进行标准化处理。具体指标层等级划分及标准见表3。

表3 指标层等级划分及标准Tab.3 Index level classification and standard

3.8 评价方法

上海市生态护岸评价体系模型的评价指标是基于多指标和多点调查获得的，为了能全面客观地反映上海市生态护岸效果的实际情况，本文通过基于层次分析法的综合指数评价法，对上海市已建生态护岸进行打分，定量评价其功能效果；再基于熵权法的TOPSIS评价法，客观地找出生态护岸中最优和最劣模式，并对两者结果进行总结分析。

3.8.1综合指数评价法

综合指数法是将不同性质、不同单位的各种实测指标值通过指数变换，加权得出综合指数，对综合指数进行比较分析，评价优劣。综合评价指标计算与健康等级划分是根据各个指标因子的权重值与各个评价指标的等级值进行层次加权计算，得到生态护岸功能效果综合评价指数。生态护岸综合评价指数值N对应标准见表4。

(2)

式中：N为生态护岸综合评分值；Bi为第i个准则层的权重；Cj为第i个准则层中第j个指标所占的权重；Xij为第i个准则层中选取的第j个指标的评分值；n为准则层的个数；m为指标层中指标的个数。

表4 综合评价指数值N对应评价等级Tab.4 Comprehensive evaluation index value N corresponding to evaluation grade table

3.8.2TOPSIS综合评价

(3)

(4)

(5)

式中：i=1，…，m；j=1，…，n；0≤Ci≤1；Zij是第j个目标对第i个方案的规范化加权值。

4 上海市生态护岸综合评价结果

各指标的采集方法采用定性描述与定量测量相结合，现场观察结合理论知识、经验等，对定性指标给予赋值，利用仪器测量对定量指标给予赋值。按照评价指标的标准将调查数据记录在表，计算结果见表5～7。

4.1 上海市生态护岸综合指数法综合评价

上海市生态护岸综合指数法评价打分，结果见表5。

表5 生态护岸效果综合指数法评价结果Tab.5 Evaluation results of comprehensive index method for ecological revetment

4.2 上海市生态护岸TOPSIS法综合评价

4.2.1熵权法计算权重

熵权法得出的各评价指标权重及排序见表6。

表6 基于熵权法的生态护岸评价指标权重Tab.6 Weights of ecological evaluation indices of revetment based on entropy weight method

4.2.2TOPSIS法综合评价

上海市河道生态护岸效果TOPSIS法综合评价结果见表7。

表7 护岸生态性TOPSIS法评价结果及排序Tab.7 Evaluation results and ranking of ecological TOPSIS method for ecological revetment

4.3 护岸生态性综合分析

4.3.1综合指数评价法

依据综合指数法评价结果，所调研河道生态护岸效果90%处于一般及以上状态，没有河道处于较差状态。处于理想状态的河道有1条，为沙溪河；处于一般状态的河道有3条，为瞿门河、战斗河和纯阳村横河；剩余河道都处于较好状态。

沙溪河生态效果最佳，主要原因为：其护岸型式为景观黄石拋石加生态袋组合，接近自然护岸状态，注重水陆之间物质、能量、信息的交流。生态袋具有稳定边坡作用，稳定性优于纯土坡。袋内草籽生长情况较好，很好地遮挡了生态袋，没有影响护岸带美观，挺水-浮叶-沉水植物布局完善，与河岸带风景融为一体，且造价经济合理，后期维护到位，此类护岸型式适用于缓坡性岸坡。

瞿门河、战斗河和纯阳村横河在综合评价中得分靠后，主要原因为：木桩稳定性虽优于自然岸坡，但远远不如砌石挡墙，抗冲刷性能较低，加之河水流动，木桩表面受损日益严重，易遭受腐蚀，而且如今木桩护岸材料很难按规模成批取得，价格上没有明显优势，使用年限也受限。瞿门河、战斗河河岸带植被覆盖率低，种类欠缺，土坡裸露，无水生植物，也是其综合得分低的重要原因。而纯阳村横河紧邻民房，河道中有居民搭建的小水桥，河道本身窄小，水动力不足，加之受人为干扰因素大，崇明地区土质为砂性土，水质情况不乐观。且固化土技术是项新技术，还处于发展实验阶段，施工质量难以控制，目前较多还是应用于开挖受限的河道。

4.3.2TOPSIS指数法

本文采用基于熵权法的TOPSIS综合评价法，通过熵求出权重，构建加权规范矩阵，准确、客观地找出调研河道中最优和最劣的生态护岸型式。按TOPSIS评价值对生态护岸效果进行排序，最优方案为横港河，最劣方案为瞿门河。横港河仿木桩护岸稳定性好，其独特之处在于，局部岸段与沿线绿地设计相结合，如在横港河道南岸至富水路之间建造面积约1.97万m2的公共绿地，在横港泵站及周边建筑约2 700 m2公共绿地；局部河段在平面上扩大河口宽度，形成湖泊和河中小岛，部分岸线结合绿地改为蜿蜒曲线；对于已建直线挡墙岸线，调整墙前挺水植物的种植平台形态，形成曲线的视觉效果。

5 结 论

本文深入地对上海市生态护岸应用效果进行调研分析，从结构性、生态性、功能性三方面构建生态护岸效果综合评价指标体系，采用层次分析法和熵权法全面、客观地反映评价指标各因素权重的意义，并以此为依据综合评价上海市已建多种类型的生态护岸效果。评价结果能客观地反映生态护岸治理措施的实际情况，选取的评价指标可操作性强，为今后各个地域、流域的生态护岸的建设提供了理论依据和技术支持。

依据综合评价结果及城市化进程关系，充分考虑工程安全与生态措施搭配的合理性，推荐护岸型式：① 中心城镇地区，用地受限地区，可同横港河采取仿木桩护岸；对于景观要求较高的地区，有一定的过渡带范围，可采用景观黄石搭配水生植物布置形成复合型式。② 郊区-新城镇型：采用区别于传统的硬质混凝土挡墙的生态挡墙——石笼挡墙、舒布洛克挡墙、箱型砌块挡墙、荣勋砌块挡墙等；亲近自然的斜坡护岸——连锁块体、螺母块体、绿化混凝土及生态袋护坡。③ 农田-村落型：采用近似自然的河岸带为主，选取护岸型式应尽量维持自然土坡护岸型式；对于流速较大等不稳定岸段，可采取绿化混凝土，石笼等抗冲刷性能较好的护岸型式。

此次调研中也发现，护岸结构的效果虽受材料选择、设计方案影响，但只有在设计、施工、养护管理科学到位的情况下，才能取得较好效果。