河流为城市提供了供水、生物保护与景观等多种生态服务功能，以其自然、社会、经济与环境价值推动了城市的发展.城市是一个高度人工化的以人为中心的复合生态系统，系统的稳定运行更依赖于城市河流生态服务功能的持续发挥(赵彦伟和杨志峰，2005).然而随着城市化进程的加快，城市河流出现了水系衰退、连通受阻、河流功能下降以及水环境恶化等一系列城市水资源与水环境问题.为此，城市化背景下的河流健康研究作为河流管理的一种评估方法受到了国内外学者的广泛关注(夏霆等，2007).

健康的河流不但保持自身结构的完整性，还应强调其生态服务功能的发挥.目前对河流健康的研究已不仅仅局限于对其概念与内涵的剖析，而是将关注更多地转向河流健康评估方法和评价指标体系的构建上.早期国外河流健康评价主要采用生物完整性指数(IBI)和河流无脊椎动物预测和分类计划(RIVPACS)等指示物种法，由于该方法具有指标单一难以全面评价河流健康状况等不足，随后许多包含物理、化学、生物和社会经济等指标的综合评价方法相继开展起来(Karr，1981；Barbour et al., 1999；Petersen，1992；Ladson et al., 1999；Raven et al., 1998).国内河流健康研究虽然起步较晚，但是随着人类河流健康保护意识的不断加强，综合评价指数法(耿雷华等，2006)、集对法(李文君等，2011)和灰色关联度分析法(张楠等，2009)、模糊综合评价法(高学平等，2009)等方法极大推动了该领域的研究进展.然而以往的研究大部分是针对特定时期的河流健康状况进行评价，而对于城市化进程下河流健康状况的动态变化仍亟待探讨分析.

为此，本文以太湖流域湖州市区为典型区，把直接影响城市化地区河流健康的生态水文过程作为切入点，同时兼顾河流的自然和社会属性，选取9个指标构建了河流健康评估体系，将熵值分析与物元模型相结合对湖州市区不同城市化水平下的河流健康状况进行定量评价，以期为寻找河流开发与保护的利益平衡点提供参考.

太湖流域位于长江下游，是中国城市化高度发展的地区.本文选取太湖流域内杭嘉湖地区的湖州市区为研究区，包括吴兴和南浔2个建成区，其总面积约1065 km².湖州市区隶属杭嘉湖城市群的区位优势及其环湖的地理优势，使其进入21世纪以来城市化水平明显加快，与此同时河流生态系统的稳定性也显著下降，可见湖州市区城市规模的扩大使其河流健康面临巨大压力.

本研究区的基础数据主要包括水系数据、土地利用数据、水质数据和其他数据.其中，研究区的水系数据是通过ArcGIS9.3对研究区的主干河道和河流支流(一些细小的末端支流舍弃)进行提取和适当概化而得；土地利用数据是通过对研究区1991、2001和2006年三期TM遥感影像进行解译，在此基础上建立200 m河岸缓冲区，利用Fragstats3.3软件选取相应的景观格局指数对河岸带的景观格局进行计算分析得出；水质数据来源于杭长桥等5个监测点的水质监测资料；其它数据来源于湖州市统计年鉴以及湖州市水资源公报等.

在参考国内相关研究的基础上(张凤玲等，2005；刘晓燕等，2006；单媛媛等，2010；冯彦等，2012)，本研究围绕河流健康的内涵，从能显著作用于河流健康的要素以及河流经济社会功能发挥的角度出发，选取河流的自然形态要素、水量要素、水质要素、河岸栖息地环境要素以及河流经济社会功能要素等5个要素构建河流健康的评估体系，对城市化过程中湖州市区的河流健康进行综合评估.

河流自然形态的变化首先表现为水系结构的改变.水系结构指标参数众多，对于平原河网地区而言，本文采用河流曲度和河网发育系数变化率这两个指标来表征河流的自然形态要素.河流曲度即描述河流的曲折度，对于高度城市化的平原河网地区而言，用河流长度与直线长度的比值作为曲度计算式可能更具有实际意义(徐光来，2012).河网发育系数即描述河网各级河流的构成，其表达式为支流长度与主干河流长度的比值.其值越小，表示河网主干化越明显.本研究采用河网发育系数变化率这一指标来表征自然形态要素，指标计算时将1960s湖州市区的河网发育系数视为自然状态下的河网发育系数.

由于研究区属平原区，其河网密布，水流不定，再加上水文站点水位和流量数据资料的限制以及指标评价等级确定有一定难度，因此选取水面率指标来对水量要素进行量化.

采用水质综合评价指数来表示.参照《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)，根据杭长桥、城北大桥、小梅口、三里桥和鼓楼桥等5个监测点的1997—2008年的水质数据，选取对水环境影响较为突出的DO、BOD₅、TN、氨氮、TP和高锰酸盐指数计算出湖州市区1997—2008水质综合指数.具体计算过程如下：设有m年统计数据，每年有n项指标，则形成原始数据矩阵X=(X_ij)_nm，i=1，...，n，j=1，...，m.由于各指标量纲和数量级上差别很大，首先需要采用极差变化法进行指标的标准化处理，然后计算第i项指标第j年指标值的比重p_ij.为了更加客观地确定各指标的重要性，本研究采用熵值分析法来计算指标权重.最后计算出1997—2008各年的水质综合指数D₄.

河岸带作为河流生态系统和陆地生态系统的过渡带，是比较敏感和脆弱的地带.河岸带植被覆盖情况及其景观格局的变化以及生物多样性均会对河岸带生态系统产生影响.考虑到资料的获取情况，本研究依次选取绿地覆盖率、香农多样性指数、生物第一性潜在生产力(李春晖等，2008)等3个指标对河岸栖息地环境要素进行量化.

为满足人类活动的多种需求，综合健康河流的经济价值、环境价值与社会价值，加之研究区位于高度城市化发展的地区，本文选用万元GDP用水量和农林业产值增长率指数作为河流经济社会功能要素的量化表征指标.

本文以直接影响城市河流健康的生态水文过程为切入点，在借鉴国内外研究成果(耿雷华等，2006；李春晖等，2008；赵军等，2011；马爽爽等，2012；王淑英等，2011)的基础上，并结合湖州市区的实际情况，构建了湖州市区河流健康的评价指标体系和等级体系(表 1、表 2).

表1(Table 1)

表1 湖州市区河流健康评价指标体系 Table 1 River health evaluation index system of Huzhou city

表1 湖州市区河流健康评价指标体系 Table 1 River health evaluation index system of Huzhou city

表2(Table 2)

表2 湖州市区河流健康评价指标等级体系 Table 2 River health level of evaluation index system of Huzhou city

表2 湖州市区河流健康评价指标等级体系 Table 2 River health level of evaluation index system of Huzhou city 要素层 指标层 健康等级 健康 亚健康 中等 亚病态 病态 自然形态 河流曲度 2～3 1.5～2 1.3～1.5 1～1.3 0～1 河网发育系数变化率 0～5% 5%～10% 10%～25% 25%～40% 40%～55% 流态 水面率 15%～100% 12%～15% 8%～12% 6%～8% 0～6% 水质 水质综合指数 0～0.2 0.2～0.4 0.4～0.6 0.6～0.8 0.8～1.0 河岸栖息地环境 香农多样性指数 1.6～2.0 1.4～1.6 1.2～1.4 1.0～1.2 0～1.0 生物第一性潜在生产力/(g·m-2·a-1) 1000～2000 1000～800 800～600 600～400 0～400 绿地覆盖率 50%～60% 45%～50% 30%～45% 20%～30% 20%～10% 河流经济社会功能 万元GDP用水量/(m3·万元-1) 0～100 100～200 200～300 300～400 400～500 农林业产值增长率 1.7%～2.0% 1.2%～1.7% 0.8%～1.2% 0.4%～0.8% 0%～0.4%

考虑到城市河流健康的概念具有模糊性，河流各要素以及各指标之间又存在不相容的关系，本文运用物元分析的理念，构建了河流健康评价物元模型，物元模型主要用于解决不相容的复杂问题，适合于多因子评价(蔡文，1994)，同时采用改进的熵值法确定指标权重，尽量消除权重判定的主观性等问题.具体步骤如下：

1)确定河流健康物元及经典域、节域物元矩阵

根据评价指标现值并结合物元分析理论，可构成m个对象的n维复合河流健康物元矩阵 R _nm.每个指标的对应等级都有其量值范围，它们共同构成了河流健康的经典域矩阵 R _ij(i表示指标数，j表示等级数).在此基础上，取各个指标对应等级中的最大、小边界值作为节域物元R_i×1关于指标的量值范围.

2)确定关联函数及关联度(余键等，2012).关联度K_ij表达式为：

其中，

式中，ρ_ij(v_i，V_ij)为点v_i与对应特征向量有限区间(a_ji，b_ji)的距离；ρ_pi(v_i，V_pi)为点v_i与对应特征向量节域(a_pi，b_pi)的距离；v_i为相应的特征量值.

3)熵权法确定的指标权重

①指标的正项化处理.为消除量纲，本文采用极差变化法(董晓峰等，2011)进行指标的正项化处理.

②计算比重.对传统计算方法稍加修正(张先起和梁川，2005)，将第j年第i项指标值的比重定义为：

③评价指标的熵值H_i和权重w_i.根据熵的定义，m个评价对象n个评价指标，可以确定评价指标的熵和权重，具体计算公式如下：

4)计算综合关联度确定评价等级.根据最大关联度原则，可确定各对象评价等级.

根据表 1并结合搜集整理的湖州市区三期的基础数据，可得到表征该区河流健康要素的各量化指标的现状值.在对其进行正项化处理后，根据公式(3)～(5)，可计算出各指标的权重，具体见表 3.

表3(Table 3)

表3 各指标的权重和现状值 Table 3 The weight and present value of each indicator

表3 各指标的权重和现状值 Table 3 The weight and present value of each indicator 年份 河流曲度 (C1) 河网发育 系数变化率 (C2) 水面率 (C3) 水质综 合指数 (C4) 香农多样 性指数 (C5) 生物第一性潜在生产力(C6) 绿地覆盖率 (C7) 万元GDP用水量 (C8) 农林业产值增长率 (C9) 1991 1.10 20.10 10.30 0.272 0.61 1771.98 50.27 341.70 1.91 2001 1.11 29.34 9.50 0.270 1.26 1706.88 47.40 134.10 1.66 2006 1.09 50.10 9.80 0.272 0.80 1499.01 42.24 88.90 0.17 权重 0.1058 0.1061 0.111 0.1224 0.1176 0.1083 0.1051 0.1109 0.1129

根据公式(1)、(2)以及结合表 3中各指标的现状值，可以计算出河流健康评价指标关联度.以湖州市区1991年C₁指标(河流曲度)的计算结果为例来介绍各参数的指示意义.将现状值v₁=1.10输入相应的计算公式后得到对应评价等级的关联度分别为：K_(C1)Ⅰ=-0.4500、K_(C1)Ⅱ=-0.2667、K_(C1)Ⅲ=-0.1539、K_(C1)Ⅳ=0.3333、K_(C1)Ⅴ=-0.0833.按照最大关联度原则，可以判定湖州市区1991年该指标属于级别Ⅳ级，即属于“亚病态”水平.同理可得到其它指标的相关数值以及该研究区其它评价年各指标对应等级的关联度值和指标等级，如图 1所示.

图 1(Fig. 1)

图 1 不同评价年各指标对应等级 Fig. 1 Corresponding level of each indicator in different years of evaluation

将湖州市区各评价年各指标的对应各等级的关联度量值与表 3中对应的权重代入公式(6)，可得出各评价年河流健康综合关联度，并可判定其河 流健康等级.以1991年为例，各等级综合关联度依次为：K_Ⅰ=-0.2311、K_Ⅱ=-0.3188、K_Ⅲ=-0.2790、K_Ⅳ=-0.3382、K_Ⅴ=-0.4378.可以判定湖州市区1991年河流健康级别为Ⅰ级，即“健康”级别.同理可以判定其它评价年的河流健康等级，其结果如表 4所示.

表4(Table 4)

表4 湖州市区各评价年河流健康等级比较 Table 4 Comparison of river health level of each year of evaluation in Huzhou city

表4 湖州市区各评价年河流健康等级比较 Table 4 Comparison of river health level of each year of evaluation in Huzhou city 年份 综合关联度K 等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 1991 -0.2311 -0.3188 -0.2790 -0.3382 -0.4378 Ⅰ(健康) 2001 -0.2218 -0.0517 -0.1940 -0.3108 -0.5054 Ⅱ(亚健康) 2006 -0.3340 -0.3275 -0.3284 -0.4027 -0.2328 Ⅴ(病态)

从表 4来看，湖州市区1991年河流健康级别为“健康”，2001年河流健康级别为“亚健康”，2006年河流健康级别为“病态”，充分说明了河流朝着不健康的方向发展.由表 3中各指标权重来看，水质综合指数权重值大于0.12，香农多样性指数、水面率、万元GDP用水量的权重值均大于0.11.说明对于湖州市区而言，水质的好坏对于河流健康的影响尤为突出，且景观格局指数中的香农多样性指数、水面率以及万元GDP用水量对河流健康的影响也较为重要.但基于表 3中各指标权重相差不大，而且也没有对权重大的影响因子有特别强烈的干扰，所以可以将图 1中和河流健康发展趋势一致的指标作为限制因子，即湖州市区三期河流健康主要限制因子为河网发育系数变化率、绿地覆盖率、农林业产值增长率.

河流系统是一个涉及多指标的复杂系统，目前国内发展较为成熟的河流健康评价方法为多指标综合评价法.通常采用健康综合指数HCI(高晓薇等，2010)来综合描述河流的健康状况，可计算得出该区1991、2001、2006年河流健康综合评价值分别为：0.7187、0.5347、0.3093.根据HCI值与健康状态值1的接近程度可将河流健康综合指数等级分为：健康(0.8～1)、亚健康(0.6～0.8)、中等(0.4～0.6)、亚病态(0.2～0.4)、病态(0～0.2).由此可以得出湖州市区1991年河流健康级别为“亚健康”，2001年河流健康级别为“中等”，2006年河流健康级别为“亚病态”.

上述两种评价方法的分析表明湖州市区河流健康状况都趋于病态，评价结果基本一致.但仍存在一定差异：与综合评价法相比物元分析法的评价结果更符合实际.同时熵权物元模型方法更强调对影响因子的分析，能够对河流健康的影响因素进行深度剖析且计算简便实用.目前该方法已经在水质、土地生态安全等评价中得到验证，体现出一定的应用价值.湖州市区的河流健康状况在不断的恶化，究其原因，一方面是随着城市规模的扩大，尤其进入21世纪以来，城市建设用地面积逐年扩大，水域面积逐年减少，林地和耕地也在逐年退化.随之城市绿地覆盖率以及水面率大幅下降，这就给河流健康造成了很大的威胁.另一方面，城市化的发展使得人类对河流的需求不断增多，随之而来的截弯取直、河道拓宽与填埋、闸、坝、水库等水利工程建设使研究区的河网水系稳定性减弱，研究区的河流系统变得更加脆弱.

对太湖流域湖州市区河流健康状况的分析结果表明：随着城市化进程的加快，尤其是进入21世纪以来，太湖流域河流健康状况朝着病态的方向发展.虽然水质是河流健康的主要影响因素，但由于近年来对整治力度的加大和重视，水质并没有对河流健康产生明显的不利影响.特别注意的是研究区河流健康更多的是受限制因子的影响，土地利用变化总体上呈现为耕地、林地、水域向城镇用地转化的趋势，导致其水面率以及绿地覆盖率下降，河岸带景观异质性降低，河网发育系数变化显著.因此，对于湖州这样的平原河网城市，制定详细的城市防洪规划以及景观生态规划是必要的.这将有利于提高研究区的水面率和保持河流的自然特性，从而更好地维持河流健康与有序发展.

本研究将基于熵权的物元模型应用于河流健康评价中，其评价结果合理，丰富了河流健康评价方法，且计算简单、方便.不仅能够避免权重判定的主观性，而且能够有效克服河流健康概念的模糊性和各评价指标之间的不相容性.考虑到太湖流域各城市城市化发展趋势与社会经济指标变化趋势较为一致，表明本研究所选取的评价指标以及评价方法在平原河网地区具有一定的借鉴意义.然而鉴于资料的获取情况，本文要素层指标的表征指标个数略微偏少，且指标选取的全面性、科学性和典型性问题仍需深入研究.此外，本研究仅仅对太湖流域典型城市湖州市区三期的河流健康状况进行了综合评价，为了更加全面地反映研究区河流健康的变化趋势，进行长序列年份的河流健康评价是非常必要的.