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河流作为人类赖以生存的载体,在地球的物质和能量的传输过程中发挥着举足轻重的作用,河流健康是河流功能可持续发展的基础和前提。然而,近年来随着城市化进程的不断深入,河流系统稳定性逐渐下降,河流健康状况也每况愈下,因此,城市化背景下河流健康评价问题成为了当前人们关注的热点问题。太湖流域平原河网地区是我国人口最密集、经济最具活力的地区,区域内河网密布、湖荡众多,城市化和工业化发展水平在全国首屈一指。长期以来,该地区以牺牲生态环境换取社会经济的发展模式导致自然生态环境发生了剧烈的变化。在人类活动的强烈干扰下,区内的水系格局遭到破坏,大多数河流截弯取直,主干河道拓宽、细小支流被填埋,河流曲度与河网发育系数逐渐减小,河流趋于主干化、单一化,且逐渐偏离了其自然形态。一定程度上出现了水系衰退、连通受阻、河流功能下降以及水环境恶化等水资源与水环境问题。因此,在此背景下开展河流健康评价研究,对于城市化的可持续发展以及河流的保护和管理具有重要的应用价值。 本文以太湖流域腹部地区苏州市为研究区域,基于水系数据、水质数据、3期土地利用数据、社会经济数据,以河流地貌学、水文学、景观生态学、环境科学等多学科作为理论基础,依据科学性、代表性、定量性、可操作性等原则,综合应用RS、GIS技术、数理统计方法、时间序列分析法、景观格局分析法、熵值法、物元分析法等方法,对研究区的城市化进程及其水质变化特征进行了分析和探讨,并构建了一套适用于该区的河流健康评价指标体系以及评价方法和模型,据此探讨了城市化下研究区河流健康的时空变化特征和规律,提出了河流保护与管理的对策措施,为后期城市规划和水生态规划提供参考。本文的主要研究包括: 1、研究区城市化进程与水环境质量状况分析 (1)研究区城市化进程分析 本文通过人口城市化率指标、土地利用变化情况的计算,对研究区的城市化进程进行了具体分析。分析结果表明:苏州市1990-2008年的人口城市化水平不断提高,其中通过人口城市化率增长幅度计算,得到人口城市化率在进入21世纪以后增长加快;根据1991、2001、2010年的遥感影像对研究区的下垫面土地覆盖情况进行分析,得到下垫面总体的变化规律为:城镇面积所占比重显著增加,耕地、林地、水域面积逐年较少,其中水田面积在2001-2010年这一时间段的减少幅度较大,说明增长的城镇用地主要来源于水田、水域、林地的转化。 (2)研究区水环境质量状况分析 本文以常用的水质综合指数来表征水环境质量状况,根据2004~2014年10个水质监测站点的数据,计算得出其水质综合指数,其结果总体呈现为先降低后增高的趋势,2004~2008年期间的水质综合指数明显偏低,而2008年之后水质综合指数逐年增大,说明苏州市的水环境质量状况明显好转;通过对不同等级河道的水质状况进行对比分析,结果显示,流域性河道(一级河道)的水质要明显优于区域性骨干河道(二级河道),且水质好转程度也较为显著。因此,城市化进程中保护低等级河流不受破坏和污染,维护平原河网地区水环境质量状况刻不容缓。 2、河流健康评价指标体系构建 本文在国内外研究的基础上,以水文学、河流地貌学、景观生态学、环境科学等多学科作为理论支撑,对河流健康的内涵进行界定的同时从河流健康影响因素入手,充分利用研究区现有的数据资料,选取了易受城市化影响的5个要素层指标,分别为自然形态要素、水量要素、水质要素、河岸栖息地环境要素、河流社会经济功能要素;9个河流健康评估指标,分别为河流曲度和河网发育系数变化率、水面率、水质综合指数、绿地覆盖率、香农多样性指数、生物第一性潜在生产力、万元GDP用水量、农林业产值增长率。该指标体系涵盖水系结构指标,是一套适用于平原河网地区的河流健康评估指标体系。 3、河流健康评价方法和模型 在常用的赋权方法分析的基础上,通过对主、客观赋权方法的分析比较,为了尽可能消除权重判定的主观性等问题,本文对传统的熵值分析法进行了改进;通过对多种河流健康综合评价法的优缺点及其适用范围的权衡和比较分析发现,相较于其他河流健康综合评价方法而言,物元分析方法不仅计算简单、方便,能够有效的解决单项指标之间不相容的问题,适用于多因素的评价系统,而且能够借助关联函数和关联度来掌握评价指标的分异信息,进而探讨影响研究区河流健康的原因和机制。 苏州市位于太湖流域平原河网地区的东北部,是全国人口最密集、城市化水平最高、水域面积最大的地区之一,该区河网密布、湖荡众多,城市化对河流健康的影响较为显著,故河流系统的复杂性直接决定了物元模型应用的必要性。因此,本文将涵盖关联函数及关联度表达式的物元分析法运用到河流健康综合评价中,最终建立了河流健康的熵权物元模型。 4、城市化下苏州市河流健康评价分析 在河流评价指标体系构建的基础上,运用熵权物元模型对苏州市不同时期和不同地区的河流健康进行了综合评价和比较分析。 (1)苏州市不同时期河流健康的评价结果显示:2001、2006、2010年苏州市的河流健康级别依次向“病态”、“病态”、“中等”转化,总体河流健康水平不高,但随着城市化进程的放缓和相应保护措施的实施,其河流健康状况逐渐好转。此外,由各指标权重值的大小来看,河流曲度、水质综合指数、农林业产值增长率对河流健康影响较为突出,且有待提高。同时,根据城市化下各指标变化趋势的分析,可以看出河流曲度、河网发育系数、水面率、水质综合指数、生物第一性潜在生产力、农林业产值增长率是主要的限制因子。 (2)苏州市2009年各地区河流健康的评价结果显示:苏州市区总体河流健康状况趋于“健康”水平,而其它4个县级市的河流健康状况则趋于“中等”、“亚病态”水平,可见总体水平偏低。从空间布局来看,河流健康呈现出内陆到沿江城市河流健康水平逐渐降低的趋势。从各指标权重来看,河网曲度、农林业产值增长率、水质综合指数、香农多样性指数权重值较大,虽然各地区影响河流健康的限制因子不尽相同,但对于苏州市各地区而言,河网结构、水质、河岸栖息地环境的提高仍是各地区河流健康修复的必要条件。 (3)根据苏州市河流健康的时空变化特征,基于河流健康的影响因素和机制,从完善城市规划、综合整治河道、提高水体的修复能力、制定景观生态规划、完善河流管理政策五个方面出发,提出了改善河流健康的对策措施,以期为太湖流域河流管理提供参考。