指导健康河流的管理框架

H.K.Millington^a,J.E.Lovell^b,C.A.K.Lovell^b,

^aAustralian Rivers Institute,Griffith University,Nathan,QLD 4111,Australia

^bCEPA,School of Economics,University of Queensland,Brisbane,QLD 4072,Australia

摘要：城市河流生态系统很容易受到周边土地覆盖和土地利用的城市化影响。我们在澳大利亚布里斯班的两个高度城市化的小河沿岸研究了30个地点实地工作产生了一套主流健康指标。地理信息系统技术生成空间明确的土地覆盖指标和邻近人口的集中度量标准，对流健康造成压力。河流健康指标被集中到河流健康指数中，并且使用数据包络分析（DEA）将土地使用压力指标汇总为土地使用压力指数。然后将DEA应用于这些指数以创建一个生态指标。支配者分析为每个生态表现不佳的地点产生了一套实际的角色模型。随后的一轮DEA被应用于河流健康指数和多重压力指标，以计算流健康对特定压力指标的响应弹性。实证结果显示了最佳实践下的广泛偏差，启蒙主导者关系以及响应弹性的信息变化。这些发现中的每一个都可以为那些负责分配稀缺资源的人提供指导，以改善布里斯班市区的健康状况。

关键词：城市健康河流；数据包络分析（DEA）；指数编制；生态性能

1.主要介绍

当地集水小组和政府投入时间和金钱来保护和修复城市河流、河岸带和流域。因此，从一开始就很重要的是要确定哪些领域对这些投入的反应最为敏感，从而可以分配稀缺资源以实现最大效益。在本文中，我们制定了一个分析城市河流健康和土地利用压力的分析框架。该框架从实地考察开始，与地理信息系统（GIS）技术相结合，并结合数据包络分析（DEA）和指数编制确定最需要注意的地点，为他们支配榜样。DEA还创建内生权重，用于构建健康和压力指数，以及计算流动健康对备用土地利用压力测量变化的响应弹性。我们为澳大利亚布里斯班河Bulimba Creek和Norman小河（BCNC）子流域内的30个高度城市化的河流流域提供实证应用，以说明框架如何实现这些目标。这种生态性能分析是DEA在城市河流生态学中的首次应用。

1.1解决河流健康和压力因素

由于城市河流生态系统过程的复杂性，土地覆盖和水文变化影响城市河流健康的机制尚未被直接证实，尽管相关性已经确定。已经显示的一系列压力源影响城市河流的健康，包括改变水文和渠道形态，生境破碎化和流失，营养水平高，污染物和植物和动物的入侵物种，并且统称为“城市河流综合征”（Meyer等，2005;Walsh等，2005b）。然而，在不同的空间尺度和不同的地点，这些城市河流应力源的相对重要性各不相同。例如，发现河流连通性对波多黎各的鱼类组合，污染水平和生境质量很重要（Ramiacute;rez等，2012），与流域尺度不透水面水平相关的水文变化被认为是最重要的。在维多利亚州，澳大利亚（Walsh等，2005a）和美国乔治亚州（Roy，2004），以及完整的河岸树覆盖范围内，重要的土地覆盖特征影响到大型无脊椎动物和鱼类群落结构，发现它们具有可检测的益处在维多利亚州的大型无脊椎动物社区结构（汤普森和帕金森，2011年）。

许多康复活动表现不佳，未能按照适合捕捉驾驶过程的比例进行河流健康管理干预。规划河流修复项目并确定优先顺序的最常见方法是基于“可用土地机会”，其结果是大部分流程恢复活动在上游和小型三聚体中进行，尽管最严重的栖息地和土地利用变化通常在低地洪泛平原和三角洲地区（Bernhardt等，2005;Hermoso等，2012）。受到用于储备设计的系统性保护规划的启发（Ardron等，2010;Margules和Pressey，2000），已经提出了一种系统的“有效规划”方法，用于重点关注全流域规模的生态系统过程的河流恢复（Hermoso等，2012）。这种方法可以基于社会经济制约因素有效地选择康复领域，并通过整合多种康复行动之间的权衡并优先考虑多目标优化（Czyzak和Jaszkiewicz，1998年）来促成决策。虽然在低地洪泛平原和三角洲地区普遍存在最严重的生境和土地利用变化（Bernhardt等人，2005;Hermoso等人，2012），但在上游和小型三聚体中进行了恢复活动。

受到用于储备设计的系统性保护规划的启发（Ardron等，2010;Margules和Pressey，2000），已经提出了一种系统的“有效规划”方法，用于重点关注全流域规模的生态系统过程的河流恢复（Hermoso等，2012）。这种方法可以基于社会经济制约因素有效地选择康复领域，并通过整合多种康复行动之间的权衡并优先考虑多目标优化（Czyzak和Jaszkiewicz，1998年）来促成决策。

系统规划的支持者尚未明确阐述如何将这种方法应用于信息再流通的实用框架。理想情况下，他们的框架将允许管理者更好地整合和比较替代康复行动，并考虑推动生态系统过程。本研究的目的是进一步阐明淡水城市生态系统的保护和修复方案以及可能需要的减缓努力规模。

1.2东南昆士兰方法

Healthy Waterways是一个非盈利性的非政府组织，致力于保护和改善昆士兰州东南部的水道（SEQ）。它运行生态系统健康监测计划（EHMP），揭示区域水道健康状况是否在改善或恶化。它利用生态系统健康的各种生物，物理和化学指标，包括鱼类和逆转生物多样性指标，生态系统过程指标和水质指标。

EHMP在2002/03年全面实施。SEQ是每年两次（春季和秋季）抽样的135个淡水河流场地，农村和城市，测量其健康指标，并在年度报告中公布报告卡。相对于商定的参考条件，测量一个地点的整体健康状况（Bunn 等，2010）。许多地方议会利用EHMP的结果来指导他们如何保护他们的河流。

下布里斯班河流域城市河流的健康状况普遍较差。在2013年的EHMP报告中，包括BCNC子流域在内的布里斯班下游集水区在2012年从D 级降低了D-级，但是从前六年的F级升高（www.healthywaterways.org）。虽然EHMP健康指标有助于确定最可能的压力因素，EHMP承认“压力的显着迹象”，特别是在城市地区，但EHMP在计算报告卡成绩时并未考虑压力因素。

有效管理城市河流健康需要理解健康指标之间、压力源之间以及两者之间的相互关系。实现这样的理解需要一个包含健康和压力指标的分析框架。我们在下文介绍这样一个框架。

1.3评估流场的相对性能

我们使用现场工作生成河流健康指标，并使用地理信息系统技术在河流地点生成胁迫指标。我们将DEA应用于两组指标，以产生健康指数和压力指数。根据这些指标创建的最佳实践生态绩效前沿用于根据最佳实践对每个网站的绩效进行基准测试。我们用支配者分析来增加DEA，以便为每个站点确定一组表现出优越生态表现的角色模型站点。多米诺骨牌不一定具有生态效率，但它们比拥有相同或较小压力的主导地点更健康。一项调查支配者可以导致发现未包含在DEA模型中的重要因素。

DEA在与类似情况比较时特别有用，BCNC子流域内的地点具有相对均匀的环境特征（气候，地形，土壤，地质和自然植被），并被包含在布里斯班下游的流域中，它们都可以被归类作为退化。

作为绩效评估工具，DEA有四个值得注意的优点：（1）在评估场址时，它既考虑了河流健康状况，又考虑了压力因素；（2）它结合了多个健康指标和以自己的单位衡量的多重压力指标；（3）对每个场地的评估与样本中所有其他场地的表现相关，而不是EHMP采用的商定参考条件；（4）作为一个线性规划，DEA既有原始公式也有对偶公式，并且双重公式为索引构建创建了内生权重，并为每个地点的特定压力指标计算河流健康的弹性。因此，虽然BCNC的健康状况一般很差，但DEA可以区分采样地点的健康状况不佳程度，并且可以将不健康状况与采样地点的特定压力指标联系起来。内部确定的一个地点的体重情况揭示其相对的生态优势和弱点，并为基础过程提供线索。

DEA和支配者分析可以通过协助已经实施的康复项目的适应性管理（Wenger 等，2009）和主动管理来确定哪些流域和站点是未来康复的优先事项来补充系统规划（Hermoso 等，2012）。

本文展开如下。在第2节和第3节中，我们解释了我们如何创建了我们的数据集。在第4节中，我们使用外生和内生权重对比指数构建。在第5节中，我们介绍DEA和支配者分析，这些分析构建健康状况，压力和绩效指数，计算反应弹性，并确定每个场所的角色模型。第6节包含我们的实证结果和讨论，第7节结束。

2.数据收集

本研究中使用的数据是通过现场工作和GIS技术生成的。

2.1调查收集

位于布里斯班河下游的首府布里斯班是SEQ的主要人口中心，大布里斯班地区约有200万人口，该地区约有300万人口。人口增长仍然是SEQ流的流健康可持续性的主要威胁之一。

在2010年4月的雨季后期，在布里斯班河下游BCNC分流域的30个地点收集了河流健康数据（大型无脊椎动物和水质）。选择的地点包括一系列总水平——流域不透水的土地覆盖和相关的雨水渠和管道，以及覆盖范围内的一系列树木、草地和不透水的河岸土地覆盖。 选址的另一个目标是包括嵌套地点和纵向连接地点，覆盖BCNC子流域的广泛组成部分。 出于显而易见的访问原因，完全在地下的地点不能包含在内。

考虑了反映河流、河岸和流域过程的健康指标，这些指标可能表明由于不同尺度的压力因素造成的差异。大型无脊椎动物指标与达到流域尺度的河岸状况以及更广泛的流域过程相关联，溶解氧和温度与达到流域尺度的河流相比更加强烈，这是一种条件，而不是更广泛的流域过程，而pH和电导率与更广泛的集水过程最为相关（Bunn 等，2010;Walsh 等，2005b）。

2.2.GIS

GIS技术被用于确定不同土地覆盖配置的人口密度和土地覆盖指标。在BCNC等高度城市化的集水区，许多河流都在地下管道或流经道路，因此不能简单地连接在水面上。因此，为了建立融合地面和管道流的连通流网络，有必要通过将管道流作为表面流来处理来构建一个人工表面流网络。

我们的研究旨在通过调查树木和全部（树和草）植被覆盖，不透水表面和雨水管道的空间影响，调查河岸带在城市河流健康中的作用。我们考虑三个空间尺度：（1）到达尺度是距离流向上游200米距离的水流30 m的区域；（2）当地规模为一个地点各个方向上方数百米范围内的地区；（3）流域规模是一个地点上游的总流域面积。图1说明了我们使用的空间尺度和土地覆盖配置。它们的范围从非空间或集总度量到空间显式度量，如反距离加权（IDW）度量和面积缓冲度量。

3.数据预处理

30个站点的样本施加了一定程度的自由限制，这又需要最小限度的信息变量列表。我们的第一个屏幕是压力源对河流健康指标展现的解释力。我们的第二个屏幕是跨网站的变化；只有在流量健康指标表现出可以通过土地覆盖指标进行解释的大量变化的情况下才包括河流健康指标。我们的第三个屏幕要求河流健康指标包含一个宏观反应速率指标和一个水质指标，以及土地覆盖/土地利用指标包含一个度量来代表三个空间尺度的每一个。

通过对9个河流健康指标和20个土地覆被/土地利用变量的初步分析，为每个河流健康指标制定了一套先验模型。根据学生t检验选择模型的候选解释变量（ple;0.2）。使用广义最小二乘函数拟合模型，并使用最大似然估计参数。具有最低Akaike信息准则统计量的模型被认为是“最佳”模型，如果没有模型明确表示最好，则推断基于模型平均参数估计。这些统计程序指导选择河流健康的最重要的前规划指标。

选择的两个河流健康指标是一个大型无脊椎动物指标（SIGNAL2，一种基于其对污染的耐受性给予水生无脊椎动物家族评分的指数，分数从最宽容的1到最低宽容的10，Chessman，2003）和物理/化学指标（温度范围，摄氏温度范围内的水温）。额外的物理/化学健康指标在（Millington，2014）中可以找到用于创建这个主要数据集的GIS技术细节。（最高温度）变化不大，对所选土地覆盖度量（电导率，溶解氧）的变化没有显着响应，或在所有地点（氢浓度，pH）保持在健康范围内。

选择的三种土地覆盖/土地利用指标包括：（1）EucDisSite，一种不透水表面的地方尺度度量，它使用欧几里得IDW函数使土地覆盖更接近场地，以反映其对流域生态系统健康和生境的更强影响（格雷戈里等，1991）；（2）PopDen是一种基于人口普查的人口密度流域尺度衡量指标在一个地区的集水区域内，所有5mtimes;5m的单元都具有相同的权重；（3）TreeReaRip树覆盖的到达尺度度量，指定为具有距离加权函数的区域缓冲区，该区域缓冲区的权重等于200米上游河岸缓冲区内的所有单元，同时给缓冲区外的所有单元赋予零权重（Van Sickle和Johnson，2008;King等，2005）。

PopDen是SIGNAL2和temprange最重要的流域尺度指标，EucDisSite是SIGNAL2唯一重要的局部尺度指标，TreeReaRip是SIGNAL2和temprange的重要覆盖指标。PopDen可以作为其他土地覆盖指标的替代指标，如雨水管道的范围，但由于它是流域规模指标，在数据支持最多的情况下，它很可能捕捉到与人口增加相关的其他因素。PopDen和EucDisSite与系统规划文献中提到的社会经济约束是分不开的（Hermoso 等，2012）。

考虑土地覆盖对生态系统健康影响的传统方式

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