生態(tài)護坡的動態(tài)綜合評價和方案優(yōu)選

黃明逸，朱成立，吳玉柏，金 秋

(1. 河海大學水利水電學院，南京 210098；2.江蘇省水利科學研究院，南京 210017)

隨著對河道的生態(tài)、文化、景觀等功能的關注逐漸增加，我國的生態(tài)護坡技術研究也得到了快速的發(fā)展。生態(tài)護坡技術作為新興的研究對象，包含了結構力學、水利工程學、生態(tài)學、景觀學等多門學科的內容。相對于傳統(tǒng)護坡技術，生態(tài)護坡技術意在保證護坡基本要求的基礎上建立起一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，通過利用生態(tài)系統(tǒng)的相互協(xié)調、物質與能量交換及自我恢復等功能，來加強護坡的整體穩(wěn)定性，減少水土流失，保護地表水和地下水，改善河流環(huán)境，提高景觀觀賞度。目前國內工程應用中較成熟的生態(tài)護坡模式很多，如石籠擋墻、三維土工網墊護坡、復合植被護坡、生態(tài)混凝土護坡等，生態(tài)護坡已經成為河道護坡設計的主流選擇。

生態(tài)護坡與傳統(tǒng)護坡相比有著很多的優(yōu)點，然而這些優(yōu)點大部分只能作為定性的分析，很難得出明確的判斷。目前國內外對生態(tài)護坡綜合評價和方案優(yōu)選有一定的研究，但并沒有統(tǒng)一的評價體系和決策方法，河道工程中規(guī)劃生態(tài)護坡模式時難免做出失準的判斷，使得生態(tài)護坡無法發(fā)揮全方位的優(yōu)勢和作用，甚至在不少實際工程中，由于缺乏對生態(tài)護坡方案的科學評價和分析，導致了工程運行后發(fā)生護坡坍塌、生態(tài)環(huán)境惡化等問題。隨著在河道整治工程中對生態(tài)護坡技術越來越頻繁的應用，研究用于生態(tài)護坡工程評價和方案決策的方法具有良好的實際應用性，同時對我國生態(tài)環(huán)境的建設有積極的促進作用。

目前國內的學者進行生態(tài)護坡評價和方案優(yōu)選時較多采用多層次分析法[1]，TOPSIS法[2]，模糊綜合評判法[3]等，基本的研究思路是：建立生態(tài)護坡的評價指標；計算相關權重；將指標的屬性值實數化、規(guī)范化；數據集成進行綜合比較、排序。然而這些方法通常局限于靜態(tài)尤其是在護坡正常運行狀態(tài)下，但決策者在評價過程中應該全面連續(xù)地看待問題，根據多個時間段的信息在所處階段中的不同特征進行綜合評估。從生態(tài)護坡的特性看來，決策者必須重視水域水境的易變性、流動性和隨機性的特點，表現(xiàn)為流量、水位和水量的水文周期變化和隨機變化[4]，同時植被的生長發(fā)育也受著極大的時空變化限制，護坡生態(tài)系統(tǒng)受到限制后將劇烈影響護坡的整體性能。所以筆者嘗試以動態(tài)的思維，結合灰色關聯(lián)分析法來研究生態(tài)護坡工程的評價和方案優(yōu)選。

1 研究方法

1.1 評價指標體系

生態(tài)護坡工程的評價是全面的、復雜的，需要結合工程實踐，評價指標體系應符合科學性、系統(tǒng)性、層次性、定量與定性相結合、獨立性、可操作性、可預測性原則[5]。層次分析法能把復雜系統(tǒng)中的每個因素歸納到相互關聯(lián)的有序層次，結合兩兩比較相對重要性的判斷矩陣計算來確定各個指標的權重系數，通過層次結構將定量分析與定性判斷結合，使系統(tǒng)條理化[6]。運用層次分析法，擬定“基本要求”、“生態(tài)功能”、“生態(tài)特性”、“建設成本”4個準則及14個指標作為生態(tài)護坡綜合評價體系(見表1)。

生態(tài)護坡工程作為一個水陸交叉作用、工程與生物相結合的復雜系統(tǒng)，無論是從工程設計，還是生態(tài)環(huán)境角度，應當考慮到河道水位升降變化和不同降水條件下對護坡的沖刷以及對生態(tài)生長環(huán)境的限制，還有生態(tài)系統(tǒng)因生物生長死亡、自然演替所呈現(xiàn)出的不同活躍程度對生態(tài)護坡工程性能的影響。根據河道水位變化的水文特征和生態(tài)演替的季節(jié)性，將生態(tài)護坡工程運行情況分為6個時期進行評估(見表2)。

表1 生態(tài)護坡評價的指標體系Tab.1 Evaluation index system of ecological revetment

1.2 灰色關聯(lián)分析法

灰色系統(tǒng)理論是國內學者鄧聚龍教授在1982年提出的新興理論，被用于對信息不完全的系統(tǒng)的預測、決策、控制等。灰色關聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的重要組成部分，屬于新的多因素分析方法，其主要借助灰色關聯(lián)度模型對系統(tǒng)動態(tài)過程進行量化分析，是一種定性與定量相結合的分析方法[7]。生態(tài)護坡工程作為一個相對復雜的動態(tài)生態(tài)系統(tǒng)，很難了解其包含的全部信息，通過灰色關聯(lián)分析可以使評價體系模式化、規(guī)范化，并對各因素進行整體比較，提高了評估的科學性和準確性。

根據評價指標體系和評價時間段，本文選擇矩陣灰色關聯(lián)分析模型進行數據集成。設Xij(k)為k方案在不同時間段不同指標的屬性值矩陣。

(1)

式中：xij(k)表示方案k的i指標在j時段的屬性值。

通過矩陣模型可以將所有方案各個時間段的評價指標屬性集合到一起(見圖1)，使復雜的計算簡便化，進而綜合地分析方案的優(yōu)劣程度。

圖1 矩陣幾何表達Fig.1 Matrix geometry expression

1.3 評價步驟

第一步，確定指標與時段的權重系數ωi和φj，對各時段的評價指標進行評分。邀請業(yè)內和當地的水利、環(huán)境、生態(tài)等方面的專家進行問卷調查，結合層次分析法中的判斷矩陣，對評價體系中4個準則、14個指標和6個時段的相對重要性分別做兩兩比較判斷，求解每個專家給出的判斷矩陣，綜合后可得各指標與時段的權重系數[8]。同時針對基本要求、生態(tài)特性和生態(tài)功能3個準則層中難以量化的指標，采取專家評分法，對這些定性的指標從0到10打分，性能越好，分值越高。

第二步，指標屬性值規(guī)范化。體系中的指標屬性值通過專家評分后已經全部化為實數，但是不同的量綱和數量級會使評價變得復雜，所以需對這些屬性值進行規(guī)范化處理，方法[9]如下。

(1)成本型指標規(guī)范化：

(2)

(2)效益型指標規(guī)范化：

(3)

(3)區(qū)間型指標規(guī)范化：

(4)

式中：zij(k)為屬性值xij(k)規(guī)范化后的數值，x′ij(k)和x″ij(k)為區(qū)間范圍的屬性值。

第三步，得出各方案規(guī)范矩陣，接著確定正理想方案矩陣Z+ij和負理想矩陣方案Z-ij。

(6)

其中正理想方案指各時間段中每個指標都最優(yōu)的理想方案，由所有備選方案中不同時間段不同指標的最大屬性值構成，其矩陣數值為z+ij=maxkzij(k)，負理想方案指各時間段中每個指標都最差的理想方案，由所有備選方案中不同時間段不同指標的最小屬性值構成，其矩陣數值為z-ij=minkzij(k)。

第四步，計算決策方案與正負理想方案的關聯(lián)度系數，加權后得到各方案的關聯(lián)度。

ε+ij(k)=

(7)

ε-ij(k)=

(8)

(10)

式中：ε+ij(k)和ε-ij(k)為正負關聯(lián)度系數矩陣；ρ為分辨系數，一般取0.5；γ+(k)和γ-(k)為正負關聯(lián)度，用于表示備選方案與正負理想方案的接近性程度；φj=(φ1,φ2,…,φ6)為各時間段的權重；ωi=(ω1,ω2,…,ω14)為各指標的權重。

第五步，建立優(yōu)化函數，計算各方案優(yōu)屬度，確定方案排序。

設：minF(u)=[(1-uk)γ+(k)]2+[ukγ-(k)]2

uk表示k方案隸屬于正理想方案的程度，uk值越大，方案越優(yōu)；反之，uk值越小，方案越差。通過uk值的比較，可完成各方案的優(yōu)劣性評價及決策。

2 實例應用

2.1 實例概況

選取淮安市清河區(qū)古淮河生態(tài)公園段(南昌路至安瀾路段右岸)作為實例研究對象，該段為淮安市黃河故道下段整治工程的規(guī)劃重點。黃河故道下段整治工程致力于將淮安市黃河故道打造成為生態(tài)綠色走廊，充分發(fā)揮黃河故道防洪、排澇及灌溉等方面的綜合開發(fā)治理效益，保障沿線人口的生命財產安全，提升水生態(tài)環(huán)境。結合黃河故道整治工程與古淮河生態(tài)公園建設，該段的治理目標是防洪、排澇、生態(tài)健康、景觀和親水等。

2.2 設計條件

黃河故道屬游蕩性河道，其河槽絕大部分是淤積河槽，河床擺動性大?；窗簿硟赛S河故道起于楊莊閘，至漣水縣石湖鎮(zhèn)。地方多年平均降水量945.7 mm,降水量年際變化幅度較大。實例段河道最高水位為10.1 m，最低水位為5.83 m，多年平均水位為7.80 m。其設計防洪標準為20年一遇，河道的設計流量為500 m3/s。該段原始邊坡較陡，以沙壤土和粉沙為主，總體上透水性較強，邊坡穩(wěn)定性較差，沖溝發(fā)育明顯。河道兩岸周圍原始植被稀少，綠化程度較低。

2.3 備選方案

方案1：木樁結合草皮護坡(常水位以下打設木樁，樁頂至堤頂采用草皮護坡，堤頂栽種喬灌木)；方案2：格賓網石籠護坡(常水位以下至河底采用格賓防護，格賓網內填充石塊和土壤，網格頂部以上依次栽種水生植物、草皮和喬灌木)；方案3：混凝土空心預制塊護坡(采用混凝土空心預制塊相互銜接使護坡形成整體，預制塊的空心孔洞內栽種各類適宜植被)。

2.4 專家調查和評價分析

邀請了江蘇省及淮安市的五名省級、地方水利專家，結合工程情況，對評價指標和不同時間段的兩兩相互重要性做出判斷，通過層次分析法，求解這些判斷矩陣并驗證一致性后得到各指標和時間段的權重系數：指標權重為(0.118，0.142，0.09，0.082，0.056，0.07，0.093,0.052,0.039,0.04,0.068,0.061,0.043，0.046)，從專家偏好中可看出基本要求和生態(tài)功能兩個準則層相對更重要，其中結構穩(wěn)定、基礎功能、景觀功能、協(xié)調功能、系統(tǒng)整體性、建設費用占所在準則層中較大比重。時段權重為(0.415,0.374,0.062,0.058,0.049,0.042)，可看出護坡處于正常運行期的情況較重要，生態(tài)系統(tǒng)活躍時期比休眠時期所占權重更大。

對于不可直接量化的指標，由專家進行評分，結合定量指標規(guī)范化后得到方案的動態(tài)決策矩陣Zij(k):

由3個方案的動態(tài)矩陣可看出：木樁草皮護坡各指標屬性比較普通，綜合性能一般，受環(huán)境變動影響??；格賓網護坡在不同運行情況下能保持較好的護坡整體性能，但是需要較大的投資；混凝土預制塊護坡投資較小，工程穩(wěn)定性能良好，但生態(tài)性能較差，環(huán)境適應力弱。

按照評價步驟提取正負理想方案矩陣，計算關聯(lián)度系數加權后得到3個方案的關聯(lián)度，計算結果如表3所示。

表3 關聯(lián)度和優(yōu)屬度計算結果Tab.3 Correlation degree and membership degree calculation results

由優(yōu)屬度可知格賓網石籠護坡是該段河道整治工程的最優(yōu)方案，其次是木樁結合草皮護坡和混凝土空心預制塊護坡，評價結果與實際工程情況相符合。

3 結 語

(1)用4個準則及14個指標對河道生態(tài)護坡進行評價，評價體系相當全面，基本覆蓋了生態(tài)護坡綜合評價的所有范圍，各指標內容清晰明確，相互無重復，合理地反映了生態(tài)護坡的各方面屬性，同時引入層次分析法和專家評分法來計算各個指標的權重系數，是一套科學、高效率的評價體系。

(2)本文提出的方法將生態(tài)護坡的綜合評價由以往的靜態(tài)評估改進為不同時間段的動態(tài)評估，充分考慮到生態(tài)護坡所處環(huán)境的變動性，鑒于不同水文情況對護坡和生態(tài)系統(tǒng)的影響以及生態(tài)系統(tǒng)自身演替的周期性，劃分了6個相應的評價時間段，涵蓋河道生態(tài)護坡在長期運行過程中可能遇到的各種工程情況，豐富了生態(tài)護坡綜合評價的深度和廣度。

(3)本文采用灰色關聯(lián)分析法進行數據的集成和分析，建立了方案屬性、評價指標和評價時間段的三維矩陣模型，通過計算關聯(lián)度和優(yōu)屬度完成方案的優(yōu)選。從實例應用中分析得出，基礎功能、結構穩(wěn)定、水土保持、景觀功能、協(xié)調功能、整體系統(tǒng)性6個指標占較大比重，權重系數分別為0.118、0.142、0.09、0.082、0.093、0.068。護坡處于正常運行情況的重要性較大，平水年生態(tài)活躍期和休眠期的權重分別為0.415和0.374。黃河故道整治工程中3個護坡模式方案的優(yōu)屬度分別為0.585、0.710和0.454，格賓網石籠護坡的優(yōu)屬度最大，為最優(yōu)方案。

(4)通過實例應用看出，評價的過程和結果都客觀地反映了具體工程的實際情況，表示此評價體系和方法有合理的可行性。但此方法也有一些需改進的地方，評價體系中可探索更多具有代表性的定量指標，減少量化指標所引起的信息丟失；專家評分時可引入模糊語言的決策方法[10]，使專家的經驗知識得到充分利用；在計算過程中可利用計算機軟件編制計算程序，便于計算更提高結果的準確性。

□

[1] 夏繼紅,嚴忠民，蔣傳豐.河岸帶生態(tài)系統(tǒng)綜合評價指標體系研究[J].水科學進展，2005，16(3):345-348.

[2] 許士國，石瑞花，黃保國，等.平原河道生態(tài)護坡工程評價和方案決策方法[J].水利學報，2008，39(3):325-331.

[3] 余海龍，顧 衛(wèi).高速公路邊坡生態(tài)護坡效果定量評價研究[J].水土保持通報，2011,31(1)：203-206.

[4] 董哲仁.試論生態(tài)水利工程的基本設計原則[J].水利學報，2004，(10)：1-6.

[5] 王梅婷，徐得潛，陳 凱.城市河道生態(tài)護坡綜合評價指標體系研究[J].水土保持通報，2011,31(1)：198-202.

[6] 夏繼紅.生態(tài)河岸綜合評價理論與應用研究[D].南京：河海大學，2005.

[7] 孫玉剛.灰色關聯(lián)分析及其應用的研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[8] 鄧 雪，李家銘，曾浩健，等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數學的實踐與認識，2012,42(7)：93-100.

[9] 黨耀國，劉思峰，劉 斌，等.基于動態(tài)多指標灰色關聯(lián)決策模型的研究[J].中國工程科學，2005,7(2)：69-72.

[10] 徐澤水，達慶利.基于模糊語言評估的多屬性決策方法[J].東南大學學報，2002,32(4)：656-658.