基于主成分法的城市河道生態(tài)護坡綜合評價

王 松

(海城市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 海城 114200)

1 研究方法

1.1 評價體系

生態(tài)護坡是在滿足邊坡安全穩(wěn)定的條件下，維持生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和自我良性運行的統(tǒng)一整體[1]，必須考慮以下內(nèi)容開展綜合評價：(1)采用通航、排澇、防洪、供水等指標衡量其基本水利功能。(2)從防洪排澇、抗沖刷能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等角度評價護坡安全性。(3)通過水環(huán)境修復(fù)、涵養(yǎng)地下水源、物種多樣性、系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)等指標評價生態(tài)環(huán)境性。(4)以自然性、整體協(xié)調(diào)性、親水性等指標評價景觀適宜性。(5)根據(jù)社會公眾認可度、管理維護、工程年費用等指標評價社會經(jīng)濟效益。

根據(jù)生態(tài)護坡必須滿足水利工程的基本條件，從生態(tài)環(huán)境性、社會經(jīng)濟性、護坡安全性和景觀適宜性的角度綜合評價生態(tài)護坡[2]。本文遵循可預(yù)測性、獨立性、層次性、科學性、可操作性、系統(tǒng)性以及定性與定量結(jié)合等原則，選擇能夠反映河流生態(tài)健康的評價指標，按照梯階層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建綜合評價體系，如表1。

采用相應(yīng)的數(shù)學公式求解定量指標值，以呈線性關(guān)系的指標值與評分值獲取每個參數(shù)的分值；然后利用德爾菲法計算定性指標分值。該方法是一種普遍應(yīng)用于具體指標確定過程和評價體系構(gòu)建的主觀定性分析法[3]。德爾菲法的實現(xiàn)流程：邀請領(lǐng)域內(nèi)的專家組成評判小組，對參評指標按照專家直覺和經(jīng)驗給予評分，統(tǒng)計預(yù)測調(diào)查問卷的分布特征，并將結(jié)果反饋至專家，估計值明顯偏離平均值時邀專家適當修正；經(jīng)多次反復(fù)論證獲取符合收斂要求的分值，并以平均值作為最終的評分。

1.2 評價方法

目前，比較常用的生態(tài)護坡評價法有灰色關(guān)聯(lián)度法、模糊綜合法、主成分分析和層次分析法等[4-5]。其中，模糊綜合法主要利用隸屬度等級和多因素模糊關(guān)系，通過合成運算綜合評價待評樣本；評價分析多因素系統(tǒng)時，定量與定性相結(jié)合的層次分析法也比較常見。然而，將兩者優(yōu)點相集成的模糊層次法，通常難以明確關(guān)鍵性指標，無法客觀揭示不同因素間的相互關(guān)系。以參評因子實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的主成分分析法，主要利用多元統(tǒng)計方法對高維數(shù)據(jù)降維，從而確定關(guān)鍵性評價指標。實際上，特征向量法是主成分法計算每個因子權(quán)重的根本依據(jù)，并以相同的權(quán)重分配所有的參評樣本，其權(quán)重值具有較強主觀性且難以準確計算。本文利用客觀分析的主成分法與主觀分析的模糊層次法綜合評價生態(tài)護坡，在有效解決均一性權(quán)重可能帶來非公正性問題的同時，考慮不同參評因子間的相互關(guān)系，確保評價結(jié)果的客觀準確性。生態(tài)護坡評價流程如下。

表1 生態(tài)護坡評價體系

(1)主觀權(quán)重的計算。將各指標初始數(shù)據(jù)利用Z-Score法歸一化處理[6]，并利用模糊層次賦權(quán)模型逐項確定各個指標主觀權(quán)重。兩個因素的相對重要度利用0.1～0.9標度法衡量，設(shè)相鄰等級的中間狀態(tài)為0.2、0.4、0.6、0.8的標度值。經(jīng)一系列的轉(zhuǎn)換運算，可以構(gòu)造模糊一致矩陣，初步解決生態(tài)護坡的一致性問題。

(3)綜合評分值計算。每個主成分各自指標所對應(yīng)的系數(shù)利用主成分相對應(yīng)的特征值開平方根和主成分荷載矩陣中的數(shù)據(jù)來確定，然后確定標準化出具與特征向量的乘積值，從而獲取主成分的數(shù)學公式[7]。依據(jù)所提取主成分總的特征值之和以及每個主成分所對應(yīng)的特征值，經(jīng)數(shù)學轉(zhuǎn)化確定權(quán)重，并構(gòu)造生態(tài)護坡評價模型，其表達式如式(1)：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(1)

2 實例應(yīng)用

2.1 工程概況

本文以海城市河道治理工程為例，對3種不同生態(tài)護坡利用主成分與模糊層次相耦合的方法進行評價。目前，河道護坡有坡式、墻式兩種類型，從工程的角度上坡式較墻式護坡存在工程投資多、挖填土方量大、整體作業(yè)面積大等因素；從生態(tài)環(huán)境的角度上，坡式護坡對現(xiàn)狀地形擾動面大，在挖填方量相同的情況下，坡式護坡比墻式護坡的永久占地、臨時占地更多。根據(jù)治理河段水流速度大、比降大的特點，墻式護坡結(jié)構(gòu)型式選取要充分考慮抗沖刷的特點，因此選擇生態(tài)砌塊直立擋墻、生態(tài)混凝土護坡和多孔生態(tài)磚護坡共3種護坡進行比選。

2.2 穩(wěn)定性評價

(1)主觀權(quán)重。將定性、定量指標利用德爾菲專家調(diào)查法和相關(guān)公式計算，從而獲取初始數(shù)據(jù)；然后采用標準化公式對各初始數(shù)據(jù)進行處理，并利用模糊數(shù)學模型確定每個指標的隸屬度，建立模糊關(guān)系矩陣求解相應(yīng)的綜合權(quán)重，將權(quán)重值與打分值進行計算處理獲取最終評分值，如表2。

表2 生態(tài)護坡的加權(quán)賦分值

由表2可知，多孔生態(tài)磚護坡的維護成本和工程投資相對較低，其景觀性、生態(tài)性以及安全性相對較好；由于施工繁雜工藝技術(shù)要求較高，生態(tài)混凝土護坡具有較高的成本；較其他2種護坡的生態(tài)環(huán)境性，生態(tài)砌塊直立擋墻具有明顯優(yōu)勢，但還需進一步提高其景觀美感度和安全性。

(2)主成分的提取。借助SPSS19.0軟件和表2中的數(shù)據(jù)，通過標準化處理加權(quán)后的樣本數(shù)據(jù)求解特征值的累計方差貢獻率，并導(dǎo)出分析表，如表3。

表3 主成分提取分析表

第1、2項的特征值依次為8.681和4.323，其所對應(yīng)的方差貢獻率依次為66.756%和33.244%；所以，生態(tài)護坡評價指標可以選擇前兩項主成分，其所對應(yīng)的荷載矩陣如表4。

表4 主成分荷載矩陣

從表4可知，第1主成分中荷載較高的有公眾認可度、水環(huán)境修復(fù)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、親水性、生物多樣性指標。可見，公眾認可度、水環(huán)境修復(fù)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、親水性和生物多樣性對生態(tài)護坡評價的影響較高。

(3) 綜合評分值。采用兩個主成分的數(shù)學表達式及其對應(yīng)的特征值占比，構(gòu)造城市河道生態(tài)護坡主成分綜合模型，如式(2)：

F=λ1/(λ1+λ2)F1+λ2/(λ1+λ2)F2=

0.667F1+0.332F2

(2)

式中：F為綜合評分值；F1為主成分1的評分值;F2為主成分2的評分值；λ1為主成分1的荷載短陣特征值，λ2為主成分2的荷載短陣特征值。λ1=8.681,λ2=4.323,主成分1、主成分2的方差貢獻率為66.756%、33.244%。

河道生態(tài)護坡綜合評分值利用以上公式計算確定，并按照優(yōu)劣程度排序，如表5。

表5 生態(tài)護坡綜合評價值

從表5可以看出，綜合評價最好、最差的為多孔生態(tài)磚護坡和生態(tài)混凝土護坡，而生態(tài)砌塊直立擋墻的綜合評價結(jié)果居中。研究表明，多孔生態(tài)磚護坡不僅能夠融入城鎮(zhèn)生態(tài)、水文化、城鎮(zhèn)景觀等因素，而且可以兼顧保持水土、防洪排澇、減少沖刷等傳統(tǒng)功能，為實現(xiàn)人水和諧相處和水生態(tài)文明建設(shè)提供支持，實踐表明該護坡的生態(tài)和經(jīng)濟效果非常顯著。

為進一步探究耦合方法的可行性、適用性，將其評價結(jié)果與主成分法和模糊層次法對比分析。采用模糊層次法、主成分法和表1中的相關(guān)數(shù)據(jù)，綜合評價河道不同生態(tài)護坡，結(jié)果顯示其排序結(jié)果與耦合方法保持較好的一致性。將城市河道生態(tài)護坡利用客觀分析的主成分法與主觀分析的模糊層次法進行綜合評價，有效解決了主成分法、模糊層次法存在的問題，在規(guī)避均一性權(quán)重可能引起的非公正性問題的同時，全面考慮了不同參評因素間的差異性及相互關(guān)系，保證了評價結(jié)果的客觀真實性。此外，通過降維處理減少了綜合評價的復(fù)雜性，減少了多重相似指標的相關(guān)性，有利于準確識別關(guān)鍵性影響因子，為進一步提高和改善生態(tài)護坡的建設(shè)水平提供科學依據(jù)。

3 結(jié) 論

(1)綜合評價河道生態(tài)護坡時，要結(jié)合河道水文水質(zhì)、周邊環(huán)境、地理位置、河道類型、護坡功能，以及土壤等情況，遵循一定原則構(gòu)建評價體系。對于指標數(shù)量的要求，模糊層次法和主成分法存在一定差異：前者在較多指標賦權(quán)時存在一定困難，后者需要有一定數(shù)量的指標才能保證科學性。所以選擇指標時要綜合考慮具體情況，以此保證評價的客觀準確性。

(2)對于參評指標權(quán)重的計算，要結(jié)合各種指標特性確定相應(yīng)的量化方法。在提取參評數(shù)據(jù)時采用主成分與模糊層次相耦合的方法，首先結(jié)合各項指標的重要程度，利用模糊層次法賦予相應(yīng)的權(quán)值，然后利用主成分法識別出關(guān)鍵性因子，由此解決了主成分法評價時權(quán)重相同的問題。

(3)此外，要根據(jù)不同方法的適用性及其優(yōu)缺點，通過充分的比較分析選擇合適的方法，從而保證生態(tài)護坡評價的真實可靠性。